長玻纖增強聚丙烯在汽車翼子板上的應用＊

李曉雄，楊小祥

（重慶國際復合材料股份有限公司創新中心，重慶 400082）

0 前言

力學性能是車用聚丙烯材料最基礎最重要的性能之一［1］。由于聚丙烯具有密度低、加工性能優異等特點，是汽車高分子材料中用量最大、增長速度最快的品種，但聚丙烯的低溫脆性、剛性差等缺點限制了其在汽車上的應用，因此汽車用聚丙烯材料一般都要經過改性處理，通過增強增韌方法來提高其剛性和韌性，以滿足汽車零部件的使用要求［2］。在汽車輕量化及下游降成本大趨勢下，此類玻璃纖維增強熱塑性復合材料得到了廣泛的關注和飛速的發展。

目前在汽車行業中，短玻璃纖維是主要用于聚丙烯中的增強纖維。但短玻纖由于長徑比較小，在基體樹脂中排布不均，增強效果不明顯［3］。長纖維增強熱塑性復合材料（LFT）中的纖維的長徑比比短纖維增強熱塑性復合材料（SFT）中的纖維大一個數量級，纖維在基體中的分布均勻，因此可以充分發揮纖維強度的優勢［4,5］。

1 研究背景

熟知的LFT復合材料成型工藝主要有長玻璃纖維增強混配直接模壓成型工藝（LFT-D）和長玻璃纖維增強熱塑性復合材料造粒工藝（LFT-G）兩大類。LFT-D工藝使用特制的擠出機設備和特殊設計的螺桿結構，使得連續玻璃纖維和熱塑性樹脂可以在擠出機內部經過可控的剪切混合過程擠出形成胚料，而后模壓成型，此成型方法的優點是一步成型，高效且能耗低［6］；LFT-G工藝是研究最多、工業化最早的一種技術，其特點是通過不同的浸漬技術來獲得浸漬程度高的LFT基料，而后擠出造粒，注塑成型［7］。

相比傳統短玻璃纖維增強熱塑性制品，注塑成型的LFT-G復合材料性能更強，這得益于玻纖長度的增加，導致了2種材料結構上的差異。注塑制品內部玻璃纖維長度明顯較長，其在注塑的過程中長纖維之間，聚合物樹脂之間形成網狀結構，這種結構特點使其具有更強的力學性能，更好的尺寸穩定性，在高溫條件下不易變形，而在低溫條件下還能保持一定韌性。普通注塑機可以加工生產的特點，使得制品得到了迅速發展，應用領域也越來越廣。

LFT熱塑性復合材料制品現已被大眾、通用、日產、馬自達等汽車企業廣泛地應用于尾門內板、儀表板支架、座椅支架、發動機下底護板、備胎倉支架、控電盒、導流板等汽車關鍵零部件［8，9］。在我國目前由于生產該類零件的工藝技術和生產線設備大多進口，價格昂貴，導致零件價格不菲，阻礙了該類先進技術和零部件在自主品牌汽車上的應用。因而，我國的汽車產業急需國產化的長纖維增強熱塑性復合材料技術與產線設備。

因此，公司一直致力于自主設計開發國產化LFT生產線，本文使用LFT試驗線及成型裝備，制備了20%、30%和40%玻璃纖維質量分數的LFT-PP粒料，并將40%玻璃纖維質量分數的粒料成功應用于汽車翼子板。

2 實驗部分

2.1 主要原料

PP：1352F，臺塑工業（寧波）有限公司；

抗氧劑：1010+168，巴斯夫化工有限公司；

潤滑劑：GM-100A，中藍晨光化工研究院有限公司；

相容劑：5701，佳易容江蘇有限公司；

玻纖：4305PM，重慶國際復合材料股份有限公司。

2.2 主要設備和儀器

國復LFT試驗線：LFT-01線，重慶國際復合材料股份有限公司；

注射成型機：MA2400，海天塑機集團公司；

懸簡組合擺錘沖擊試驗機：XJC-25D，承德精密試驗機公司；

電子萬能試驗機：WDT-W-100B，承德精密試驗機公司。

2.3 長纖維增強聚丙烯粒料的制備

長纖維增強PP復合材料的制備采取公司自主設計的試驗線LFT-G方法。將PP和抗氧劑、相容劑等助劑按照一定質量分數比例混合，通過雙螺桿擠出機進行共混，共混熔體進入模具，同時，連續纖維經退捻張力架預加熱，在牽引輥的帶動下達到浸漬模具，熔融狀態下的物料與連續纖維充分接觸，實現浸漬、包覆，而后料條水冷定型，經牽引切粒得到長纖粒料。通過纖維TEX和模具孔板直徑控制纖維質量分數，分別制備了質量分數20%、30%、40%的樣品。

將長纖粒料樣品通過注塑機注塑成標準樣條，注塑機各段溫度為220 ℃左右，系統壓力為70 MPa，每種百分比樣條取5個。將沖擊樣條修剪后，用缺口制樣機制出2 mm的單邊缺口，每種樣品取5組樣條進行簡支梁缺口沖擊強度測試。將啞鈴型樣條進行修剪，每種樣品取5個樣條進行拉伸強度測試。

3 結果與討論

3.1 玻纖質量分數對試樣拉伸強度的影響

拉伸性能實驗是將測試本文制備不同纖維質量分數LFT-PP復合材料的抗拉強度，以此來探究長玻璃纖維對基體的增強效果及其中的一些規律，試驗參考國際標準ISO 527-2《塑料拉伸性能測試方法》進行拉伸性能測試。

普通的聚丙烯的抗拉強度一般為30 MPa左右，而由表1中的數據可以看出，即使是其中抗拉強度最低的20%玻纖質量分數的試樣也比單純的聚丙烯強度提高了217%，最高的40%玻纖質量分數的抗拉強度達到了145 MPa，比聚丙烯強度提高了383%，可以看出長玻璃纖維對聚丙烯的抗拉強度提升非常明顯。

表1 不同玻纖質量分數LFT-PP材料的拉伸性能

隨著玻璃纖維質量分數的不同，聚丙烯基體所受到的增強效果也不一樣。由表1中能看到，30%玻纖質量分數的試樣抗拉強度較20%玻纖質量分數的高出31%，40%玻纖質量分數的又比30%的試樣高出16%，但是斷裂延伸率隨玻纖質量分數的增加沒有明顯變化。

3.2 玻纖質量分數對試樣彎曲強度的影響

由表2中不同玻璃纖維質量分數的試樣彎曲性能數據可以看出，隨著玻璃纖維質量分數的增加，試樣的彎曲強度及彎曲模量都在逐漸提高，其中40%玻璃纖維的試樣彎曲強度最大，達到了170 MPa，彎曲模量達到了6 970 MPa，彎曲強度比30%玻纖質量分數的試樣提升了12%，比20%玻纖質量分數的試樣提升了26%。但是試樣的撓度隨著玻纖試樣整體在常溫下發生的彎曲斷裂基本都為脆斷，主要是因為玻纖雖然抗拉強度高，剛性優異，但是較脆，彎曲樣條背部的玻璃纖維容易超過彈性限度而發生斷裂，這也是玻纖質量分數增加后其撓度降低的主要原因。

表2 不同玻纖質量分數LFT-PP材料的彎曲性能

3.3 玻纖質量分數對試樣沖擊性能的影響

聚丙烯基體在室溫和低溫下，由于本身分子結構規整度高，所以抗沖擊強度較差，但是經過長玻璃纖維增強后能夠顯著改善其沖擊性能。

根據表3中所列數據可以看出，隨著玻纖質量分數的提升，試樣的沖擊性能明顯提高，尤其是當玻纖質量分數由30%增加到40%，簡支梁缺口沖擊強度提升了50%，簡支梁無缺口沖擊強度提高44%。可見長玻璃纖維對基體樹脂沖擊性能的改善效果比較顯著，樹脂對玻纖的完全浸漬能夠保護玻纖在粒子的塑化過程中不受破壞，從而保留玻纖在制件中的長度，基體中的玻璃纖維保留長度越長，質量分數越高，沖擊強度也就會越高。

表3 不同玻纖質量分數LFT-PP材料的沖擊性能

4 復合材料在汽車翼子板上的應用

基于以上力學性能測試結果及分析，40%玻纖質量分數的長纖復合材料完全有潛力應用于汽車輕量化相關零部件，減重的同時亦能滿足性能需求。本文隨即做了一部分應用方面的工作，利用公司LFT-G試驗線及相關成型設備生產試制了國內某款電動汽車的翼子板。

4.1 翼子板制品性能測試

汽車零配件在使用過程中，需要面對的環境是復雜多變的，因此力學性能并不是判斷它實用性的唯一標準，在裝車前還應通過汽車塑料制品各項通用試驗測試，滿足技術標準指標。對翼子板進行的通用性能測試主要參考QC/T15-1992《汽車塑料制品通用試驗方法》進行，主要檢測其耐高溫性、耐冷熱交變性、耐沖擊性、耐濕熱型、耐水性、耐溶劑性及耐低溫性等在日常環境使用可能遇到的條件，具體的檢測項目、檢測條件及結果如表4所示。

表4 翼子板通用性能試驗

由表4中可以看出，制備的汽車翼子板經過汽車塑料制品通用試驗各項測試后，基本都沒有發生變形、開裂、粉化、氣泡、發粘與溶解等現象，體現出了該材料可以滿足不同實際應用場景對它的要求，也證明了本文中研究生產的制品可以達到汽車應用方向的技術條件。

4.2 翼子板裝配

通過各項測試之后，將翼子板制件進行裝配，尺寸穩定性好，外觀平整，如圖1所示。

圖1 翼子板裝車實例

5 總結

（1）本文從自主設計研發的LFT-G試驗線出發，通過配方設計，工藝控制，制備出不同玻纖質量分數的LFT-PP復合材料，并進行了力學性能測試。

（2）經過測試，試樣的抗拉強度、彎曲強度及沖擊強度都與玻纖質量分數成正比，測試樣品中40%玻纖質量分數樣品拉伸強度達到145 MPa，彎曲模量6 970 MPa，沖擊強度達到27 kJ/m2，力學性能優異。

（3）將40%LFT-PP粒料注塑成翼子板制件，經過汽車塑料制品通用試驗各項測試后，基本都沒有發生變形、開裂、粉化、氣泡、發粘與溶解等現象。

（4）在追求輕量化和以塑代鋼的當下，本文采用的LFT-G生產工藝和配方有望得到更廣泛的關注和使用，其優異的性能和低成本優勢將會帶來廣闊的市場前景。