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物理回收PA6新突破：汽車部件應用驗證
聚酰胺（PA）力學性能優良、易加工且耐腐蝕，廣泛應用于汽車、海洋等領域。但 PA 不可生物降解，以 PA6 為基礎的廢棄漁網約占海洋廢棄塑料的 10%，造成嚴重污染。廢舊 PA 回收主要有能量回收、物理回收和化學回收三種途徑，能量回收能效低、碳排放高，化學回收成本高難推廣，物理回收雖應用最廣，但再生產品質量和附加值偏低，需添加新料及助劑提升性能。
汽車導流罩支架多采用沖壓鋼板或鑄鋁等金屬材質，為實現輕量化，本文提出復合材料方案：通過物理共混將消費后聚酰胺（PCR‐PA6）與新料聚酰胺（VPA6）按不同比例混合、熔融、擠出、切粒，測試分析材料性能變化，篩選適配配比并驗證，為 PCR‐PA6 在汽車產品中的再利用提供可行方案和數據支撐。
1
實驗部分
1.1
主要原料
PA6，HY‐2500A，江蘇海陽化纖有限公司；
PCR‐PA6，L.B.NLB007A，阜寧錦宇塑業有限公司；
玻璃纖維，T435，泰山玻璃纖維有限公司；
抗氧劑，受阻酚類抗氧劑和亞磷酸酯類 1098 和 168 混合物，市售；
紫外線吸收劑和光穩定劑，苯并三唑類 UV‐234 和受阻胺類 UV‐944 混合物，市售；
脫模劑，乙烯‐丙烯酸共聚物 AC‐540A，美國霍尼韋爾公司。
1.2
主要設備及儀器
雙螺桿擠出機，TE65，南京科亞公司；
塑料注塑機，HTF90 W1，寧波海天塑機集團有限公司；
拉力試驗機，LJ 系列，河北承德試驗機總廠；
擺錘沖擊試驗機，HIT25P，Zwick 公司；
熱變形維卡測定儀，40‐197‐100，COESFELD 公司；
差示掃描量熱儀（DSC），DSC3，METTLER TOLEDO 公司；
步入式溫濕度試驗箱，AZTH9U，上海增達科技股份有限公司；
高溫試驗箱，AZHEAT3，上海增達科技股份有限公司；
氘燈老化試驗機，Ci4400，美國 ATLAS 公司；標準光源箱，Judge QC，美國愛色麗公司。
1.3
樣品制備
將 VPA6、PCR‐PA6 和改性助劑按照質量份比例混合均勻加入雙螺桿擠出機主喂料口，將玻璃纖維按照質量份比例加入側喂料口，經熔融共混擠出造粒制得分別為 0 %、10 %、20 %、30 %、50 %、67.5 % 6 種再生含量的 30 % 玻璃纖維增強 PA6 基復合材料（PA6‐GF30）改性塑料粒子。將 PA6‐GF30 改性塑料粒子在 100 ℃下干燥 4 h 后，倒入注塑機中注塑成測試樣條，1~3 段溫度設定為 225、260、270 ℃，模具溫度為 100 ℃，注塑壓力為 100~160 MPa。6 種混合再生材料基礎配方如表 1 所示。
1.4
性能測試與結構表征
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結果與討論
02
2.1
拉伸性能分析
從圖 1 可以看出，PCR‐PA6 含量為 0 時（配比 A），材料拉伸強度為 189 MPa，拉伸模量為 9980 MPa，斷裂延伸率為 3.3 %。隨著 PCR‐PA6 含量提升，材料拉伸力學性能整體呈現下降趨勢，當 PCR‐PA6 含量不超過 20 % 時，材料性能較新料變化相對不大。當添加比例超過 30 % 時，材料拉伸力學性能下降明顯，如 PCR‐PA6 含量為 67.5 % 時（配比 F），即改性塑料中塑料基體全部為 PCR 材質，此時材料拉伸強度為 161 MPa，拉伸模量為 9460 MPa，斷裂延伸率為 2.8 %，相比配比 A，拉伸強度下降 14.81 %，拉伸模量下降 5.21 %，斷裂延伸率下降 15.15 %，這主要是由于 PCR‐PA6 在服役期間使用、承載及光、熱、水、氧等自然因素作用下，產生復雜的降解、交聯等老化反應，材料綜合性能下降，隨 PCR‐PA6 添加含量提高影響更為明顯。
相對而言，材料的拉伸強度和斷裂伸長率下降較多，而拉伸模量下降較少，這可能是由于改性塑料中玻璃纖維添加比例和取向，以及玻璃纖維和塑料基體界面結合力對材料彈性模量起到主導作用導致的。
圖1 PCR‐PA6含量對PA6‐GF30拉伸性能的影響
2.2
彎曲性能分析
從圖 2 可以看出，PCR‐PA6 含量為 0 時（配比 A），材料彎曲強度為 259 MPa，彎曲模量為 8530 MPa。隨著 PCR‐PA6 含量提升，材料彎曲強度呈現下降趨勢，理論上材料彎曲模量也應呈下降趨勢，但測試數據顯示出現先下降后升高現象，PCR‐PA6 含量為 30 %（配比 D）時，材料彎曲模量最低，相比配比 A 下降僅有 1.99 %，考慮此性能偏差可能是在造粒、注塑或檢測環節存在波動導致的。當 PCR‐PA6 含量為 67.5 %（配比 F）時，材料彎曲強度為 221 MPa，彎曲模量為 8480 MPa，相比配比 A，彎曲強度下降 14.67 %，彎曲模量下降 0.59 %。
圖 2 PCR‐PA6 含量對 PA6‐GF30 彎曲性能的影響
2.3
沖擊性能分析
抗沖擊作為評價塑料韌性的核心檢測手段，被用于度量材料在高速撞擊狀態下對斷裂的抵抗能力，能夠為汽車在經受沖擊載荷工況時的失效原因提供分析依據 [16]。從圖 3 可以看出，PCR‐PA6 含量為 0 時（配比 A），材料簡支梁缺口沖擊強度為 12 kJ/m2，低溫簡支梁缺口沖擊強度為 9.4 kJ/m2。隨著 PCR‐PA6 含量提升，材料沖擊性能整體呈現下降趨勢，當 PCR‐PA6 含量不超過 20 % 時，材料性能較新料變化相對不大，例如配比 C 時材料簡支梁缺口沖擊強度和低溫簡支梁缺口沖擊強度分別為 12 kJ/m2 和 9 kJ/m2，相比配比 A，簡支梁缺口沖擊強度不變，低溫簡支梁缺口沖擊強度下降 4.26 %。而當 PCR‐PA6 含量為 67.5 % 時（配比 F），簡支梁缺口沖擊強度為 9 kJ/m2，低溫簡支梁缺口沖擊強度為 6.6 kJ/m2，相比配比 A，簡支梁缺口沖擊強度下降 25.00 %，低溫簡支梁缺口沖擊強度下降 29.79 %，下降明顯。
圖 3 PCR‐PA6 含量對 PA6‐GF30 沖擊性能的影響
2.4
熱性能分析
從圖 4 可以看出，隨著 PCR‐PA6 含量提升，材料熱性能變化不大，PCR‐PA6 含量為 0 時（配比 A），材料熔點和熱變形溫度分別為 221 ℃和 205 ℃，PCR‐PA6 含量為 67.5 % 時（配比 F），材料熔點和熱變形溫度分別為 220 ℃和 202 ℃，下降比例分別為 1.46 % 和 0.45 %，可以看出 PCR‐PA6 的加入對 PA6‐GF30 改性塑料的熔點和熱變形溫度影響不大。
圖 4 PCR‐PA6 含量對 PA6‐GF30 熱性能的影響
2.5
零件設計與仿真分析
由于再生塑料的加入，導致材料性能下降，需要加入改良助劑進行改性，但過量助劑會增加材料成本，因此應根據實際使用需求選用合適的 PCR 塑料配比。根據汽車導流罩支架性能相關標準，選用含有 20 % PCR‐PA6 的 PA6‐GF30 再生塑料作為原料，開展結構設計并通過 hypermesh 軟件進行有限元建模，如圖 5 所示。
圖5 導流罩支架結構及有限元模型
結構含有 4 個螺栓裝配點，內嵌有鋼制襯套，通過螺栓裝配實現導流罩與駕駛室車身連接。采用 6×6 殼單元網格劃分，螺栓連接部位采用 bolt 連接方式，該模型共計單元 524 萬個。對模型各部位賦予材料屬性，并根據設計要求進行加載和約束設定，開展 CAE 強度仿真分析，應力分布如圖 6 所示。
圖6 CAE強度有限元分析結果
根據仿真分析結果可知，緊急制動、橫向沖擊、橫向轉彎和 ESC 工況條件下導流罩支架的最大應力分別為 1.9、3.3、2.7、15.3 MPa，滿足設計要求。
2.6
零件性能分析
采用上述材料和方案制備導流罩支架樣件，并進行低溫沖擊、耐高溫、耐低溫、耐冷熱交變、耐化學介質、耐光老化等試驗，試驗結果顯示均滿足設計要求，如表 2 所示。
表 2 導流罩支架零件性能實驗結果
2.7
搭載整車性能分析
將兩個導流罩支架樣件左右對稱安裝在某重卡車型上，一端通過兩個 M8 螺栓固定在駕駛室車身，另一端通過兩個 M8 螺栓固定在導流罩上，如圖 7 所示。
圖 7 導流罩支架樣件裝車
將車輛加載至設計要求載荷 49000 kg，在襄陽試驗場開展綜合路耐久試驗，試驗過程包含石塊、卵石、扭曲路、搓板路和連接路，各路面長度和比例如表 3 所示。車輛沿連接路進入綜合路，以 50 km/h 行駛至接近卵石路時，制動減速至 20 km/h，勻速通過卵石路。加速到 40 km/h，接近扭曲路時制動減速至 10 km/h，以 8~10 km/h 通過扭曲路。加速以 50~60 km/h 初速度進入帶角度搓板路，加速通過后，再以 60~70 km/h 的初速度進入錯位搓板路，松油門通過。接近卵石路時制動減速至 20 km/h，以 20 km/h 速度再次通過卵石路，加速至 40 km/h，當接近扭曲路時，制動減速至 10 km/h，以 8~10 km/h 再次通過扭曲路，然后進入石塊路，彎道 20 km/h，直道 25 km/h，以上是一個循環。經過 7500 km 綜合路試驗驗證，結果表明導流罩支架外觀良好，無明顯缺陷，可以滿足使用壽命要求。
表 3 各路段長度和比例
結論
03
(1) 隨著再生聚己內酰胺（PCR‐PA6）含量的提升，30 % 玻璃纖維增強聚己內酰胺基復合材料（PA6‐GF30）的各項性能整體呈現下降趨勢，相對而言 PCR‐PA6 占比不超過 20 % 時材料性能變化較小。從材料性能角度看，材料拉伸強度、斷裂延伸率、彎曲強度、沖擊強度下降幅度較為明顯，材料拉伸模量、彎曲模量、熔點和熱變形溫度下降幅度較小；
(2) 選用含有 20 % PCR‐PA6 的 PA6‐GF30 材料制備導流罩支架樣件，經過零部件和整車實驗驗證，滿足性能要求。說明 PCR‐PA6 改性后具備應用于汽車部件的可行性，為 PA6 循環再利用提供應用場景和參考。
