去除塑料制件的“吱吱吱”声,对,就是这么简单!

艾邦高分子2020-07-04 10:50:44

汽车在行驶过程中,我们经常因为“吱吱吱”的噪音而抓狂,在汽车这个复杂的机械体系中,这些“吱吱吱”声的来源非常广泛,金属-金属,塑料-金属,塑料-橡胶,以及塑料-塑料之间的摩擦都有可能产生这种扰人的噪音,那这些吱吱吱是怎么来的呢?


神秘扰人的吱吱声


以塑料制件为例,塑料制件在装配及后续使用过程中的按压、震动等常常会由于制件表面的相互摩擦,制件表面的摩擦引起了制件之间的粘滑运动,而这种粘滑现象正是“吱吱吱”声的罪魁祸首。粘滑现象在生活中也随处可见(图1):它既可给我们带来美妙的音乐,比如拉小提琴时琴弦和琴弓之间的摩擦;也可能带来诸多困扰,比如粉笔在黑板上写字时的吱吱声。

图1 生活中的粘滑现象

从本质上来看,粘滑现象是相对滑动物体之间的一种自激跳跃运动,这是由于物体表面的动静摩擦系数差异过大,并且动摩擦系数随运动速度增加而降低的负阻尼现象,导致物体在相对滑动中速度随时间呈现锯齿状的波动(图2),从而产生了扰人的“吱吱吱”的噪音。

图2 粘滑现象的运动特征


那么,给如何去除这个吱吱吱?


长期以来,为降低塑料制件在装配和使用过程的噪音风险需要制件装配前在制件表面涂覆硅油、无纺布、润滑脂等,通过降低制件表面的摩擦系数,来降低塑料制件发生噪音的风险,但是这种方法一来增加了装配工序及成本,二来也不能保持长期使用的稳定性。

因此,从材料的角度出发来解决此类问题受到越来越多的关注。


方法一:自滋润材料
 


粘滑现象的最常见原因在于材料表面摩擦系数的负阻尼现象,因此降低高分子材料的表面的摩擦系数是解决塑料制件“吱吱吱”声音有效手段之一。

聚合物摩擦系数与自身的结构、分子量等有着较为复杂的关系,不同塑料之间的摩擦系数也有较大差异(图3)。一些高分子材料天生就是自润滑的小能手,比如聚四氟乙烯(PTFE)、超高分量聚乙烯(UHMWPE)等,此类聚合物摩擦系数很低,PTFE是目前摩擦系数最低的聚合物,其摩擦系数低至0.04。

图3 不同塑料的摩擦系数

对于摩擦系数较高的材料如ABS,PC/ABS等,需要达到自润滑效果则需要进行深入地改造。通常可以通过共混改性来降低摩擦系数,从而达到降噪消音的目的。通常加入较为常见的润滑剂有硅油、PTFE、UHMWPE、石墨、MoS2等,其中PTFE被认为是非常有效的润滑剂,也经常用来制备自润滑的高分子材料合金但是PTFE作为润滑剂添加到塑料基材中时,与基材相容性很差,很难获得令人满意的结果。以降噪PC/ABS为例,将PTFE直接添加在PC/ABS合金中时,虽然可以降低合金材料的表面摩擦系数,但同样存在诸多问题:不仅在挤出造粒时存在挤出胀大等不良,产品外观也难以保证。因此利用添加PTFE的方式对PC/ABS合金的摩擦系数改性并不是简单共混,而是需要对润滑剂的结构进行重新设计,添加最适合PC/ABS体系的润滑剂,在降低表面摩擦系数的同时,获得良好的产品外观。


方法二:阻尼降噪
 


与自润滑降噪消音做足“表面工作”不同,阻尼降噪从材料“内部”来解决噪音问题。

高分子材料分子量大,分子链段较长,易卷曲和相互缠结,受到外部能量(应力或振动)作用时,分子链段通过主链中单键的内旋转不断改变构象,运动滑移、解缠而产生内摩擦,从而将外加能量转变为热能耗散而加载能量消失后,高分子会因为弹性而部分或全部地恢复到以前的状态,材料宏观性能得以恢复。阻尼降噪正是利用材料的粘弹性能达到将振动和噪音的机械能转化为热能的方式而实现降噪消音的。

材料的粘弹特性可以通过才来的损耗值tanδ来表现,损耗值与模量的关系如如下:

其中E’为贮能模量,E’’为损耗模量,当tanδ值在较宽的温度范围内时,材料表现良好的阻尼特性。

阻尼高分子通常可以通过共聚、共混以及形成互穿网络(IPN)来实现。

通过接枝聚合或嵌段聚合的方式,实现软-硬的结构设计,形成更强的链段缠结,或者链段间的相互作用力,增大损耗因子,改善阻尼特性,如聚醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸脂就是一类较好的降噪材料。       

通过共混的方式也可以实现高分子阻尼化,利用部分互溶的两种高分子,两者Tg存在明显不同,并且通过共混可以形成较宽的玻璃化转变平台,实现阻尼化;亦或是通过添加一些特殊填料如片状石墨、云母等增加片层与高分子间的摩擦并转化为热,从而产生很好的阻尼性能。

IPN是两种以上聚合物网络相互贯穿的结构,形成永久性缠结或链结,此类结构通常可以带来较为优良的阻尼特性,一直以来也是阻尼高分子的研究热点。

降噪PC/ABS亦可以从阻尼思路出发,通过添加具有阻尼特性的橡胶或嵌段共聚物等方式实现的降噪效果。

锦湖日丽开发的降噪PC/ABS正是基于以上两点,通过重新设计润滑剂结构,同时改变体系橡胶状态,实现“内外兼修”,从源头到过程实现降噪消音。

锦湖日丽供稿,转载请注明来源

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