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塑料 | 橡膠 | 纖維 | 復(fù)合材料 | 涂料、油墨及膠粘劑 | 天然高分子 | 新產(chǎn)業(yè) | 標(biāo)準(zhǔn) | 技術(shù)項(xiàng)目 | 返回首頁 |
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1998年，Smart（精靈）小汽車的問世，使塑料首度成為量產(chǎn)汽車車窗的原料。從此，塑料開始大舉入侵此前一直由玻璃的獨(dú)占的車窗材質(zhì)領(lǐng)域。如今，塑料在該領(lǐng)域有三類產(chǎn)品有著顯著發(fā)展：
◆固定式側(cè)窗
◆透明天窗
◆后窗組建（如：奔馳C級(jí)雙門運(yùn)動(dòng)跑車），以及車身上那些有深色玻璃質(zhì)感的配件
塑料制車窗的動(dòng)機(jī)
雖然塑料代替玻璃用于車窗制造的最初動(dòng)機(jī)是通過減輕車體重量來降低油耗，但如今，眾多其他因素超越這一原始動(dòng)機(jī)成為更主要的緣由。汽車的最佳風(fēng)阻和效率的改進(jìn)使得減輕重量對(duì)于汽車的影響不再那么明顯。每輛車通過使用塑料而減輕30至40公斤重量所產(chǎn)生的作用還不如降低整車重心和優(yōu)化前后軸負(fù)重分配所產(chǎn)生的效果。這樣就提供了探求汽車最佳的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)新的資源，并對(duì)于在改善安全性的同時(shí)提高駕駛樂趣這一方面起到了實(shí)質(zhì)性的作用。
另外，塑料相較于玻璃有極大的可塑性，因此有些幾何形狀用塑料可以成形，但對(duì)于玻璃甚至在可預(yù)見的將來都難以完成。由于塑料本身較低的硬度，塑料能更好的應(yīng)用于具有顯著結(jié)構(gòu)剛度的復(fù)雜幾何形態(tài)。盡管塑料硬度低，但在安全性方面優(yōu)于玻璃。萬一發(fā)生碰撞，塑料結(jié)構(gòu)能因其更好的沖擊力保持其完整性。若換成玻璃，結(jié)果就相反了（玻璃會(huì)本能地破碎）。塑料的這一特性對(duì)維持殘存外殼的完整起到了作用。
塑料的應(yīng)用而帶來的高度功能性整合也作用于汽車部件生產(chǎn)，通常這都需要精確計(jì)算。通過塑料特有的結(jié)合技術(shù)諸如多組分注塑成型和搭扣配合等，可以節(jié)省生產(chǎn)線上的裝配步驟直至最終裝配成形。因此，塑料的應(yīng)用提供了巨大潛能，尤其在擾流板和燈的整合方面。
充分開拓這一材料的潛力需要材料開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)之間最佳相互影響。這幾年來所有的參與者都為此不遺余力，與此同時(shí)塑料車窗已在ECE R43認(rèn)證項(xiàng)下應(yīng)用于大批量生產(chǎn)，因而能夠滿足對(duì)于車用玻璃的所有要求。就材質(zhì)而言，聚碳酸酯已證明能達(dá)到特定等級(jí)，可以投放市場(chǎng)滿足對(duì)安全的特殊要求的應(yīng)用，例如當(dāng)暴露于惡劣氣候下的穩(wěn)定性。它相對(duì)于一般所看到的粘結(jié)系統(tǒng)，可以顯示出更高的純度和易加工性能。塑料和比鋼相比的低硬度和更高熱膨脹性的缺點(diǎn)以被用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。
相關(guān)的注模和機(jī)械工藝
車用窗戶的制造對(duì)于注模和機(jī)械工藝有相當(dāng)苛刻的要求。為了制造光學(xué)上高質(zhì)量的車窗表面，需要大塊面模具表面拋光并且在制模過程中不能夠有沉積物。由于機(jī)能上的原因，澆口通常采用設(shè)置在長邊，并設(shè)計(jì)成為薄膜澆口。充足的尺寸能確保過程穩(wěn)定和高質(zhì)量。與此同時(shí)，也有其他解決方法，比如：閥式澆口、點(diǎn)澆口亦相繼應(yīng)用。在壓力注塑中運(yùn)用收縮邊能確保制模始終緊貼模具，這樣能使成模的表面具有高品質(zhì)。精確且均衡的制模溫度控制以及對(duì)于成模均勻的降溫過程對(duì)那些需要尺寸精確的低模內(nèi)殘余應(yīng)力產(chǎn)品是必須的首要條件。
因?yàn)橹瞥善返某叽缫螅＞吆蜋C(jī)械間的完全緊密配合至關(guān)重要。這種相互依賴當(dāng)然是取決于所采用的特殊注塑制模過程。對(duì)于流動(dòng)長度/壁厚比率較高的大面積部件，目前采用的有不同的注塑和壓縮技術(shù)。從一方面來講，這樣大大降低了填滿腔體所需的壓力；但從另一面來看，熔融物的抗剪應(yīng)力降低了，這樣將導(dǎo)致分子取向的減弱。基于這一事實(shí)，聚碳酸酯以其柔韌性，現(xiàn)在正作為大片窗戶的首選材質(zhì)。最小的分子取向是非常重要的，因?yàn)榉肿尤∠驎?huì)使這種材質(zhì)產(chǎn)生不需要的光學(xué)效果——顯著的雙折射。
同樣地，沒有模內(nèi)殘余應(yīng)力在光學(xué)部件中也是需要的，因?yàn)檫@將降低防刮傷涂層的黏附性，這一點(diǎn)非常必要。光學(xué)研究表明注塑壓縮制模相較于傳統(tǒng)注塑制模擁有更好的效果。這也解釋了為什么目前唯有注塑壓縮制模工藝需要在壓縮過程中運(yùn)用完全平行的壓盤，并且在大塊窗戶上不產(chǎn)生壓力波動(dòng)。同樣，所有機(jī)械制造者都信賴雙轉(zhuǎn)軸技術(shù)。這樣通過多組分注塑制模能使便宜的產(chǎn)品具有較高的綜合功能。此外，15至20噸的聯(lián)合制模也相應(yīng)地易于處理。
注塑壓縮制模工藝的準(zhǔn)備
目前基本上有3種不同的注塑壓縮制模工藝正在使用。其中最傳統(tǒng)的注塑壓縮工藝是被稱作長沖程壓縮技術(shù)，它適用于夾具中薄壁部件的。在長沖程壓縮工藝中，大約4毫米厚1000毫米長的注塑壓縮模具腔體打開到大約與部件相等厚度。結(jié)果是在徹底填滿滴劑的過程中需要壓力。隨后，機(jī)械部分的夾具單元封閉那逐漸擴(kuò)張的腔體，并將模具壓縮分布到熔融物上。由于部件尺寸較大又因?yàn)榇皯舻倪吘墲部谛枰谔钪蛪嚎s過程中產(chǎn)生了必須消除的不勻稱現(xiàn)象。通過這里描述的技術(shù)，可以用平行壓盤控制移動(dòng)壓盤的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)尖軌連接桿上的液壓缸內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)。
另一個(gè)以低模內(nèi)殘余應(yīng)力制造窗戶的注塑壓力制模的變體是膨脹壓縮技術(shù)，由Krauss-Maffei Kunststofftechnik股份有限公司提供（慕尼黑/德國）。在一開始注塑是模具是完全關(guān)閉的，若低于最終所需厚度時(shí)也可能關(guān)閉腔體。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：解決了造成邊緣澆口問題的射流現(xiàn)象。當(dāng)腔體填充完全以后，部件厚度在壓力的控制下隨腔體變大而增加，通過引入額外的熔融物予以一定的壓縮。一旦達(dá)到所需的壓縮時(shí)，澆口就關(guān)閉，壓縮力開始生效，來阻止塑料的收縮，就像分布于大面積上的保持壓力。為了精密控制部件成形，夾具單元的沖程必須仔細(xì)監(jiān)控。Freeglass股份有限公司（Schwaikheim/德國）使用這一技術(shù)已經(jīng)生產(chǎn)一系列固定式側(cè)窗和車頂。
針對(duì)與長流程，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德國）與Summerer技術(shù)（Rimsting/德國）合作開發(fā)出IMP-more工藝，并于2003年NPE展上初次對(duì)公眾展示。基本原理類似流體交叉部分的定相擴(kuò)大（phased enlarging of the flow cross-section），這種擴(kuò)大通過腔體的楔形開口實(shí)現(xiàn)。傾斜夾具單元的移動(dòng)壓盤和腔體表面至比模具風(fēng)口前幾度。機(jī)械壓盤的關(guān)閉也延遲到注塑開始后。通過楔形口的變窄，腔體以非常低的壓力罐滿。正如同K2004展覽上所展示的一塊約1平方米的展示窗，這一工藝過程能使大面積窗戶的注塑制模在很低的模具內(nèi)殘余應(yīng)力下得以完成。楔形壓縮口封口和邊緣澆口的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生模內(nèi)不均勻的開模力。它們?cè)谀＞咧薪Y(jié)合的液壓柱輔助下得以消除，使機(jī)械部分有明顯一致的開模力。機(jī)械連桿在制模過程中從固定壓盤中縮回，產(chǎn)生了良好的通道，使得用機(jī)器人技術(shù)拆下成模部分成為可能。
熔融質(zhì)量是成功的要素
熔融準(zhǔn)備對(duì)于高質(zhì)量的成模部件至關(guān)重要。在熔融過程中，特別要注意別面黑斑。適合的螺絲形狀和恰當(dāng)?shù)膯蜗蜷y的選用對(duì)此相當(dāng)重要。因?yàn)榫厶妓狨ビ叙じ綑C(jī)械螺絲并將其破壞的傾向，對(duì)螺絲的材質(zhì)選擇要加以特別重視。鍍鉻和硬表面螺絲以及表面涂層螺絲已經(jīng)被成功地應(yīng)用。
作為研究項(xiàng)目，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德國），Metaplas Ionon Ober-flaechenveredlungstechnik股份有限公司(Bergish-Gladbach)，Ticona股份有限公司（法蘭克福）和Wahl optoparts股份有限公司（Triptis），材料科學(xué)部門，塑料工藝學(xué)院（RWTH大學(xué)和亞琛市），已經(jīng)投資了進(jìn)行了不同的表面涂層的研究以應(yīng)用于制塑部件，提供光學(xué)部件注塑制模所需的穩(wěn)定性。這一項(xiàng)目的宗旨是創(chuàng)造一種適用于任何塑料樹脂的最穩(wěn)定的涂層系統(tǒng)，同時(shí)也具有最佳的綜合特性。對(duì)于這一目標(biāo)，不同的PVD涂層系統(tǒng)在光學(xué)級(jí)樹脂加工中的表現(xiàn)各具不同的特征。尤其對(duì)于螺絲表面黏附趨勢(shì)是予以負(fù)面評(píng)價(jià)的。
表面處理的種類
考慮到當(dāng)暴露于環(huán)境（抗紫外線的穩(wěn)定性）和化學(xué)品中（洗車清潔劑、鹽等等）穩(wěn)定性的要求，和塑料車窗的耐磨性的要求，目前僅能通過附加的表面涂層予以滿足。這種涂層，主要有三種，且它們之間亦能相互聯(lián)合。保護(hù)性涂層可以作為溶液（液體）應(yīng)用，從氣相中沉淀或者作為薄膜應(yīng)用。
目前作為溶液的應(yīng)用是最為普遍采用的技術(shù)。這一技術(shù)首先被用于車頭燈鏡片的大批量生產(chǎn)，也可以通過常規(guī)方法應(yīng)用于感光底層（例如變色，浸漬，噴涂）。塑化可以通過熱力或者紫外輻射實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楣鈱W(xué)涂層嚴(yán)格的質(zhì)量要求，凈室條件是必須的。
起初，硅基聚合物涂層應(yīng)用于防擦傷表面。最初的溶液含有高比例溶劑能夠在室溫下迅速蒸發(fā)。然后涂層固化成類玻璃薄膜。硅基聚合物鏈上的羥基、烷氧基團(tuán)濃縮成三維立體上交聯(lián)甲基二氧化硅薄膜。依據(jù)典型的熱固化系統(tǒng)，涂層在120至130攝氏度時(shí)發(fā)生交聯(lián)，持續(xù)30至60分鐘。市場(chǎng)上還有紫外固化系統(tǒng)，但它們的抗刮擦性和暴露于氣候環(huán)境下的穩(wěn)定性（耐氣候性）低于熱固化系統(tǒng)。
典型的涂層開始于薄膜底漆，它能保證脆弱的防刮薄膜很好的黏附在柔軟的PC上。相對(duì)稍厚的抗刮擦涂層作為第二層。兩層底漆和抗刮擦頂部涂層含有紫外線吸收體和紫外線穩(wěn)定劑，能保證該系統(tǒng)暴露于氣候條件下的穩(wěn)定性。膜的厚度介于5至15μm。為了減少工藝時(shí)間，無底漆防刮擦涂層在近年來得以發(fā)展。因?yàn)橐粋€(gè)固化過程被除去，節(jié)約了相當(dāng)多的成本。
在工業(yè)實(shí)踐中，GE Bayer 硅樹脂股份有限公司(Leverkusen)PHC578, AS4000以及AS4700涂層系統(tǒng)被廣泛認(rèn)同(例如：Smart精靈汽車的車頭燈鏡片和三角邊窗，C級(jí)車的后窗)。這些涂層能夠滿足汽車工業(yè)的要求并且正門了它們本身在實(shí)際使用中的長期穩(wěn)定性，即便它們抗刮擦和紫外穩(wěn)定性低于玻璃產(chǎn)品。
這種涂層的防刮擦能力可以通過加入納米微粒（直徑小于40納米）的方法予以提高到與玻璃制品相同的水準(zhǔn)。所使用到的納米微粒為散布于有機(jī)化合物中的金屬氧化物（如：二氧化硅，氧化鋁）。由于這些微粒非常小，它們不折射光線，所以涂層仍保持透明。納米微粒在狹窄尺寸分布范圍內(nèi)的穩(wěn)定分布的重大困難已經(jīng)被克服。目前，已經(jīng)能在經(jīng)濟(jì)的條件下得以實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)含有納米微粒的防刮擦涂層正被積極推行。例如，Hanse Chemie德國公司（Geesthacht）混合了含納米微粒占質(zhì)量百分比50的涂層系統(tǒng)，并采用紫外固化。此涂層能夠防紫外線，并且已用于普通工藝。將來，還會(huì)有許多有趣的發(fā)展。
防括擦薄膜不僅能從溶液中沉積出來，也能從氣相中得到（PVD ：物理蒸汽沉降；PECVD：化學(xué)輔助氣相沉積）。通過這些技術(shù)，金屬氧化物、硅樹脂或者有機(jī)硅化合物在一個(gè)低壓過程中蒸發(fā)，并且從氣相中沉積成為防刮擦薄膜。然而在PECVD過程中，化學(xué)反應(yīng)取代了氣相，制成了防刮擦薄膜。用這些涂層技術(shù)制成的防刮和其他表面保護(hù)和純玻璃相比較，具有競(jìng)爭(zhēng)力。但是紫外線能穿透涂層，因此額外的防紫外涂層就十分必要了。到目前為止，還不能通過PVD或者PECVD的方法比較經(jīng)濟(jì)地制備這種涂層。
Exate股份有限公司（Bergisch-Gladach）通過在塑料上先使用防紫外涂層作為底漆然后使用PEVCD抗刮擦涂層的方法解決了這一難題，這種方法稱為Exatec900上光系統(tǒng)。據(jù)制造商那里得到的信息，這種涂層能保證即使暴露于氣候環(huán)境中10年多仍然穩(wěn)定。該系統(tǒng)的設(shè)備非常昂貴，因?yàn)檫@項(xiàng)工藝涉及到涂層以及真空技術(shù)。基于此原因，這項(xiàng)工藝只有在制造塑料車窗的其他決定性要素都具備后方能得以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)操作，并減低該系統(tǒng)的成本。至此，僅有極少量的原型車裝備了此系統(tǒng)。
薄膜應(yīng)用的功能性統(tǒng)合
塑料車窗上薄膜的應(yīng)用預(yù)示著制造防刮表面的最終可能。例如使用PMMA薄膜，就能顯著增加防刮性能。若是薄膜中還含有紫外吸收劑，那就還可以是薄膜下的塑料受到防紫外輻射的保護(hù)。可惜PMMA抗刮薄膜不具備這一性能。因此，有必要在薄膜上再多加一層而外的防刮擦涂層。
功能性整合的可能性已經(jīng)由KRD涂層股份有限公司（Geesthacht）在一原型汽車的后窗上得以示范。該防紫外線高清晰度薄膜是由細(xì)加熱線系統(tǒng)和含紫外吸收劑涂層的薄膜，已經(jīng)應(yīng)用于塑料車窗。目前，雖然仍舊無法經(jīng)濟(jì)地大批量生產(chǎn)這種車窗，但這清楚地顯示將來的發(fā)展?jié)撃堋?
對(duì)于仍比普通玻璃車窗昂貴的塑料車窗，若要成為經(jīng)濟(jì)上可行的產(chǎn)物，必須要綜合額外的高附加值。它們不能夠僅僅滿足于薄膜的最基本要求，諸如防刮、防化學(xué)、抗紫外。它們必須提供附加功能，例如防紫外線高清晰度薄膜，電磁屏蔽功能。目前的挑戰(zhàn)在于用最少的三維幾何步驟來綜合這眾多的性能。
據(jù)決定性意義的有效物流鏈
有效并且慎重考慮的物流鏈對(duì)于這整個(gè)過程在經(jīng)濟(jì)上，對(duì)于這個(gè)多步驟制造工藝，對(duì)于其產(chǎn)品的質(zhì)量都具有非常重要的意義。其中特別包含如下幾點(diǎn)：由于產(chǎn)品特性對(duì)全部制造過程中的清潔要求、從模具中取出成模、后續(xù)操作。依據(jù)Krauss-Maffei的分析，采用注塑制模工藝用聚碳酸酯制造光學(xué)產(chǎn)品的總不良率低于5%。相對(duì)重要的是烘干和原料運(yùn)輸?shù)牟涣悸剩?3%）以及原料生產(chǎn)和包裝的不良率（62%）。即使不考慮這些在制造汽車窗戶過程中的具體數(shù)據(jù)所顯示的價(jià)值，很明顯，仍然有眾多的不良溯源必須予以消除。無論是誰將面對(duì)這一挑戰(zhàn)，他都將身處一個(gè)有著巨大潛能的市場(chǎng)和相對(duì)較高的增長率。