單一材料的勝利：熱塑性拉擠成型巧破輕量化與回收難題

傳統做法是為每個部件選擇最合適的材料，但這可能導致設計過于復雜，以至于產品在生命周期結束時難以處理。當產品使用不同的塑料、金屬和復合材料時，回收成本可能非常高昂，甚至根本無法回收。相比之下，單一材料解決方案則能夠輕松回收。憑借其生產熱塑性拉擠型材的新工藝，德國洛費爾登的Technoform Kunststoffprofile GmbH公司在實現單一材料解決方案方面取得了重大進展。

標題圖：熱塑性型材可用作電池包的結構部件（圖中以青綠色顯示） © Technoform

拉擠成型是一種連續、經濟高效的制造方法，可用于制作截面形狀可控且一致的高強度型材。迄今為止，該方法通常使用的是熱固性塑料。在這一過程中，玻璃纖維或其他類型的纖維被牽引通過環氧樹脂或聚酯等液化樹脂。隨后，樹脂在特定模具中于可控溫度下固化。典型的拉擠成型產品包括管材、平板結構和扶手欄桿。但這類材料的缺點在于固化后無法再對部件進行塑形或熔融加工。

熱塑性拉擠成型

Technoform公司對這一“經典”的拉擠成型工藝進行了改進，使其能夠使用聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP）等熱塑性塑料，預計未來還將兼容更多材料。熱塑性塑料面臨的挑戰在于其粘度較高，因此難以充分浸潤纖維。該工藝的第一步是原材料的選擇。除了決定最終產品核心力學性能的增強纖維外，熱塑性基體材料的選擇也必須滿足產品附加特性的要求，并確保與最終整體系統的兼容性。連續纖維以粗紗的形式纏繞在線軸上。纖維通過紗架以預設的速度和張力展開，隨后在張力器中預熱并在輕微張力下成形（圖1）。

圖1：增強纖維在輕微張力下被導入張力器，隨后進入模具，熔融的塑料基體在其中融入纖維之中 © Technoform

在擠出機中，熱塑性塑料被熔化并被送入加熱的拉擠模具。增強纖維穿過模具，隨后塑料基體融入纖維束，成型也在模具內部完成。接著，型材經過冷卻，由牽引裝置輸送至修整單元，再被切割成所需的長度。最后，成品被放置在出料臺上。

分析驗證高強度

作為開發項目的一部分，型材的力學性能由德國卡塞爾大學的一家獨立實驗室通過以下分析測試確定：
◆ 根據DIN EN ISO 14125標準進行三點彎曲測試，測定彎曲強度和彎曲模量；
◆ 根據DIN EN ISO 527標準進行拉伸測試，測定拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長率；
◆ 通過顯微圖像展示纖維在基體中的均勻分布。

表1：研究表明，UD-PA6-GF70拉擠型材在拉伸強度和彎曲強度方面優于鋁合金，部分應用中可替代鋼材（來源：Technoform）

測量結果非常理想。特別是在彎曲強度和拉伸強度方面，得益于良好的基體-纖維結合（見表1），其數值高于大多數鋁合金。這些型材因密度更低而比金屬型材解決方案輕得多，因此具有巨大的應用潛力。根據具體應用場景，它們還可能作為鋼材的替代品用于結構部件。除了優異的強度性能和輕量化設計潛力，單一材料部件還有另一大優勢：與復合材料相比，它們在產品生命周期結束時更易于回收。該材料可被粉碎、清洗、再造粒，然后重新用于新的注塑或擠出成型工藝。

在汽車和建筑行業的應用

這一技術不僅在汽車行業具有潛在應用價值，還可拓展至建筑和物流領域。“聚酰胺和聚丙烯材料在汽車領域的應用歷來占主導地位。拉擠型材作為熱塑性增強材料展現出了廣闊的應用前景。它們可作為結構骨架用于車身側面、底盤、車頂或座椅，亦或用于‘前行李箱’（即引擎蓋下方的儲物空間，常見于電動汽車，通常位于放置發動機的位置）。在任何需要結構部件的地方，它們都能提供額外的穩定性。”Technoform公司市場開發主管德克·摩西（Dirk Moses）解釋道。其他潛在應用還包括車門和后窗臺板等區域，熱塑性部件可用于增強注塑件或沖壓件的強度。

特別是在電動汽車領域，拉擠型材具備用于電池包等結構部件的潛力（見標題圖）。拉擠型材可作為隔離元件用于分隔高壓電池內部的模組。總體而言，使用這些型材能提升電動汽車的抗碰撞性能，同時完美兼顧輕量化和高強度。這些型材既可集成于隱蔽區域，也可用于清晰可見的部位，例如作為彩色設計元素融入復雜的部件中。 

在幕墻構件中，壓板用于將玻璃和鑲板元素牢固地固定在承重結構上。這些壓板通常由鋁合金或不銹鋼制成。熱塑性拉擠型材在此提供了有效的替代方案，德克·摩西解釋道：“我們的研發成果使熱塑性材料能夠滿足機械性能要求，從而實現更環保的解決方案。使用熱塑性材料的主要優勢在于，它們在使用壽命結束后可進行統一回收。這使我們能夠在回收和產品碳足跡方面都顯著提升可持續性。”

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Dipl.- Wirt.-Ing. Sindy Richter

來源：榮格-《國際塑料商情》

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