木材重回制造工程選材視野
還有人記得早期的木質后車身的廂式旅行車“woodies”嗎?在經歷過幾次與塑料材料在外觀上的失敗競爭后,至1960年代它們差不多消失殆盡了。 不過,它們可能還會回來的!日益高漲的碳氫化合物成本,加上人們對綠色設計越來越濃的興趣,正在重新燃起大家對木材與類似木材植物作為工程材料的興趣。幾家歐洲的OEM廠商在內部裝飾配件上使用了模塑木質復合材料。兩家北美的玩具制造商也正在使用木質復合材料。
在裝飾材料和柵欄材料中使用木質熱塑復合材料已經是不爭的事實了。據供應商們說,新的技術進展可以讓這些材料穩妥地得到注塑。木材在聚乙烯、聚丙烯、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚)、聚苯乙烯和烯烴類熱塑彈性體(TPOs)等塑料中所占填料的比例可以高達60%以上。所謂的“木材”可以是木材廢料、稻谷殼、棕櫚纖維廢料或者亞麻。木材廢料可以是松木、楓木或橡木的。
豐田公司今年新推出的一款概念車1/X就包含了用一種來自洋麻和苧麻的生物塑料制造的配件單元。“所制成的是一種能夠提高隔熱性、釋放更少二氧化碳、增加車內光線并降低噪音的車頂。”豐田公司聲明說。苧麻是生長在東亞的一種纖維性植物。把洋麻用作塑料的增強材料已經有十多年的時間了。
從工程的角度來看,木塑復合材料據說能夠制成一種具有結構剛度、天然外表、怡人芳香和受市場歡迎特性的最終產品。特別適合用于具有厚壁的部件以及需要硬度和形穩性的部件。但是,與很多其他注塑塑料相比,木塑復合材料的抗剝落性能較差,并且不能抵抗過度的沖擊。更高填料的塑料能夠提高抗沖擊性能。
節省成本
木塑復合材料通常要比沒有填料或用玻璃填料的塑料成本低并且重量更輕。它們與碳酸鈣填料或滑石填料的聚丙烯在市場上競爭激烈,其主要用途是用在裝飾方面。
大多數工程師不會把木材當作一種有生命力的注塑材料。木材在392F度以上可能會降解。因此,它不能與更高溫度的聚合物一起使用。一般來說,模塑木材/PP(聚丙烯)復合材料的后段溫度是340到370F度,前段溫度為380到410F度。木材也會影響熔體流動,但它是一種正面影響。實際上,木材/PP復合材料在相對較低的溫度和壓力下會流動得很好。鑄模工在較低的溫度下澆鑄木塑復合材料,能夠節省能源并減少周期時間。
設計中需要注意的事項
“對于任何材料,你都會有自己想遵循的設計標準。” JER Envirotech公司的首席執行官Ed Trueman說。JER Envirotech公司是位于加拿大不列顛哥倫比亞省(BC)溫哥華市的一家定制復合材料制造商,該公司開發出了一種適于模壓的木塑復合材料。“當然,你想要避免突變半徑;你想擁有緩和的轉角。你可能可以想象到,我們的產品對剪切多少有些敏感,因為木質部件對剪切狀態和升高的處理溫度較為敏感。采用能夠減少剪切的澆鑄方式是一種好方法。”Ed說。
兩家美國的玩具公司正在利用JER Envirotech公司生產的木塑復合材料取得重大商業進展。
新型Sprig探險系列產品,具有代表性的是一些帶著LED頭燈的可互換式小塑像人物玩具,它們是用一種由JER公司與Sprig玩具公司聯合開發的、叫作Sprigwood的產品材料模塑而成。Sprig玩具公司是一家位于美國科羅拉多州柯林斯堡(Collins, CO.)的玩具制造商。“除了其杰出性能和生態友好型特征以外,JER公司的熱塑生物復合材料能為我們的產品提供有機物的觸感、顏色和木材味道。”Sprig玩具公司的首席執行官Craig Story說。這家公司計劃在2009年擴大其使用這種新型材料的玩具生產線。
位于美國明尼蘇達州Kasota的Rolco Inc.公司最近上市了一系列由熱塑料生物復合材料制成的棋盤游戲用具,包括一種特為JER公司的材料而設計的國際象棋中的小卒。
Rolco公司的創始人兼研發總監Vern Olson說:“棋盤游戲行業正在承受來自用戶和零售商要求綠色環保的壓力。我們過去對木塑復合材料測試了好幾年,但成果有限。而后,在2006年,我們開始研究使用JER公司特有的配方,并且收到了良好效果。”Rolco公司對此進行了深度研發,尤其是在彩色注塑與多注嘴注塑領域。Rolco是一家專業注塑公司,經營著32條注塑生產線,其中包括九臺多注嘴機器。Rolco 是美國現存的生產棋盤游戲用具少有的幾家注塑公司之一,他們的產品包括小卒、小房子、小賓館、轉盤(Spinners)和撲克籌碼等。通過傳統渠道以及自己的網站,該公司把產品推銷到了全世界范圍內的棋盤游戲設計師、制造商和批發商手里。
豪華裝飾
一些像通用公司一樣的汽車制造商為豪華車型提供了木質內部裝飾。在美國,汽車業引入木塑復合材料的努力還處于早期階段。“最早吸引我們進入汽車市場的是一些變化較小、非安全方面的應用。”Trueman說。歐洲汽車的OEM廠商使用的木塑復合材料較多。一家叫做Beologic的比利時公司供應在PVC、PP或PE基質中填入25%到85%限定木質纖維的合成材料。這些合成材料現在正由阿科瑪(Arkema)公司銷售,據阿科瑪公司估計,歐洲木塑復合材料的市場正在以每年20%的比例上升。BO-Systems GmbH公司于2003年成立于德國的Sontra,其目的是為汽車內部裝飾生產零配件。
用于外部裝飾和柵欄應用的木材復合材料表現得不是很好。在處理和增加添加劑的過程中可能會出現收縮和褪色等問題。另外,這種材料由于質量不穩定、供應不穩定以及工藝問題而遠遠落后于注塑生產廠商的前進腳步。
JER Envirotech公司認為,利用最早由加拿大國家資源委員會(the National Resources Council of Canada)開發并于2006年獲得專利的一種材料,他們已經解決了這些問題。當初研發的特定目標就是要開發出一種具有更好機械性能和改善的工作溫度、防火性能以及防生物變化性能的材料。這種新材料含有一種聚烯烴、纖維質填料,一種羧酸填料和一種基礎活性填料。這就是為什么這種材料能夠進入注塑領域的部分原因。
JER公司利用專門設計的設備和工藝降低了木材中的含濕量。“處于綠色狀態的木材具有25%以上的含濕量,”Trueman說,“聚合物中含有濕氣會大大影響其物理性能和機械性能。如果不能有效地把濕氣提取出來,你就不會擁平穩的性能。這就牽涉到一項商業秘密:在內部把含濕量降低到0.5%以下的能力。”
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