輕質(zhì)GMT復(fù)合材料在汽車后隔板上的應(yīng)用

謝德鈺，黃江玲，付丹，劉丹丹，石騰龍

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430058)

輕質(zhì)GMT復(fù)合材料在汽車后隔板上的應(yīng)用

謝德鈺，黃江玲，付丹，劉丹丹，石騰龍

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430058)

熱塑性復(fù)合材料在汽車上發(fā)揮著重要作用，輕質(zhì)玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料(GMT)和PP(聚丙烯)木粉板復(fù)合材料也逐漸應(yīng)用到汽車的很多方面。通過對比輕質(zhì)GMT和PP木粉板板材以及兩種基材的后隔板性能，結(jié)果顯示:輕質(zhì)GMT后隔板在比PP木粉板后隔板質(zhì)量低的情況下，其大部分性能仍相當(dāng)。并且2種基材后隔板的零部件揮發(fā)性有機物(VOC)顯示PP木粉板后隔板的苯系物和醛酮揮發(fā)量比輕質(zhì)GMT后隔板的高約6～8倍。輕質(zhì)GMT在汽車輕量化和環(huán)境友好性上更有優(yōu)勢。

輕質(zhì)GMT;PP木粉板;后隔板;VOC

1　引言

汽車后隔板一般是由樹脂基材和表面裝飾材料(包括無紡布、人造革等)通過熱壓復(fù)合工藝成型的內(nèi)飾件。對于汽車后隔板，影響其性能最主要的部分是基材性能。早期用于后隔板基材比較廣泛的是PP木粉板等。PP木粉板是由聚丙烯粉和木粉通過擠出工藝制備而成［1-2］，它具有原材料木粉來源廣、價格低等優(yōu)點，但由于制備過程中各種助劑的添加，其環(huán)保性一直限制著它的廣泛應(yīng)用。

隨著人們對汽車能耗、環(huán)境等認識的深入，汽車輕量化和環(huán)境友好逐漸成為人們的關(guān)注重點。輕質(zhì)GMT作為一種具有潛在輕量化價值的環(huán)保材料，受到了廣泛關(guān)注［3］。輕質(zhì)GMT是一種由連續(xù)玻璃纖維氈增強熱塑性樹脂的復(fù)合材料，具有密度低、強度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、制品設(shè)計自由度高、可回收再利用等優(yōu)點［4］。自20世紀末被AZDEL公司開發(fā)以來，它以其優(yōu)異的性能在汽車、航空等各個領(lǐng)域上有著大量的應(yīng)用［5］。它在汽車上早期主要用于卡車的頂棚、側(cè)圍，之后在乘用車頂棚、后隔板、護板等部位也有著應(yīng)用。因此，基于輕質(zhì)GMT在汽車后隔板上的應(yīng)用，重點介紹了汽車常用的基材PP木粉板和輕質(zhì)GMT應(yīng)用在汽車后隔板上的力學(xué)性能、環(huán)境友好性、輕量化等方面的性能優(yōu)劣。

2　輕質(zhì)GMT材料介紹

2.1輕質(zhì)GMT制備工藝

輕質(zhì)GMT的制備工藝與PP木粉板不同。主要分為濕法工藝、干法工藝，以及后來在此基礎(chǔ)上改進的和新開發(fā)的工藝，如氣動法制備工藝［6］等。目前國內(nèi)采用較多的是干法工藝。

濕法工藝是由Arjomari和Wiggins Teaper公司最先開發(fā)出來的［7］。它是將6～25 mm的短切玻纖、樹脂粉末、玻纖表面處理劑等輔助劑一起加入水中混合，形成懸浮液，利用機械攪拌絮化玻纖，絮化的玻纖與懸浮液分離形成濕氈，之后經(jīng)過脫水、烘干、復(fù)合定型等步驟形成輕質(zhì)GMT板材。其優(yōu)點是樹脂對玻纖的浸漬效果好，但該方法所需設(shè)備成本高、能耗大，生產(chǎn)過程中大量的助劑易對環(huán)境造成污染。

干法工藝是基于無紡布的生產(chǎn)工藝形成的，主要工藝過程包括:玻纖和丙綸的稱重混合、開松、梳理、鋪網(wǎng)、針刺、膠膜和表面無紡布復(fù)合、加熱滾壓、冷卻、裁切［8-9］。其優(yōu)點是梳理的玻纖長度更長，無廢氣、廢水排放，但板材具有一定的取向性。

2.2輕質(zhì)GMT的加工工藝

輕質(zhì)GMT和PP木粉板表面都貼有熱熔膠膜，制備成品時可直接通過表面膠膜與無紡布等面料粘結(jié)來裝飾外觀。輕質(zhì)GMT與PP木粉板用于汽車內(nèi)飾件都是通過模壓工藝實現(xiàn)，一般流程是先將板材預(yù)熱軟化狀態(tài)，之后快速移入鋪好面料的模具內(nèi)保壓，開模修邊即得成品［10］，生產(chǎn)工藝較為簡單。

3　輕質(zhì)GMT與PP木粉板板材性能對比

為了更好的比較輕質(zhì)GMT與PP木粉板用于后隔板基材的性能差異，以及比較高克重的PP木粉板與低克重的輕質(zhì)GMT板材性能差異，選取了輕質(zhì)GMT克重1 800 g/m2，厚度5 mm，PP木粉板克重2 300 g/m2，厚度為3 mm的2種板材。并對板材進行了常態(tài)和高低溫氣候循環(huán)老化狀態(tài)下的抗沖擊性能、彎曲性能試驗。

根據(jù)GB/T 1843《塑料懸臂梁沖擊強度測定》標準對兩種材料在常態(tài)和高低溫氣候循環(huán)老化后進行了沖擊強度測試，結(jié)果如圖1所示。高低溫氣候循環(huán)老化條件:40℃/95%濕度(16 h)→-20℃(3 h)→100℃(6 h)，經(jīng)此一個過程為1個循環(huán)，共進行4個循環(huán)。結(jié)果表明老化前輕質(zhì)GMT沖擊強度為16 kJ/m2和老化后輕質(zhì)GMT的沖擊強度為15.9 kJ/ m2，遠遠高于PP木粉板，并且輕質(zhì)GMT斷裂形式是不完全斷裂，PP木粉板的斷裂形式為完全斷裂，因此輕質(zhì)GMT抗沖擊性能更好。

根據(jù)GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》標準對2種板材在常態(tài)和高低溫氣候循環(huán)老化后進行了彎曲性能測試。由于2種板材厚度不同，測試樣條尺寸不同，而彎曲模量與測試樣條尺寸有關(guān)，因此根據(jù)彎曲性能測試力-位移曲線，比較了在20 N相同作用力下，2種材料在力作用方向上位移變化，如圖2所示。由圖2可以看出，在20 N力作用下，輕質(zhì)GMT的位移比PP木粉板略大，這是由于輕質(zhì)GMT是疏松結(jié)構(gòu)材料，而PP木粉板是密實結(jié)構(gòu)材料。且由沖擊強度試驗可以看出，輕質(zhì)GMT材料有連續(xù)的玻纖，具有一定韌性，裁成樣條后玻纖受到破壞，影響彎曲測試結(jié)果，而PP木粉板是由木粉和PP粉擠出制備而成，木粉本身具有不可塑性，制備的板材呈脆性。因此PP木粉板彎曲性能略優(yōu)于輕質(zhì)GMT。

圖1　輕質(zhì)GMT和PP木粉板常態(tài)和氣候老化后沖擊強度對比圖

圖2　輕質(zhì)GMT和PP木粉板在20N力作用下位移對比圖

4　輕質(zhì)GMT在汽車后隔板上的應(yīng)用

4.1輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板制備

為了比較2種基材的后隔板零件性能差異，采用1 800 g/m2輕質(zhì)GMT和2 300 g/m2PP木粉板制備成汽車后隔板，其中2種后隔板的表面無紡布、墊塊都完全相同，成型后零件厚度均為3.5 mm。

4.2輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能對比

由表1可以看出，輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能大部分試驗結(jié)果相當(dāng)，但輕質(zhì)GMT的燃燒特性和添加劑揮發(fā)性測試結(jié)果優(yōu)于PP木粉板，這與PP木粉板的原材料以及制備過程中添加的助劑有很大關(guān)系。另外2種零件質(zhì)量結(jié)果顯示，輕質(zhì)GMT后隔板比PP木粉板后隔板質(zhì)量低。

表1　輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能對比

4.3輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板剛性試驗對比

剛性試驗是后隔板性能的一個重要指標。其測試原理是在零件某個位置施加一定大小負荷，測量零件在水平面X、Y方向上的變形量，變形量越小則剛性越好。由此，在兩種基材后隔板零件相同的位置，分別施加相同大小的力，測得PP木粉板后隔板和輕質(zhì)GMT后隔板的變形量。由表2可以看出，2種后隔板在X、Y方向上的變形量相當(dāng)，剛性性能相當(dāng)，滿足使用要求，但輕質(zhì)GMT后隔板零件質(zhì)量低于PP木粉板后隔板。因此，在滿足相同剛性的要求下，輕質(zhì)GMT更有潛在的汽車輕量化應(yīng)用價值。

表2　PP木粉板后隔板和輕質(zhì)GMT后隔板剛性試驗對比

4.4輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板VOC試驗對比

對于汽車內(nèi)飾件，環(huán)境友好性要求越來越高。為了比較不同基材后隔板的環(huán)境友好性，對PP木粉板后隔板零件和輕質(zhì)GMT后隔板零件采用2 000 L袋式法進行了零部件VOC測試，測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，PP木粉板后隔板總成和輕質(zhì)GMT后隔板總成的揮發(fā)性物質(zhì)丙烯醛均未檢出，且輕質(zhì)GMT后隔板總成的揮發(fā)性物質(zhì)苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯未檢出。2種基材的后隔板零部件VOC結(jié)果相比，PP木粉板后隔板總成的甲醛和乙醛揮發(fā)量，以及苯系物揮發(fā)量均明顯高于輕質(zhì)GMT后隔板。其醛酮和苯系物揮發(fā)量比輕質(zhì)GMT后隔板高約6～8倍。同時PP木粉板材散發(fā)出的氣味也比輕質(zhì)GMT大。在環(huán)境友好性方面，輕質(zhì)GMT后隔板明顯優(yōu)于PP木粉板后隔板。

圖3　輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板苯系物揮發(fā)對比圖

圖4　輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板醛酮揮發(fā)對比圖

4.5輕質(zhì)GMT后隔板和PP木粉板后隔板成本對比

輕質(zhì)GMT與PP木粉板由于成型工藝相同，工藝成本相當(dāng)，但由于PP木粉板原材料來源廣泛，價格低廉，輕質(zhì)GMT的原材料價格比PP木粉板高，從而輕質(zhì)GMT后隔板比PP木粉板后隔板零件成本略高。

5　結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，用戶對汽車舒適性要求不斷提高，同時伴隨著VOC法規(guī)即將出臺，乘用車汽車輕量化和乘客艙內(nèi)部環(huán)境友好性將成為必然趨勢。2種基材相比，PP木粉板后隔板醛酮和苯系物揮發(fā)量比輕質(zhì)GMT后隔板高約6～8倍，輕質(zhì)GMT材料的環(huán)境友好性明顯優(yōu)于PP木粉板，且輕質(zhì)GMT材料在質(zhì)量比PP木粉板降低10%的情況下，可與PP木粉板性能相當(dāng)，對汽車輕量化有較大貢獻。因此，輕質(zhì)GMT材料在汽車內(nèi)飾應(yīng)用中更有優(yōu)勢。

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The Application of Lightweight GMT in Car Rear Bulkhead

XIEDeyu，HUANG Jiangling，F(xiàn)U Dan，LIU Dandan，SHI Tenglong
(Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058，China)

Thermoplastic composite materials play an important role in automobile.The Light-weight GMT and Polypropylene wood flour are gradually applied to many aspects of the car.By comparing the performance of Light-weight GMT and Polypropylene wood flour in Substrate and rear bulkhead.The results show that the performance of Light-weight GMT rear bulkhead is nearly the same with Polypropylene wood flour rear bulkhead in lower weight，and the VOC experiment also shows that benzene and aldehydes volatilization of Polypropylene wood flour rear is almost 6～8 times higher than Lightweight GMT rear bulkhead.So The Light-weight GMT has better performance in lightweight and environmentally friendly of the car.

light-weight GMT;polypropylene wood flour;rear bulkhead;VOC

2015-12-30)

謝德鈺(1987-)，女，湖北人，碩士，工程師。研究方向:復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)。E-mail:xiedy@ dfmc.com.