聚酰胺（PA）力学性能优良、易加工且耐腐蚀，广泛应用于汽车、海洋等领域。但 PA 不可生物降解，以 PA6 为基础的废弃渔网约占海洋废弃塑料的 10%，造成严重污染。废旧 PA 回收主要有能量回收、物理回收和化学回收三种途径，能量回收能效低、碳排放高，化学回收成本高难推广，物理回收虽应用最广，但再生产品质量和附加值偏低，需添加新料及助剂提升性能。

汽车导流罩支架多采用冲压钢板或铸铝等金属材质，为实现轻量化，本文提出复合材料方案：通过物理共混将消费后聚酰胺（PCR‐PA6）与新料聚酰胺（VPA6）按不同比例混合、熔融、挤出、切粒，测试分析材料性能变化，筛选适配配比并验证，为 PCR‐PA6 在汽车产品中的再利用提供可行方案和数据支撑。

1

实验部分

1.1

主要原料

PA6，HY‐2500A，江苏海阳化纤有限公司；

PCR‐PA6，L.B.NLB007A，阜宁锦宇塑业有限公司；

玻璃纤维，T435，泰山玻璃纤维有限公司；

抗氧剂，受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类 1098 和 168 混合物，市售；

紫外线吸收剂和光稳定剂，苯并三唑类 UV‐234 和受阻胺类 UV‐944 混合物，市售；

脱模剂，乙烯‐丙烯酸共聚物 AC‐540A，美国霍尼韦尔公司。

1.2

主要设备及仪器

双螺杆挤出机，TE65，南京科亚公司；

塑料注塑机，HTF90 W1，宁波海天塑机集团有限公司；

拉力试验机，LJ 系列，河北承德试验机总厂；

摆锤冲击试验机，HIT25P，Zwick 公司；

热变形维卡测定仪，40‐197‐100，COESFELD 公司；

差示扫描量热仪（DSC），DSC3，METTLER TOLEDO 公司；

步入式温湿度试验箱，AZTH9U，上海增达科技股份有限公司；

高温试验箱，AZHEAT3，上海增达科技股份有限公司；

氘灯老化试验机，Ci4400，美国 ATLAS 公司；标准光源箱，Judge QC，美国爱色丽公司。

1.3

样品制备

将 VPA6、PCR‐PA6 和改性助剂按照质量份比例混合均匀加入双螺杆挤出机主喂料口，将玻璃纤维按照质量份比例加入侧喂料口，经熔融共混挤出造粒制得分别为 0 %、10 %、20 %、30 %、50 %、67.5 % 6 种再生含量的 30 % 玻璃纤维增强 PA6 基复合材料（PA6‐GF30）改性塑料粒子。将 PA6‐GF30 改性塑料粒子在 100 ℃下干燥 4 h 后，倒入注塑机中注塑成测试样条，1~3 段温度设定为 225、260、270 ℃，模具温度为 100 ℃，注塑压力为 100~160 MPa。6 种混合再生材料基础配方如表 1 所示。

1.4

性能测试与结构表征

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结果与讨论

02

2.1

拉伸性能分析

从图 1 可以看出，PCR‐PA6 含量为 0 时（配比 A），材料拉伸强度为 189 MPa，拉伸模量为 9980 MPa，断裂延伸率为 3.3 %。随着 PCR‐PA6 含量提升，材料拉伸力学性能整体呈现下降趋势，当 PCR‐PA6 含量不超过 20 % 时，材料性能较新料变化相对不大。当添加比例超过 30 % 时，材料拉伸力学性能下降明显，如 PCR‐PA6 含量为 67.5 % 时（配比 F），即改性塑料中塑料基体全部为 PCR 材质，此时材料拉伸强度为 161 MPa，拉伸模量为 9460 MPa，断裂延伸率为 2.8 %，相比配比 A，拉伸强度下降 14.81 %，拉伸模量下降 5.21 %，断裂延伸率下降 15.15 %，这主要是由于 PCR‐PA6 在服役期间使用、承载及光、热、水、氧等自然因素作用下，产生复杂的降解、交联等老化反应，材料综合性能下降，随 PCR‐PA6 添加含量提高影响更为明显。

相对而言，材料的拉伸强度和断裂伸长率下降较多，而拉伸模量下降较少，这可能是由于改性塑料中玻璃纤维添加比例和取向，以及玻璃纤维和塑料基体界面结合力对材料弹性模量起到主导作用导致的。

图1 PCR‐PA6含量对PA6‐GF30拉伸性能的影响

2.2

弯曲性能分析

从图 2 可以看出，PCR‐PA6 含量为 0 时（配比 A），材料弯曲强度为 259 MPa，弯曲模量为 8530 MPa。随着 PCR‐PA6 含量提升，材料弯曲强度呈现下降趋势，理论上材料弯曲模量也应呈下降趋势，但测试数据显示出现先下降后升高现象，PCR‐PA6 含量为 30 %（配比 D）时，材料弯曲模量最低，相比配比 A 下降仅有 1.99 %，考虑此性能偏差可能是在造粒、注塑或检测环节存在波动导致的。当 PCR‐PA6 含量为 67.5 %（配比 F）时，材料弯曲强度为 221 MPa，弯曲模量为 8480 MPa，相比配比 A，弯曲强度下降 14.67 %，弯曲模量下降 0.59 %。

图 2 PCR‐PA6 含量对 PA6‐GF30 弯曲性能的影响

2.3

冲击性能分析

抗冲击作为评价塑料韧性的核心检测手段，被用于度量材料在高速撞击状态下对断裂的抵抗能力，能够为汽车在经受冲击载荷工况时的失效原因提供分析依据 [16]。从图 3 可以看出，PCR‐PA6 含量为 0 时（配比 A），材料简支梁缺口冲击强度为 12 kJ/m²，低温简支梁缺口冲击强度为 9.4 kJ/m²。随着 PCR‐PA6 含量提升，材料冲击性能整体呈现下降趋势，当 PCR‐PA6 含量不超过 20 % 时，材料性能较新料变化相对不大，例如配比 C 时材料简支梁缺口冲击强度和低温简支梁缺口冲击强度分别为 12 kJ/m² 和 9 kJ/m²，相比配比 A，简支梁缺口冲击强度不变，低温简支梁缺口冲击强度下降 4.26 %。而当 PCR‐PA6 含量为 67.5 % 时（配比 F），简支梁缺口冲击强度为 9 kJ/m²，低温简支梁缺口冲击强度为 6.6 kJ/m²，相比配比 A，简支梁缺口冲击强度下降 25.00 %，低温简支梁缺口冲击强度下降 29.79 %，下降明显。

图 3 PCR‐PA6 含量对 PA6‐GF30 冲击性能的影响

2.4

热性能分析

从图 4 可以看出，随着 PCR‐PA6 含量提升，材料热性能变化不大，PCR‐PA6 含量为 0 时（配比 A），材料熔点和热变形温度分别为 221 ℃和 205 ℃，PCR‐PA6 含量为 67.5 % 时（配比 F），材料熔点和热变形温度分别为 220 ℃和 202 ℃，下降比例分别为 1.46 % 和 0.45 %，可以看出 PCR‐PA6 的加入对 PA6‐GF30 改性塑料的熔点和热变形温度影响不大。

图 4 PCR‐PA6 含量对 PA6‐GF30 热性能的影响

2.5

零件设计与仿真分析

由于再生塑料的加入，导致材料性能下降，需要加入改良助剂进行改性，但过量助剂会增加材料成本，因此应根据实际使用需求选用合适的 PCR 塑料配比。根据汽车导流罩支架性能相关标准，选用含有 20 % PCR‐PA6 的 PA6‐GF30 再生塑料作为原料，开展结构设计并通过 hypermesh 软件进行有限元建模，如图 5 所示。

图5　导流罩支架结构及有限元模型

结构含有 4 个螺栓装配点，内嵌有钢制衬套，通过螺栓装配实现导流罩与驾驶室车身连接。采用 6×6 壳单元网格划分，螺栓连接部位采用 bolt 连接方式，该模型共计单元 524 万个。对模型各部位赋予材料属性，并根据设计要求进行加载和约束设定，开展 CAE 强度仿真分析，应力分布如图 6 所示。

图6 CAE强度有限元分析结果

根据仿真分析结果可知，紧急制动、横向冲击、横向转弯和 ESC 工况条件下导流罩支架的最大应力分别为 1.9、3.3、2.7、15.3 MPa，满足设计要求。

2.6

零件性能分析

采用上述材料和方案制备导流罩支架样件，并进行低温冲击、耐高温、耐低温、耐冷热交变、耐化学介质、耐光老化等试验，试验结果显示均满足设计要求，如表 2 所示。

表 2 导流罩支架零件性能实验结果

2.7

搭载整车性能分析

将两个导流罩支架样件左右对称安装在某重卡车型上，一端通过两个 M8 螺栓固定在驾驶室车身，另一端通过两个 M8 螺栓固定在导流罩上，如图 7 所示。

图 7 导流罩支架样件装车

将车辆加载至设计要求载荷 49000 kg，在襄阳试验场开展综合路耐久试验，试验过程包含石块、卵石、扭曲路、搓板路和连接路，各路面长度和比例如表 3 所示。车辆沿连接路进入综合路，以 50 km/h 行驶至接近卵石路时，制动减速至 20 km/h，匀速通过卵石路。加速到 40 km/h，接近扭曲路时制动减速至 10 km/h，以 8~10 km/h 通过扭曲路。加速以 50~60 km/h 初速度进入带角度搓板路，加速通过后，再以 60~70 km/h 的初速度进入错位搓板路，松油门通过。接近卵石路时制动减速至 20 km/h，以 20 km/h 速度再次通过卵石路，加速至 40 km/h，当接近扭曲路时，制动减速至 10 km/h，以 8~10 km/h 再次通过扭曲路，然后进入石块路，弯道 20 km/h，直道 25 km/h，以上是一个循环。经过 7500 km 综合路试验验证，结果表明导流罩支架外观良好，无明显缺陷，可以满足使用寿命要求。

表 3 各路段长度和比例

结论

03

(1) 随着再生聚己内酰胺（PCR‐PA6）含量的提升，30 % 玻璃纤维增强聚己内酰胺基复合材料（PA6‐GF30）的各项性能整体呈现下降趋势，相对而言 PCR‐PA6 占比不超过 20 % 时材料性能变化较小。从材料性能角度看，材料拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度、冲击强度下降幅度较为明显，材料拉伸模量、弯曲模量、熔点和热变形温度下降幅度较小；

(2) 选用含有 20 % PCR‐PA6 的 PA6‐GF30 材料制备导流罩支架样件，经过零部件和整车实验验证，满足性能要求。说明 PCR‐PA6 改性后具备应用于汽车部件的可行性，为 PA6 循环再利用提供应用场景和参考。