SMP主动拆卸结构激发效果影响因素的试验研究

刘志峰 李新宇 赵流现 魏俊杰 张洪潮，2

1.合肥工业大学，合肥，230009 2.德克萨斯理工大学，卢伯克，德克萨斯，美国，79409

0 引言

近年来，电子类产品的使用日益广泛，且更新换代速度很快，每年产生大量的废弃电子产品［1］。这些电子产品尤其是小型电子产品结构复杂，采用人工方法拆卸效率很低，而用机械整体破碎的方法会使产品，尤其是含有大量可重用零部件或电子元器件的产品的回收价值下降。为了解决这一问题，国内外学者针对产品的可拆卸设计方法作了大量研究［2－4］。传统的可拆卸设计方法往往是基于人工拆卸来考虑的，属于一对一的拆卸，即一人一次只能拆卸一件产品，拆卸效率很低。因此Chiodo等［5］提出了智能材料主动拆卸（active disassembly using smart materials，ADSM）的设计理念，即利用形状记忆材料为主的智能材料制成卡扣、螺钉等主动拆卸结构来代替传统的连接件，这些主动拆卸结构在加热等激发条件下发生预定的变形，失去连接功能，从而使得产品发生主动拆解。ADSM 目前在国外研究得很多［5－11］，国外学者对手机、随身听、液晶电视等电子类产品的主动拆卸作了一系列的试验研究，通过在产品中应用主动拆卸结构，基本实现了这些产品在一定温度下的主动拆卸，但研究集中于技术层面，对ADSM技术的应用基础问题研究较少，未形成通用的设计理论与方法体系；国内近年来也进行了一些研究，主要是研究基于ADSM的产品及主动拆卸结构的设计方法，也做了一些试验进行验证［12－14］。

从这些研究来看，主动拆卸结构的材料主要有形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）和形状记忆高分子材料（shape memory polymer，SMP），其中SMP主动拆卸结构由于价格低廉，与普通塑料件价格相差不大，且变形量大、加工方便、易于回收而得到了更广泛的关注，目前国内外研究中使用的也主要是SMP主动拆卸结构。但目前针对影响SMP主动激发效果即激发时间和主动拆解率的因素及其影响程度，以及通过控制这些因素来改善产品的主动激发效果的方法的相关研究还比较少，本文就此问题进行了一些研究和探讨。

1 影响主动拆卸结构激发效果的因素

1.1 设计阶段影响激发效果的因素

可能影响SMP主动拆卸结构拆卸效果的因素有主动拆卸结构的材料、最大变形量、拆卸时的加热温度及加热方式。这些因素中，主动拆卸结构的材料和变形量是可在产品设计阶段进行控制的，其余的因素是在产品废弃后拆卸时进行控制的。

在选择材料时，首先校核形状记忆材料的强度和变形能力，其次选择其激发温度。一般来说，激发温度应远高于产品的正常使用温度，但也不宜过高，以免拆卸时一些不耐高温的零件受高温破坏。一般选用激发温度在60～150℃之间的SMP，常用的辐照改性SMP材料的性能如表1所示。SMP的激发温度与其分子交联程度有关，本文采用辐照改性的方式得到SMP，其分子交联程度随辐照剂量的增加而增强，直到达到一个稳定值，如表2所示（均为同一种PVC塑料辐照改性）。

表1 材料种类对主动激发效果的影响

表2 材料交联密度对主动激发效果的影响

SMP的变形回复率与加热时间的关系如图1所示，其中的PVC经过4kGy的辐照改性（激发温度为85℃），PE经过100kGy的辐照改性（激发温度为95℃），加热温度均为150℃，加热方式为空气加热，加热设备为司登利HL－2010E型热风枪。

图1 形状记忆PVC及形状记忆PE的变形回复率与时间的关系

1.2 拆卸阶段影响激发效果的因素

为了分析加热温度和加热方法对主动拆卸结构激发效果的影响，我们分别用激发温度为80℃的形状记忆PVC制成可主动拆卸的卡扣，并在不同的温度下试验其主动激发效果，结果如表3所示。空气加热和水浴加热设备分别为热风枪和水浴槽。

表3 加热温度和加热方法对形状记忆PVC卡扣激发效果的影响（激发温度为80℃）

为了验证是加热温度本身还是加热温度与激发温度之差影响主动激发效果，我们对激发温度为70℃的同种形状记忆PVC做了类似的试验，结果如表4所示。

表4 加热温度和加热方法对主动拆卸结构激发效果的影响（激发温度为70℃）

2 影响SMP主动拆卸结构激发效果的因素

由表1和表2可以看出，SMP的形状记忆性能主要由其材料种类及分子交联程度决定。常用高分子材料中的PVC经辐照改性后形状记忆性能最佳，机械强度和耐腐蚀能力也较好，最适宜作为制作主动拆卸结构的材料。对同种高分子材料来说，辐照剂量越大，即分子的交联程度越高，改性SMP材料激发温度越低，但辐照剂量过低时形状记忆效果不佳，而高于一定值后激发温度几乎不再随辐照剂量变化。

SMP主动拆卸结构的变形量对激发效果的影响主要表现在激发时间上。如图1所示，SMP在变形回复率小于最大变形量的约80%时变形回复速度较快，之后回复速度明显下降。

从表3中可以看出，主动拆卸结构的激发时间随着加热温度的升高而缩短，而主动拆解率随加热温度的升高而增大，直至达到一个稳定值。相同加热温度下，水浴加热下的激发时间和主动拆解率均优于空气加热的激发时间和主动拆解率。但加热温度高于一定值后，激发时间和主动折解率几乎不再变化。

从表4可以看出，激发温度为70℃的主动拆卸结构的激发效果与加热温度上升10℃时的相应的激发温度为80℃的主动拆卸结构的激发效果几乎完全相同，即影响激发效果的因素实际上是加热温度与SMP激发温度之差，而非加热温度本身。

从表3和表4可以看出，使用水浴加热方法时的拆卸时间和主动拆解率均远优于相同加热温度时的空气加热方法，这主要是因为水的密度和比热容远大于空气，主动拆卸结构在水中比在空气中能更快达到激发温度。

综上所述，SMP材料的种类与激发温度、主动拆卸所需的变形量与主动拆卸结构最大变形量的比值、加热温度与激发温度之差、加热介质均会影响SMP主动拆卸结构激发效果，其中加热温度与激发温度之差为最主要的因素。

3 试验结果在改善主动激发效果上的应用

根据以上试验结果，改善SMP主动拆卸结构激发效果需要满足以下要求：

（1）在设计SMP主动拆卸结构时，尽量选择形状记忆性能较好的材料（如PVC），根据所需的激发温度决定改性的辐照剂量，激发温度一般应比SMP主动拆卸结构的工作温度高30℃以上，以防止主动拆卸结构意外激发或发生蠕变。

（2）由于SMP材料的变形回复速度在回复率超过80%时明显下降，因此应将SMP主动拆卸结构的最大变形量设计为拆卸所需变形量的1.25倍以上，这样在主动拆卸结构未完全回复形状时即可实现主动拆卸，缩短拆卸时间。

（3）虽然一定范围内SMP主动拆卸结构的激发效果与加热温度与激发温度之差成正比，但对PVC制成的主动拆卸结构来说，加热温度高于激发温度20℃以上时，温度的升高对激发效果的影响已不明显，因此加热温度可选择为比主动拆卸结构的激发温度高20℃的温度。

（4）相同加热温度时，水浴加热的激发效果优于空气加热，但水浴方法加热温度有限，且会破坏大部分可再利用的电子元件，因此水浴方法只适合处理回收价值较低的产品如遥控器、游戏机手柄等，对手机、LCD显示器等含有较多可再利用电子元件的产品只能使用空气加热。

如图2所示，将SMP主动拆卸结构应用于遥控器外壳中，可显著减少其拆卸时间，如表5所示，再加上使用主动拆卸方法可以同时拆卸一批产品，而非人工拆卸的一对一拆卸，因此应用该方法设计的SMP主动拆卸结构极大地提高了产品的拆卸效率。

图2 SMP主动拆卸卡扣在遥控器外壳中的应用

表5 改进设计前后遥控器拆卸时间对比

4 结论

（1）影响SMP主动拆卸结构激发效果的因素主要有SMP材料的种类与激发温度、主动拆卸所需的变形量与主动拆卸结构最大变形量的比值、加热温度与激发温度之差和加热介质。

（2）选用形状记忆能力较好的材料，增加主动拆卸结构的最大变形量，升高加热温度，尽量使用水浴加热均可提高SMP主动拆卸结构的激发效果。

（3）根据试验结果，使用形状记忆PVC制成主动拆卸结构，并在比其激发温度高20℃以上的温度中水浴加热，激发效果最好。

（4）以上研究未包括化学交联法制备的SMP材料，将在今后的研究过程中进一步验证和完善。

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