在发达国家,人们拧开水龙头就能享用清洁的饮用水。但在世界上的很多角落,特别是亚洲的某些地区,饮用水十分匮乏。人口激增、环境污染和森林砍伐等问题,更使这些地区对清洁饮用水的需求猛增,并催生出一个全新的饮用水行业。至2015年,饮用水行业将投入的总建设资金将高达950亿美元。
多年来,用工程热塑料所制造的产品强度高、硬度大、在极端温度下表现稳定、对于化学腐蚀品具有抵抗能力且经久耐用,而且在很多情形下能够带来更大的设计灵活性。热水流体工程领域内的各项发展让产品开发人员面临了极大的挑战,除了上述几项物理化学特性之外,特别要求产品长期(15年以上)暴露在热水和压力环境中必须维持稳定性能。在新应用面前,追求短期性能的传统参数标准已渐渐退出舞台。
为了推动饮用水行业的发展,为世界各地人们带来清洁饮用水,沙伯基础创新塑料早在2005年便于荷兰贝亨奥普佐姆(Bergen op Zoom)设立了流体工程精研中心。该中心的专家团队主要致力于为饮用水行业所面临的挑战需求解答,研究长期使用(一般15年以上)下塑料产品的耐用程度和机械强度,以期为客户提供经济耐用、轻型节能、耐腐蚀和无铅的产品。
另外,流体工程精研中心的研究人员也试着以不同的工艺技术和组装技术让应用能够满足流体工程应用中的特别要求。例如,用一个塑料部件整合替代多个金属部件以提高性能。
设计
流体工程部件的设计决定产品的最终性能。用于流体工程的产品通常因为部件上许多的管洞而外形复杂,而塑料的应用为产品设计人员带来了更大的自由度,使得多个部件和功能可以集成到一个塑料部件上。但是,设计人员必须透彻理解产品不同区域的应力分布,控制注塑工艺以获得足够的保压压力,使材料性能得以发挥到极致。计算机辅助工程技术由于具备结构和注塑填充分析功能,可以帮助设计人员在开发阶段就实现上述效果。
流体工程应用产品的机械设计一般应注重如下材料性能:
· 静强度
因为强行安装的存在, 需要部件有很高的静态强度, 因而往往采用金属材质。来自于组装的应力往往作用于产品使用寿命中的不同阶段。如果强行安装发生在产品使用前,一般可以使用传统的结构设计,某些设计可以让应力逐步释放。如果强行安装的力度太强,则塑料在设计灵活性上的优势,能帮助带来更可靠的设计。
长期性能通常无法在产品的使用早期进行完全模拟,因此产品必须一开始便具备高静态强度,从而使产品不致因长期应力而损坏。然而,材料性能可能会随时间发生巨大改变,更高的安全系数并不能保证更好的长期性能,因此必须模拟实际使用环境对产品进行测试。
· 长期蠕变
流体应用中时常发生的持续内部压力会对产品产生持久的应力,造成部件使用寿命中的持续蠕变。如果应力相对较小,蠕变程度会随时间推移而减小。但如果应力太高,蠕变会逐渐达到临界水平,从而导致产品损坏。纤维加强树脂的使用可以有效减少材料的蠕变。
· 抗疲劳性
当我们快速拧上水龙头时,突然产生的冲击力会造成产品内的应力不断改变。若是彼此相连的不同材料温度出现差异,或同一部件内的温度分布出现不均匀,所导致的热膨胀差异也会造成应力波动。波动的应力对材料性能有着巨大影响,而造成材料疲劳损伤的累积损坏机制也不易定义。然而,应力类型和材料厚度等设计参数会影响抗疲劳性能,例如,薄壁产品在相同应力下通常抗疲劳寿命更长。设计人员应当在实际应用环境下测试抗疲劳性能。
· 耐水耐腐性
塑料的耐腐蚀性大小没有特别的规律。但是,在化学品中的暴露时间的长短,可以测试出部件的耐腐蚀能力。通常,承受较高温度和持续应力的产品,其材料强度受化学品影响较大。
水也相当于一种化学品,实际上,很多塑料,例如,聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)在热水中都会降解。因此,设计人员首先应确定温度和暴露时间,然后决定是否适合使用该材料。沙伯基础创新塑料的Noryl* PPO* 树脂的耐热水性要优于很多性能相仿的其它树脂。
测试
环境条件会与流体应用产品发生相互作用,因此设计人员应使用合适的测试系统,对最终产品的实际性能进行测试。要在相当短的时间中测试产品整个生命周期的性能有很大难度,但如果产品测试方案中注意如下因素,同时结合实际应用要求,则能达到较好的测试效果:
在较高温度下测试可以加速化学品和水的腐蚀或降解作用,以及恒定载荷或压力产生的作用。
在测试波动应力时提高温度并非理想的方式,这是因为很多材料在高温下延展性较大,反而大大减慢了损伤机制的速度。相反,提高压力变化的频率则可以模拟较长生命周期中的产品性能。
关于沙伯基础创新塑料
沙伯基础创新塑料是全球领先的工程热塑性材料供应商,在针对客户面临