發(fā)泡劑對聚丙烯材料性能的影響

劉海鵬

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 （上海 201804）

隨著全球汽車的銷售總量和保有量不斷增加，汽車產(chǎn)業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但其發(fā)展大量消耗了石油資源，導(dǎo)致全球氣候變暖，對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。汽車輕量化對汽車節(jié)油、降低排放起著至關(guān)重要的作用，目前已經(jīng)成為汽車工業(yè)界的重點(diǎn)研究課題。

目前汽車輕量化主要從以下幾個方面著手：（1）材料改善，使用麻纖維材料或者添加低密度填充劑；（2）工藝改善，使用微發(fā)泡或者薄壁注塑工藝；（3）結(jié)構(gòu)改善，減少零件數(shù)量或者將零件集成。其中，微發(fā)泡是以熱塑性材料為基體，通過特殊的加工工藝，使產(chǎn)品中密布直徑不等的封閉氣泡微孔的技術(shù)[1]。微發(fā)泡在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，可以明顯減輕產(chǎn)品質(zhì)量，減少縮印，成為近年來注塑技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[2]。作為汽車行業(yè)應(yīng)用范圍最廣、體量最大的熱塑性材料，改性聚丙烯（PP）的輕量化技術(shù)是降低汽車自重的關(guān)鍵途徑，也是降低整車油耗最行之有效的方法之一。

1 微化學(xué)發(fā)泡原理

微發(fā)泡又分為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。物理發(fā)泡是氮?dú)饣蚨趸冀?jīng)過超臨界流體控制系統(tǒng)產(chǎn)生超臨界流體，再通過注氣通道打入注塑機(jī)螺桿的均化區(qū)，在螺桿的塑化剪切作用下，高分子熔體和超臨界流體在均化區(qū)內(nèi)充分溶解形成單相融體并在一定的恒定壓力下形成微發(fā)泡產(chǎn)品[3]。化學(xué)發(fā)泡是利用化學(xué)方法產(chǎn)生氣體使塑料發(fā)泡，產(chǎn)生氣體的方式有兩種：一種是對加入塑料中的化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行加熱，使之分解釋放出氣體而發(fā)泡：另一種是利用各塑料組分之間相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的氣體而發(fā)泡。化學(xué)發(fā)泡又分為 CFA和 EIPP：CFA全稱 Chemical Foaming Agent，又稱閉模發(fā)泡；EIPP全稱為Expanded Injection PP，又稱開模發(fā)泡。

CFA與EIPP二者的優(yōu)勢基本相同——有利于產(chǎn)品的減重，改善表面縮印情況，并且可以減少一定的生產(chǎn)節(jié)拍。其區(qū)別在于EIPP有微開模發(fā)泡的工藝過程，而CFA的發(fā)泡過程為閉模發(fā)泡，模具不需要做后退動作。CFA注塑時模具先合模，然后運(yùn)用短射迅速填充樹脂，當(dāng)填充接近完成（即螺桿控制轉(zhuǎn)為壓力控制）時取消保壓，發(fā)泡劑在高溫下分解形成氣泡使樹脂膨脹充滿型腔。然后模具進(jìn)入冷卻階段，冷卻完成后開模取件。CFA注塑工藝流程如圖1所示。

圖1 CFA注塑工藝過程

2 閉模發(fā)泡對塑料材料力學(xué)性能影響

力學(xué)性能是指材料在不同溫度、濕度、介質(zhì)環(huán)境下承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征，塑料材料常規(guī)力學(xué)性能主要包含拉伸、彎曲、沖擊3種。塑料材料在發(fā)泡后，密閉的氣泡均勻分布在材料基體中，打破了材料連續(xù)分布的狀態(tài)，改變了力的傳遞方式，降低了材料整體應(yīng)力，從而影響了產(chǎn)品的力學(xué)性能。

發(fā)泡過程是發(fā)泡劑在材料基體內(nèi)受熱分解，產(chǎn)生氣體后膨脹的微觀過程。發(fā)泡劑的量決定了氣體的多少，氣體的多少決定了材料基體內(nèi)的分布狀態(tài)。本研究通過注塑時添加不同比例的發(fā)泡劑，分析材料力學(xué)性能的變化情況。

3 發(fā)泡劑比例對力學(xué)性能影響研究

3.1 實驗部分

原料:ADX-5301C聚丙烯（PP/PE-M15），三井化學(xué)復(fù)合塑料（中山）有限公司；發(fā)泡劑E30，永和化成工業(yè)株式會社。

設(shè)備：MA 600注塑機(jī)，海天塑料機(jī)械（廣州）有限公司。

實驗條件：樣條標(biāo)準(zhǔn)為ISO 527：2012《塑料——拉伸性能的測定》，1B型；拉伸速率為1 mm/min；標(biāo)距長度為50 mm。

3.2 結(jié)果與討論

將聚丙烯置于干燥箱中，80℃干燥4 h以上。將干燥后的粒子放置在儲料斗中冷卻備用。冷卻后將發(fā)泡劑按照0，1%，2%，3%，5%等不同比例與聚丙烯粒子進(jìn)行混合。前4組梯度分別遞增1%，最后一組梯度加到2%，以確認(rèn)發(fā)泡劑比例增大后材料的性能。塑料制品一般厚度為3 mm，因此使用3 mm壁厚的樣板模具進(jìn)行試制。樣板的長度為345 mm，寬度為98 mm。

將模具安裝到機(jī)臺上，油路、水路、氣路安裝完成后，開始試制生產(chǎn)樣板。為保證產(chǎn)品狀態(tài)相同，僅對比不同發(fā)泡劑比例下的性能狀態(tài)，使用相同工藝參數(shù)進(jìn)行試制。試制工藝如表1所示。

表1 注塑工藝參數(shù)

從表1可以看出，當(dāng)注塑完成后保壓壓力為0 MPa，即沒有施加保壓時，產(chǎn)品就進(jìn)入冷卻階段。E30為碳酸氫鈉類發(fā)泡劑，因此樹脂完成注塑后，發(fā)泡劑在模具內(nèi)由于高溫作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解產(chǎn)生二氧化碳，氣體填充在聚丙烯基材中，形成微孔結(jié)構(gòu)。圖2為1%發(fā)泡劑比例下產(chǎn)品的剖面圖。從圖2可以看出，產(chǎn)品的正面皮層發(fā)泡層和反面皮層發(fā)泡層中密布?xì)馀荩沁@些氣泡并不均勻，大小也不一致。這些不均勻分布的氣泡會影響材料的力學(xué)性能。

圖2 CFA發(fā)泡產(chǎn)品剖面

將不同混合比例發(fā)泡劑的粒子注塑后，根據(jù)發(fā)泡劑比例進(jìn)行編號，并在室溫下冷卻后稱重。然后將樣板根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)要求沖切成樣條，每組至少取5根樣件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、常溫缺口沖擊強(qiáng)度、低溫缺口沖擊強(qiáng)度試驗，每組數(shù)據(jù)取平均值。質(zhì)量及力學(xué)性能試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同發(fā)泡劑比例下材料的性能

從表2可以看出，發(fā)泡劑比例為1%時，樣件質(zhì)量由107.6 g降低到96.51 g，下降比例達(dá)10%。但是發(fā)泡劑比例繼續(xù)增加，質(zhì)量變化不明顯。發(fā)泡劑比例達(dá)到5%時質(zhì)量僅減少0.28 g，變化幾乎可以忽略。這說明樣件質(zhì)量是由注塑入模具的料決定，發(fā)泡劑比例增加不會明顯影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度隨著發(fā)泡劑比例的增加而下降，這是因為加入發(fā)泡劑后泡孔之間強(qiáng)度變差，產(chǎn)品對抗拉伸和彎曲的能力下降。從數(shù)據(jù)上看，當(dāng)加入1%的發(fā)泡劑后，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別下降了6.6和3.77 MPa，下降最明顯。發(fā)泡劑比例繼續(xù)增加，彎曲強(qiáng)度分別下降約1 MPa，拉伸強(qiáng)度幾乎沒有變化；發(fā)泡劑比例由1%增加到5%，拉伸強(qiáng)度僅下降了1 MPa。說明隨著發(fā)泡劑用量增加，材料性能變化并不明顯。圖3是不同發(fā)泡劑比例下發(fā)泡產(chǎn)品的剖面圖。可以看出，隨著發(fā)泡劑比例增加，產(chǎn)品正反面皮層和發(fā)泡層厚度沒有顯著變化。正反面皮層厚度在 700～800 μm 之間，發(fā)泡層厚度在 1600～1700 μm之間。由于發(fā)泡后抵抗拉伸主要依靠非發(fā)泡區(qū)域的分子力，正反皮層厚度相近的情況下，盡管泡孔的大小、分布不同，產(chǎn)品性能僅出現(xiàn)輕微波動。

圖3 不同發(fā)泡劑比例下發(fā)泡產(chǎn)品的剖面圖

發(fā)泡劑比例為0，1%和2%時,常溫缺口沖擊變形很小；當(dāng)比例達(dá)到3%時，常溫缺口沖擊強(qiáng)度由10.27 MPa增大到15.93 MPa，提升比例達(dá)到55%；發(fā)泡劑比例增加到5%時，常溫缺口沖擊強(qiáng)度僅增加0.84 MPa，變化不明顯。說明發(fā)泡劑比例為3%時，常溫缺口沖擊強(qiáng)度發(fā)生了重大改變，發(fā)泡層內(nèi)填充了更多氣體，提高了產(chǎn)品的抗沖擊性能。但是低溫缺口沖擊強(qiáng)度與常溫缺口沖擊強(qiáng)度趨勢并不一致，僅當(dāng)發(fā)泡劑加入比例為1%時下降了0.63 MPa，之后隨著發(fā)泡劑用量增加，沖擊強(qiáng)度在2 MPa上下浮動。這說明低溫下基材中氣泡數(shù)量增加并不能提高材料的抗沖擊性能。

4 結(jié)論

CAF發(fā)泡工藝，加入發(fā)泡劑后樣件質(zhì)量下降明顯（降低10%左右）。但是加入發(fā)泡劑后，大部分材料力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、低溫缺口沖擊強(qiáng)度等，也隨之下降，材料抗拉伸、變形能力急劇變差。當(dāng)發(fā)泡劑比例在3%以上時，產(chǎn)品常溫缺口沖擊強(qiáng)度有55%左右的提升，說明常溫下產(chǎn)品發(fā)泡層中大量的氣泡起到了緩沖作用，提升了材料的抗沖擊性能。