低密度聚丙烯材料在商用車輕量化應(yīng)用開發(fā)

代玉堂 楊汐

摘 要：文章主要介紹低密度聚丙烯（PP）材料開發(fā)的思路、原理、材料性能測試、零件注塑和零件性能評價。為內(nèi)飾塑料件輕量化提供一種低成本、低風(fēng)險的可行方案。

關(guān)鍵詞：聚丙烯 低密度 輕量化

中圖分類號：U445 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-145-03

Abstract： This article mainly introduces the development of low-density polypropylene （pp）， containing develop concept， principle， material testing， part injection and performance evaluation， to provide a low-cost and low-risk light-weight project for trim.

Keywords： Polypropylene； Low-Density； Light-Weight

CLC NO.： U445 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-145-03

1 前言

在汽車輕量化和節(jié)能的壓力下，各OEM紛紛采用碳纖維復(fù)合材料、輕質(zhì)鋁合金、高強度鋼、薄壁化設(shè)計等措施進行減重。雖然這些技術(shù)可以實現(xiàn)大幅度的減重，但這些措施輕則更改模具，重則更改生產(chǎn)工藝，投入成本太高、驗證周期長、風(fēng)險較高，在國內(nèi)OEM推廣存在困難。

目前中低端汽車門板內(nèi)飾板、側(cè)圍飾板、立柱飾板材料大多采用PP類材料，全車內(nèi)飾用量約50kg。開發(fā)低密度的PP類材料可以無需更改模具和注塑設(shè)備，調(diào)整注塑工藝即可得到尺寸和性能滿足要求的零件，實現(xiàn)輕量化。集團種子基金支持主要用于PP、POE、添加劑和填料等材料購買、加工費和測試費。

1.1 材料開發(fā)思路

目前中低端汽車門板內(nèi)飾板、側(cè)圍飾板、立柱飾板、座椅飾板、副儀表板材料大多采PP+EPDM-T20，整車內(nèi)飾用量約50kg。PP+EPDM-T20是以PP（聚丙烯）為基材添加約10%的EPDM（三元乙丙橡膠）作為增韌相，添加20%的滑石粉改善材料的強度、剛度和尺寸穩(wěn)定性。PP密度0.92g/cm3，EPDM密度1g/cm3，滑石粉密度2.7-2.8g/cm3。在保持材料性質(zhì)不變同時降低滑石粉的使用量可以降低材料的密度，實現(xiàn)輕量化。

1.2 材料開發(fā)原理

主體基材聚丙烯是主鏈為亞甲基和次甲基交替、側(cè)鏈為甲基的線性聚合物，其分子極性小，易結(jié)晶，低密度和化學(xué)惰性等性能。純的聚丙烯由于存在機械強度較低、耐熱性差、收縮變形大等缺陷，不能滿足車內(nèi)飾塑料件要求。隨著結(jié)晶度的提高，PP材料的拉伸強度、彎曲模量、硬度都有明顯提高。

EPDM是乙烯-丙烯-非共軛二烯烴共聚的三元橡膠通常作為增韌材料使用，但由于碎膠困難，后期與粒狀PP混合不均勻，流動性較差，造成整體性能下降，同時由于EPDM氣味較大，作為增韌材料使用量逐漸減少[1]。POE是采用茂金屬催化劑的乙烯和辛烯實現(xiàn)原位聚合的熱塑性彈性體，在POE分子鏈中辛烯的柔軟鏈卷曲結(jié)構(gòu)和結(jié)晶的乙烯鏈作為物理交聯(lián)點，使它既有優(yōu)異的韌性又有良好的加工性；POE分子量分布窄，具有較好的流動性，與聚烯烴相容性好，相對于常用EPDM增韌效果更好[2]。

為改善純聚丙烯材料的缺陷，通常采用價格便宜的無機硅酸鹽滑石粉進行填充改性。試驗證明，隨著滑石粉量的增加，材料彎曲模量顯著提高，收縮率降低，熱變形溫度提高（見圖1）。

但隨著滑石粉含量的增加，材料的沖擊強度和拉伸強度逐漸下降。主要原因是隨著滑石粉含量增加，滑石粉微粒相互團聚，與聚丙烯基材結(jié)合力下降，出現(xiàn)了不同程度的相分離，增強效果減弱。

因此選用高結(jié)晶PP基材，選用增韌效果更好的POE提高增韌效果，特殊偶聯(lián)劑改善滑石粉表面性質(zhì)，提高滑石粉和PP基材的結(jié)合力。通過以上措施可以在保持材料的力學(xué)、熱學(xué)性能的基礎(chǔ)上降低滑石粉的含量，從而降低材料密度實現(xiàn)輕量化。基本配方見表1。

2 材料級性能測試

各組分混合后加入螺桿擠出機中混合擠出造粒，注塑標準測試樣條。首先通過掃描電鏡觀察PP+POE-T10（左）和PP+EPDM-T20（右）新開發(fā)材料樣條斷口形貌，見圖2。

通過圖中可以看出，右圖中PP+EPDM-T20由于滑石粉含量較高，與PP基材之間結(jié)合力下降，出現(xiàn)不同程度的相分離，微觀下材料整體出現(xiàn)較多的小碎片。新開發(fā)的PP+POE-T10滑石粉與PP基材結(jié)合良好，分散均勻，沒有出現(xiàn)明顯的聚集和相分離。

通過紅外譜圖（圖3）可以看出，CH2的不對稱伸縮正常在2826cm-1出峰，由于CH2中H和滑石粉中的Si-O形成氫鍵移至2917cm-1。對比兩張譜圖可以看出，左圖（PP+POE-T10紅外譜圖）中在2917cm-1處峰強是右圖（PP+ EPDM-T20紅外譜圖）中的2.5倍，這表明經(jīng)過特殊鈦酸酯偶聯(lián)劑處理的滑石粉和聚丙烯基材形成的氫鍵更多，結(jié)合力更強。

滑石粉和PP基材之間的結(jié)合力增強有利于材料的耐熱性能的提高，如圖4所示，用DSC和TGA分別測試兩種材料測熔融溫度和分解溫度。

從圖中可以看出，兩種增強的聚丙烯材料的熔融溫度都在177℃；特殊偶聯(lián)劑增強的聚丙烯的分解溫度在481℃，比普通滑石粉增強的聚丙烯的分解溫度提高約14℃。這說明雖然降低滑石粉的含量，但通過提高滑石粉和聚丙烯基材的結(jié)合力，使PP+POE-T10的熱老化性能優(yōu)于PP+EPDM-T20。

把材料注塑成標準樣條，進行力學(xué)測試， 通過特殊處理的滑石粉增強和POE增韌的聚丙烯在拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊均能夠滿足通用門板的技術(shù)要求，且密度比常用的PP+EPDM-T20低近10%，見表2。

綜上所述，通過用10%特殊表面改性的滑石粉增強、POE增韌的低密度PP+POE-T10材料通過材料級測試性能優(yōu)于PP+EPDM-T20，可以滿足通用門板的力學(xué)、熱學(xué)性能要求。

3 零件級耐久測試

利用開發(fā)的材料在現(xiàn)有的模具和注塑設(shè)備上制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SK81前門內(nèi)飾板，注塑樣件尺寸和外觀良好，實現(xiàn)8.9%減重效果（見圖5）。

為簡化實驗，注塑SV71洗滌液蓋板，注塑樣件尺寸和外觀良好。首先進行安裝拉托力對比測試，新開發(fā)的注塑樣件拉托力為31N，與老狀態(tài)材料33N相當(dāng)（見圖6）。

然后委托上海普尼測試進行耐化學(xué)性、耐合成汗液、內(nèi)飾耐刮擦、光照色牢度、耐潮濕、高低溫令熱循環(huán)等測試（見表3）。

上述實驗結(jié)果表明，新開發(fā)的PP+POE-T10材料制作的樣件均滿足CVTC企業(yè)標準要求。

4 總結(jié)

選用高結(jié)晶PP基材；改善滑石粉的表面處理、增強滑石粉與PP基材的結(jié)合力；改善增韌體系，提高增韌效果，制得低密度PP+POE-T10材料。通過材料微觀測試、材料級力學(xué)和熱學(xué)測試、零件級耐久測試和安裝測試表明新開發(fā)的材料滿足CVTC標準要求。可以在原有的模具和注塑設(shè)備上替代PP+EPDM-T20，實現(xiàn)8.9%的減重效果，綜合物料成本下降3%。全車內(nèi)飾用量約45-50kg，非常適合老項目VAVE和新項目的輕量化設(shè)計。

參考文獻

[1] 徐國平.低氣味聚丙烯改性料的研制[J].工程塑料應(yīng)用，2011，39（1）：58-60.

[2] 王坷，史貞，王建民.PP 增韌技術(shù)的研究進展[J].合成樹脂及塑料， 1996，13（3）：58-61.