長玻纖聚丙烯材料在電鏈鋸?fù)鈿ど系膽?yīng)用研究

溫亮，姜朝東

（ 沙伯基礎(chǔ)（中國）研發(fā)有限公司，上海 201319 ）

0 引言

減輕重量一直是電動工具產(chǎn)品設(shè)計的重要趨勢[1]，這也給電動工具外殼材料提出了更高的要求。短玻纖增強尼龍（聚酰胺）是電動工具外殼的常用材料，尼龍含有胺基和羰基，易與水分子形成氫鍵，從而具有很強的吸濕性，而吸水后材料的性能會產(chǎn)生極大變化，這也導(dǎo)致了其在電動工具外殼生產(chǎn)中復(fù)雜的前后處理[2]，和潮濕環(huán)境中外殼的性能變化。研究表明長玻纖增強聚丙烯材料或可替換現(xiàn)有短玻纖增強尼龍[3]。但是許多電動工具如電鏈鋸（以下簡稱“鏈鋸”）等，其自身重量較大，文獻[4,5]中采用的長玻纖聚丙烯外殼遇跌落時較易破損。為達到減重的同時不降低材料性能的目的，本文提出了SABIC 公司長玻纖聚丙烯材料應(yīng)用在鏈鋸?fù)鈿さ目赡苄浴?/p>

1 概述

長玻纖維增強聚丙烯復(fù)合材料是以聚丙烯為基體，長玻纖為增強骨架的材料。由于其低密度、優(yōu)異的機械性能、耐化學(xué)性、耐濕性、密度小和低翹曲在汽車、機械等領(lǐng)域的輕量化設(shè)計中得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。對比目前鏈鋸?fù)鈿こＳ玫亩滩＠w尼龍材料，長玻纖聚丙烯具有更低的密度和價格，有助于電動工具整機減重和成本降低。長玻纖聚丙烯由于其較好的耐濕性，成型過程中不需要進行前后處理，在潮濕環(huán)境中具有穩(wěn)定的機械性能。通常，鏈鋸重量可達到4 kg 或以上，意外跌落時，承受的沖擊能量遠高于文獻[3]提及，一般的短玻纖增強尼龍較難滿足要求，故鏈鋸?fù)鈿げ牧隙嗖捎酶呖箾_短玻纖增強尼龍。上述文獻中提及的長玻纖聚丙烯難以滿足鏈鋸需求，有必要開發(fā)一種適合鏈鋸?fù)鈿さ拈L玻纖聚丙烯材料。

2 實驗

2.1 材料與樣品

實驗材料為SABIC?STAMAXTM 40-5EX-20839 長玻纖聚丙烯、SABIC?STAMAXTM 40YK710 長玻纖聚丙烯和市售高抗沖短玻纖尼龍6（簡稱PA30 %GF High impact）。本文中材料測試樣品使用FANUC S-2000i 注塑機注塑成型。

2.2 表征與測試

沖擊強度按照ISO 179-1:2010 標(biāo)準(zhǔn)要求進行。拉伸模量按照ISO 527-2:2012 在23 ℃進行。濕熱老化條件：40 ℃以及85 %濕度下放置168 h。密度按照ISO 1183-1:2012 標(biāo)準(zhǔn)要求在23 ℃進行。高速穿刺實驗按照ASTM D3763-2015 標(biāo)準(zhǔn)在0 ℃進行。收縮率使用60 mm×60 mm×2 mm 平板測量，將注塑后的平板冷卻至室溫，通過比較熔體流動方向和垂直于熔體流動方向上平板尺寸和模具尺寸差值得出。熱變形溫度按照ISO 75-1:2016 標(biāo)準(zhǔn)要求在23 ℃/1.8 Mpa 下進行。鏈鋸?fù)鈿ぢ葆斉c連接件測試和跌落測試按照GB/T 3883.1-2014 進行。落球測試為企業(yè)內(nèi)部測試標(biāo)準(zhǔn)，在0 ℃的環(huán)境溫度下用530 g 鋼球從1.3 m 的高度對產(chǎn)品最薄弱的機殼實施3 次沖擊，機殼與鋼球接觸處未見明顯破裂則通過測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 性能分析

對比用于鏈鋸?fù)鈿さ母呖箾_短玻纖尼龍（PA30 %GF High impact）、用于小型手持式電動工具的長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 與高抗沖長玻璃纖維聚丙烯40YK710 三種材料的性能結(jié)果見表1。

表1 中可知高抗沖短玻纖尼龍的拉伸模量為7 017 Mpa，長玻纖聚丙烯40-5EX-20839和40YK710 的拉伸模量分別為7 792 Mpa 和7 059 Mpa，可見長玻纖聚丙烯的拉伸模量略高。在濕熱環(huán)境中放置168 h 后，高抗沖短玻纖尼龍的拉伸模量大幅度下降至5 003 Mpa，而長玻纖聚丙烯變化很小，其值高于短纖尼龍的拉伸模量。因此,長玻纖聚丙烯耐濕性能遠高于尼龍，這表明聚丙烯材料在應(yīng)用于濕度較大的環(huán)境中具有優(yōu)勢。短玻纖尼龍正常使用時的拉伸性能應(yīng)在吸水和未吸水時的剛性之間，而長玻纖聚丙烯的拉伸模量在短玻纖尼龍吸水和未吸水的拉伸模量之間。

此外，表1 中也可發(fā)現(xiàn)高抗沖短玻纖尼龍的熱變形溫度(HDT)197 ℃遠高于長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 的156 ℃和40YK710 的149 ℃。長玻纖聚丙烯的HDT 遠高于大部分鏈鋸?fù)鈿さ哪蜏匦枰?，密度?.22 g/cm3，低于短玻纖尼龍的密度1.33 g/cm3，因此長玻纖聚丙烯材料有助于產(chǎn)品的減重。

根據(jù)對材料剛性的分析數(shù)據(jù)，長玻纖聚丙烯有可能替代高抗沖短玻纖尼龍，有利于鏈鋸?fù)鈿p重和成本降低。

表1 材料基本性能

在討論材料之間是否可以相互替代時除了分析剛性，還應(yīng)關(guān)注韌性。圖1 中列出了兩種材料在室溫（23 ℃）和低溫(0 ℃)時的沖擊性能。對于缺口沖擊（notched impact），在室溫和0 ℃時，用于小型電動工具的長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 沖擊強度低于用于鏈鋸?fù)鈿さ母呖箾_短纖尼龍，而長玻纖聚丙烯40YK710的缺口沖擊強度最高。這表明在文獻[3]中小型手持式電動工具的長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 應(yīng)用在鏈鋸?fù)鈿r存在風(fēng)險。

進一步模擬材料在使用過程中受到的跌落和外物打擊的情形，采用高速穿刺沖擊測試（MAI），以0 ℃時穿刺能量（使材料破壞需要的能量）表征材料的韌性。如圖1 所示，40-5EX-20839 的穿刺能量低于高抗沖尼龍的穿刺能量，而40YK710 的穿刺能量最高，這一趨勢與缺口沖擊強度的趨勢一致。所以無論室溫還是低溫，長玻纖聚丙烯40YK710 的韌性均好于高抗沖短玻纖尼龍。

鏈鋸?fù)鈿ぶ谱饕话悴捎米⑺芄に?，材料收縮率決定了機殼最終尺寸的穩(wěn)定性，進一步研究聚丙烯和尼龍的收縮率。圖2 中列出了長玻纖聚丙烯40-5EX-20839、40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍的收縮率。從圖2 中可知，兩種長玻纖聚丙烯在沿流動和垂直于流動方向上的收縮率非常接近。高抗沖長玻纖聚丙烯40YK710與用于鏈鋸?fù)鈿さ亩滩＠w尼龍材料在沿流動方向收縮率的差距極小，而短玻纖尼龍垂直于流動方向的收縮率為0.62 %，略大于高抗沖長玻纖聚丙烯40YK710。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，認為長玻纖聚丙烯可使用現(xiàn)有短玻纖尼龍模具完成注塑成型。同時，長玻纖聚丙烯40YK710 在兩個方向上收縮率差值僅為0.22 %，低于高抗沖短玻纖尼龍的收縮率差值。該差值用來表征產(chǎn)品翹曲，即兩個方向收縮率差值越小，產(chǎn)品翹曲則越小。

3.2 鏈鋸?fù)鈿ば阅?/h3>

為進一步確定材料是否適合用于鏈鋸?fù)鈿?，選用市場上常見的鏈鋸，使用長玻纖聚丙烯為外殼與其他部件組裝后，置于0 ℃下7 h，根據(jù)GB/T 3883.1-2014標(biāo)準(zhǔn)要求進行跌落測試，1 次跌落后，長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 出現(xiàn)明顯破裂(圖3a)，與文獻[3]中提及的跌落測試結(jié)果不同，原因在于文獻[3]中電鉆重量僅為1 kg，遠低于實驗使用的鏈鋸重量（4.9 kg），可見長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 很難用應(yīng)于鏈鋸?fù)鈿?。而長玻纖聚丙烯40YK710 在0 ℃進行3 次跌落后未見明顯開裂（圖3b）。因此判斷長玻纖聚丙烯40YK710 在抗跌落的性能上完全滿足鏈鋸的外殼要求。

除了跌落測試，鏈鋸產(chǎn)品制造商還會針對鏈鋸?fù)鈿け∪跆庍M行落球沖擊測試，將鏈鋸置于0 ℃以下7 h 后，使用質(zhì)量為530 g 的鋼球從1.3 m 砸落（圖4a），能量約為6.8 J。圖4b 可見，鏈鋸?fù)鈿の匆娒黠@破裂。因此，長玻纖聚丙烯40YK710 滿足相關(guān)要求。

電動工具外殼通常通過螺釘連接，因此螺絲的連接性能也是電動工具外殼一項重要要求。在之前的文獻[3]中，小型電鉆外殼使用ST2.2 螺釘，以0.5 N·m 扭矩進行測試。對于大型鏈鋸?fù)鈿?，一般使用ST4.8 螺釘進行連接，按照GB 3883.1-2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，施加扭矩1.2 N·m，反復(fù)擰緊10 次后扭矩必須沒有明顯降低。如圖5 所示，在反復(fù)卸下并擰緊20 次后，長玻纖聚丙烯40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍樣品上螺釘扭矩仍可維持在不低于1.2 N·m，未見明顯開裂，因此長玻纖聚丙烯40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍均可均可滿足國標(biāo)的要求。綜上，長玻纖聚丙烯40YK710 也可在鏈鋸?fù)鈿ど鲜褂寐葆斶M行連接。

4 結(jié)論

普通長玻纖聚丙烯40-5EX-20839 由于其較低的韌性很難用于鏈鋸?fù)鈿ぁΡ饶壳版滀復(fù)鈿こＳ玫母呖箾_短玻纖尼龍，長玻纖聚丙烯40YK710 具有相近的拉伸模量、在高濕度條件下剛性的保持度高，以及更高的抗沖擊強度、更低的密度和兩個方向的收縮率差值，但是該材料的熱變形溫度低于短玻纖尼龍。在實際樣件測試中，長玻纖聚丙烯40YK710 具有和短玻纖尼龍接近的耐受螺釘多次扭轉(zhuǎn)性能。因此，SABIC 公司推出的這款材料有較大潛力替代高抗沖短纖尼龍，可賦予鏈鋸?fù)鈿じp的重量和更穩(wěn)定的耐濕性能。