超輕聚烯烴復合材料研發及創新性分析

高金崗

摘 ?要：本文對于一種超輕聚烯烴復合材料研發進行分析說明，首先簡要敘述了項目研發目的，然后介紹了研發實施階段的技術應用情況，包括綠色硫化TPO阻燃改性工藝、多層TPE復合材料構筑技術、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復合體系技術等，最后探討了研發技術中的創新之處，取得了符合預期目標的研發成果，希望通過下文的綜合性闡述，能夠為同類型項目的開展提供技術參考與寶貴的研發經驗。

關鍵詞：聚烯烴復合材料;研發;創新性;技術應用

隨著時代的發展，汽車內飾裝飾重要性日益凸顯，該方面因素愈發受到大多數汽車消費者的重視;而在實際的裝飾材料應用中，主要集中于PVC、PU、TPU、TPO人造革材料方面，其中以PVC材料的應用量最為龐大。結合PVC材料的性質來看，是一種重金屬、DOP合成物，涉及散發性能超標、污染、危害人體健康等負面影響。為此，研發一種綠色環保的裝飾復合材料具有重要的現實意義。

1 項目概況

本文研究對象為納米改性安全環保型高性能超輕聚烯烴復合材料的研發及產業化項目。在研發生產階段，由國內外企業共同合作研發而成，中方單位負責TPO增容接枝復合技術、綠色硫化TPO阻燃改性工藝、多層TPE復合材料構筑技術、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復合體系技術的研究;外方單位負責功能化POSS基納米添加劑的制備、表征功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究、功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復合體系技術的研究。

2 主要研發內容

在項目研發過程中設計并制備了低密度聚乙烯超支化雙親分子，并將其用于TPO與TPU接枝共混制備TPE復合層，免除了表面電暈處理，徹底杜絕臭氧污染。研發綠色TPO硫化改性工藝，無需添加阻燃劑即可達到阻燃要求，耐熱耐候性明顯提升。構筑TPE/TPO微納泡沫/PPF為核心的多層復合體系，相較于PVC材料，其密度下降50%以上，無弱化線時，氣囊爆破撕裂耗時縮短至0.4 ms，同時TVOC濃度降低。開發出雙層共擠一次成型復合技術及相關配套設備，克服了傳統多層熱壓貼合導致的黏膠、結合不均、起泡等缺陷問題，最終成品率可達90%。然后將預先制備的聚倍半硅氧烷（POSS）納米增強劑，通過擠出工藝與TPE復合材料共混，進一步提高復合材料的阻燃性及熱穩定性等性能。對納米CaCO3/TPO高性能復合體系進行合理設計，實現改善TPO基材的阻燃性能、力學性能、低VTOC含量及氣味等方面的性能目標。最終研發設計功能化聚倍半硅氧烷（POSS）納米增強劑，實現納米改性安全環保型高性能超輕聚烯烴復合材料。

3 研發過程中的技術路線

項目研發過程中，技術路線可主要分為三個部分。第一步：以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應，合成具備末端豐富碳氫長鏈及活性羧酸基團的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進TPO微晶細化程度增大，充分改善TPO/TPU復合體系的力學性能、熱性能和流變行為。第二步：在TPE復合體系中，引入硫化TPO鏈段，其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機硅改性分子，不僅可利用有機硅功能團特有的凝聚相阻燃作用，形成無機隔氧絕熱層，無需額外添加阻燃劑即可達到阻燃要求，而且有效地提高了分子內交聯密度，耐熱耐候性得以明顯提升。第三步：利用TPE復合材料低揮發性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質高柔韌性特點，設計以雙螺桿擠出和紅外熱貼合裝置為基礎的共擠復合裝置，將熔融TPO發泡體和TPE依次復合于PPF表面，構建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復合體系[1]。

研發工藝流程依次為“配料擠出表處成檢”四個環節。其中，擠出是將原材料進行加工并且使其熔化，將熔化后的材料直接與聚丙烯泡沫復合，此加工過程無需再次加熱，同時采用的是全封閉式加工方式，可實現連續性生產;與此同時，加工后的熔體是從壓輥剝離，相對而言更為容易處理，無需再添加任何潤滑劑，進而提升了加工階段的綜合效率，節約能源，降低了研發與生產成本。

4 研發流程及技術應用

4.1 功能化POSS基納米添加劑的制備與表征研發（外方）

研究過程中，預先進行水解，有機結合水解制備出聚倍半硅氧烷（POSS），制備出功能化聚倍半硅氧烷，促使復合TPE材料具有良好的阻燃性、熱穩定性，改性后體系綜合性能表現更為優異，同時完善工藝形成分散性能好的納米材料，運用先進物理化學表征手段，通過材料測試優化POSS基納米添加劑的制備。

4.2 功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究（外方）

將制備好的功能化聚倍半硅氧烷（POSS）與TPE復合材料通過擠出機進行共混改性，在實驗階段確定出合適的添加比例，在不改變復合材料加工性能的同時，使得POSS基納米增強劑具備較好阻燃性能，同時賦予改性TPE復合材料優良的熱穩定性能。

4.3 功能化POSS改性碳酸鈣提高聚合物的穩定性（外方）

結合POSS的應用，將CaCO3作為TPU/TPO的共混填充劑，使其分散填充于TPO/TPU復合體系中，達到提高材料的相容性、力學性能和阻燃性能的目的。

4.4 TPO增容接枝復合技術的研發（中方）

從TPO與TPU的特點來看，存在相容性差的問題，將兩者進行直接混合，呈現出的力學性能不符合預期，容易發生分離現象。為了解決該問題，以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應合成具備末端豐富碳氫長鏈及活性羧酸基團的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進TPO微晶細化程度增大，改善了TPE復合體系的力學性能、熱性能和流變行為。增容分子的自聚集效應，賦予了復合層表面極大反應活性，可滿足其表面功能改性要求，免除了表面電暈處理，徹底杜絕臭氧污染。

4.5 綠色硫化TPO阻燃改性工藝研發（中方）

結合TPE復合體系，從該系統中引入硫化TPO鏈段，在其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機硅改性分子，不僅可利用有機硅功能團特有的凝聚相阻燃作用，形成無機隔氧絕熱層，此過程中，無需額外添加阻燃劑，即可達到阻燃要求，有效提高了分子內交聯密度，耐熱耐候性明顯提升。

4.6 多層TPE復合材料構筑技術研發（中方）

根據現代汽車內飾使用特點，呈現出內飾輕量化、安全、環保的發展趨勢，對此利用TPE復合材料低揮發性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質高柔韌性特點，構建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復合體系。對比其它PVC基復合材料，其密度可以降低40%以上，密度為0.19kg/m3，硬度可降至35A以下且TVOC大幅下降。此外，在不需要額外內嵌弱化線情況下，響應安全氣囊爆破撕裂時間縮短至0.4 ms。

4.7 納米POSS/CaCO3/TPO高性能復合體系技術研發（中外合作）

將納米POSS/CaCO3/TPO以共混的形式，添加于TPO基材內形成高性能復合體系，同時將其作為添加助劑，經過擠出機高溫高壓高剪切力的作用，與TPO基材進行共混，利用納米POSS/CaCO3/TPO與基體樹脂高的界面結合力，能夠有效傳遞剪切力，提高復合材料塑化效果。納米POSS/CaCO3/TPO材料符合剛性粒子增韌，與TPO基材形成的增韌網絡具有協同作用，易形成“剪切屈服”和“銀紋化”，提高復合材料的綜合力學性能;除此之外，還可促進TPO基材熔體塑化均一，填充聚合物內部空洞，增加制品密實度，提高復合材料的界面粘接力。

5 技術突破分析

5.1 TPE增容接枝復合技術

基于TPO與TPU相容性差現象，為了使其呈現出交互的力學性能，決定以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應，合成具備末端豐富碳氫長鏈及活性羧酸基團的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進TPO微晶細化程度增大，這樣可改善TPE復合體系的力學性能、熱性能和流變行為，進而達到功能改性的要求，無需再進行電暈處理，有效解決了臭氧污染問題，具有較好的環保性能[2]。

5.2 綠色硫化TPO阻燃改性工藝

通過在TPE復合體系中引入硫化TPO鏈段，在其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機硅改性分子，不僅可利用有機硅功能團特有的凝聚相阻燃作用，形成無機隔氧絕熱層，無需額外添加阻燃劑即可達到阻燃要求，而且有效地提高了分子內交聯密度，耐熱耐候性明顯提升，同時具有綠色環保的特點。

5.3 多層TPE復合材料構筑技術

利用TPE復合材料低揮發性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質高柔韌性的特點，構建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復合體系。與目前同類PVC基復合材料相比，其密度可降低40%以上，達到0.19kg/m3，硬度可降至35A以下，TVOC大幅下降[3]。

5.4 雙層共擠一次成型復合技術

為了充分匹配TPE復合材料結構的層次性，設計了以雙螺桿擠出和紅外熱貼合裝置為基礎的共擠復合裝置，將熔融TPO發泡體和TPE依次復合于PPF表面。通過調節黏度比以及擠出溫度，弱化其層間界面剪切應力，降低由粘彈性不均而導致的層間變形，提升產品成品率。

5.5 POSS基納米添加劑改性TPE復合材料

納米材料經擠出機高溫、高壓、剪切力的作用，均勻地分散于TPE復合材料基體中，提高了納米添加劑與TPE復合材料的界面相容性，將POSS基納米材料優異的阻燃性能和熱穩定性能賦予到TPE復合材料體系之中[4]。

6 研發產品創新性分析

針對TPE復合層的有機硅改性技術，在無阻燃劑情況下，確保產品燃燒速度低于75.0 mm/min。該項目研發基于高壓氣體的TPO微孔連續擠出發泡工藝，發泡孔徑50～100μm且均一性高，發泡倍率穩定可控，厚度精度±100μm。開發了高耐高透無溶劑型聚氨酯表層精密涂覆工藝，提升產品柔韌性、耐高低溫、防水透氣等性能。成功研制規?；疶PE雙層共擠復合裝置，調節原料粘度比及擠出溫度，避免共擠產生的“鋸齒”和“波紋”等現象。通過POSS基納米增強材料改性TPE技術，能有效提升TPE復合材料的阻燃性能、熱穩定性能及加工性能[5]。

7 項目研發成果

產品研發成功后經過測試，完全滿足研發初期階段的設計要求，其技術規格為：密度≤0.19 kg/m3，拉伸強度≥2.6 MPa，撕裂強度≥15N/mm，硬度≤35A，霧化≤0.4 mg，TVOC≤4000 μg/m3，燃燒速度≤75mm/min。產品的產業化過程涉及到材料、化學、環境、機械制造等多個學科交叉融合，產品研發與產業化不僅涉及新型超支化增容分子、熱塑性彈性體等基礎原料的高端化開發，還需要通過計算機仿真與模擬研究設計并加工精密擠出模具，產業化過程還需要開發大型雙螺桿擠出設備、陽模壓花生產設備及品質監控系統，從而實現生產高效化、精密化與自動化。項目產業化將促進技術進步與創新升級，極大滿足下游新能源汽車市場對輕量化、高安全可靠性、綠色環保等方面的嚴苛要求，提升國產新能源汽車的國際影響力與競爭力。

8 結語

對于現階段而言，我國汽車內飾中的材料主要為PVC塑料和織物，相關材料的綜合性較差，不符合新能源汽車研發應用標準，研發新型裝飾材料具有較強的必要性。對此，成功研發了超輕聚烯烴復合材料，可采用常規方式進行加工，并且呈現出的綜合性能較高，比如密度小、彎曲彈性模量高、溫度沖擊性能好、流動性好等特性，具有較高的實際應用價值。與此同時，這對于推動我國新能源汽車行業的進一步發展也具有積極作用，值得有關單位加強對于相關研發工藝的深入了解與研究。

參考文獻：

[1] 范俊， 蔣健美， 王立軍，等. 納米纖維素在聚烯烴復合材料中的應用研究[J]. 杭州化工， 2020， 50（2）：5.

[2] 黃信智. 一種導電環狀聚烯烴復合材料及其制備方法：， CN112210180A[P]. 2021.

[3] 楊桂生， 趙鑫， 朱敏. 一種形狀記憶聚烯烴復合材料及其制備方法：， CN111484659A[P]. 2020.

[4] 趙洪， 栗松， 鄭昌佶，等. 聚丙烯/聚烯烴彈性體復合材料物理機械性能及交流電性能[J]. 電機與控制學報， 2020， 24（3）：10.

[5] 宋尚德， 王碩， 曹亮，等. 聚烯烴復合材料，其制備方法及其應用：， CN110684257A[P]. 2020.