長玻纖增強聚丙烯在汽車儀表板輕量化上的應(yīng)用

李東強，劉瓊宇，任曉康，李盈坤

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)也得到了快速發(fā)展。然而，由此引發(fā)的環(huán)境問題也日益嚴重，通過汽車輕量化來降低油耗從而降低環(huán)境污染，已經(jīng)成為汽車行業(yè)的研究熱點，其中，使用質(zhì)量更輕的非金屬材料替代傳統(tǒng)金屬材料的研究在近年來也取得了較大進展[1]。運用復(fù)合材料來部分取代車身結(jié)構(gòu)件及內(nèi)、外飾裝飾件是汽車輕量化的一種行之有效的方法。在眾多的復(fù)合材料中，長玻纖增強聚丙烯材料（PP-LGF）以其低廉的價格、優(yōu)良的力學(xué)性能和環(huán)境友好性而獲得更多的青睞。與短玻纖增強聚丙烯材料（PP-SGF）相比，PPLGF在強度、剛度、翹曲度、耐疲勞、缺口沖擊強度和尺寸穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢，因此，使用PP-LGF生產(chǎn)的汽車零部件可進一步實現(xiàn)重量及成本的降低。

1 長玻纖增強聚丙烯材料性能特點

長玻纖增強聚丙烯材料的制備工藝主要分為5種，即熔融浸漬、溶液浸漬、粉末浸漬、纖維混編工藝以及薄膜疊層工藝[2]，而在汽車零部件領(lǐng)域主要應(yīng)用的為熔融浸漬法。熔融浸漬法生產(chǎn)的PP-LGF粒子的長度一般為8mm～15mm，其中玻纖的含量可達20%～60%，粒子中玻纖的保留長度可達1mm～3mm,如圖1所示，相較于玻纖保留長度僅為0.2mm～0.4mm的PP-SGF材料，PPLGF因其內(nèi)部纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可保證產(chǎn)品具有更優(yōu)的力學(xué)性能、抗沖擊性能、耐蠕變性能等特點，更加適合應(yīng)用于汽車領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的零部件。

此外，如表1所示，隨著纖維含量的增加，PP-LGF的性能也隨之提高。

圖1 PP-LGF（左）和PP-SGF（右）中玻纖分布情況Fig. 1 Distribution of glass fiber in PP-LGF (left)and PP-LGF (right)

表1 不同玻纖含量PP-LGF材料和PP-SGF材料性能對比Table 1 Comparison of properties of PP-LGF and PP-SGF with different glass fiber content

2 長玻纖增強聚丙烯材料在儀表板上的應(yīng)用

儀表板是汽車內(nèi)飾中的重要部件，為提升汽車內(nèi)飾的感知質(zhì)量，中、高檔車型普遍會采用軟質(zhì)儀表板，即在儀表板骨架表面增加軟質(zhì)表皮層。儀表板骨架作為儀表板系統(tǒng)的主體部件，同時也是電器件和其他功能件的承載結(jié)構(gòu)，因此要求其具有高強度及高剛性，目前在儀表板骨架上使用最為廣泛的為PP材料，采用相同密度的PP-LGF材料替代傳統(tǒng)PP材料，在滿足相關(guān)性能的同時，可提升儀表板吸能性能，同時可將現(xiàn)有儀表板骨架的設(shè)計厚度由3mm～3.5mm降低到1.8mm～2.5mm，從而降低儀表板骨架重量，推動汽車內(nèi)飾輕量化。

以下將從PP-LGF應(yīng)用于儀表板上的薄壁注塑、物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡三種成型工藝方面，介紹PP-LGF在儀表板輕量化方面的應(yīng)用。

2.1 薄壁注塑

薄壁注塑工藝是直接將產(chǎn)品壁厚減薄，在模具中進行加工的一種成型方法，與傳統(tǒng)PP材料注塑的3mm～3.5mm壁厚的儀表板骨架相比，PP-LGF材料運用薄壁注塑工藝制造的儀表板骨架產(chǎn)品壁厚一般為2.5mm左右，整體減重可達約25%。該工藝的投入成本較低，重量優(yōu)勢明顯。目前，該工藝在國內(nèi)和國外合資品牌中，如吉利、大眾、上汽、福特等均有應(yīng)用，一般選擇PPLGF20材料，設(shè)計的產(chǎn)品壁厚一般為2.2mm～2.5mm。

然而，薄壁注塑工藝也存在兩點問題，首先是該工藝的模具成本較高，使用薄壁注塑，成型模具需要采用熱流道設(shè)計，熱流道模具的成本要比普通注塑工藝的模具成本高。其次，注塑工藝管控和注塑精度要求高，因為PP-LGF中長玻纖分布的各向異性[3]，采用PP-LGF材料的薄壁注塑產(chǎn)品翹曲變形較為嚴重，尺寸穩(wěn)定性較差。

2.2 物理發(fā)泡

物理發(fā)泡工藝又稱為MuCell 工藝，它是以熱塑性材料為基體，通過將超臨界流體（二氧化碳或氮氣） 溶解到熱熔膠中形成單相溶體，并保持在高壓力下，然后，通過開關(guān)式射嘴射進溫度和壓力較低的模具型腔，由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性從而在產(chǎn)品內(nèi)部形成從十到幾十微米不等的封閉氣泡微孔[4-5]，該項技術(shù)早期由麻省理工學(xué)院發(fā)明，1995年由美國Trexel公司將技術(shù)實現(xiàn)全球商品化。

MuCell 工藝優(yōu)勢為成型周期短、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好、翹曲低、產(chǎn)品輕量化和工藝適用性廣。MuCell工藝使用超臨界流體，可有效降低PP-LGF材料黏度, 提高熔體流動性。泡孔成長壓力代替?zhèn)鹘y(tǒng)注塑中的保壓階段，縮短成型周期，同時，可使壓力分布均勻，有效降低PPLGF產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，降低因長玻纖各項異性導(dǎo)致的產(chǎn)品翹曲，增加產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。另外，泡孔填充可有效避免產(chǎn)品表面縮痕，微孔結(jié)構(gòu)擴充，降低材料密度，產(chǎn)品重量減輕，較同材質(zhì)實體，重量可降低5%～10%。目前，福特新蒙迪歐在儀表板骨架上應(yīng)用了該工藝，骨架產(chǎn)品設(shè)計壁厚2.4mm，相較于實心材料重量降低了10%，此外，長城和大眾也有應(yīng)用于此項技術(shù)。

MuCell 工藝的缺點是一次性投入高，工藝難度大，同時相關(guān)研究表明，使用該工藝對儀表板減重比控制在3%～8%時，產(chǎn)品性能會下降10%左右，基本滿足性能要求，減重超過8%，機械性能和耐熱老化性能急劇下降，不能滿足要求。若使用MuCell 工藝推薦減重比為3%～5%。

2.3 化學(xué)發(fā)泡

化學(xué)發(fā)泡工藝包括模內(nèi)發(fā)泡工藝和二次開模發(fā)泡工藝（core-back）（如圖2所示），二者均是在注塑過程中，利用塑料粒子中加入的碳酸氫鈉和碳酸銨類的無機發(fā)泡劑，受熱分解產(chǎn)生的二氧化碳等氣體，使產(chǎn)品形成微孔發(fā)泡結(jié)構(gòu)，以降低材料密度，減輕產(chǎn)品重量[6]。

其中，core-back工藝因使用了二次開模，相較于模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡，發(fā)泡的倍率更高，產(chǎn)品中形成的泡孔數(shù)量更多，產(chǎn)品的減重比更大。一般來說，模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡的減重比相比于實心材料在5%～8%左右，而core-back工藝可高達30%～50%，具體根據(jù)退模行程決定。同物理發(fā)泡工藝一樣，化學(xué)發(fā)泡工藝可在PP-LGF材料應(yīng)用減重的同時，減少產(chǎn)品翹曲變形，提升產(chǎn)品穩(wěn)定性，而且二次開模發(fā)泡工藝能夠適用于做外觀件。目前，寶馬5系已在儀表板骨架上應(yīng)用了PP-LGF的core-back工藝，產(chǎn)品壁厚由初始1.8mm左右發(fā)泡到3.8mm，重量降低了約40%，此外大眾的部分車型也已使用模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡工藝。

core-back工藝的缺點是發(fā)泡劑較貴，開模的周期較長，模具成本也比模內(nèi)發(fā)泡模具高，而且該工藝的技術(shù)難度較高，后期調(diào)試周期較長，產(chǎn)品的綜合成本較高。模內(nèi)發(fā)泡工藝的缺點是發(fā)泡劑較貴，產(chǎn)品的減重效果不是特別明顯，減重效果低于薄壁注塑工藝，物理發(fā)泡工藝和core-back工藝。

圖2 二次開模發(fā)泡示意Fig. 2 Schematic diagram of secondary mold opening foaming

3 PP-LGF在儀表板輕量化上應(yīng)用展望

輕質(zhì)高強復(fù)合材料在汽車零部件上的應(yīng)用已經(jīng)成為汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用焦點，PP-LGF憑借其優(yōu)異的材料特性和減重效果，已成為汽車儀表板輕量化的重要途徑，具有良好的實用價值。目前PP-LGF材料已經(jīng)在國內(nèi)外眾多車型上成功應(yīng)用。在滿足儀表板性能要求的基礎(chǔ)上，采用PP-LGF的儀表板可以大幅度減重，同時也具有結(jié)構(gòu)強度更好的優(yōu)勢，產(chǎn)品綜合成本上也與傳統(tǒng)材料相當(dāng)，因此，PP-LGF材料在未來汽車儀表板的輕量化中必將有更加廣泛的應(yīng)用。