降低塑料的重量，这3个减重机制，5类添加剂和3个使用挑战你得知道！
降低塑料的重量，这3个减重机制，5类添加剂和3个使用挑战你得知道！
在追求可持续发展的今天，塑料轻量化技术正日益受到关注。通过降低塑料部件的重量，同时保持其坚固耐用的特性，轻量化技术为各个行业带来了显著的优势。本文将为您详细介绍塑料轻量化的主要机制、常用添加剂以及面临的挑战。
让塑料部件更轻，同时又保持其坚固耐用，这就是轻量化的作用所在！重量更轻的塑料为各种终端市场提供了显著的优势，包括：
1.提高燃油效率和有效载荷能力
2.减少排放和环境影响
3.最大限度地降低运输成本
4.增强便携性和用户体验
从包装到汽车零部件，轻质塑料为各个市场提供了显著的优势。塑料的低密度将使您能够创造满足现代需求的创新解决方案。
轻量化机制
密度降低
发泡剂和填料等添加剂可降低塑料的密度，从而产生更轻的部件。
发泡剂：这些添加剂将气泡引入塑料中。与固体塑料相比，这会产生密度较低的泡沫结构。
填料：某些填料（如空心玻璃微珠）的密度低于塑料基质。加入这些填料后，复合材料的整体密度会降低。
增塑剂：有时，复合材料会使用矿物填料来增强特定性能。然而，填料由于密度高，会增加重量。通过使用增塑剂改善塑料基质的加工性，可能需要更少的填料来实现所需的性能。这意味着复合材料整体更轻。
机械性能的改善
纤维和填料使得可以使用更少的材料同时保持性能。
增强材料：玻璃纤维或碳纤维等纤维可增加塑料的强度和刚度。这允许使用更薄的塑料部分。因此，有助于减轻重量，同时保持所需的性能。
纳米粒子：它们可以通过各种机制提高强度。这取决于它们的类型和与塑料基质的相互作用。一些常见的机制包括：
a.应力转移：纳米粒子将应力分散到整个复合材料中。这可防止塑料局部失效。
b.屏障效应：纳米粒子可以充当物理屏障。这可以阻止塑料内部裂纹的扩展。
用更少的塑料实现高强度的能力直接转化为轻量化。这一优势延伸到各种应用，从省油汽车到更轻更便携的电子产品。此外，一些纳米粒子还可以提供其他优势，如提高耐热性或阻燃性。这使得在特定应用中使用更少的材料成为可能。
结构改造
成核剂可促进更精细、更均匀的蜂窝结构的形成。这种更精细的结构可使材料更轻，机械性能也得到改善。气泡更小、控制良好的蜂窝结构可提高泡沫塑料的尺寸稳定性，并减少收缩。
成核剂可使制造商优化塑料用量。这是因为它能够制造出具有良好尺寸稳定性的坚固、轻质泡沫。这意味着可在不影响性能的情况下减轻组件重量。成核剂并非一刀切的解决方案。成核剂的类型各异，每种类型都具有特定的性能，并与各种塑料类型和发泡剂兼容。选择合适的成核剂对于获得最佳的轻量化效果至关重要。
轻量化常用添加剂
聚合物添加剂在实现轻量化目标方面发挥着至关重要的作用。这些添加剂可以改变基础塑料的性质，这可以在不影响性能的情况下减少材料用量。
发泡剂
发泡剂将气泡引入塑料熔体中，从而形成密度较低的泡沫结构。机械制造的泡沫和泡沫涉及将气泡引入液体可聚合基质的方法。例如，液体乳胶形式的未硫化弹性体。方法包括：
1.在低粘度晶格中搅拌空气或其他气体或低沸点挥发性液体
2.将气体注入挤出机筒、模具、注塑筒或喷嘴，通过螺杆的剪切/混合作用将气体均匀分散。这有助于在熔体中形成非常细小的气泡或气体溶液。
发泡剂可分为以下几类：
化学发泡剂
化学发泡剂在加工过程中通过化学反应释放气体。示例包括：
聚氨酯用异氰酸酯和水，
偶氮二甲酰胺（乙烯基）
用于热塑性和弹性泡沫的肼和其他氮基材料
热塑性泡沫用碳酸氢钠
物理发泡剂
物理发泡剂利用溶解在塑料中的气体（例如 CO2），加热后会膨胀。此过程不可逆且吸热。但是，冷却后，发泡剂会凝结，这是一个可逆过程。
混合物理/化学发泡剂
它们用于生产密度极低的柔性聚氨酯泡沫。化学发泡剂和物理发泡剂同时使用。这有助于在释放和吸收的热能方面相互平衡，从而最大限度地降低温升。
填料和增强材料
填料是加入塑料基质中以改善特定性能的惰性材料，填料有以下类型：
玻璃微珠
空心玻璃微珠可用于热塑性塑料，以减轻重量、减少模具收缩、翘曲和CLTE。它们的其他独特属性是低热导率和低介电常数。使用高强度微珠还可以在严格的热塑性加工条件下提高生存能力，并且改善最终改性材料的机械性能。
例如，密度从常规尼龙66的1.14g/cc降低到20%体积玻璃微珠填充时的1.03g/cc，而30%体积玻璃微珠填充时的0.98g/cc。
在尼龙66中添加空心玻璃微珠的缺点是材料的缺口冲击强度降低。这是因为玻璃微珠是分散在塑料材料中的非增强填料。同样，与滑石粉填充的聚丙烯部件相比，通过加入20%适当的玻璃微球，聚丙烯部件的重量可以比标准部件的重量减少约17% 。
热塑性微珠
Expancel®微球是一种新型特种添加剂2，又称微球发泡剂，具有一种核壳结构（见图1）。外壳是热塑性丙烯酸树脂聚合物，核心是一个由烷烃气体组成的球形塑料颗粒。
粒径一般为10-45微米，加热后体积能迅速膨胀至自身的几十倍，从而达到发泡的效果，发泡温度范围为75-260℃。
热塑性外壳具有：耐压性能优良，表面可承受300公斤/平方厘米的压力，良好的弹性，可承受反复的循环压力/压力释放而不破裂，无毒、无污染，可作为高端产品的环保发泡剂等特点。
碳纤维
碳纤维是一种高强度轻质纤维（密度为1.8g/cm3），可提高强度重量比。这使制造商总体上可以使用更少的材料。想象一下汽车引擎盖——有了增强材料，它可以更薄更轻，但仍然保持同样的强度和抗凹陷性。增强材料可以根据特定应用量身定制。这种设计灵活性以及制造更轻更坚固部件的潜力使增强材料对各个行业都至关重要。这包括汽车和航空航天、建筑和体育用品。
天然纤维
天然纤维是由木材、棉花、亚麻、洋麻和大麻制成的生物基材料。用于制造天然纤维复合材料的原材料是环保的。它们有可能在未来几年取代合成纤维。用天然纤维制成的复合材料可减轻部件的重量，从而降低总能耗。此外，成型过程比玻璃纤维成型消耗的能量更少，生产成本降低了10%。天然纤维可以减轻重量，使产品更环保，减少振动，更好地吸收能量。
增塑剂
增塑剂可提高塑料的柔韧性和加工性能。这使得制造商可以在复合材料中使用更薄的塑料部分，同时保持其功能性。
成核剂
成核剂可促进泡沫中形成更精细、更均匀的细胞结构。这种更精细的结构可使材料更轻，同时具有更好的强度和刚度等机械性能。
纳米复合材料
纳米颗粒（例如纳米粘土或纳米管）可充当强力增强剂。它们可显著提高塑料基质的强度和刚度。这使得制造商在实现所需性能要求的同时，总体上可以使用更少的塑料。