住友化学开发出高刚性透明树脂,通过前车窗耐冲击性试验

新产品 · 新服务 2018年06月29日
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作为日本内阁府综合科学技术创新会议推进的创新研发项目(以下简称“ImPACT”)“开发超薄膜化和增韧化‘柔韧聚合物’”中的一环,日本住友化学股份公司开发出了可以取代玻璃和金属的高刚性、高韧性透明树脂。

<研究背景和过程>

近年来,为减轻汽车的重量,从而实现节能,汽车业界正在大力推进将金属和玻璃材质的构件换成树脂材料。例如,如果能将前车窗和天窗等构成汽车驾驶室的构件换成透明树脂,不但可以通过轻量化实现节能,还有望实现新的附加值,比如通过确保视野提高安全性,以及开放感的车内空间等(图1)。

住友化学开发出高刚性透明树脂,通过前车窗耐冲击性试验

图1:对“高刚性、高韧性透明树脂”的期待和存在的课题

不过,以往的透明树脂与金属和玻璃相比容易挠曲,要想维持构件的设计强度,就需要增加构件本身的厚度。这样一来,采用树脂的目的——实现轻量化就会大打折扣,而且有损外观设计美感。

PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,俗称亚克力或有机玻璃)树脂在塑料材料中透明性最高,而且具备高耐久性和不易形成划痕的硬度。此次的项目以PMMA为技术基础,在产业界和学术界的密切合作下,着手开发了挠曲小且不容易破碎的新型高刚性、高韧性透明树脂(图2)。

<研究内容>

一般来说,常见的树脂材料破坏类型为脆性破坏和延性破坏,前者在拉伸树脂材料时几乎不会延展变形,中途突然断裂,后者在树脂断裂前会延展变形。常见的具有脆性破坏特性的代表性透明树脂为PMMA,具有延性破坏特性的代表性透明树脂为聚碳酸酯。PMMA刚性高、不易弯曲,但容易断裂,聚碳酸酯不易断裂,但刚性低,容易弯曲。因此,要想以PMMA为基础开发具备高刚性和高韧性的树脂,需要在保持PMMA不易弯曲性质的同时,为其赋予具有延性破坏特性的树脂材料不易断裂的性质(图2)。

住友化学开发出高刚性透明树脂,通过前车窗耐冲击性试验

图2:高刚性、高韧性透明树脂的目标

对此,研究人员着眼于玻璃状聚合物的脆-韧转变性质,在分子水平上加深了对破坏类型的本质理解,同时设法确立了PMMA的高刚性、高韧性技术。

具体来说,通过循环推进以下三个步骤,从微观角度解析了脆性破坏和延性破坏各自的机理,并把解析结果应用于分子和材料设计及高阶结构设计中,推进了开发。

1) 利用大型辐射装置等对破坏过程进行观察和解析,明确破坏机理,并获得控制脆性和延性特性的分子结构及分子水平的高阶结构指南。

2) 利用作为本次项目的共同课题推进的理论物理及计算机破坏模拟,获得最佳分子结构和分子水平的高阶结构指南。

3) 根据在①和②中获得的指南,通过分子和材料设计及成型加工工艺进行分子水平的高阶结构控制,验证设计指南,同时根据验证结果查明机理并构建模拟。

由此,住友化学成功开发出了创新型高刚性、高韧性透明树脂,弯曲弹性模量与以往那些具备延性破坏特性的透明材料相比达到约1.6倍,比冲击强度与以往那些具备脆性破坏特性的透明树脂相比达到10倍以上。将该树脂用于汽车天窗构件时,与玻璃相比可减轻重量减轻60%以上,与钢板相比重量可减轻40%(图3)。另外,该树脂还通过了符合汽车用安全玻璃标准(JIS R3212)的前车窗夹层玻璃耐冲击试验(图4)。

住友化学开发出高刚性透明树脂,通过前车窗耐冲击性试验

图3:将此次的开发品用于汽车天窗构件时的轻量化效果

住友化学开发出高刚性透明树脂,通过前车窗耐冲击性试验

图4:汽车安全玻璃试验方法JIS R3212 耐冲击性试验

文 客观日本编辑部

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