摘要：介紹了工程塑料在燃氣壁掛爐的水路系統、排煙系統、冷凝系統上各重要零部件應用的技術進展，并討論材料選擇、產品結構設計和模具設計的技術要點。關鍵詞：燃氣壁掛爐材料塑料耐熱性工藝成本1背景隨著材料技術的發展，塑料已被廣泛地應用于建筑、家電和汽車等行業，同時建設資源節約型、環境友好型社會的目標是推動塑料產品需求的增長的重要因素。塑料以它的重量輕、耐腐蝕、易成型等一系列優點，在各工業領域有廣泛的應用。目前汽車使用塑料的消費量逐年增加，據調查歐美小車塑料占車重的11%～15%。在家電行業塑料已成為家電領域應用量增長速度最快的材料，近幾年每年平均增長速度達到近30%。而在燃氣具行業，以往由于使用特殊性及高溫條件限制了塑料的應用，一般僅限制在外觀裝飾件、內部絕熱件上，不過近年來隨著耐高溫，高強度的改性塑料技術的發展，塑料的應用范圍逐漸擴展到功能與結構件上。在傳統家用燃氣壁掛爐的材料構成中，鋼鐵材料占整機重量的50%，銅材料占30%，不銹鋼5%，鑄鋁2%，塑料僅有1%，隨著銅、不銹鋼等材料上漲，如何采用新材料替代金屬材料已成為產品開發的重要課題。近幾年來歐美及日本不少燃氣具，通過創新設計和開發新工藝，采用高性能工程塑料代替金屬材料，取得了顯著經濟效益。目前國內燃氣具生產企業已經著手嘗試，在以塑代銅、以塑代鋼方面取得了一些成功的經驗。2塑料替代可行性分析壁掛爐應用塑料的最大優勢是降低材料成本、簡化制作工藝以降低加工成本。一般塑料的比重在0.9～1.5，纖維增強復合材料的比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重，不銹鋼為7.8，黃銅為8.4，鋁為2.7。它們不僅可以減輕零部件約70%的重量，還可以使采購成本降低80%左右，加工成本降低85%以上，這就使得塑料材料成為壁掛爐降成本的首選用材。在選用塑料取代金屬時，必須要考慮到塑料使用溫度有較大變化時物理性能的穩定問題，特別是抗拉強度、抗沖擊強度、熱變形溫度、阻燃性能等技術指標，應符合設計和使用要求。下面簡要介紹塑料在壁掛爐的水路系統，排煙系統，冷凝系統上各重要零部件應用的技術進展情況，并討論材料選擇、產品結構設計、模具設計的技術要點。2.1冷凝及排煙系統（1）冷凝水收集盒的應用隨著冷凝技術的日趨成熟，由于冷凝機在節能和環保方面的出色表現將成為未來壁掛爐的發展主流。冷凝式壁掛爐結構是在普通機型的基礎上增加冷凝換熱器，將排煙溫度從150℃降低到80℃以下。由于煙氣溫度降到露點以下將析出腐蝕性的酸性冷凝水，不論是冷凝換熱器還是冷凝水收集器及煙道系統，所采用的材料都必須耐腐蝕。目前制作冷凝水收集器及煙道普遍采用不銹鋼材料，由于原材料價格高、制作工藝復雜，所以制造成本較高。塑料具有耐腐蝕性強和易加工成型特性，成為取替不銹鋼首選。冷凝水收集盒內置冷凝換熱器如圖1，由于局部溫度依然比較高，瞬間耐溫可能高達200℃以上，所以要求的塑料不但具有優異的耐酸性，且耐熱性要求更高。而玻纖增強的PPS熱變形溫度超過260℃，長期使用溫度高達220℃～240℃，抗腐蝕優良和高阻燃性，使之成為最常用的塑料種類。PPS是一種綜合性能優異的熱塑性特種工程塑料，其突出的特點是耐高溫，耐腐蝕和優越的機械性能廣泛應用于汽車，電子，機械工業。（2）煙管應用部分冷凝機結構是采用倒燒方法，從排煙口到冷凝盒中間這段煙道會凝結具有腐蝕性的冷凝水，因此多數采用不銹鋼管或者鑄鋁管來制作，由于形狀復雜，制作工藝難度大，且材料費用高，可以考慮采用塑料替代金屬。PP（聚丙烯）塑料以它耐熱性佳，熔點為170～172℃，經改性后連續使用溫度高達110℃，優良的化學穩定性并可通吹塑成型較為復雜體積大的煙道。由于PP性價比高，非常合適壁掛爐內部煙道應用。雖然PP存在低溫沖擊強度差，易脆化，耐候性差的缺點，但是在壁掛爐上使用條件是可以滿足要求的。（3）風機上的應用隨著人們對壁掛爐使用安全性的重視，為防止排煙中的CO，NOX等多種有毒氣體引發中毒，市場上也逐漸淘汰煙道式壁掛爐，取而代之的是平衡機。通過增加排風機將煙氣強制排出室外。因為煙氣中的CO2，CO等氣體帶酸性，因此對風機具有一定的腐蝕性。風機高速旋轉要求葉輪的平衡性高，否則容易產生噪音。如果采用塑料代替金屬作為風機的外殼及葉輪，要求所使用的塑料不單具有優良的耐腐蝕性，長期使用溫度在150℃以上，而且要求尺寸穩定性好，強韌性高，能適應風機高速旋轉所產生的扭矩，綜合了各種工程塑料的特性包括拉伸與彎曲強度，耐熱性，耐疲勞性而玻纖增強的PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)以它出色的材質性能成為風機的理想塑料選擇。（4）冷凝換熱器上的應用探索對冷凝換熱器的材料選用從銅翅片到鋁翅片再到不銹鋼玻紋管的應用，人們總不斷的探索一種換熱效率好，使用壽命長，價格便宜，工藝更簡單的理想材料，在2009年美國某公司成功研制出高導熱塑料，導熱系數高達100W/mK，耐溫高達250℃以上，引起大家的關注。高導熱塑料本身具備優越的化學穩定性，并突破了塑料低導熱，耐溫差的界限，是冷凝換熱器材料技術領域的重大創新。2.2水路系統壁掛爐的板式換熱器上進出水閥體是供暖與衛浴水進出通道，因長期與高溫水接觸，為防止出現漏水要有足夠的強度能承受高水壓，因此選用塑料在耐熱性及機械強度要有更高的要求。目前國內廠家未能大批量使用塑料代替銅材料作為一些水路上的重要閥體，主要原因是擔心塑料強度與剛性不夠，易出現變形導致漏水；長期與高溫水接觸，塑料有吸水性，導致尺寸不穩定，且容易老化；低溫環境下，水路一旦出現結冰塑料會出現開裂。因此雖然塑料取替了銅材，能大幅降低成本，節約資源，但在整機可靠性會存在一定的風險，還需時間去驗證。而塑料在國外壁掛爐水路上的應用已形成產業化生產，技術已經處于成熟穩定狀態，意大利瑞帝安公司生產的儲水式壁掛爐應用的水路包括板式換熱器上的進出水閥體，電動三通閥體均采用的工程塑料PA66＋30GF。像丹麥的格蘭富及德國威樂水泵上的頭蓋外殼，葉輪近幾年開始采用塑料代替鑄鋁，能制作出非常結構復雜的端蓋并能集排氣閥，安全閥一體實現多功能化，性能穩定，價格低廉具有很強的市場競爭力。日本能率、林內公司生產的燃氣熱水器所用水比例閥、水流量傳感器等配件均采用PPS＋30GF，它不僅可靠性高、同時一些復雜結構可以一次性成型，可以與采用金屬材料媲美。水流量傳感器里裝有磁性轉子和兩個塑料轉子支座，轉子在水流的推動下高速旋轉與轉子支座之間摩擦，因此對塑料轉子支座耐磨性有較高要求。POM普遍用于制造各種齒輪，軸承，轉輪摩擦軸承座等機械設備的結構零部件，因為它具耐磨性好并自潤滑，優良的耐疲勞強度，因此目前國內90%以上的配件廠家都采用該材料制作水流量傳感器上的轉子支座，但它作為一種普通的工程塑料，它的耐熱性有限。近兩年日本配件廠家普遍采用一種耐高溫的材料，可以防止在出現意外干燒引的倒流高溫水蒸氣，該種材料是采用了PPS作為基質，添加了石墨，四氟乙烯等高耐磨材質，使用的具有耐高溫，高耐磨，克服了產品出現意外所帶來的風險。由于價格昂貴，目前國內只有少數廠家采用。2.3外觀裝飾件壁掛爐上的外觀裝飾件，在不同部位和不同用途的材料選用要求，可以按以下方法考慮：1）操作面板，要求表面有良好的光澤，電鍍處理效果佳，印刷、噴涂、著色等表面處理工藝性好，而通用塑料ABS以它優異的綜合特性廣泛用于家用電器外殼及各種制品的外殼。由于ABS耐候性欠佳，表面易變黃，因此在成型過程中一般添加抗UV劑以提高它的抗紫外線能力，使它性能穩定，不易老化。在力學性能及耐熱性有更高的要求情況下，一般在ABS中添加20%～40%的PC，這種塑料合金既具有PC樹脂的優良耐熱耐候性，尺寸穩定性和耐沖擊性能，又具有ABS樹脂優良的加工流動性，表面光澤度，其熱變形溫度高達110℃，采用ABS＋PC合金容易產生應力開裂，特別是低溫的使用環境下，因此在受力部位就需要盡量采用圓角光滑過渡。PP加工過程流動性好，價格便宜，適合于制作大型殼體類產品，如果對外觀要求不高，不需電鍍的殼體，也是一種理想的選擇材料。從性能優勢對比ABS＋PC＞ABS＞PP，從價格優勢對比PP＞ABS＞ABS＋PC，從加工方便考慮PP＞ABS＞ABS＋PC，因此在對產品材料選擇時可綜合考慮材料的性價比。2）按鍵，它要反復不斷的動作，要求有良好的抗疲勞性，耐反復沖擊，而PP、ABS、PA都是不錯的選型材料。3）透明片，顯示窗上的透明片材料選擇如果設計成平板，形狀簡單可直接采用亞克力板材(PMMA)，再采用沖裁成型，因為它具有極佳的透光性，透光率高達92%以上，表面硬度高和抗劃傷能力強，對內置光源具有良好的保護又有現成板材采購，成型模具簡單，成為透明片的首先材料。如果非平板及形狀復雜只能采用注塑成型，但表面易產生斑點，水花，氣紋等一系列缺點，因此對成型工藝要求較高，透明塑料一般采用PS、ABS（透明）、PC、PMMA。3塑料產品加工3.1產品設計的結構工藝性在產品開發和生產過程中，產品結構不僅需要滿足使用功能要求，包括強度與剛度，而且對于制造工藝的要求也需要充分考慮，對于塑料結構部件，就是符合塑料的成型工藝要求。因為一般來說塑料制品強度和剛度不如鋼鐵，太薄容易出現漏水，太厚不利于成型，且提高了產品的成本。例如，在產品承受水壓的地方，壁厚一般設置在3mm～4mm，并布置合量的加強筋，在與密封膠圈配合地方周圈盡可能做到壁厚均勻，否則收縮不均，造成收縮凹陷、變形，不利于密封。選取徑向密封出現橢圓變形量一般不超過0.2mm，密封膠圈的壓縮量一般設計為20%～25%，針對徑向密封在裝配容易出現偏位的，壓縮量一般設計為25%～30%，膠圈的內外壓縮量等分，這樣更利于保證產品的密封性。3.2模具設計要點PPS價格高，因而使用范圍受到一定的限制，不過其優異的性能使之漸受到關注，隨著價格的降低將成為第六大類工程塑料。在模具設計與成型條件有特別注意的地方。模具選材要能承受高溫且耐腐蝕，一般采用加硬不銹鋼材料如S136，8407，2083都是比較理想的模芯鋼材，淬火硬度48～52HRC。玻纖增強的PPS往往注塑出來的產品外觀出現浮纖，麻點，表面很暗，要打出比較漂亮的外觀，必須注意以下兩點：第一，模具溫度要高，一般要求120℃～150℃，采用運油加熱；第二，PPS容易出現困氣，模具開排氣槽不能完全按常規設計，要增加排渣槽，類似于壓鑄模具上的排渣槽，這樣一方面有利于排氣，另一方面避免把排氣不良的未端留在產品上，由于PPS脆性大，因此在產品固定或者零件之間的連接盡量避免打自攻螺釘，在無法避免采用螺釘固定時，可以增加嵌件。嵌入塑料中的部分應設計止轉和防拔出結構，嵌件周圍塑料應適當加厚，以防止塑件應力開裂。４結論高分子材料是現代工業和高新技術的重要基石，已經成為國民經濟基礎產業以及國家安全不可或缺的重要保證，隨著各應用行業的技術發展，將促進新型工程塑料工藝技術的不斷發展與完善。燃氣壁掛爐采用塑料部件是近年的技術發展重要課題，塑料部件在燃氣壁掛爐應用工程實踐中已經取得不少成功的經驗，隨著工程塑料的性能的改善以及燃氣壁掛爐設計和工藝技術的發展，將有更多的塑料結構部件用于燃氣壁掛爐。參考文獻[1]夏昭知等，冷凝式燃氣熱水器，第1版，重慶大學出版社，重慶，2008.[2]劉正英等，工程塑料改性技術，第1版，北方化學工業出版社，北京，2008.
