降噪 PC／ABS 在汽车仪表板部件上的应用

摘要

塑料零件在受到挤压摩擦时，容易发生粘滑现象，从而产生异响，目前汽车行业普遍采用的涂抹润滑油、消音水、粘贴无纺布类毛毡等措施增加了产品的生产周期与成本。针对上述情况，并基于吉利汽车标准，通过添加热塑性聚酯弹性体 (TPEE) 与聚碳酸酯／丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料 (PC／ABS) 共混改性，研发出了一款具有优异降噪功能的 PC／ABS 材料，对比了降噪 PC／ABS 与普通 PC／ABS 的常规性能和降噪性能。结果表明，与普通 PC／ABS 相比，降噪 PC／ABS 的力学性能略有降低但保持了良好的耐刮擦性能、耐化学药品性以及耐光老化性能，而且具有更低的响度、更小的振动加速度以及更低的异响风险系数值，最终成功应用在多个车型的仪表板部件上，实现国产降噪材料的成功量产。

关键词：异响；聚碳酸酯／丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料；降噪；汽车仪表板

作者：陈磊 1，史晓莹 2，周中玉 2，程发祥 1

1、吉利汽车研究院 ( 宁波 ) 有限公司，浙江宁波

2. 上海锦湖日丽塑料有限公司，上海

聚碳酸酯(PC)／丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金具有易加工、韧性好、耐应力开裂、耐候性好等优点，广泛应用于汽车及其它行业[1–3]。但是，使用PC／ABS材料的零件在发动机行驶振动或受到外力挤压作用时，容易产生“吱吱”的异响声。这种异响声可能来自于塑料制件之间的摩擦，也可能来自塑料件与皮革件、电镀件等之间的摩擦[4]。零件受到外力时，发生了粘滑现象，塑料件由相粘的静摩擦状态转变为滑动接触，并且此过程有能量释放，粘滑循环发生导致材料振动产生异响[5–6]。

阻尼性能是指固体机械振动能转变为热能的能力，主要用于振动和噪声控制[7–9]。材料的阻尼性能越好，说明摩擦功转化为内能越多，材料异响越小。高分子材料的阻尼作用机理与其自身的动态松弛性质有关。当高分子材料受到交变应力的作用时，由于链段运动时受到内摩擦作用，形变通常落后于应力的变化，产生一个相位差滞后角，这种现象称为滞后现象[10–12]。由阻尼产生的机理可知，能够增大分子内摩擦的因素便可提高材料的阻尼性能。

吉利汽车通过易产生异响的零部件研究发现，容易产生异响的主要原因见表1。

现阶段，主机厂主要是通过在接触部位增加毛毡阻隔、涂覆润滑油、使用橡胶衬垫等措施解决制件的摩擦异响[13–17]，但是这不仅增加了人工成本，而且延长了产品的生产周期。因此，降噪改性成为了塑料改性厂商关注的焦点[17]。余朦山等[18]通过引入马来酸酐接枝的聚氨酯树脂对ABS进行共混改性获得了高阻尼降噪材料；J.Rojsatean等[19]发现乙撑双硬脂酰胺(EBS)和乙烯–辛烯共聚物(POE)的加入也能够有效地改善ABS的粘滑倾向。卢焕青[20]发现热塑性聚酯弹性体(TPEE)兼具橡胶优良的弹性和热塑性塑料的易加工性及良好的声阻性能。但是，目前国内还没有能实现稳定量产的TPEE改性PC／ABS降噪材料。基于此，吉利汽车与锦湖日丽合作从改善材料阻尼性能和摩擦系数角度出发，通过材料研发与零件验证，最终将降噪PC／ABS合金成功应用于吉利多款车型的仪表板上。

实验部分

主要原料

PC ：7025J，日本三菱化学公司； 

ABS ：8434，中国石化高桥石化公司；

抗氧剂 1010、抗氧剂 168 ：瑞士汽巴 (Ciba) 精细化工有限公司； 

季戊四醇硬脂酸酯 (PETS) ：意大利 FACI 公司； 

TPEE ：TX506，中国石化仪征化纤股份有限公司。

主要仪器与设备

双螺杆挤出机：CET35型，长径比为44∶1，科倍隆(南京)机械有限公司；

塑料注射成型机：JM138–AI–SVP／2型，震雄机械(深圳)有限公司；

密度仪：GR–200型，日本A&D公司；

电子万能拉伸试验机：Z010型，德国ZwickRoell集团；

摆锤冲击试验机：HIT25P型，德国ZwickRoell集团；

热变形维卡试验机：IC6+型，德国Coesfeld公司；

刮擦仪：ERICHSEN430P型，德国仪力信公司；

氙灯老化试验机：Ci3000型，美国Atlas有限公司。

试样制备

降噪PC/ABS:将PC,ABS,TPEE及抗氧剂和润滑剂PETS按照质量比65/27/8/0.5/0.5进行混合(抗氧剂1010与168质量比为1/1,下同;小试实验中,当TPEE用量低于8份时其对材料的降噪效果不大,而当TPEE用量高于8份时会影响相容性从而影响材料冲击性能),然后在双螺杆挤出机上进行熔融挤出造粒｡挤出机的温度为200~250℃,螺杆转速为350r/min,相对真空度为–0.09MPa;将所制得材料在100℃下干燥4h,然后注塑成样板(140mm×90mm×3mm),其中注塑温度为250℃,注塑压力为80MPa,成型周期为50s｡

普通PC/ABS:将PC,ABS,抗氧剂和润滑剂按照质量比65/35/0.5/0.5混合,其余步骤同上｡

性能测试

(1)常规性能测试｡

密度按GB/T1033.1–2008测试;

拉伸强度按GB/T1040.1–2018测试,拉伸速率为50mm/min;

弯曲强度与弯曲弹性模量按GB/T9341–2018测试,弯曲速率为2mm/min;

悬臂梁缺口冲击强度按GB/T1843–2008测试,摆锤能量为4J;

维卡软化温度(B50法)按GB/T1633–2000测试;

耐化学药品性按Q/JLYJ711028E–2019测试;

耐刮擦性能按Q/JLYJ7110536C–2019测试;

耐光老化性能按Q/JLYJ7110279B–2014测试｡

(2)摩擦异响试验｡

摩擦异响试验设备为锦湖日丽自行搭建,具体实验条件及参数见文献[4],设计的工装结构如图1所示[4]｡压头和样板之间摩擦时易产生典型的粘滑现象从而产生振动和噪音｡将振动传感器粘贴在摩擦压头上采集摩擦过程中产生的振动参数,即振动加速度;声音传感器距待测样板5cm采集声音参数,即人耳响度｡

(3)异响测试。

根据标准VDA230–206–2005测试异响的风险系数(RPN)。待测样品与摩擦副的接触面积为1250mm²，滑动距离固定为50mm，滑动速度为1mm／s和4mm／s，负载为10N和40N。测试前将样品在温度(23±2)℃，相对湿度(50±5)%环境中调节24h以上。

(4)零部件试验。

用普通PC／ABS和降噪PC／ABS分别注塑成如表2中的部件进行异响对比验证，由7人进行评级取众数。其中评级为1级代表无异响，2级代表轻微异响，3级代表异响较重，4级代表异响严重。

结果与讨论

降噪 PC／ABS 与普通 PC／ABS 的常规性能对比

表3列出降噪PC/ABS与普通PC/ABS常规性能的对比｡由表3可以看出,降噪改性后的PC/ABS在刚性方面(拉伸强度､弯曲强度和弯曲弹性模量)略有下降,这是因为TPEE弹性体分子链的柔性链段可以有效增大分子内摩擦,从而降低材料刚性､增强材料的阻尼性能｡缺口冲击强度的小幅减小可能归因于TPEE的加入一定程度降低了PC与ABS之间的相容性｡另外,改性后的PC/ABS在耐化学药品性､耐刮擦性能､耐光老化性能等方面与普通PC/ABS相媲美,均能达到汽车内饰的行业标准｡总体来看,两种材料的常规性能差别较小｡

人耳响度结果分析

响度又称音量,单位为宋,它是人对声音大小的主观感觉量｡其大小决定于声音接收处的波幅,表示人耳对声音的直观感受｡图2是不同PC/ABS材料的响度随摩擦时间的变化曲线,可以看出,降噪改性的PC/ABS在摩擦过程中产生的响度(30宋)远低于普通PC/ABS(62宋),这体现出了其优异的降噪效果｡

振动加速度分析

声音伴随着振动,频率越高,振动越剧烈,意味着制件接触时产生异响的风险越大｡图3是不同PC/ABS材料的振动加速度随着摩擦时间的变化曲线,可以看出降噪PC/ABS在摩擦过程中的加速度远低于常规PC/ABS,进一步验证了改性PC/ABS优异的降噪性能｡

异响 RPN 结果分析

RPN是事件发生的频率､严重程度和检测等级三者的乘积,被称为风险系数或风险顺序数,其数值越大说明潜在问题越严重｡一般认为,当RPN=1~3,材料发生异响的风险较小;当RPN=4~5,材料存在中等异响的风险;当RPN=6~10,材料存在较高的异响风险｡不同PC/ABS材料的异响RPN数据见表4｡由表4可以看出,无论测试压力或者滑动速度如何,降噪改性PC/ABS都展示出极低的异响RPN值,该结果说明材料发生异响的风险较低｡

零件试验结果

通过表2的零部件异响验证,得到普通PC/ABS和降噪PC/ABS的异响结果,见表5｡由表5可以看出,降噪改性的PC/ABS在太阳暴晒下经历按压或者开空调操作均无任何异响｡在崎岖道路与减速带验证环节,与普通PC/ABS相比,改性PC/ABS也表现出了更加优异的降噪效果｡

结论

塑料零件在受到外力挤压时,容易发生粘滑现象,从而产生异响｡通过共混改性方式研发出了一款降噪性能优异的PC/ABS合金材料｡与传统的PC/ABS合金相比,它的拉伸强度､弯曲强度､弯曲弹性模量以及缺口冲击强度略有降低,但是都能满足仪表板部件的标准要求｡值得关注的是,TPEE的加入使得PC/ABS合金具有更低的响度､更小的振动加速度以及更低的异响RPN值,从而具有优异的降噪效果,最终应用在多个车型的仪表板部件上,实现国产降噪材料的成功量产｡

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