SMP主動拆卸結構激發效果影響因素的試驗研究

劉志峰 李新宇 趙流現 魏俊杰 張洪潮，2

1.合肥工業大學，合肥，230009 2.德克薩斯理工大學，盧伯克，德克薩斯，美國，79409

0 引言

近年來，電子類產品的使用日益廣泛，且更新換代速度很快，每年產生大量的廢棄電子產品［1］。這些電子產品尤其是小型電子產品結構復雜，采用人工方法拆卸效率很低，而用機械整體破碎的方法會使產品，尤其是含有大量可重用零部件或電子元器件的產品的回收價值下降。為了解決這一問題，國內外學者針對產品的可拆卸設計方法作了大量研究［2－4］。傳統的可拆卸設計方法往往是基于人工拆卸來考慮的，屬于一對一的拆卸，即一人一次只能拆卸一件產品，拆卸效率很低。因此Chiodo等［5］提出了智能材料主動拆卸（active disassembly using smart materials，ADSM）的設計理念，即利用形狀記憶材料為主的智能材料制成卡扣、螺釘等主動拆卸結構來代替傳統的連接件，這些主動拆卸結構在加熱等激發條件下發生預定的變形，失去連接功能，從而使得產品發生主動拆解。ADSM 目前在國外研究得很多［5－11］，國外學者對手機、隨身聽、液晶電視等電子類產品的主動拆卸作了一系列的試驗研究，通過在產品中應用主動拆卸結構，基本實現了這些產品在一定溫度下的主動拆卸，但研究集中于技術層面，對ADSM技術的應用基礎問題研究較少，未形成通用的設計理論與方法體系；國內近年來也進行了一些研究，主要是研究基于ADSM的產品及主動拆卸結構的設計方法，也做了一些試驗進行驗證［12－14］。

從這些研究來看，主動拆卸結構的材料主要有形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）和形狀記憶高分子材料（shape memory polymer，SMP），其中SMP主動拆卸結構由于價格低廉，與普通塑料件價格相差不大，且變形量大、加工方便、易于回收而得到了更廣泛的關注，目前國內外研究中使用的也主要是SMP主動拆卸結構。但目前針對影響SMP主動激發效果即激發時間和主動拆解率的因素及其影響程度，以及通過控制這些因素來改善產品的主動激發效果的方法的相關研究還比較少，本文就此問題進行了一些研究和探討。

1 影響主動拆卸結構激發效果的因素

1.1 設計階段影響激發效果的因素

可能影響SMP主動拆卸結構拆卸效果的因素有主動拆卸結構的材料、最大變形量、拆卸時的加熱溫度及加熱方式。這些因素中，主動拆卸結構的材料和變形量是可在產品設計階段進行控制的，其余的因素是在產品廢棄后拆卸時進行控制的。

在選擇材料時，首先校核形狀記憶材料的強度和變形能力，其次選擇其激發溫度。一般來說，激發溫度應遠高于產品的正常使用溫度，但也不宜過高，以免拆卸時一些不耐高溫的零件受高溫破壞。一般選用激發溫度在60～150℃之間的SMP，常用的輻照改性SMP材料的性能如表1所示。SMP的激發溫度與其分子交聯程度有關，本文采用輻照改性的方式得到SMP，其分子交聯程度隨輻照劑量的增加而增強，直到達到一個穩定值，如表2所示（均為同一種PVC塑料輻照改性）。

表1 材料種類對主動激發效果的影響

表2 材料交聯密度對主動激發效果的影響

SMP的變形回復率與加熱時間的關系如圖1所示，其中的PVC經過4kGy的輻照改性（激發溫度為85℃），PE經過100kGy的輻照改性（激發溫度為95℃），加熱溫度均為150℃，加熱方式為空氣加熱，加熱設備為司登利HL－2010E型熱風槍。

圖1 形狀記憶PVC及形狀記憶PE的變形回復率與時間的關系

1.2 拆卸階段影響激發效果的因素

為了分析加熱溫度和加熱方法對主動拆卸結構激發效果的影響，我們分別用激發溫度為80℃的形狀記憶PVC制成可主動拆卸的卡扣，并在不同的溫度下試驗其主動激發效果，結果如表3所示。空氣加熱和水浴加熱設備分別為熱風槍和水浴槽。

表3 加熱溫度和加熱方法對形狀記憶PVC卡扣激發效果的影響（激發溫度為80℃）

為了驗證是加熱溫度本身還是加熱溫度與激發溫度之差影響主動激發效果，我們對激發溫度為70℃的同種形狀記憶PVC做了類似的試驗，結果如表4所示。

表4 加熱溫度和加熱方法對主動拆卸結構激發效果的影響（激發溫度為70℃）

2 影響SMP主動拆卸結構激發效果的因素

由表1和表2可以看出，SMP的形狀記憶性能主要由其材料種類及分子交聯程度決定。常用高分子材料中的PVC經輻照改性后形狀記憶性能最佳，機械強度和耐腐蝕能力也較好，最適宜作為制作主動拆卸結構的材料。對同種高分子材料來說，輻照劑量越大，即分子的交聯程度越高，改性SMP材料激發溫度越低，但輻照劑量過低時形狀記憶效果不佳，而高于一定值后激發溫度幾乎不再隨輻照劑量變化。

SMP主動拆卸結構的變形量對激發效果的影響主要表現在激發時間上。如圖1所示，SMP在變形回復率小于最大變形量的約80%時變形回復速度較快，之后回復速度明顯下降。

從表3中可以看出，主動拆卸結構的激發時間隨著加熱溫度的升高而縮短，而主動拆解率隨加熱溫度的升高而增大，直至達到一個穩定值。相同加熱溫度下，水浴加熱下的激發時間和主動拆解率均優于空氣加熱的激發時間和主動拆解率。但加熱溫度高于一定值后，激發時間和主動折解率幾乎不再變化。

從表4可以看出，激發溫度為70℃的主動拆卸結構的激發效果與加熱溫度上升10℃時的相應的激發溫度為80℃的主動拆卸結構的激發效果幾乎完全相同，即影響激發效果的因素實際上是加熱溫度與SMP激發溫度之差，而非加熱溫度本身。

從表3和表4可以看出，使用水浴加熱方法時的拆卸時間和主動拆解率均遠優于相同加熱溫度時的空氣加熱方法，這主要是因為水的密度和比熱容遠大于空氣，主動拆卸結構在水中比在空氣中能更快達到激發溫度。

綜上所述，SMP材料的種類與激發溫度、主動拆卸所需的變形量與主動拆卸結構最大變形量的比值、加熱溫度與激發溫度之差、加熱介質均會影響SMP主動拆卸結構激發效果，其中加熱溫度與激發溫度之差為最主要的因素。

3 試驗結果在改善主動激發效果上的應用

根據以上試驗結果，改善SMP主動拆卸結構激發效果需要滿足以下要求：

（1）在設計SMP主動拆卸結構時，盡量選擇形狀記憶性能較好的材料（如PVC），根據所需的激發溫度決定改性的輻照劑量，激發溫度一般應比SMP主動拆卸結構的工作溫度高30℃以上，以防止主動拆卸結構意外激發或發生蠕變。

（2）由于SMP材料的變形回復速度在回復率超過80%時明顯下降，因此應將SMP主動拆卸結構的最大變形量設計為拆卸所需變形量的1.25倍以上，這樣在主動拆卸結構未完全回復形狀時即可實現主動拆卸，縮短拆卸時間。

（3）雖然一定范圍內SMP主動拆卸結構的激發效果與加熱溫度與激發溫度之差成正比，但對PVC制成的主動拆卸結構來說，加熱溫度高于激發溫度20℃以上時，溫度的升高對激發效果的影響已不明顯，因此加熱溫度可選擇為比主動拆卸結構的激發溫度高20℃的溫度。

（4）相同加熱溫度時，水浴加熱的激發效果優于空氣加熱，但水浴方法加熱溫度有限，且會破壞大部分可再利用的電子元件，因此水浴方法只適合處理回收價值較低的產品如遙控器、游戲機手柄等，對手機、LCD顯示器等含有較多可再利用電子元件的產品只能使用空氣加熱。

如圖2所示，將SMP主動拆卸結構應用于遙控器外殼中，可顯著減少其拆卸時間，如表5所示，再加上使用主動拆卸方法可以同時拆卸一批產品，而非人工拆卸的一對一拆卸，因此應用該方法設計的SMP主動拆卸結構極大地提高了產品的拆卸效率。

圖2 SMP主動拆卸卡扣在遙控器外殼中的應用

表5 改進設計前后遙控器拆卸時間對比

4 結論

（1）影響SMP主動拆卸結構激發效果的因素主要有SMP材料的種類與激發溫度、主動拆卸所需的變形量與主動拆卸結構最大變形量的比值、加熱溫度與激發溫度之差和加熱介質。

（2）選用形狀記憶能力較好的材料，增加主動拆卸結構的最大變形量，升高加熱溫度，盡量使用水浴加熱均可提高SMP主動拆卸結構的激發效果。

（3）根據試驗結果，使用形狀記憶PVC制成主動拆卸結構，并在比其激發溫度高20℃以上的溫度中水浴加熱，激發效果最好。

（4）以上研究未包括化學交聯法制備的SMP材料，將在今后的研究過程中進一步驗證和完善。

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