薄壁低密度PP材料的開發與應用研究

胡成，楊豪

薄壁低密度PP材料的開發與應用研究

胡成，楊豪

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

文章通過一系列原材料及零部件性能試驗驗證，開發出適用于門內飾板的薄壁低密度PP材料，并成功在量產車型的實現應用，減重可達15.6%；另外，薄壁低密度材料的成功開發應用，為我們實現非金屬零部件輕量化提供重要參考。

薄壁低密度；PP材料；門內飾板

前言

為實現汽車輕量化，達到節能減排，改性塑料在整車上的應用越來越多，單車重量甚至達到190 kg以上；而PP材料又以其密度小、性價比高和便于回收利用等優點廣泛應用于汽車內外飾零部件，是整車所有塑料材料中用量最大的材料，部分車型PP材料用量占整車塑料材料總量的50%以上[1-3]。

本文以整車重要零部件——門內飾板的輕量化為例，對比分析了不同輕量化方案的優缺點，擬定輕量化效果更加的方案，即薄壁低密度方案，開發出適用于該方案的PP材料，以下稱薄壁低密度PP材料，以實現門內飾板輕量化，并以此為例，為其他系統實現輕量化提供參考。

1 輕量化方案選擇

當前門內飾板相對成熟的輕量化方案主要有：薄壁化設計、低密度材料及微發泡技術；薄壁化設計和低密度材料方案一般對材料性能的要求較高[4]，造成材料成本增加，且減重效果較低；而微發泡技術是通過對復合材料（如PP復合材料）進行微發泡處理，大幅降低材料密度，并保持一定的機械強度，實現輕量化[5]，減重可達20%以上，但前期模具和生產設備費用投入高達千萬，限制其應用。

針對上述輕量化方案存在的不足，特提出薄壁化+低密度相結合的方案，將低密度PP材料替代傳統PP+EPDM-T20應用在薄壁門內飾板上，在不增加零部件綜合成本的情況下，最大程度地實現減重。

根據轉動慣量和撓度的理論計算得出[6]，E1/E2=（d2/d1）3，即產品壁厚的微小降低，會造成產品的剛性大幅降低，而為滿足產品剛性要求，則要選用高模量材料；不同壁厚，材料彎曲模量要求見表1。

表1 不同壁厚門內飾板對材料彎曲模量的要求

普通低密度改性PP材料模量很難達到1900MPa以上，而通過產品結構設計也可以增強剛性，以減小對材料剛性的依賴；但壁厚太薄，對產品設計和生產工藝要求較高，帶來較大的潛在風險；通過綜合考慮，對薄壁化+低密度方案，我們最終建議門內飾板壁厚設計為2.3 mm，相比于傳統的2.5 mm，壁厚減小0.2 mm；而材料采用高模量的PP+EPDM- T10材料（彎曲模量在1700MPa以上），替代傳統的PP+EPDM-T20材料。

2 性能驗證

薄壁低密度PP材料目前還沒有可參考的性能標準要求，因此對于該材料的性能驗證，我們通過以下途徑解決：分別從傳統門內飾板和薄壁低密度PP材料門內飾板上截取標準試樣（取樣部位盡可能平整，且位置一致，同時要避開背部加強筋、焊接柱等結構），在進行相應測試；評判原則：薄壁低密度PP材料門內飾板上取樣測試結果不得低于傳統門內飾板上取樣測試的結果。

2.1 試驗材料準備

根據薄壁低密度方案要求，優選3家供應商（記為A供應商、B供應商、C供應商）的PP+EPDM-T10材料作為開發對象，材料性能見表2（3家供應商材料分別記為材料A、材料B、材料C，對應的注塑門內飾板分別為門內飾板A，門內飾板B，門內飾板C，門內飾板均在相同條件下注塑而成）。

表2 原材料物性表

2.2 力學性能驗證

按照相關標準分別在門內飾板上取樣測試，并與傳統門內飾板取樣測試結果對比，相關結果見表3。

從表3中實驗結果可以看到，僅有門內飾板A取樣測試結果與傳統門內飾板取樣測試結果基本相當，且略高于傳統門內飾板，而其他2家主要是在常溫缺口沖擊強度遠低于傳統門內飾板取樣測試結果，且與表2的數據對比，門護板B和C的常溫缺口沖擊強度遠低于各自原材料的物性數據，這說明材料B和C的性能在零部件上保持率相對較低（所有測試均選用多組平行樣，且平行樣的試驗數據一致性較好，可排除取樣不良因素，可能原因是材料B、C性能受注塑工藝，如溫度，影響較大所致[7]）。

表3 樣件取樣測試結果

另外，從表3中還可看出無論是傳統門內飾板還是薄壁低密度門內飾板，彎曲模量僅在1200MPa左右，遠低于表1中理論計算的模量要求；這對我們開發新材料具有重要的參考意義。

2.3 零部件性能的驗證

根據相關標準對門內飾板A進行耐刮擦、高低溫交變、老化等零部件級性能驗證，試驗結果見表4。

表4 零部件性能試驗結果

上述所有性能測試項目均滿足零部件技術要求，另外，在路試驗證試驗中，也未發現薄壁低密度門內飾板存在缺陷。

綜上試驗驗證，我們認為A供應商的PP材料完全可用在2.3mm壁厚的門內飾板上，實現門內飾板的輕量化。

2.4 量產應用驗證

經過前期材料和零部件性能驗證，薄壁低密度門內飾板已于2017年在量產車型上成功推廣應用，市場反饋良好。圖1為已量產的某車型門內飾板。

以上述量產門內飾板為例，產品壁厚從2.5 mm減小到2.3 mm，薄壁化設計減重8%；PP+EPDM-T20材料密度在1.05 g/cm3，而PP+EPDM-T10材料密度在0.97 g/cm3，材料密度減重7.6%；因此，零部件總共減重可達15.6%，輕量化效果非常可觀。

圖1 量產某車型薄壁低密度門內飾板

而在成本方面，原材料PP+EPDM-T10價格僅比PP+ EPDM-T20高約15%左右，但由于單件用量的降低，單件原材料成本與傳統以門內飾板基本持平；另外，薄壁低密度門內飾板在模具設計、生產工藝及設備等方面，無特殊要求，未造成其他費用增加。因此，與傳統門內飾相比，成本基本持平。

憑借在量產車型上的的應用，并結合其優異的輕量化效果及成本優勢，薄壁低密度PP材料已作為我司平臺化推廣應用材料。

3 結論

通過對原材料性能及零部件性能驗證分析，成功開發出適用于門內飾板輕量化的薄壁低密度PP材料，可在不增加成本的情況下，實現15.6%的減重效果，相比于傳統輕量化方案，綜合優勢明顯；同時，薄壁低密度PP材料在量產車型上已成功應用。

薄壁低密度PP材料的成功開發應用，為非金屬零部件輕量化提供了重要參考，即相比于單一輕量化方案，多種輕量化方案相結合，可實現較好的輕量化效果。后期我們將會沿著這個方向，開展其他系統的輕量化工作。

[1] 王鑒.改性聚丙烯材料在汽車零部件上的應用進展[J].煉油與化工, 2011, 22（6）: 5-9.

[2] 唐堯.改性塑料行業發展特征及其在汽車行業中的應用[J].國外塑料,2011, 29（1）: 43-45.

[3] 安林林,趙海英,李海,等.低密度聚丙烯材料在汽車內飾中的應用研究[J]. 汽車工藝與材料,2018,（6）: 8-10.

[4] 姚其海,程健,單丹丹. 低密度聚丙烯在汽車上的應用[J].汽車實用技術,2018,（8）:145-147.

[5] 欒維濤,韓友泉,欒昊,等.微發泡PP復合材料研究進展[J].工程塑料應用,2017,45（5）:145-149.

[6] 徐偉,李艷華,蔣艷云,等.低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內飾件的可行性研究[J].汽車實用技術,2018,（18）:268-271.

[7] 高桂芬.注塑成型工藝對高分子材料性能的影響[D].上海:華東理工大學,2013: 52.

[8] 陳延安.耐劃傷車用聚丙烯材料的研制及應用[J].工程塑料應用,2009,37（11）:13-15.

Development and Application Research on Lightweight Scheme of Door Panels

Hu Cheng, Yang Hao

（Zotye Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018）

A lightweight scheme of door panels, namely thin-walled low density scheme, which achieved 15.6% weight reduction without cost increase, was developed in this paper. And it was applied in production cars successfully through a series of performance test of materials and components. In addition, it also provide an important reference for us to realize the non-metallic parts lightweight by the development and application of the thin-walled low density PP material.

Thin-Walled low density; PP; Door panel

U463.83+9.2

A

1671-7988(2019)18-208-03

U463.83+9.2

A

1671-7988(2019)18-208-03

胡成，畢業于西南石油大學，碩士，就職于眾泰汽車工程研究院，主要負責汽車內外飾非金屬零部件材料的開發與應用工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.071