长玻纤聚丙烯材料在电链锯外壳上的应用研究

温亮，姜朝东

（ 沙伯基础（中国）研发有限公司，上海 201319 ）

0 引言

减轻重量一直是电动工具产品设计的重要趋势[1]，这也给电动工具外壳材料提出了更高的要求。短玻纤增强尼龙（聚酰胺）是电动工具外壳的常用材料，尼龙含有胺基和羰基，易与水分子形成氢键，从而具有很强的吸湿性，而吸水后材料的性能会产生极大变化，这也导致了其在电动工具外壳生产中复杂的前后处理[2]，和潮湿环境中外壳的性能变化。研究表明长玻纤增强聚丙烯材料或可替换现有短玻纤增强尼龙[3]。但是许多电动工具如电链锯（以下简称“链锯”）等，其自身重量较大，文献[4,5]中采用的长玻纤聚丙烯外壳遇跌落时较易破损。为达到减重的同时不降低材料性能的目的，本文提出了SABIC 公司长玻纤聚丙烯材料应用在链锯外壳的可能性。

1 概述

长玻纤维增强聚丙烯复合材料是以聚丙烯为基体，长玻纤为增强骨架的材料。由于其低密度、优异的机械性能、耐化学性、耐湿性、密度小和低翘曲在汽车、机械等领域的轻量化设计中得到较为广泛的应用[6]。对比目前链锯外壳常用的短玻纤尼龙材料，长玻纤聚丙烯具有更低的密度和价格，有助于电动工具整机减重和成本降低。长玻纤聚丙烯由于其较好的耐湿性，成型过程中不需要进行前后处理，在潮湿环境中具有稳定的机械性能。通常，链锯重量可达到4 kg 或以上，意外跌落时，承受的冲击能量远高于文献[3]提及，一般的短玻纤增强尼龙较难满足要求，故链锯外壳材料多采用高抗冲短玻纤增强尼龙。上述文献中提及的长玻纤聚丙烯难以满足链锯需求，有必要开发一种适合链锯外壳的长玻纤聚丙烯材料。

2 实验

2.1 材料与样品

实验材料为SABIC®STAMAXTM 40-5EX-20839 长玻纤聚丙烯、SABIC®STAMAXTM 40YK710 长玻纤聚丙烯和市售高抗冲短玻纤尼龙6（简称PA30 %GF High impact）。本文中材料测试样品使用FANUC S-2000i 注塑机注塑成型。

2.2 表征与测试

冲击强度按照ISO 179-1:2010 标准要求进行。拉伸模量按照ISO 527-2:2012 在23 ℃进行。湿热老化条件：40 ℃以及85 %湿度下放置168 h。密度按照ISO 1183-1:2012 标准要求在23 ℃进行。高速穿刺实验按照ASTM D3763-2015 标准在0 ℃进行。收缩率使用60 mm×60 mm×2 mm 平板测量，将注塑后的平板冷却至室温，通过比较熔体流动方向和垂直于熔体流动方向上平板尺寸和模具尺寸差值得出。热变形温度按照ISO 75-1:2016 标准要求在23 ℃/1.8 Mpa 下进行。链锯外壳螺钉与连接件测试和跌落测试按照GB/T 3883.1-2014 进行。落球测试为企业内部测试标准，在0 ℃的环境温度下用530 g 钢球从1.3 m 的高度对产品最薄弱的机壳实施3 次冲击，机壳与钢球接触处未见明显破裂则通过测试。

3 结果与讨论

3.1 性能分析

对比用于链锯外壳的高抗冲短玻纤尼龙（PA30 %GF High impact）、用于小型手持式电动工具的长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 与高抗冲长玻璃纤维聚丙烯40YK710 三种材料的性能结果见表1。

表1 中可知高抗冲短玻纤尼龙的拉伸模量为7 017 Mpa，长玻纤聚丙烯40-5EX-20839和40YK710 的拉伸模量分别为7 792 Mpa 和7 059 Mpa，可见长玻纤聚丙烯的拉伸模量略高。在湿热环境中放置168 h 后，高抗冲短玻纤尼龙的拉伸模量大幅度下降至5 003 Mpa，而长玻纤聚丙烯变化很小，其值高于短纤尼龙的拉伸模量。因此,长玻纤聚丙烯耐湿性能远高于尼龙，这表明聚丙烯材料在应用于湿度较大的环境中具有优势。短玻纤尼龙正常使用时的拉伸性能应在吸水和未吸水时的刚性之间，而长玻纤聚丙烯的拉伸模量在短玻纤尼龙吸水和未吸水的拉伸模量之间。

此外，表1 中也可发现高抗冲短玻纤尼龙的热变形温度(HDT)197 ℃远高于长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 的156 ℃和40YK710 的149 ℃。长玻纤聚丙烯的HDT 远高于大部分链锯外壳的耐温需要，密度为1.22 g/cm3，低于短玻纤尼龙的密度1.33 g/cm3，因此长玻纤聚丙烯材料有助于产品的减重。

根据对材料刚性的分析数据，长玻纤聚丙烯有可能替代高抗冲短玻纤尼龙，有利于链锯外壳减重和成本降低。

表1 材料基本性能

在讨论材料之间是否可以相互替代时除了分析刚性，还应关注韧性。图1 中列出了两种材料在室温（23 ℃）和低温(0 ℃)时的冲击性能。对于缺口冲击（notched impact），在室温和0 ℃时，用于小型电动工具的长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 冲击强度低于用于链锯外壳的高抗冲短纤尼龙，而长玻纤聚丙烯40YK710的缺口冲击强度最高。这表明在文献[3]中小型手持式电动工具的长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 应用在链锯外壳时存在风险。

进一步模拟材料在使用过程中受到的跌落和外物打击的情形，采用高速穿刺冲击测试（MAI），以0 ℃时穿刺能量（使材料破坏需要的能量）表征材料的韧性。如图1 所示，40-5EX-20839 的穿刺能量低于高抗冲尼龙的穿刺能量，而40YK710 的穿刺能量最高，这一趋势与缺口冲击强度的趋势一致。所以无论室温还是低温，长玻纤聚丙烯40YK710 的韧性均好于高抗冲短玻纤尼龙。

链锯外壳制作一般采用注塑工艺，材料收缩率决定了机壳最终尺寸的稳定性，进一步研究聚丙烯和尼龙的收缩率。图2 中列出了长玻纤聚丙烯40-5EX-20839、40YK710 和高抗冲短玻纤尼龙的收缩率。从图2 中可知，两种长玻纤聚丙烯在沿流动和垂直于流动方向上的收缩率非常接近。高抗冲长玻纤聚丙烯40YK710与用于链锯外壳的短玻纤尼龙材料在沿流动方向收缩率的差距极小，而短玻纤尼龙垂直于流动方向的收缩率为0.62 %，略大于高抗冲长玻纤聚丙烯40YK710。根据以上数据，认为长玻纤聚丙烯可使用现有短玻纤尼龙模具完成注塑成型。同时，长玻纤聚丙烯40YK710 在两个方向上收缩率差值仅为0.22 %，低于高抗冲短玻纤尼龙的收缩率差值。该差值用来表征产品翘曲，即两个方向收缩率差值越小，产品翘曲则越小。

3.2 链锯外壳性能

为进一步确定材料是否适合用于链锯外壳，选用市场上常见的链锯，使用长玻纤聚丙烯为外壳与其他部件组装后，置于0 ℃下7 h，根据GB/T 3883.1-2014标准要求进行跌落测试，1 次跌落后，长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 出现明显破裂(图3a)，与文献[3]中提及的跌落测试结果不同，原因在于文献[3]中电钻重量仅为1 kg，远低于实验使用的链锯重量（4.9 kg），可见长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 很难用应于链锯外壳。而长玻纤聚丙烯40YK710 在0 ℃进行3 次跌落后未见明显开裂（图3b）。因此判断长玻纤聚丙烯40YK710 在抗跌落的性能上完全满足链锯的外壳要求。

除了跌落测试，链锯产品制造商还会针对链锯外壳薄弱处进行落球冲击测试，将链锯置于0 ℃以下7 h 后，使用质量为530 g 的钢球从1.3 m 砸落（图4a），能量约为6.8 J。图4b 可见，链锯外壳未见明显破裂。因此，长玻纤聚丙烯40YK710 满足相关要求。

电动工具外壳通常通过螺钉连接，因此螺丝的连接性能也是电动工具外壳一项重要要求。在之前的文献[3]中，小型电钻外壳使用ST2.2 螺钉，以0.5 N·m 扭矩进行测试。对于大型链锯外壳，一般使用ST4.8 螺钉进行连接，按照GB 3883.1-2014 标准要求，施加扭矩1.2 N·m，反复拧紧10 次后扭矩必须没有明显降低。如图5 所示，在反复卸下并拧紧20 次后，长玻纤聚丙烯40YK710 和高抗冲短玻纤尼龙样品上螺钉扭矩仍可维持在不低于1.2 N·m，未见明显开裂，因此长玻纤聚丙烯40YK710 和高抗冲短玻纤尼龙均可均可满足国标的要求。综上，长玻纤聚丙烯40YK710 也可在链锯外壳上使用螺钉进行连接。

4 结论

普通长玻纤聚丙烯40-5EX-20839 由于其较低的韧性很难用于链锯外壳。对比目前链锯外壳常用的高抗冲短玻纤尼龙，长玻纤聚丙烯40YK710 具有相近的拉伸模量、在高湿度条件下刚性的保持度高，以及更高的抗冲击强度、更低的密度和两个方向的收缩率差值，但是该材料的热变形温度低于短玻纤尼龙。在实际样件测试中，长玻纤聚丙烯40YK710 具有和短玻纤尼龙接近的耐受螺钉多次扭转性能。因此，SABIC 公司推出的这款材料有较大潜力替代高抗冲短纤尼龙，可赋予链锯外壳更轻的重量和更稳定的耐湿性能。