汽車儀表板用PP改性料收縮率的研究

高繼奎，趙月

（奇瑞商用車（蕪湖）有限公司河南分公司，河南 開封 476200）

汽車儀表板用PP改性料收縮率的研究

高繼奎，趙月

（奇瑞商用車（蕪湖）有限公司河南分公司，河南 開封 476200）

汽車儀表板廣泛采用了改性PP材料，然而其較差的成型收縮性對儀表板的尺寸穩(wěn)定性造成了極大的影響。針對此種情況，文章在PP改性料收縮機(jī)理的基礎(chǔ)上，對材料和注塑工藝兩方面進(jìn)行了闡述，論證了注塑工藝對PP成型收縮率的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彈性體EPDM和滑石粉Talc的添加比例在改善PP收縮率上的效果。

儀表板；PP改性料；收縮率；注塑工藝

KCLC NO.:U465Document Code:AArticle ID:1671-7988(2017)03-05-03

引言

聚丙烯（PP）因其質(zhì)輕、剛性好、耐撓曲，通過定向改性，還可以耐低溫沖擊、耐熱老化等優(yōu)點(diǎn)，在汽車內(nèi)外飾上應(yīng)用廣泛[1]，加之其來源充足、價(jià)格低廉，近年來已逐漸成為汽車上用量最大的高分子材料，約占汽車用料總量的21%[2]。但由于其成型收縮率高，尺寸穩(wěn)定性差，在產(chǎn)品的注塑、儲(chǔ)存和使用過程中，往往伴隨著翹曲變形、尺寸不合格、脫模困難等問題，嚴(yán)重影響了其在汽車領(lǐng)域的匹配應(yīng)用[3]。因此，研究改性PP料收縮率的影響因素至關(guān)重要。

本文在PP成型收縮機(jī)理的基礎(chǔ)上，從幾個(gè)方面探討了影響收縮率的因素。材料方面，通過改變EPDM和Talc在共混物PP+EPDM+Talc中的添加量，研究了兩種添加劑用量對共混物收縮率的影響。工藝方面，著重探討了注塑工藝在PP收縮率方面的重要作用。

1、PP料成型收縮的內(nèi)在機(jī)理

塑料件的注塑成型往往伴隨著一個(gè)較明顯的收縮過程，塑件在完全冷卻后，其尺寸與模具尺寸間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)差值，這個(gè)差值可以通過成型收縮率來表示[2]。其中成型收縮率的表達(dá)式為：

式中：MS--模塑收縮率（%）

L0--模具表面兩點(diǎn)的間距；

L--制品表面兩點(diǎn)的間距；

成型收縮的出現(xiàn)主要是由以下兩個(gè)因素導(dǎo)致的：

（1）PP分子鏈的收縮。注塑過程中，當(dāng)溫度高于PP的熔點(diǎn)后，分子鏈處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，充模時(shí)，分子鏈在注塑壓力作用下定向流動(dòng)，待塑件成型并開始冷卻固化時(shí)，PP分子鏈又會(huì)卷曲成無規(guī)線團(tuán)狀，在宏觀上則表現(xiàn)為制品的收縮，因此，控制分子鏈伸展、卷曲的程度與速度，就能在一定程度上控制材料的成型收縮。

（2）PP的高結(jié)晶性。PP分子鏈立構(gòu)規(guī)整度高，屬于高結(jié)晶型聚合物。在結(jié)晶時(shí)，分子鏈能夠完整緊密地排入晶格，使分子鏈間距減小，密度增大，體積也相應(yīng)減小。結(jié)晶度為0%和100%時(shí)，其密度分別為0.851和0.936[1]。因此，保持低的結(jié)晶度有助于減小PP成型時(shí)體積上的收縮。相應(yīng)的，結(jié)晶度變大，PP的密度變大，體積就越小，收縮也越明顯。

2、儀表板用PP改性料收縮率的影響因素

（1）原材料的影響

市場上通過對PP料進(jìn)行共混改性可以讓PP料的收縮率得到極大改善，純PP的注塑收縮率一般介于1.7%到2.5%之間。而加入無機(jī)物滑石粉Talc和彈性體EPDM后，塑件的收縮率最低可降低至0.8%[2]。為了進(jìn)一步探究PP+EPDM+Talc改性料中兩種添加劑對收縮率的影響，我們針對EPDM和Talc的不同含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出以下數(shù)據(jù)：

表1 PP與其共混物的收縮率

表1說明，同時(shí)加入EPDM和Talc的PP料的收縮率比單獨(dú)加EPDM或單獨(dú)加Talc的效果都要好，而且相比純PP，PP+EPDM+Talc共混料的收縮率降低了近41%。

下面針對EPDM和Talc的添加比例對塑件的影響進(jìn)行分析。

圖1 彈性體EPDM的添加比例對PP/EPDM/Talc(20%)收縮率的影響

從圖1看到，隨著EPDM含量的增多，成型收縮率逐漸減小。這是由于彈性體微粒分散在PP基體中，形成海島結(jié)構(gòu)，破壞了其鏈段連續(xù)性，從而影響了PP鏈段的伸展和松弛，導(dǎo)致收縮率的下降[3]。

從圖2中可以看到，共混物的收縮率與滑石粉添加量呈一定的線性關(guān)系，滑石粉添加量越多，收縮率降低越明顯。這是因?yàn)镻P分子鏈在成型的過程中，鏈段沿著滑石粉特有的片狀結(jié)構(gòu)層取向排列，有效的降低了收縮率。同時(shí)，改性劑Talc為無機(jī)礦物材料，本身不收縮，因此，添加量越多，共混材料收縮率越小；另外，滑石粉在共混物中充當(dāng)了填充劑和成核劑，增加了PP分子鏈排入晶格的難度，也阻止了大球晶的生成，從而減小了結(jié)晶度，降低了收縮率[2]。

圖2 滑石粉的添加比例對PP/EPDM/TALC收縮率的影響

劉仿軍[4]認(rèn)為隨著Talc粒徑的減小，復(fù)合材料的收縮率先減小后增大，并且Talc的最佳粒徑為2500目。這是因?yàn)椋S著Talc粒徑的減小，其相對比表面積增大，與PP分子鏈段的接觸面積增多，對分子鏈段的運(yùn)動(dòng)限制增大。而當(dāng)粒徑小于2500目時(shí)，較高的比表面能使其易發(fā)生團(tuán)聚，從而使其比表面積有降低的趨勢。

（2）注塑工藝的影響

在注塑過程中，PP儀表板塑件的收縮主要集中在三部分：澆口硬化前的收縮、模具型腔內(nèi)的冷卻收縮和脫模后的自由收縮。

1）澆口硬化前的收縮

這一階段材料的收縮率主要與熔料補(bǔ)償能力有關(guān)，即受到保壓壓力和保壓時(shí)間的制約。澆口硬化前，熔體在壓力的作用下填充模具型腔，不斷被壓實(shí)，粘度和密度逐漸升高，直到澆口最終凝固。因此，塑件的尺寸穩(wěn)定性與保壓時(shí)間和保壓壓力密切相關(guān)，保壓壓力大，保壓時(shí)間長，則制品的收縮率低[5]。

2）模具型腔內(nèi)的冷卻收縮

從澆口冷卻硬化到制品脫模，此過程為塑件冷卻收縮階段。此時(shí)，熔料的重量和粘度已經(jīng)定型。而模溫和冷卻時(shí)間則成為影響制品收縮率的主要因素。模溫越低、冷卻時(shí)間越短、則PP分子鏈越快凍結(jié)，由于來不及排入晶格，收縮率相對較小。

3）脫模后的自由收縮

脫模后的PP儀表板制品的內(nèi)應(yīng)力在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)緩慢釋放，表現(xiàn)在外觀上為制品的自由收縮。因此，注塑完成后如果放置不合理，也可能會(huì)發(fā)生變形翹曲。羅忠福發(fā)現(xiàn)添加滑石粉改性的PP料24h的收縮率比3h大0.02%-0.07%。24h后制品應(yīng)力完全釋放后，制品的收縮率將變化不大[4]。

3、結(jié)論

汽車儀表板用PP改性料的尺寸穩(wěn)定性一直困擾著汽車廠商。而成型收縮率的控制需要結(jié)合PP改性料的收縮機(jī)理，分別從材料和注塑工藝兩方面進(jìn)行考慮。其中，相比純PP料，添加15% EPDM和20% Talc的PP改性料收縮率可降低40%左右。此外，通過對注塑工藝如保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、注塑壓力等工藝參數(shù)的把控，也可以有效降低PP制品的成型收縮率、制得尺寸穩(wěn)定性好的儀表板。

[1] 趙文聘,黃海清. 聚丙烯改性料的收縮率探討[J]. 工程塑料應(yīng)用，2000,28（11）：8-10.

[2] 婁小安，蘇吉英，孟成銘，段浩. 改性聚丙烯收縮率的研究.中國塑料[J]，2011,12（25）：59-61.

[3] 徐偉，羅竟?jié)瑘蛴来海枌W(xué)，盧鴻劍.汽車PP保險(xiǎn)杠注塑成型收縮及涂裝后收縮的研究. 汽車科技[J].2015. 2，58-62.

[4] 劉仿軍，呂恒勇，李亮，趙恒。汽車內(nèi)飾件用聚丙烯材料的研究。塑料科技[J].2013,6（41）：48-51.

[5] 曹民干.注射工藝條件與PP成型收縮率的關(guān)系.工程塑料應(yīng)用[J].2002,1[30]∶20-23.

Research on molding shrinkage of PP composites used in Instrument Panel

Gao Jikui, Zhao Yue
( Chery commercial vehicle (wuhu) co., LTD. Henan branch, Henan Kaifeng 476200 )

Considering the situation that the poor molding shrinkage of PP composites widely used in Instrument Panel impacts seriously the dimensional stability, Based on the shrinkage mechanism of the modified PP material, the paper researches from the aspects of material and injection process, arguments the influence of the injection molding process on the shrinkage rate of PP, and find that it can increase the dimensional stability by controlling the contents of EPDM and Talc.

Instrument Panel; PP composites; shrinkage rate; molding process

U465

A

1671-7988(2017)03-05-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.003

高繼奎（1979-），男，就職于奇瑞汽車河南有限公司，碩士研究生，從事汽車零部件質(zhì)量管理工作。

趙月（1989-），女，就職于奇瑞汽車河南有限公司，碩士研究生，從事汽車零部件質(zhì)量管理工作。