探究發泡劑對聚丙烯材料性能的影響

鄧善治

（濰坊化學股份有限公司，山東 濰坊 261031）

現如今，我國環境保護工作已經提上日程，在各個行業領域都有十分直觀的體現。如燃油汽車廠商在產品生產、研發等方面的油耗降低指標也面臨一定壓力。在這一環境下，實現整車材料輕量化成為非常重要的目標。整車材料中包括改性塑料，盡管這一材料占比較小，但實際上也是非常必要的結構、裝飾零件。塑料材料輕量化需要采用薄壁材料、低密度材料、微發泡材料，其中，微發泡材料需要摻加物理、化學發泡劑，提高材料表層質量和里層泡孔結構均勻性。經過生產實踐探究發現，發泡劑會對聚丙烯材料性能產生直接影響。

1 基于輕量化的發泡劑與聚丙烯材料

微發泡材料屬于泡孔材料，材料結構內部有較多微孔，降低了材料密度。注塑環節可以抑制內應力提高，使產品尺寸參數更加穩定。個別微發泡材料有利于優化原樹脂沖擊性、剛度，是現階段研究聚合物材料非常重要的著手點，在汽車制造行業也有十分廣泛的應用[1]。

基于汽車行業實現輕量化的目標，研究發泡劑對聚丙烯材料性能的影響，需要了解汽車輕量化的著手點，包含3個方面：（1）材料方面。采用麻纖維材料，或是直接在材料中摻入低密度填充劑，即可改善材料性能，達到輕量化目的；（2）工藝方面。利用微發泡、薄壁注塑工藝實現輕量化目標；（3）結構方面。改善結構，實現輕量化，需要盡可能地減少零件數量，實現零件集成。

微發泡的基體是熱塑性材料，選擇的加工工藝比較特殊，產品內密布直徑不統一的氣泡，采用封閉氣泡微孔技術，在確保產品性能的同時，也可以減輕產品重量，直接減少縮印。另外，改性聚丙烯（PP）在我國汽車領域有十分廣泛的應用，作為熱塑性材料也有較大體量，采用輕量化技術直接減輕汽車自重、減少油耗，也可以滿足環境保護要求。

2 聚丙烯材料微化學發泡

在微發泡材料成型這一層面，一般會采用注塑微發泡、擠出微發泡和釜壓微發泡等方法。注塑微發泡可以保證持續性生產，確保設計與模具形狀一致，突破限制條件的影響，也是汽車零部件制造中比較常用的方法。

注塑微發泡有兩種形式，即物理發泡、化學發泡。采用物理發泡需要在設備環節投入大量成本，工藝方面以MUCELL工藝技術為主[2]。采用化學發泡工藝，在改性樹脂內摻加化學發泡劑，注塑流程不會發泡，當注塑至模腔之后，模具后退卸壓發泡會有顯著的減重效果，有利于節省設備成本[3]。另外，塑料發泡有氣體產生之后，可以總結產生氣體的方法，其一是加熱處理塑料內的化學發泡劑，隨著溫度升高便可以分解釋放氣體導致發泡：其二可以通過不同塑料組分的化學反應，釋放氣體導致發泡。化學發泡一般有閉模發泡（Chemical Foaming Agent，CFA）、開模發泡（Expanded Injection PP，EIPP）兩種。這兩種類型具有相似的優勢，體現在產品減重、優化表面縮印、減少生產節拍等方面，但EIPP涉及微開模發泡工藝流程，CFA發泡卻是閉模發泡，采用的模具無需后退動作。CFA注塑期間，模具一般會先合模，再通過短射的方式填充樹脂。如果填充馬上結束，確定螺桿控制轉變成壓力控制，便可以直接取消保壓，處在高溫條件下，發泡劑經過分解會產生氣泡，促使樹脂膨脹，將型腔填滿。模具隨之切換到冷卻階段，當冷卻結束后可以開模取件。

一般閉模發泡會直接影響塑料材料的力學性能，當材料處于溫度、濕度、介質環境不同的條件下，外加載荷會促使其產生不同的力學特征。總結塑料材料常規力學性能，包括拉伸、沖擊、彎曲，如果塑料材料發泡，處于密閉環境的氣泡在材料基體內均勻分布，使得材料原本的連續分布狀態被破壞，力傳遞方式也出現變化，此時材料應力減小，力學性能發生變化。材料基體內的發泡劑在溫度升高之后分解，隨之生成氣體、膨脹，這一微觀過程被稱為發泡過程，采用的發泡劑量與生成氣體量有直接關系，氣體量也是材料基體內部分布狀態的直接影響因素。

3 發泡劑影響聚丙烯材料性能的幾個方面

經過生產實踐發現，發泡劑會對聚丙烯材料性能產生直接影響。為了更加直觀地了解具體影響，采用ADX-5301C聚丙烯（PP/PE-M15）、MA600注塑機展開探究與分析。樣條標準以ISO 527—2012《塑料—拉伸性能的測定》為準，設定為1B型，拉伸速率設定為1 mm/min，標距長度則以50 mm為準。

在干燥箱內放置聚丙烯材料，干燥箱提前設定溫度為80 ℃，干燥處理時間超過4 h。干燥處理結束后，粒子放置于儲料斗內進行冷卻。待完全冷卻，發泡劑分別按照不同的比例加入聚丙烯粒子中，均勻混合。共劃分為4組，前4組梯度逐次遞增1%，第5組梯度遞增2%，即0%、1%、2%、3%、5%，觀察發泡劑比例增加之后聚丙烯材料性能是否發生改變。一般塑料制品厚度以3 mm為主，所以樣板模具壁厚也設定為3 mm，長和寬分別是350 mm、100 mm。

在機臺上方按照順序安裝模具、油路、水路、氣路，待全部安裝結束，便可以開始生產樣板。所有產品狀態必須一致，只是對各個發泡劑比例下的聚丙烯材料性能狀態進行對比，通過相同工藝參數展開制作，參數如下：（1）料筒與射嘴溫度：220 ℃；（2）模具溫度：40 ℃；（3）儲料位置：89 mm；（4）終止位置：22 mm；（5）背壓：7 MPa；（6）注塑速度：150 mm/s；（7）注塑壓力：122 MPa；（8）保壓時間：0 s；（9）保壓壓力：0 MPa；（10）冷卻時間：32 s。根據以上數據分析，注塑結束之后，保壓壓力是0 MPa，在沒有任何保壓的條件下，產品即刻進入冷卻狀態。采用碳酸氫鈉類發泡劑，樹脂結束注塑，此時模具內的發泡劑受到周圍的高溫作用會產生化學反應，隨即分解出CO2，使得聚丙烯基材內有大量氣體填充，進而成為微孔結構。如果發泡劑的質量分數為1%，此時正面皮層發泡層和反面皮層發泡層之間有大量密布氣泡形成，氣泡不具備均勻性，大小也不完全相同，會對聚丙烯材料力學性能造成影響[4]。

發泡劑所有混合比例全部粒子注塑，隨后按照發泡劑比例逐一編號，放置在室溫環境下冷卻、稱重。按照相應的標準要求，將樣板沖切為樣條，分組獲取樣件，要求每組樣件數量在5件以上，經過常溫缺口沖擊強度實驗、低溫缺口沖擊強度實驗、拉伸強度實驗、彎曲強度實驗，可以獲得平均值。實際參數如下：（1）在23 ℃條件下使用精密天平稱取質量，按照發泡劑比例從小到大的順序得出數據，分別為108.32、95.22、96.17、96.04、96.58 g；（2）在50 mm/min條件下展開拉伸強度實驗，按照發泡劑比例從小到大的順序得出數據，分別為26.21、21.10、19.33、18.99、19.01 MPa；（3）在2 mm/min條件下展開彎曲強度實驗，按照發泡劑比例從小到大的順序得出數據，分別為44.20、40.56、38.46、37.83、35.17 MPa；（4）在2 J條件下展開常溫缺口沖擊強度實驗，按照發泡劑比例從小到大的順序得出數據，分別為10.01、10.32、10.56、16.11、16.23 MPa；（5）在1 J、-30 ℃條件下展開低溫缺口沖擊強度實驗，按照發泡劑比例從小到大的順序得出數據，分別為2.52、1.88、2.11、1.95、2.12 MPa。根據以上數據分析，當發泡劑比例為1%時，樣件質量下降。隨著發泡劑比例的增加，質量沒有發生明顯改變。當發泡劑比例為5%時，質量雖然降低，但是也并不明顯[5]。由此可見，樣件質量與注塑入模具材料有直接關系，即使發泡劑比例提高，也不會導致產品質量明顯改變。

在拉伸強度實驗、彎曲強度實驗中，當發泡劑比例不斷增加時，實驗數值反而降低。分析之后確定是摻加發泡劑之后，泡孔強度減小，降低了抗拉伸、彎曲性能。摻加1%發泡劑，拉伸強度、彎曲強度均明顯降低。即使發泡劑的比例提升，彎曲強度和拉伸強度的變化也不是非常顯著。發泡劑從1%逐漸增加至5%，拉伸強度的降低幅度不是非常明顯，代表發泡劑用量增多，并不會使材料性能快速改變。即使發泡劑比例有所增加，正反面皮層、發泡層厚度也不會發生顯著改變[6]。與此同時，正反面皮層厚度集中在700～800 μm，而發泡層厚度則集中在1 600～1 700 μm。因為發泡之后的抵抗拉伸是以非發泡區分子力為依據，若正反皮層厚度接近，即便泡孔大小和分布均存在差異，產品性能也不會有顯著的波動。

如果發泡劑比例為0%、1%、2%，此時組織常溫缺口沖擊實驗，發現變形不是非常明顯；如果比例為3%，此時在實驗中得到的常溫缺口沖擊強度值也會有所增加。確定發泡劑比例為5%，此時組織常溫缺口沖擊強度實驗，發現數值變化并不明顯，代表在發泡劑比例為3%這一條件下，常溫缺口沖擊強度有明顯變化，發泡層中有大量氣體填充，使抗沖擊性能得到優化。然而，低溫缺口沖擊強度與強度趨勢不完全相同，當發泡劑比例為1%時有所降低。后期隨著發泡劑比例增加，沖擊強度并沒有明顯波動，可見處于低溫條件下，基材內部氣泡數量增多，聚丙烯材料抗沖擊性不會受到直接影響。

4 結語

發泡劑影響聚丙烯材料的力學性能，而彎曲強度、拉伸強度等不會有明顯變化，在輕量化目標下使用聚丙烯材料，需要綜合考慮發泡劑造成的影響，以免在產品研發、生產期間，材料性能發生變化，降低整體質量。