单一材料的胜利： 热塑性拉挤成型巧破轻量化与回收难题

传统做法是为每个部件选择最合适的材料，但这可能导致设计过于复杂，以至于产品在生命周期结束时难以处理。当产品使用不同的塑料、金属和复合材料时，回收成本可能非常高昂，甚至根本无法回收。相比之下，单一材料解决方案则能够轻松回收。凭借其生产热塑性拉挤型材的新工艺，德国洛费尔登的Technoform Kunststoffprofile GmbH公司在实现单一材料解决方案方面取得了重大进展。

标题图：热塑性型材可用作电池包的结构部件（图中以青绿色显示） © Technoform

拉挤成型是一种连续、经济高效的制造方法，可用于制作截面形状可控且一致的高强度型材。迄今为止，该方法通常使用的是热固性塑料。在这一过程中，玻璃纤维或其他类型的纤维被牵引通过环氧树脂或聚酯等液化树脂。随后，树脂在特定模具中于可控温度下固化。典型的拉挤成型产品包括管材、平板结构和扶手栏杆。但这类材料的缺点在于固化后无法再对部件进行塑形或熔融加工。

热塑性拉挤成型

Technoform公司对这一“经典”的拉挤成型工艺进行了改进，使其能够使用聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP）等热塑性塑料，预计未来还将兼容更多材料。热塑性塑料面临的挑战在于其粘度较高，因此难以充分浸润纤维。该工艺的第一步是原材料的选择。除了决定最终产品核心力学性能的增强纤维外，热塑性基体材料的选择也必须满足产品附加特性的要求，并确保与最终整体系统的兼容性。连续纤维以粗纱的形式缠绕在线轴上。纤维通过纱架以预设的速度和张力展开，随后在张力器中预热并在轻微张力下成形（图1）。

图1：增强纤维在轻微张力下被导入张力器，随后进入模具，熔融的塑料基体在其中融入纤维之中 © Technoform

在挤出机中，热塑性塑料被熔化并被送入加热的拉挤模具。增强纤维穿过模具，随后塑料基体融入纤维束，成型也在模具内部完成。接着，型材经过冷却，由牵引装置输送至修整单元，再被切割成所需的长度。最后，成品被放置在出料台上。

分析验证高强度

作为开发项目的一部分，型材的力学性能由德国卡塞尔大学的一家独立实验室通过以下分析测试确定：
◆ 根据DIN EN ISO 14125标准进行三点弯曲测试，测定弯曲强度和弯曲模量；
◆ 根据DIN EN ISO 527标准进行拉伸测试，测定拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率；
◆ 通过显微图像展示纤维在基体中的均匀分布。

表1：研究表明，UD-PA6-GF70拉挤型材在拉伸强度和弯曲强度方面优于铝合金，部分应用中可替代钢材（来源：Technoform）

测量结果非常理想。特别是在弯曲强度和拉伸强度方面，得益于良好的基体-纤维结合（见表1），其数值高于大多数铝合金。这些型材因密度更低而比金属型材解决方案轻得多，因此具有巨大的应用潜力。根据具体应用场景，它们还可能作为钢材的替代品用于结构部件。除了优异的强度性能和轻量化设计潜力，单一材料部件还有另一大优势：与复合材料相比，它们在产品生命周期结束时更易于回收。该材料可被粉碎、清洗、再造粒，然后重新用于新的注塑或挤出成型工艺。

在汽车和建筑行业的应用

这一技术不仅在汽车行业具有潜在应用价值，还可拓展至建筑和物流领域。“聚酰胺和聚丙烯材料在汽车领域的应用历来占主导地位。拉挤型材作为热塑性增强材料展现出了广阔的应用前景。它们可作为结构骨架用于车身侧面、底盘、车顶或座椅，亦或用于‘前行李箱’（即引擎盖下方的储物空间，常见于电动汽车，通常位于放置发动机的位置）。在任何需要结构部件的地方，它们都能提供额外的稳定性。”Technoform公司市场开发主管德克·摩西（Dirk Moses）解释道。其他潜在应用还包括车门和后窗台板等区域，热塑性部件可用于增强注塑件或冲压件的强度。

特别是在电动汽车领域，拉挤型材具备用于电池包等结构部件的潜力（见标题图）。拉挤型材可作为隔离元件用于分隔高压电池内部的模组。总体而言，使用这些型材能提升电动汽车的抗碰撞性能，同时完美兼顾轻量化和高强度。这些型材既可集成于隐蔽区域，也可用于清晰可见的部位，例如作为彩色设计元素融入复杂的部件中。 

在幕墙构件中，压板用于将玻璃和镶板元素牢固地固定在承重结构上。这些压板通常由铝合金或不锈钢制成。热塑性拉挤型材在此提供了有效的替代方案，德克·摩西解释道：“我们的研发成果使热塑性材料能够满足机械性能要求，从而实现更环保的解决方案。使用热塑性材料的主要优势在于，它们在使用寿命结束后可进行统一回收。这使我们能够在回收和产品碳足迹方面都显著提升可持续性。”

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Dipl.- Wirt.-Ing. Sindy Richter

来源：荣格-《国际塑料商情》

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