低線性膨脹系數(shù)汽車塑料尾門專用料的研制

閆溥，蔣文遠(yuǎn)，邵之杰，石陽陽，周海

(會通新材料股份有限公司，安徽合肥 230012)

0 引言

汽車輕量化水平已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展上的一個關(guān)鍵方向。采用非金屬材料制造的汽車尾門與傳統(tǒng)金屬材料相比[1-3]，零部件具有質(zhì)量輕、集成度高、設(shè)計自由度高、生產(chǎn)周期短和行人保護能力強等優(yōu)點，國內(nèi)外汽車主機廠、零部件公司和材料公司紛紛將全塑尾門作為車身輕量化方案開發(fā)的重點。

目前汽車塑料尾門內(nèi)板主要采用PP-LGF40材料，外板采用PP+EPDM-T30材料，內(nèi)外板通過聚氨酯膠粘合連接，并根據(jù)車身要求將外門板噴涂成不同顏色，對材料的線性膨脹系數(shù)、可噴涂性以及可粘結(jié)性要求極高[4]。全塑尾門材料大多依靠進(jìn)口，也僅在部分外資汽車品牌中實現(xiàn)應(yīng)用，主要有路虎極光、沃爾沃XC60、東風(fēng)標(biāo)致3008、雪鐵龍DS6、日產(chǎn)奇駿、英菲尼迪EX、寶馬X3等。

文中主要是以全塑尾門所用的低線性膨脹系數(shù)PP+EPDM-T30復(fù)合材料為研究對象，研究不同的PP基料、不同熔體流動速率的POE以及不同粒徑的Talc對PP+EPDM-T30復(fù)合材料力學(xué)性能和線性膨脹系數(shù)的影響；并考察了表面極性劑HT-17含量對其粘結(jié)性能的影響，通過力學(xué)特性和粘結(jié)特性的研究，獲得最佳的配方組合，為汽車尾門材料的國產(chǎn)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚丙烯樹脂(PP)，BX3800[熔體流動速率(MFR)=30 g/10 min，230 ℃，2.16 kg，以下同]，韓國SK集團生產(chǎn)；PP，311MK40T(MFR=30 g/10 min)，中沙集團生產(chǎn)；PP，M30RHC(MFR=30 g/10 min)，鎮(zhèn)海煉化集團生產(chǎn)；滑石粉(Talc)，PA08，1250目；AHCP10，2500目；AHCP250，5000目，均為遼寧艾?；邢薰旧a(chǎn)；聚烯烴增韌劑(POE)，Solumer 8705(MFR=0.5 g/10 min，190 ℃，2.16 kg，以下同)，Solumer 875L(MFR=5 g/10 min)，Solumer 8613L(MFR=13 g/10 min)，韓國SK集團生產(chǎn)；表面極性劑HT-17，多羥基化合物，自制。

1.2 主要設(shè)備

雙螺桿擠出機：ZSK30型，德國W&P公司生產(chǎn)；注塑機：HTF80X1型，寧波海天注塑機生產(chǎn)；熔體流動速率儀：ZRZ1452型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)；萬能實驗機：CMT4204型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)；沖擊實驗機：ZBC1400-1型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)；Spectrum 2000紅外光譜儀，英國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)；S-4800掃描電子顯微鏡，日本高新公司生產(chǎn)；DSC 200-F3差示掃描量熱儀，德國耐馳公司生產(chǎn)。

1.3 試樣制備

將PP、POE、 Talc、HT-17等組分按照表1所示混合均勻后，經(jīng)雙螺桿擠出機擠出、造粒，制備出低線性膨脹系數(shù)汽車塑料尾門專用料。

表1 基礎(chǔ)配方比 %

1.4 性能測試

MFR(Melt Mass-flow Rate)按照ISO 1133-2011標(biāo)準(zhǔn)測試；拉伸強度按照ISO 175-2010標(biāo)準(zhǔn)測試；彎曲模量按照ISO 178-2010標(biāo)準(zhǔn)測試；懸臂梁缺口沖擊按照ISO 180-2000標(biāo)準(zhǔn)測試；結(jié)晶度按照ISO 11357-3-2013標(biāo)準(zhǔn)測試；線性膨脹系數(shù)按照ISO 11359-2-1999標(biāo)準(zhǔn)測試熔體流動方向(FD)和垂直熔體流動方向(TD)上的線性膨脹系數(shù)值，測試溫度范圍為-40～80 ℃；表面張力按照ISO 8296-2008標(biāo)準(zhǔn)測試；粘結(jié)性按照ISO 4587-2003標(biāo)準(zhǔn)測試。

1.5 結(jié)構(gòu)表征

樣品經(jīng)溴化鉀壓片后，進(jìn)行紅外測試；樣品斷面經(jīng)真空噴金后，觀察表面形貌并拍攝。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP基料選擇

固定POE為Solumer 8613L，Talc為AHCP 250，表面極性劑為HT-17，優(yōu)選市面上高結(jié)晶PP，具體配比如表1所示，比較不同的PP基料對復(fù)合材料性能的影響，如表2所示。

表2 不同PP基料復(fù)合材料綜合性能對比

由表2可以看出：以BX3800為基料材料的綜合性能較優(yōu)，M30RHC次之，311MK40T最差。這是由3種基體材料的結(jié)晶度不同造成的，基體材料的結(jié)晶度越高[5]，材料的強度體現(xiàn)越好。從圖1可知：BX3800的結(jié)晶度最高為43.9%，M30RHC結(jié)晶度為40.3%，311MK40T結(jié)晶度最低為38.9%。

圖1 基料DSC曲線圖

2.2 增韌劑選擇

在PP基料為BX3800基礎(chǔ)上，選取不同MFR的POE，分別對其增韌劑改性，研究POE對復(fù)合材料性能的影響，如表3所示。

表3 不同POE復(fù)合材料綜合性能對比

由表3可知：以BX3800為基體及不同的POE為增韌劑，復(fù)合材料的MFR相差很大，這是因為POE本身的MFR對復(fù)合材料的MFR有正相關(guān)的影響。在相同添加比例下，選用MFR為13 g/(10 min)的Solumer 8613L遠(yuǎn)比選用MFR為0.5 g/(10 min)的Solumer 8705復(fù)合材料的MFR高很多。

同時從表3還可以看出：隨著POE的MFR提升，復(fù)合材料的沖擊強度也有明顯的提升。這是由于基料BX3800[MFR=30 g/(10 min)]熔融指數(shù)較高，POE熔融指數(shù)越低，黏度相差越大，越不利于POE在復(fù)合材料中的分散，橡膠相不能很好地分散，增韌效果差，Solumer 8613L熔融指數(shù)較高，增韌效果最好[6-7]。

2.3 填充劑選擇

為增加材料的剛性，保證成型制品的尺寸穩(wěn)定性，在固定PP 基料為BX3800、POE為Solumer 8613L的情況下，進(jìn)一步選取不同粒徑的Talc，研究它對復(fù)合材料綜合性能的影響。

由表4可知：添加AHCP250滑石粉綜合性能最優(yōu)，線性膨脹系數(shù)最小。這是由于AHCP250滑石粉粒徑最小，比表面積大，受外力作用下誘導(dǎo)銀紋能力強[8]，在增強材料剛性的同時，對其韌性的影響最小。同時，從圖2可以看到：3種滑石粉都呈現(xiàn)薄片狀結(jié)構(gòu)，均勻分散在聚丙烯基體中，但AHCP250滑石粉的薄片長度和厚度的比值(徑厚比)最大，圖2(d)顯示AHCP250滑石粉的徑厚比約為12倍，阻止聚丙烯分子的鏈段運動能力最強，復(fù)合材料的線性膨脹系數(shù)最小。

表4 不同粒徑Talc復(fù)合材料綜合性能對比

圖2 復(fù)合材料SEM圖

2.4 表面極性劑含量選擇

為了便于塑料尾門的涂裝和粘結(jié)，要求制品表面的張力值達(dá)到45 mN/m以上[9]，而復(fù)合材料的表面張力值僅30 mN/m，無法達(dá)到應(yīng)用要求，故在材料中添加自制的富含多羥基表面極性劑，從圖3可以看到：在1 080、1 620 cm-1處有明顯的吸收峰，分別由-C-OH、-C-NH2伸縮振動所產(chǎn)生。

在固定PP為BX3800、POE為Solumer 8613L、Talc為AHCP250，研究表面極性劑HT-17用量對涂裝和粘結(jié)性能的影響，結(jié)果如表5所示，添加表面極性劑HT-17可以改善材料的表面張力。

圖3 表面極性劑HT-17紅外譜圖

表5 HT-17用量對復(fù)合材料粘結(jié)性能影響

當(dāng)其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，復(fù)合材料的表面張力從30 mN/m增至50 mN/m，經(jīng)粘結(jié)固化后，樣品的剪切強度從0.45 kJ/m2上升至1.99 kJ/m2，界面破壞形式由100%界面破壞發(fā)展成90%膠內(nèi)聚破壞，滿足塑料尾門對涂裝和粘結(jié)性能的要求。

3 低線性膨脹系數(shù)專用料在汽車塑料尾門上的應(yīng)用

綜合上述實驗，以BX3800為基料、Solumer 8613L為增韌劑，AHCP250為增強填料，表面極性劑HT-17用量達(dá)到3%時，結(jié)果如表6所示，該專用料具有優(yōu)異的強度和韌性，極低的線性膨脹系數(shù)，達(dá)到進(jìn)口材料水平。

表6 塑料尾門專用料綜合性能對比

4 結(jié)論

(1) 制備汽車塑料尾門專用材料，PP基體樹脂選擇很重要，對于基本物性相近的BX3800、311MK40T、M30RHC 3種樹脂而言，BX3800結(jié)晶度最大，綜合性能最優(yōu)；

(2) 制備汽車塑料尾門專用材料，POE熔融指數(shù)越高，增韌效果越明顯，相對Solumer 8705和Solumer 875L，選擇Solumer 8613L增韌效果最好；

(3) 制備汽車塑料尾門專用材料，Talc徑厚比值越大，越有利于降低材料的線性膨脹系數(shù)，相對PA08和AHCP10，選擇AHCP250綜合效果最好，復(fù)合材料線性膨脹系數(shù)最低；

(4) 制備汽車塑料尾門專用材料，添加表面極性劑HT-17，可以顯著提高復(fù)合材料表面張力，添加量達(dá)到3%時，復(fù)合材料的表面張力達(dá)到50 mN/m，滿足塑料尾門的涂裝和粘結(jié)要求。