聚丙烯玻纖板的輕量化進展

郭煥祥 李海帆 王國淑 韋明 王克強

（煙臺正海合泰科技股份有限公司；山東省汽車內飾材料工程技術研究中心）

隨著國家對節能和環保的日益重視，對汽車輕量化的要求也日益提高，在傳統的干法和濕法工藝的基礎上，PP 玻纖板的輕量化技術也取得了一些新的進展，主要特征是在保證產品剛性的前提下通過引入發泡微球來進一步降低材料質量。國外的濕法廠家直接在粉料中增加微球，國內的干法廠家則采用浸漬法和撒粉法引入發泡微球來實現干法技術的升級。文章結合行業信息、文獻資料以及實際研發工作，簡要介紹了PP 玻纖板的輕量化技術的最新進展。

1 PP玻纖板材質介紹

PP 玻纖板，通常也被稱為輕質GMT 材料，是一種輕量化的復合材料，廣泛應用于汽車內飾頂棚、衣帽架等產品上。GMT（玻璃纖維氈增強熱塑性板材）結構較密實，體積質量因玻纖含量的不同而有差異，但是都在1 g/m3左右。作為輕質GMT 的PP 玻纖板結構蓬松，質量為1 000 g/m2的片材厚度一般在3～4 mm，體積質量大概為0.3 g/m3。

相對于汽車內飾頂棚常用的PU 泡沫夾心板材，PP 玻纖板因為不采用熱固性的PU 泡沫，消除了PU 泡沫中不可避免的催化劑、表面活性劑等小分子物質，氣味和VOC 有很大改善，而且PP 玻纖板屬于熱塑性復合材料，具有可再生利用的優點。

2 PP玻纖板生產技術

PP 玻纖板的主要成分是聚丙烯和玻璃纖維（簡稱玻纖），生產方法主要有干法和濕法2 種。國內的PP 玻纖板幾乎全部采用干法工藝[1]。

2.1 濕法工藝

PP 玻纖板的濕法工藝類似于造紙工藝，以PP 粉末和玻璃纖維為原料，將原料和表面活性劑加入水中，借助表面活性劑和攪拌的作用，形成含有很多小氣泡的泡沫，把玻璃纖維和PP 粉末均勻地分散在泡沫中，再通過流漿箱分布到抄紙網上，脫泡后得到纖維和粉末的堆積物，之后經過加熱和冷壓制成板材[2]。濕法工藝采用的玻璃纖維比較短，長度在6～25 mm，典型尺寸是12 mm。

濕法工藝的設備投資較大，工藝復雜，但是板材均勻性較好，加熱后膨脹高度大，頂棚基材質量可以做到900 g/m2，甚至可以更低。

2.2 干法工藝

PP 玻纖板的干法工藝與針刺無紡布的生產工藝類似，以PP 纖維和玻璃纖維為原料，通過混合、開松、梳理、鋪網、層疊、針刺等工藝制成熱熔氈，加熱后冷壓制成板材。干法工藝采用的玻璃纖維比較長，一般在50～75 mm。

干法工藝的PP 玻纖板生產設備簡單，投資小，生產的板材均勻性較差，加熱后膨脹高度略小，目前頂棚用的基材質量一般在1 000 g/m2左右。

2.3 流化床工藝

文獻[3]中開發了攪拌-噴動流化床工藝，以空氣為流化分質，在流化床中通過流化和攪拌實現聚合物基體與纖維的充分混合，并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲，既可以解決通常熱塑性復合材料制備中在浸漬上的難題，又可避免濕法中經常出現的廢水污染環境的缺陷。該工藝目前僅見于文章，尚未有產品面市。

3 輕量化技術的新進展

PP 玻纖板的輕量化技術在不斷進步，其相關專利有很多，但是市面上能夠見到的產品主要出自韓國韓華、日本K- 普拉希特株式會社，以及國內的華江科技公司。傳統的PP 玻纖板頂棚用基材質量在1 000 g/m2左右，輕量化的PP 玻纖板基材質量低于800 g/m2，甚至低于600 g/m2。

輕量化的PP 玻纖板的主要特征是其中含有發泡微球。發泡微球為核殼結構，表面的殼在高溫下有一定的延伸性，里面的核在高溫下體積急劇膨脹，所以在高溫下發泡微球的體積會增加幾十倍，從而增加板材的膨脹高度，改善成型特性，實現輕量化。

輕量化的PP 玻纖板的生產工藝也分為干法和濕法，但是濕法工藝更成熟。干法的輕量化產品還很少見，主要原因是：濕法工藝本來的原料中就含有粉末狀的PP，再增加一種粉末狀的發泡微球，工藝上沒有革命性的變化；而干法工藝本來的原料全是纖維，增加粉料后需要對工藝和設備做大幅度的調整。

因此，文章不再詳細介紹濕法PP 玻纖板的輕量化工藝，著重介紹干法工藝的輕量化技術。根據文獻[4-5]，目前國內的干法工藝主要有浸漬法和撒粉法2 種方案。

3.1 浸漬法

浸漬法首先要用PP 纖維和玻璃纖維制成針刺氈，然后把針刺氈浸漬在分散有發泡微球的水分散體系中，使發泡微球滲透到PP 玻璃針刺氈中，液體去除后，發泡微球就殘留在PP 玻纖針刺氈中，最后通過加熱、加壓和冷卻，制成含有發泡微球的PP 玻纖板。

這種工藝與傳統的干法工藝非常接近，設備不需要做大的調整，只是增加了通過浸漬滲入發泡微球的過程。不過，PP 玻纖針刺氈是非常蓬松的材料，浸漬后會吸收大量的水分，水分的除去非常困難，需要單獨的除水裝置，大部分水分最后只能通過加熱除去，需要在加熱設備上充分考慮除水的負荷。由于水的蒸發潛熱消耗大量的能源，浸漬法的能耗大、成本高；另外發泡微球的滲透力有限，而且在除水的過程中，會有大量的發泡微球流失和遷移，發泡微球在PP 玻纖針刺氈中的分布均勻性較差，所以產品質量和經濟性較差。

3.2 撒粉法

撒粉法是通過撒粉方式在多層纖網形成之前讓發泡微球在其中均勻分布，然后通過針刺加固形成帶有發泡微球的PP 玻纖針刺氈，再壓制成板材。

與浸漬法相比，由于發泡微球的分布在纖網層疊之前完成，其分布均勻性有很大改善，而且撒粉的方式不需要以水為介質，所以不存在除水的問題，能耗大大降低，產品質量也有所提高。在設備方面，撒粉法與傳統的干法仍然非常相似，僅在纖網層疊之前增加了撒粉裝置。不利之處在于，撒粉之后的針刺加固過程中，發泡微球很容易在PP 玻纖針刺氈中沉降甚至脫落出來，影響發泡微球的分布均勻性。

3.3 改進型撒粉法

針對針刺過程導致微球沉降和脫落的問題，文獻[6-7]提出不用針刺的干法撒粉工藝。

針刺過程本來是干法工藝的主要特征，但是針刺工藝會導致粉末的脫落，不利于PP 粉末、發泡微球與玻璃纖維的均勻分布，而且針刺過程中的纖維纏結會限制PP 玻纖板的加熱膨脹高度，所以最好能夠避免該工藝過程。但是，針刺工藝使纖維纏結，使網狀物形成有一定拉伸強度的氈，從而才能夠在后面的工序通過拉幅烘箱來加熱。所以，取消針刺工藝后，設備必須做出適應性的調整，不再采用拉幅烘箱，改用承托式的特氟龍帶或者特氟龍網來傳送材料。

從產品結構上來看，這種改進的撒粉法工藝由于沒有針刺過程，沒有纖維穿插纏繞的情況，纖維的狀態與濕法工藝類似，具有更好的加熱膨脹效果。也是得益于針刺工藝的取消，干法工藝也可以使用PP 粉末，不再使用PP 纖維，使PP 樹脂的選擇范圍更大了。相對于濕法工藝來說，這種改進的撒粉法設備簡單，前半部分工序仍然是開松、梳理和鋪網，撒粉之后不用針刺直接進行加熱、加壓和冷卻，能耗低，工藝合理，成本和質量上都有一定的優勢。

4 結論

隨著汽車輕量化的不斷發展，PP 玻纖板的輕量化技術也在不斷進步。我國的PP 玻纖板輕量化技術發展之路必須結合我國普遍采用干法工藝的國情。與浸漬法相比，低能耗的撒粉法更有優勢。而改進的撒粉法利用了干法成熟的工藝設備實現濕法工藝的產品質量，具有較好的發展前景。