阻燃/非阻燃PC+ABS聚合物体系在常见阻燃测试中的响应特性
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在许多终端应用领域,塑料作为常见材料之一,通常需要满足很多特定条件下的防火要求。这也意味着塑料对火的反应可以通过某些可靠的重复性测试方法来确定。
大多数聚合物无法满足防火标准,因此阻燃塑料被要求研发,并广泛应用于电气/ 电子工业、建筑行业、消费品行业以及汽车、轨道车辆和飞机制造等整个运输领域。通常,对于应用于以上领域的阻燃聚合物材料,我们一般会通过以下4种方法进行阻燃性能测试:UL94 V可燃性测试(垂直测试);锥形量热法;微型燃烧量热法(MCC);热重测量和热重分析。
那么,在这些阻燃塑料性能测试的方法中,阻燃和非阻燃的 PC+ABS 聚合物体系的响应特性有哪些区别呢?
化学行业和复合材料制造商在开发阻燃塑料时,美国安全检测实验室公司(UL)的UL94 标准常被用作基准,或者是作为引导其进行开发的一项测试标准。UL 最初用UL94 V 阻燃测试来审批进入美国电气/ 电子领域的塑料。但是,随着全球化进程的发展,这一测试已成为国际公认的证明聚合物在所有应用中可燃性的等级标准。
该测试需要一个测试条(125mm x 12.5mm x厚度)和20mm 长、50 瓦的甲烷火焰。在垂直燃烧测试(V 测试)中,火焰点燃测试样本两次,每次10 秒。每次点燃火焰之后,在棉花的帮助下评估余燃时间和熔融物滴落情况。下图所示为试样的预处理、测试过程和塑料材料的可燃性等级标准。
根据其厚度,材料被评为V-0、V-1 或V-2 级:
◆ UL94 V-0:10 秒内自熄,无熔融物滴落,无持续30 秒以上的余焰。
◆ UL94 V-1:30 秒内自熄,无熔融物滴落,无持续60 秒以上的余焰。
◆ UL94 V-2:30 秒内自熄,有熔融物滴落。
UL 5V、5VA 和5VB 代表更严格的塑料防火等级,125mm 长、500 瓦的甲烷火焰将垂直定向的测试条(125mm x 12.5mm x 厚度)点燃(5VA 和5VB则需要点燃水平板)。只有V-2 级以上的塑料才可根据适用于更大壁厚材料的UL 5V 标准进行额外评定。达到这一等级的标准是:
◆ 5V:火焰点燃五次,每次持续5 秒再暂停5 秒。点燃五次之后,在60秒的时间内无余燃或余焰;无熔融物滴落,包括引燃棉花。
◆ 5VA、5VB:除了5V 的要求之外,将火焰在水平板下方点燃。5VA:板上不允许有烧穿点(孔);5VB:熄火后允许有可见的烧穿点(孔)。
与其他防火测试不同,UL94-V 测试无可比拟的优势在于:塑料的等级标准是基于壁厚的。对不同壁厚的阻燃和非阻燃的 PC+ABS 试样进行可燃性试的结果,如下图所示。
不足的是UL94-V 测试的测试装置、运行和评估仅凭经验而无科学依据,但UL 在审批方面有着独特的优势,因此适用于塑料在众多领域的应用。
UL 防火等级最大的问题在于它主要测试模制件(试样),可燃性等级则基于塑料原料进行测试。因此,测试结果在很大程度上取决于加工条件(偏差可达两个防火等级)、模具设计(偏差可达一个防火等级)、浇口和型腔的相对位置、实验室内部或世界各地实验室之间的主观评估以及未经过统计分析的测试评估(一旦样品不合格,测试也被视为不合格)。
因此,由于试样并非总在相同的条件下生产出来,所以将该测试用于模制零件,结果可能产生偏差。避免这种情况的合理方法是将加工条件纳入防火等级测试中。
用锥形量热仪进行防火测试的流程在标准规则中有详细描述。锥形加热线圈在可变热辐射为0-100kW/m2的条件下均匀地辐射尺寸为100mmx100mmx d 的试样的表面(d 首选厚度 = 3mm)并在厚度方向上进行燃烧(下图)。热释放量通过氧耗法确定,其原理是每千克氧气消耗所释放的热量是13.1MJ。
在测试过程中,每单位面积释放的热量和相应的燃烧时间均被标出。通过锥形量热仪得出的测试结果具有以下参数特征:点燃时间(TI); 热释放速率(HRR);最大热释放速率(PHR); 总热释放量(THR);CO 和CO2总体积;烟浓度。
下图所示为用锥形量热仪测得的阻燃和非阻燃的PC+ABS试样的特征值。从中可以看出, 阻燃组PC+ABS 的点火时间长了约75%,最大热释放量只有非阻燃试样的约50%。这也是为什么阻燃试样达到了UL94 V-0 等级而PC+ABS 纯树脂没有达到的原因。
与UL94 V 测试相比,塑料对火反应的这些广泛特性需要更多的时间、成本和测试工作量。受到试样生产方法的限制,该方法在测试薄壁材料(d <1mm)时不够精准。
微型燃烧量热法的优势在于其不受加工的影响。它能够在加工之前检查料粒以及部件样品,从而推断出加工造成的影响。一小部分塑料(2-3mg)在惰性气体(例如:氮气)面前用包围试验箱的加热线圈进行加热(图4)。加热和氮气供应中断后,外部点火器点燃释放的可燃气体并供氧。热释放量通过氧耗法确定。在测试过程中,每单位物质释放的热量和相应的试样温度均被标出(下图)。
下午所示为测试的阻燃和非阻燃 的PC+ABS 混合物的特征值。从中可以看出,阻燃混合物导致最大质量变化对应的温度变化了约95 K(从约445°C 升至约540°C)。阻燃混合物的热释放率平均减少了约130W/g。PC+ABS 的热释放速率的散射(峰值差异)是80W/g,尽管其热释放速率显著降低,相同的阻燃混合物则高出10W/g。测试结果出现大的散射的原因是料粒中添加剂的分布不均匀。
热重测量和热重分析的测试装置和测试过程在ISO 11385 和DIN 51006 中做出了标准化。以5-10mg 的塑料作试样,观测在0-50K/min(通常为20K/min)的加热速率下加热到最高1000°C 时试样质量受到温度和时间的影响。为了便于比较和理解,图7 以随温度变化的微分信号dm/dt(衍生热重测量法,以% 表示质量温度曲线的推导结果)的形式说明了阻燃和非阻燃PC+ABS混合物的测试结果。
从中可以看出,PC+ABS 有两个不同的特征峰值,一个是ABS的458°C,一个是PC 的538°C。阻燃混合物的峰值温度在476°C-547°C 之间变化,以质量和/ 放热的最大变化来表示。它对应了约95K 的变化,因此处于微型燃烧量热法的结果范围内。
这些测试方法也许不能准确全面地评估上述阻燃和非阻燃 PC+ABS 混合物对火的反应,但这并不重要。在实践中,以上测试方法所得出的数据或者结论,可以不断指导修正阻燃材料的开发更新,并且我们也需要更科学地量化对火反应,从而快速选择相应的测试方法。

【Structural sketch】提高逻辑分析能力和体积的内部容积表现是十分重要的。涉及到对虚体空间的感受和表现,这种非实在的,画面模拟性空间形式既有符合客观现实在的,又有纯主观的空间形式。以结构分析法表现空间的重点在于研究空间的几何结构关系以及空间的构成方式,以客观的准确角度出发对空间进行描绘。

很多时候,我们的固执和武断,只是犯了一个经验主义错误,比如“三缸与四缸孰优孰劣之争”。
喷三缸的实际上有两种人,一种是键盘车手,他们长期混迹于各大网络论坛,批评比赞美更能给他们带来高支持率,反之会被误以为车托。
还有一种是汽车老手,这部分人对车痴迷,却也有怀旧情结,就像当年他们极度不舍自吸,排斥涡轮增压一样。在三缸到来时,他们依然固执的认为,缸多动力才好。

但汽车技术的发展,从来不为我们的主观想法所左右,涡轮增压的争论刚尘埃落定,关于“三缸”发动机的优劣又开撕。

四五年的发展,最新公布的2018年国际发动机大奖,前十榜单中,与法拉利、保时捷这些豪车并列,最惹眼的仍然是主攻小排量的三缸发动机。

时间面前,搭载三缸发动机的车企没因唱衰而缩减,反倒迅速扩大……
任何一个迹象判断,三缸的趋势已成必然,以经验论好坏的“守旧派”们,还是败给了“工程师们的集体智慧”,也证明,趋势很少逆转。

对燃油经济性和环境保护相当严格的欧洲和日本,三缸发动机早已是小排量车型上的主流应用。
比如在日本非常流行的小型箱型车K-car,大部分搭载的是小巧灵活的三缸机。其在日本的保有量甚至占到了市场的1/3,可靠性早已经得到认证。

而这样的国际大奖,自然凝结了一打顶尖国际工程师的智慧。只不过,中国在三缸发动机的应用上要更晚一些,新事物出来,总有一波质疑声音,也是正常。
但仅凭经验简单判断三缸比四缸少一缸,哪哪不行的,就未免武断。
此三缸已经非彼三缸
以目前主流的宝马1.5T三缸机为例,其最大功率为170kw,最大扭矩为320Nm,甚至已经可以与传统的2.4L自吸发动机相比,即使面对市面上的主流1.5T四缸涡轮增压发动机,其在动力性能方面同样能够更胜一筹。
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再比如,通用全新一代Ecotec1.0T三缸发动机最大功率92kW,最大扭矩170N·m,比1.5L四缸发动机提高了29N·m扭矩。更重要的,这款发动机能在2000rpm时输出170N·m最大扭矩。
那三缸发动机很完美了?当然不是。
大家质疑的核心,除了动力,实际上是噪音和抖动问题。相比六缸、四缸机,奇数缸的不平衡性确实存在。但这些正在通过众多车企一起努力,进行发动机和整车的共同优化而得到解决。
就像别克GL8,从六缸到全面换装四缸,本质上变化的,是更大的研发投入,更多高新技术的研发应用,和更深入的整车系统匹配。同理,四缸换三缸也是如此。

还是以通用三缸机为例,为了实现平衡,首先进行了发动机本身的减重,通过轻量化材料,让震动不平衡减小。另外,通过增加带减振橡胶齿轮的平衡轴系统,把奇数缸的不平衡力降得更加彻底。最后的实测结果也是达到了四缸车的体验。经验可以不准确,数据却没办法说谎。
再比如PSA的1.2T三缸机,采用了一个质量较大的曲轴皮带轮,利用皮带轮的转动惯性抵消发动机的振动;福特的1.0T三缸机,以偏心式飞轮降低振动效应。

一个最简单的常识,类似于国际引擎大奖这样的奖项,还真没有自己打脸的情况,能上榜的发动机,它的可靠性是要站得住脚的,账面数据是要足够优秀的。
所以,经验主义眼中的三缸,更多的是从心底对新技术的视而不见。
要弃四缸选三缸吗?
这个问题就好像问,3.0L的V8发动机和1.5L的三缸谁好?这里同样存在着一个误区。三缸是针对小排量发动机的最优化选择,并非试用所有排量。
无论是传统车企还是新能源,发动机研发最核心的要素之一是要聚焦提升热效率的改善,这其中就要提到单缸排量。
经过理论分析和实验验证,单缸0.33和0.5升之间是最佳的单缸排量,而对于1.0到1.5升车型,显然三缸机就是最优化的匹配,多一缸都是浪费。相反,2.0L以上,安个三缸,就是小马拉大车,适得其反。

再者,三缸排量研发已经超过了五年时间,在主流车型上应用也已经三四年,所以,目前市场的三缸发动机,已不仅仅是油耗上的优势,论油耗不如选混动,甚至可以直接上纯动。
三缸发动机,是国际环境大趋势下,不改变驾驶乐趣,对传统小排量发动机的再优化。
它的造价比自然吸气四缸机高出40%左右,没有点独特的魅力,哪个企业也不会傻到年年加大投入研发力度。
三缸机的体积小、重量小,所需要发动机舱的尺寸也会更小,可以给乘客提供更大的乘坐空间,这对于传统燃油车和混动车都是利好。

另外,发动机结构简单、稳定性也更好,自然后期的保养费用也更低。再者,三缸机有更好的低扭时动力响应,通俗点,就是起步不肉。就像全地形摩托车爱好者,他们更偏爱单缸货双缸发动机一样。
因为很确定它的优势,所以这些车企才敢于把三缸发动机死磕到底,而非大多数人眼中的油耗唯一衡量值。
任何一个领域,都需要突破者,当然也少不了质疑声,但我还是相信,如果每个人都勇敢些,做一些力所能及的创新改变,世界就会越来越美好。
至于还纠结三缸与四缸的,对不起,谁也不能替你做出选择。
去试驾吧,车子本身会告诉你!
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