何晨，田林

重慶光大產(chǎn)業(yè)有限公司，重慶 401120

0 引言

隨著人們對(duì)汽車駕駛安全和乘坐安全意識(shí)的不斷提升以及國家交通法規(guī)的不斷完善，汽車安全帶的佩戴率日益提升。當(dāng)碰撞事故發(fā)生時(shí)，安全帶可將乘員“束縛”在座椅上，力求使乘員的頭部、胸部不至于向前撞到方向盤、儀表盤及擋風(fēng)玻璃上，減少乘員發(fā)生二次碰撞的危險(xiǎn)，同時(shí)能避免乘員在車輛發(fā)生翻滾等危險(xiǎn)情況下被拋出車外，因此安全帶被稱為“生命帶”。安全帶的約束性能固然重要，然而約束性能的好壞卻不易被客戶感知，相反，安全帶佩戴舒適性及拉卷性等特征卻是客戶可直接體驗(yàn)并非常關(guān)注的。有數(shù)據(jù)顯示[1]，安全帶拉卷不良是中國市場(chǎng)客戶的重點(diǎn)抱怨項(xiàng)目，從2015年以來逐年上升，且上升趨勢(shì)明顯。因此，對(duì)安全帶拉卷性能的研究，已成為安全帶廠家及各大主機(jī)廠急需開展的課題。

影響安全帶拉卷性能的因素很多，如卷簧回卷力、導(dǎo)向環(huán)與織帶的摩擦力、安全帶的布置路徑等。導(dǎo)向環(huán)的結(jié)構(gòu)有很多種，最常見的是由金屬嵌件和包塑層組成，在織帶拉卷時(shí)，導(dǎo)向環(huán)包塑層和織帶接觸產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而影響織帶的拉出力和回卷力，因此本文針對(duì)兩種不同的聚甲醛包塑材料對(duì)織帶的拉卷性能展開研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

聚甲醛因具有抗蠕變性、疲勞耐久性、耐化學(xué)藥品、自潤(rùn)滑性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能[2]，在安全帶導(dǎo)向環(huán)的包塑層上獲得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)分子鏈結(jié)構(gòu)的不同，聚甲醛可分為均聚甲醛和共聚甲醛兩類，其分子結(jié)構(gòu)和晶體形態(tài)如圖1所示。均聚甲醛分子鏈由許多相同—C—O—C—單元組成，結(jié)合緊湊；共聚甲醛則在相同—C—O—C—分子鏈單元中無規(guī)則地插入不同的—C—C—結(jié)構(gòu)單元。

圖1 均聚甲醛和共聚甲醛的分子結(jié)構(gòu)和晶體形態(tài)

均聚甲醛因具有高機(jī)械強(qiáng)度和剛性、高韌性和抗沖擊性能等，因此使用均聚甲醛制作導(dǎo)向環(huán)通?？梢詽M足強(qiáng)度、溫交變、動(dòng)態(tài)等多項(xiàng)試驗(yàn)要求。普通的共聚甲醛因材料韌性較差，缺口沖擊強(qiáng)度較低，很難直接作為導(dǎo)向環(huán)包塑材料使用，這是因?yàn)樵诎踩珟ч_發(fā)階段采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來模擬車輛的實(shí)際碰撞，如果包塑層的抗沖擊性能差，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)包塑層會(huì)發(fā)生破裂，織帶在裂紋上摩擦?xí)r會(huì)被割斷，從而導(dǎo)致安全帶總成約束性能的失效?；谏鲜鲈颍瑢?duì)普通共聚甲醛進(jìn)行抗沖擊改性后，方能用于導(dǎo)向環(huán)包塑層上。因此，本文針對(duì)導(dǎo)向環(huán)包塑層材料，分別采用安全帶行業(yè)使用的兩類聚甲醛材料，即均聚甲醛(由材料廠家A生產(chǎn))和沖擊改性共聚甲醛(由材料廠家B生產(chǎn))進(jìn)行織帶拉卷性能的研究。

1.2 樣品制備

由于導(dǎo)向環(huán)為包塑零件，其品質(zhì)的好壞與金屬嵌件的質(zhì)量息息相關(guān)，因此本次采用同一批次的量產(chǎn)嵌件制樣，材質(zhì)為45鋼，在注塑前對(duì)其尺寸和外觀進(jìn)行確認(rèn)。

雖然聚甲醛的吸濕性不大，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間存放的粒料而言，在注塑前應(yīng)進(jìn)行干燥處理，粒料的干燥參數(shù)為80 ℃×4 h。由于金屬嵌件和包塑材料收縮率差異較大，在塑料冷卻時(shí)，嵌件周圍會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，預(yù)熱金屬嵌件的目的在于降低收縮應(yīng)力，避免包塑層在收縮應(yīng)力作用下出現(xiàn)開裂或強(qiáng)度下降的情況，嵌件的預(yù)熱溫度為65 ℃(嵌件的預(yù)熱溫度可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高)。此次制樣的模具溫度為80 ℃，是因?yàn)槟＞邷囟冗^低時(shí)，會(huì)因內(nèi)外收縮不均而在制品中留下較大的殘留應(yīng)力，使制品在后續(xù)發(fā)生開裂；當(dāng)模具溫度過高時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，從而降低生產(chǎn)效率。由于均聚甲醛和改性共聚甲醛兩種材料加工特性(熔點(diǎn)、熔體質(zhì)量流動(dòng)速率等)不同，導(dǎo)致兩者在注塑溫度、注塑壓力、注塑速度等參數(shù)上均有所不同。導(dǎo)向環(huán)制樣工藝參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)向環(huán)制樣工藝參數(shù)

1.3 拉卷性能測(cè)試

為了避免卷簧等其他因素對(duì)織帶的拉卷性能產(chǎn)生影響，采用臺(tái)架法進(jìn)行測(cè)試，織帶拉卷性能測(cè)試示意如圖2所示。導(dǎo)向環(huán)通過螺栓固定在臺(tái)架上，采用同一型號(hào)同一批次的條紋織帶，測(cè)試時(shí)織帶穿過導(dǎo)向環(huán)，一端與砝碼相連，砝碼的重力為10 N，另一端夾持在力值傳感器和速度傳感器上，連接傳感器的織帶端沿著臺(tái)架以恒定速度先拉出后回卷，臺(tái)架與豎直方向的夾角為45°，拉出速度為20 mm/s，回卷速度為 500 mm/min，拉出和回卷的距離約為600 mm。

圖2 織帶拉卷性能測(cè)試示意

2 結(jié)果與討論

2.1 包塑材料對(duì)織帶拉卷性能的影響

表2為拉出位移為200 mm處的導(dǎo)向環(huán)與織帶的拉出和回卷力值。選取位移量為200 mm主要是為了避免位移量過小時(shí)的力值不穩(wěn)定和位移量過大時(shí)拉出力隨著拉出距離的增加而減小的情況。由表2可知，當(dāng)包塑材料為均聚甲醛時(shí)，織帶拉出力的平均值為16.19 N，回卷力的平均值為6.33 N；當(dāng)包塑材料為改性共聚甲醛時(shí)，織帶拉出力的平均值為17.12 N，回卷力的平均值為5.97 N。對(duì)比可知，兩種包塑材料與織帶的摩擦因數(shù)是不同的，其中均聚甲醛包塑導(dǎo)向環(huán)時(shí)，拉出力較小，回卷力較大，這說明在該測(cè)試狀態(tài)下，均聚甲醛制包塑層與織帶的摩擦力較小，改性共聚甲醛的摩擦力較大。

表2 拉出位移為200 mm處的導(dǎo)向環(huán)與織帶的拉出和回卷力值 單位:N

為了解兩種包塑材料與織帶配合時(shí)力值的變化情況，現(xiàn)將兩種不同材料制1#導(dǎo)向環(huán)樣品的拉出和回卷變化曲線進(jìn)行對(duì)比。兩種不同材料制1#樣品在拉出/回卷時(shí)的位移-力值曲線如圖3所示。由圖可以看出，均聚甲醛制包塑層的拉出曲線在改性共聚甲醛的下方，而回卷曲線在改性共聚甲醛的上方，這與表2的數(shù)據(jù)是一致的。

圖3 兩種不同材料制1#樣品在拉出/回卷時(shí)的位移-力值曲線

2.2 包塑材料理論摩擦因數(shù)計(jì)算

王偉民[3]分析了繞繩圓柱體的摩擦力與繩兩端拉力的定量關(guān)系，得到如下關(guān)系:

(1)

式中:F0和Fn分別為繩兩端的拉力；l為繩與圓柱體接觸部分的圓弧長(zhǎng)度；μ為繩與圓柱體間的動(dòng)摩擦因數(shù)；R為圓柱體的截面半徑。

結(jié)合此次導(dǎo)向環(huán)和織帶測(cè)試時(shí)的實(shí)際情況，當(dāng)拉出位移為200 mm時(shí)，將式(1)轉(zhuǎn)化為：

(2)

(3)

l0=0.52πR0

(4)

式中：Fl為拉出力；Fh為回卷力；G1為織帶長(zhǎng)度210 mm(織帶拉出距離200 mm+織帶預(yù)留長(zhǎng)度10 mm)的質(zhì)量12.2 g；θ為G和F的夾角45°；Gf為砝碼的重力10 N；G2為織帶長(zhǎng)度390 mm(織帶總長(zhǎng)600～210 mm)的質(zhì)量22.6 g；l0為織帶和導(dǎo)向環(huán)包塑層的接觸弧長(zhǎng)；μ1、μ2分別為拉出、回卷時(shí)包塑層與織帶的摩擦因數(shù);R0為導(dǎo)向環(huán)下端圓弧的擬合半徑。

綜上，將數(shù)值代入后，式(2)簡(jiǎn)化為式(5)，式(3)簡(jiǎn)化為式(6)：

Fl+(9.8×0.012 2×sin45°)=(10+9.8×0.022 6)e0.52πμ1

(5)

10+9.8×0.022 6=[Fh+(9.8×0.012 2×sin45°)]e0.52πμ2

(6)

將均聚甲醛制包塑層的平均拉出力16.19 N和改性共聚甲醛制包塑層的平均拉出力17.12 N，分別代入公式(5)，可計(jì)算得到摩擦因數(shù)分別為0.28和0.32。將均聚甲醛制包塑層的平均回卷力6.33 N和改性共聚甲醛制包塑層的平均回卷力5.97 N，分別代入公式(6)，可計(jì)算得到摩擦因數(shù)分別為0.29和0.32。

2.3 包塑材料摩擦因數(shù)差異分析

材料的摩擦因數(shù)隨著測(cè)試條件的不同而變化，測(cè)試條件主要包括摩擦對(duì)象、潤(rùn)滑條件、接觸面積、載荷與速度等。基于上述原因，此次拉卷性能的測(cè)試采用相同類型的織帶，相同的設(shè)備，相同的載荷、速度和角度等。經(jīng)過計(jì)算后得到均聚甲醛的摩擦因數(shù)為0.28～0.29，而改性共聚甲醛的摩擦因數(shù)為0.32。

在拉卷性能測(cè)試后對(duì)兩種包塑層分別進(jìn)行紅外分析和DSC分析。圖4為均聚甲醛制包塑層的紅外譜圖，其中體現(xiàn)了聚甲醛的官能團(tuán)信息，2 979 cm-1和2 920 cm-1處特征峰為—CH2—的吸收峰，1 093 cm-1和893 cm-1處特征峰為—C—O—C—的吸收峰。隨后對(duì)該包塑層進(jìn)行DSC分析，如圖5所示，可以看到該包塑層材料的熔點(diǎn)為177 ℃，這與均聚甲醛的理論熔點(diǎn)基本一致。

圖4 均聚甲醛制包塑層的紅外譜圖

圖5 均聚甲醛制包塑層的DSC曲線

圖6為改性共聚甲醛制包塑層的紅外譜圖，在2 979 cm-1和2 920 cm-1處特征峰為—CH2—的吸收峰，1 088 cm-1和892 cm-1處特征峰為—C—O—C—的吸收峰，除了體現(xiàn)聚甲醛信息外，還體現(xiàn)了聚氨酯彈性體的特征峰，其中在3 330 cm-1為N—H的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在1 731 cm-1的位置上出現(xiàn)了明顯的C==O的吸收峰。圖7為該包塑層的DSC曲線，可以看到包塑材料的熔點(diǎn)為165 ℃，這與共聚甲醛的理論熔點(diǎn)基本一致。

圖6 改性共聚甲醛制包塑層的紅外譜圖

圖7 改性共聚甲醛制包塑層的DSC曲線

通過紅外分析可知，共聚甲醛中的改性劑為聚氨酯彈性體(TPU)，之所以采用TPU作為抗沖擊改性劑，是因?yàn)榧兹┓肿又麈溂葻o側(cè)基又無功能性基團(tuán)，使得與很多改性劑間的相容性極差[4]，卻能與TPU之間形成氫鍵，使相互之間具有良好的相容性[5]。雖然TPU能大大提高聚甲醛的韌性和沖擊性能，但卻是以強(qiáng)度降低、剛性下降為代價(jià)的。因此，為導(dǎo)向環(huán)選擇包塑材料時(shí)，應(yīng)兼顧強(qiáng)度和韌性要求，充分考慮導(dǎo)向環(huán)的使用工況。

基于紅外分析和DSC分析結(jié)果，本文對(duì)均聚甲醛和改性共聚甲醛兩種包塑材料的摩擦因數(shù)差異的原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。首先，與均聚甲醛相比，共聚甲醛的摩擦因數(shù)可能會(huì)略高。這是因?yàn)榫奂兹┓肿咏Y(jié)構(gòu)更為規(guī)整，具有較高的結(jié)晶度，而摩擦因數(shù)和結(jié)晶度相關(guān)，結(jié)晶度越高，摩擦因數(shù)越低。其次，彈性體TPU的加入導(dǎo)致共聚甲醛的摩擦因數(shù)繼續(xù)增大。這是因?yàn)門PU的加入破壞了聚甲醛的結(jié)晶，導(dǎo)致材料的結(jié)晶度降低，同時(shí)在摩擦滑動(dòng)時(shí)，彈性體產(chǎn)生了形變，在反復(fù)形變-恢復(fù)的過程中，黏彈性的彈性體的高分子鏈間相互作用損失了能量[6]，這種能量損失需要外力來補(bǔ)充，從而導(dǎo)致包塑層與織帶的摩擦力增大。聚合物材料的摩擦學(xué)性能非常復(fù)雜，受到很多因素的影響，至今尚無統(tǒng)一的理論來解釋，仍有待進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)束語

以均聚甲醛和改性共聚甲醛為包塑材料的導(dǎo)向環(huán)作為研究對(duì)象，采用相同的試驗(yàn)方法，分別測(cè)試織帶的拉出力和回卷力。當(dāng)包塑材料為均聚甲醛時(shí)，織帶的拉出力為16.19 N，回卷力為6.33 N，經(jīng)計(jì)算得到，該導(dǎo)向環(huán)包塑層與織帶的摩擦因數(shù)為0.28～0.29；當(dāng)包塑材料為改性共聚甲醛時(shí)，織帶的拉出力為17.12 N，回卷力為5.97 N，經(jīng)計(jì)算得到，該導(dǎo)向環(huán)包塑層與該織帶的摩擦因數(shù)為0.32。