CN101151143A - 制造塑料件的方法和带有这种塑料件的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造塑料件的方法，包括：将塑料物料加热到等于或高出熔融温度的成型温度，而从熔融温度起塑料物料为可热成型的；将处于成型温度的塑料物料成型为模制件；将模制件的温度调整到受塑料类型决定的、低于熔融温度的转化温度；将模制件在转化温度下放置一定的转化时间。本发明还涉及一种装置，它包括根据本发明的方法制成的塑料件。

Description

制造塑料件的方法和带有这种塑料件的装置

技术领域

本发明涉及一种制造塑料件的方法，包括将塑料物料加热到等于或高出熔融温度的成型温度，而从熔融温度起塑料物料为可热成型的，并且处于成型温度的塑料物料随后成型为模制件。本发明还涉及一种装置，它包括根据权利要求1到29中任一项制成的塑料件。

背景技术

在现有技术下已知的是，将塑料物料加热使其温度高出熔融温度，从而使材料软化到可热成型状态。随后常通过注塑法或其它热成型方法加工成型为塑料件。在塑料物料成型为塑料件后，在大多数情况下，塑料件在通风的环境中冷却到室温，并保持这个状态。

此外，在现有技术中已知的是，塑料件被用于汽车领域，在这里，它们在特定条件下可能面临最大为240℃的温度。此外，塑料件在用于汽车时经常受到化学品的影响，例如，在发动机散热器区域的超过100度的高温水-乙二醇混合物，在油冷却器区域的高温发动机油，在燃油系统区域的汽油和柴油，特别是在柴油加热装置中的高温柴油以及其它工作液。特别是处于这种恶劣条件下的部件是由具有特别高稳定性的塑料制成，例如PPS或PA6T/66。这些特别优化的塑料的价格也相应地很高。这些塑料的材料价格可能比传统塑料如聚酰胺、特别是PA6和PA66高出数倍。除了材料成本上升之外，由于加工成本高于稳定性能低的标准塑料，还带来了其它缺点。一旦性能优良的塑料只是由一家制造商提供，还会产生对零件制造商即汽车零部件供应商和塑料制造商的特别依赖等缺点。

此外，在现有技术中已知的是，对前面工序生产的模制件喷涂油漆或通过等离子或射线交联进行表面处理。这些措施同样也用于改善耐化学腐蚀性和热稳定性，但通常来说都会加大成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造塑料件的方法以及一种包括根据所述方法所制造的塑料件的装置，与使用特殊塑料不同的是，通过它们可以降低成本。

这一目的由根据发明的、具有权利要求1所述特征的方法实现。

通过对低于熔融温度的转化温度进行调整，以及使模制件在转化温度下保持一定的转化时间，可使塑料的分子和/或晶体结构在形成模制件后发生变化，这样可局部地明显改善塑料的性能。这种改善既涉及机械性能，也涉及耐化学腐蚀性以及耐热分解或热衰退的性能。热成型在这里是指在热作用下软化的塑料物质的各种成型，特别是指成型工艺如压注技术。

将模制件的温度调整到转化温度，优选地在例如热空气烘箱中以空气为调温介质进行。其它优选的调温介质是液态金属、油浴或特别优选的盐浴，它的调温时间比空气的调温时间短，特别是减少25％。模制件优选地浸入到液态的调温介质中。其它的工艺条件与以空气为调温介质的工艺条件相同。

在优选的实施形式中，塑料原料至少部分地由一种至少部分结晶的热塑性塑料组成，其中加有填充料如纤维。通过部分结晶，使塑料原料特别适合于在根据发明的方法之后完成分子结构的转化。

在根据本发明的有选实施形式中，塑料原料基本上由聚酰胺组成。试验表明，通过根据发明的方法可尤为明显地改善聚酰胺的机械性能和耐化学腐蚀性及耐温性。在这里，特别优选的是聚酰胺66。但也可以是聚酰胺6、聚酰胺46或聚合物混合物，其中，至少一个成分、尤其两个成分来自于聚酰胺6、聚酰胺66和聚酰胺46这一组。原则上，所有的聚酰胺或它们在混合物或异分子共聚物中的组合通过根据发明的方法可以得到相应改善，因为聚酰胺是局部结晶，并具有不同的结晶相及无晶相。到目前为止，虽然对根据发明的方法所带来的改善都只是推测，但在经过一定时间的、根据发明的温度处理后，通过相的转换在塑料内部形成一定的、机械和化学都特别稳定的结晶相。

在备选的实施形式中，塑料原料也可以是聚乙烯或聚丙烯。它也可以是在软管中使用的聚酰胺12：在这里，由于结晶性的提高，根据发明的制造可提高相对于流经的介质的气密性或阻塞作用。此外，它也可以是聚甲醛，而这种材料在摩擦上的优良性能则由根据发明的方法所带来的结晶性的改善而进一步优化。同样，也可虑通过根据发明的方法而改善了机械和/或化学性能和/或高温下的稳定性的其它塑料。

在根据发明的方法的优选实施形式中，转化温度比熔融温度低不超过约50℃。特别优选的是，转化温度比熔融温度低不超过约30℃，更加优选的是不超过约15℃，最好是不超过约10℃。这里要确定的是，按照塑料类型通常会有一个特别适合的转化温度，它通常来说是低于熔融温度，但相对较接近熔融温度。已明确的是，不是在每一个高的温度下都能成功地对塑料进行处理。事实上，与熔融温度相隔较远的处理温度不会带来有益的效果，反而会导致成型后的模制件出现退化。因此，在专业技术人员中众所周知的是，聚酰胺在大于160℃的温度范围内会迅速出现颜色发黄，并相应地退化，例如变脆和出现裂纹。因而不会出现在略低于聚酰胺模制件熔融温度的热处理中所产生的相反的效果。

在较佳的实施形式中，塑料原料在本方法的步骤c之前被冷却到中间温度、特别是室温。按照塑料的相的形成机制或它的分子结构可以通过这种方式改善。此外优选的是，这个方法步骤c可按以下方式实施，即转化温度通过一定的温度变化速度实现。通过这种方式，可以出现以下情况，即在一定情况下，温度变化的过程将有利于塑料的相的转化，而不仅仅是恒定温度才有利于塑料相的转化。

通常，步骤b中的成型优选在压注工艺中、特别是在注塑工艺中进行，这样，根据发明的方法可用于普通的批量制造。

具有优点的是，当塑料原料在压注模中时，在步骤c中进行转化温度的调整。这样，就可以避免使用其它的工具例如特殊的烘箱，并可以加快工艺过程，与之相对，注塑模具的制造必将提高费用。

直接在塑料原料成型及在通过工艺冷却之后，它以特别优选的方式加热到转化温度，而在加热之前，在塑料原料中还保存着大量来自成型工艺的余热，从而节省了能源。在较佳的实施形式中，为了调整转化温度，将成型的塑料原料放入到烘箱中、特别是热空气烘箱中。总的来说，这样就可将根据发明的制造方法与现有的制造工艺，必要时甚至与现有的注塑模结合使用。在将温度调整到接近熔点的转化温度的过程中，为了防止塑料件出现不希望产生的变形，可在调温时将塑料件安装在合适的支撑模或支架上。也可以选择其它形式的加热取代若空气烘箱，例如通过红外线辐射或-根据材料的性能-通过微波辐射。

较佳的是，方法步骤c和/或d或调温在保护气体环境例如氮气或氩气中进行，从而避免在转化温度有时很高的情况下出现氧化。

较佳的是，转化时间不少于约一分钟。特别优选的是，转化时间不少于约5分钟，更加优选的是不少于约30分钟。特别优选的是，时间不少于约100分钟，特别是约120分钟。对于所选择的塑料，在上述的时间范围内，材料的性能得到优化。一般来说，哪个时间段足以使塑料的性能得到改善，取决于所使用的塑料。一般来说，转化时间优选地不少于约三个钟头。这样一方面保证，通过改善低成本的塑料的性能，不会使已降低的成本由于能源消耗或其它耗费而再度上升。另一方面将避免随着塑料在转化温度水平上性能的改善，修正过程例如共价键的不可修复的破裂占据上风，因为作为结果它将导致所获得的塑料件的性能受到影响。

在特别优选的实施形式中，塑料原料包括一定比例的结晶加速剂、特别是玻璃纤维或矿物质纳米粒子，它在必要时作为晶核形成剂。这样，所获得的塑料件的性能得到进一步优化。在这里，在一个说明性试验中的优化以下述模型为基础，即在根据塑料类型的转化温度下，来自无晶相的有益的结晶相的结晶只是缓慢地发生或较少具有优点。与之相反，在许多情况中，具有不佳性能的结晶相可在转化温度下优选地转换成具有较佳性能的结晶相。在热成型过程中，在塑料件中为了首先生成比无晶相的比例尽可能地高的不佳性能的结晶相，结晶加速剂发挥了作用。然后，在方法步骤c和/或d中，转化到较佳性能的结晶相则是通过调温进行。

本发明的目的还通过具有权利要求30的特征的装置实现，因为在装置中装入了根据发明的塑料件，因而可以用较低的成本制造装置，其成本低于以特别优良的起始原料制成塑料件的情况。

在一个优选的实施形式中，装置是用于汽车的热交换器。特别优选的是，塑料件用作汽车的增压空气冷却器的壳体。特别是在运行时，增压空气冷却器上的塑料件处于最高约为240℃的高温下。就是在这种体积大并且耗费材料的部件上，到目前为止只使用了现有技术中的非常昂贵的特殊塑料。

可选的是，塑料件是汽车主发动机散热器上的冷却液箱的壳体。它同样可优选为油冷却器的壳体、汽车内部取暖装置的一部分、恒温器的部件、燃油加热装置的部件、用于输送油、冷却液或空气的管路或风扇的转子。同样，塑料件可以是汽车空调装置的冷却回路中的管、特别是软管。

对于所使用的塑料的机械稳定性、化学稳定性或热稳定性的特殊要求，所有上述部件是范本。上述其它部件中，特别是在汽车领域，现有技术中的专业人员认为，传统、正常稳定的塑料，即不含特殊的、高价值的填充物的塑料并不适合，而是必须采用昂贵的、高稳定性的、具有特殊性能的塑料。

具体实施方式

从下面所述的实施例和从属权利要求可以得到根据发明的方法和根据发明的装置的其它优点和特征。

按照第一个优选实施例，塑料物料由巴斯夫公司的产品UltramidPA66-GF30(产品编号：A3HG6HRsw)组成。这种市场上常见的塑料物料首先在必要时所需的预烘干之后加热到注塑温度。按照ISO 11357-1/-3确定的这种塑料的熔融温度为260℃。所推荐的注塑温度约为290℃，在本方法中将首先加热到这个温度。注塑模的推荐温度约为85°。

被加热到注塑温度的聚合体首先以已知的方式在通常的压力下，注射进预热到85℃的注塑模中，在这里，注塑件的形状是热交换器-壳体件、特别是汽车增压空气冷却器的容器件。由于压注模和所射入的塑料原料之间的温差很大，压注成型的塑料件至少在其边缘区域迅速地冷却到略高于100℃的温度。在这里，特别是240-250℃的温度区被相当迅速地跨过，而处于大约160℃的区域则明显较慢地被跨过。在先提及的温度区域中，对于聚酰胺66，结晶体的α-相优选地形成，而在后提及的大约160℃的温度区，则优选地形成γ-结晶体。由此可以看出，硬化和冷却后的塑料件含有高比例的γ-结晶相和无晶的即没有结晶的相。机械和化学特别稳定的α-相在塑料件中的比例因此相对较小。这里当然是猜想，它只是描述了在科学上还没得到证明的、针对在根据发明的方法过程中所出现的有益效果的说明性试验。当然，在根据发明进行过处理的聚酰胺和聚丙烯上所进行的比较性的、数量上的伦琴-宽角测量得出的结论是，相对于未经过处理的试样，它们具有明显较高比例的结晶相。此外，证据表明，在聚酰胺66的情况中，α-相增加，同时γ-结晶相减少，因为相对于未经过处理的试样，断裂应力和抗拉强度同时得到改善。

在随后的、本身已公开的方法步骤中，已成型的且温度冷却到100℃的塑料件从压注模上取下。

为了更高地利用能量，直接将还是热的塑料件放入到加热烘箱中，在那里，塑料件被加热到250℃。这个温度则被称为转化温度，并且在这个实施例中比塑料原料的熔点低例如10℃。在250℃的温度水平上，将塑料件放置至少5分钟，目前为大约120分钟。接着，将塑料件从热空气烘箱中取出，在不需要其它措施的情况下冷却到室温。

与在现有技术中未经过处理、在离开压注模后直接在室温下冷却的压注件相比，在热空气烘箱中经过调温处理的压注件的机械性能、耐化学腐蚀性和耐温性都明显改善。因此，根据发明处理的、由玻璃纤维增强的聚酰胺66组成的塑料件，可用于明显高出200℃的温度中。与未经过处理的、由相同塑料原料制成的塑料件相比，由温度引起的材料的衰退改善了四倍。根据所进行的试验，在190℃的耐久使用温度下、在高出200℃的温度下、甚至在最大为240℃的极端情况下，温度稳定性的改善非常明显，从而可以将由UltramidPA66-GF30制成的、根据发明处理过的塑料件，用于例如增压空气冷却器壳体等领域，取代了用于这些领域的、较贵的特殊塑料。这种特殊塑料是PPS或PA6T/TT。

按照到目前为止的专业知识是无法想到，通过成本低、根据发明的处理能够达到这种有益的性能。这是由于以下的这个情况：由上述塑料制成的压注件，在比合适的最低转化温度低的温度如210°之下，会迅速发生衰退。只有根据发明的调温通过只略低于熔融温度转化温度才能相应地稳定材料。这种稳定在已提及的、科学上尚未得到证明的说明性试验中化为从无晶的和/或γ-结晶的材料到机械和化学稳定性更好的α-结晶相的转化。这些已确定的效果的其它或可选的原因也可能在于聚合物的再交联。与对这些所出现的效果的事后说明无关的是，对这些效果的出现在事先是无法预见的，特别是众所周知，传统的聚酰胺66在比160℃高的温度下在很短的时间内就会出现发黄以及其它材料退化的现象。

所述的塑料原料在比熔融温度低大约30℃的转化温度，即从230℃起表现出材料性能的改善。发明不建议使转化温度再接近熔融温度大约5-10℃，因为会出现过度软化，模制件将会出现不允许的、较大的形状变化。

在本实施例中，已经过处理的塑料件经过了负荷试验，并与未经过处理的、但以同样方式在注塑工艺中生产的零件比较。负荷产生于塑料件在一种-在现实中不会发生-130℃高温的水-乙二醇混合物(50∶50，标准发动机冷却液)中超过1000小时的存放。在这种存放处理之后，未经过处理的塑料件的断裂强度下降到起始值的18％，而经过根据发明的处理的塑料件的断裂强度下降到34％。在断裂伸长方面，未经过处理的零件的值下降到31％，而经过根据发明的处理的零件下降到55％。由此可以得出，后者对130℃高温的水-乙二醇混合物的耐抗性几乎是前者的两倍。在实际应用中，这可用于决定，塑料件是否可用于例如散热器壳体。

在第二个优选实施例中，塑料原料由Ticona公司所生产的起始材料CelstranPA66GF50-02P11-14组成。这种聚酰胺66的熔点或软化点大约为260℃。并且在这里，在比熔融温度低大约10℃的温度下经过至少若干分钟的调温，使之前成型的塑料件的材料性能明显改善。塑料件的成型与第一个实施例相同，在通常的条件下按照制造商推荐的注塑工艺参数。

根据发明的、通过在略低于熔点的温度下调温所实现的改善，已在塑料PA6的试验中得到确认，其熔点通常为大约220℃。在这里，优选的转化温度为大约210℃。

在第三个优选实施例中，塑料原料由不含玻璃纤维的聚酰胺66组成，即巴斯夫公司的Ultramid，产品标识为“A3Ksw”。在这里，调温在比熔点低10℃的温度下进行，时间为30分钟，也可为120分钟，以改善材料性能，其中，通过结构分析方面的测量确定结晶结构发生了明显的变化。

在第四个优选实施例中，塑料原料由不含玻璃纤维的聚酰胺6组成。在这里，调温在比熔点低10℃的温度下进行，时间为30分钟，也可为120分钟，以改善材料性能，其中，通过结构分析方面的测量确定结晶结构发生了明显的变化。

在第五个优选实施例中，塑料原料由聚丙烯组成，即由Sabic公司生产的“Stamylan P4935”。在这里，调温在比熔点低10℃的温度下进行，时间为30分钟，也可为120分钟，以改善材料性能。而这里也通过结构分析方面的测量确定其结晶结构与未经过调温的比较试样相比发生了变化。

根据发明的制造方法所带来的有益效果也适用于由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚乙烯对苯二酸盐(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰胺46(制造商：DSM，荷兰)组成的塑料，并且通常也适用于多种至少部分结晶的热塑性塑料，它们包括芳香的和/或卤化的组成部分，例如氟或氯。对于这个级别的材料，可通过根据发明的制造方法使稳定性能普通的聚合物具有同一级别中稳定性高的聚合物才具有的性能。简而言之，通过根据发明的方法使简单、低成本的塑料的分子结构或结晶结构发生变化，从而达到在传统的塑料件制造方法中只有稳定性高的塑料、即添加有高成本填充物的塑料才能达到的性能。

Claims (40)

1.制造塑料件的方法，包括：

a.将塑料物料加热到等于或高出熔融温度的成型温度，而从熔融温度起塑料物料为可热成型的；

b.将处于成型温度的塑料物料成型为模制件；

c.将模制件的温度调整到受塑料类型决定的、低于熔融温度的转化温度；

d.将模制件在转化温度下放置一定的转化时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，塑料原料至少部分地由一种至少部分结晶的热塑性塑料组成，其中加有填充料如纤维。

3.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料原料基本上由聚酰胺组成。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，塑料原料基本上为由聚酰胺66。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，塑料原料基本上为由聚酰胺6。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，塑料原料基本上为由聚酰胺46。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，塑料原料基本上为由聚酰胺12。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，塑料原料为聚合物混合物，其中，至少一个成分、尤其两个成分来自于包含聚酰胺6、聚酰胺66和聚酰胺46的这一组。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，塑料原料至少在组成成分上，特别是完全地包括聚乙烯。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，塑料原料至少在组成成分上，特别是完全地包括聚丙烯。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，塑料原料至少在组成成分上，特别是完全地包括聚甲醛(POM)。

12.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化温度比熔融温度低不超过约50℃。

13.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化温度比熔融温度低不超过约30℃。

14.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化温度比熔融温度低不超过约15℃。

15.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化温度比熔融温度低不超过约10℃。

16.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料原料在本方法的步骤c之前被冷却到中间温度、特别是室温。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，冷却具有一定的冷却速度。

18.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料原料在步骤c.中按一定的温度变化的速度调整到转化温度。

19.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b.中的成型在压注工艺中、特别是在注塑工艺中进行。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，当塑料原料在压注模中时，在步骤c.中进行转化温度的调整。

21.根据权利要求1到19中任一项所述的方法，其特征在于，直接在塑料原料成型及在通过工艺冷却之后，它被加热到转化温度，而在加热之前，在塑料原料中还保存着大量来自成型工艺的余热。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，为了调整转化温度，将成型的塑料原料放入到烘箱中、特别是热空气烘箱中。

23.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料件至少在方法步骤c和/或d的过程中处于保护气体环境下。

24.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化时间不少于约1分钟。

25.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化时间不少于约5分钟。

26.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化时间不少于约30分钟。

27.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转化时间不少于约100分钟，特别是不少于约120分钟。

28.根据权利要求1到27中任一项所述的方法，其特征在于，转化时间不少于约3个小时。

29.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料原料包括一定比例的结晶加速剂、特别是玻璃纤维或矿物质粒子，优选为纳米粒子。

30.装置包括根据权利要求1到29中任一项制造的塑料件。

31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，装置是用于汽车的热交换器。

32.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是汽车的增压空气冷却器的壳体。

33.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是汽车主发动机散热器上的冷却液箱的壳体。

34.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是油冷却器的壳体。

35.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是汽车内部取暖装置的加热器的构件。

36.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是恒温器的构件。

37.根据权利要求30或31所述的装置，其特征在于，塑料件是燃油加热装置的构件。

38.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，塑料件是用于输送油、冷却液或空气的管路。

39.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，塑料件是风扇的转子。

40.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，塑料件是汽车空调装置的冷却回路中的管路、特别是软管。