汽車內(nèi)飾用再生聚丙烯樹脂的制備與性能

袁善美 楊偉偉

(1. 上海出版印刷高等專科學(xué)校印刷包裝工程系,上海,200093;2. 上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院,上海,200093)

聚丙烯(PP)力學(xué)性能優(yōu)異,且具有良好的耐熱性、耐化學(xué)性、電絕緣性、加工性,應(yīng)用非常廣泛[1-2]。隨著生活水平的提升,報(bào)廢家用產(chǎn)品中產(chǎn)生的廢舊PP越來(lái)越多,對(duì)環(huán)境造成的壓力和威脅越來(lái)越明顯。如何將廢舊PP進(jìn)行高效規(guī)范回收再利用,是有待解決的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題[3-5]。目前,主要采用焚燒、填埋、低效降級(jí)使用等傳統(tǒng)方式對(duì)廢舊塑料進(jìn)行處理。相較于傳統(tǒng)處理方式,將廢舊PP回收再生利用,不僅能減少環(huán)境污染,還能夠有效降低成本、提高資源使用價(jià)值,從而推動(dòng)可持續(xù)化發(fā)展。

隨著國(guó)家“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的頒布,汽車生態(tài)設(shè)計(jì)及再生原料的使用受到越來(lái)越多的關(guān)注,尤其在歐洲主機(jī)廠相關(guān)車型中,采用再生聚丙烯(RPP)樹脂替代部分PP新料應(yīng)用到相關(guān)汽車零部件中,成為行業(yè)新趨勢(shì)和基本要求[6-7]。汽車用RPP主要為回收渠道明確、性能良好且穩(wěn)定的材料,如報(bào)廢汽車、廢舊家電等。報(bào)廢的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)拆解、分選、粉碎、清洗等處理流程后,通過(guò)改性技術(shù)手段以及擠出造粒再用于生產(chǎn)制造。另外,也可與同類PP材料共混加工再利用,降低零部件產(chǎn)品成本的同時(shí),提高產(chǎn)品的綠色環(huán)保屬性,具有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景[8-9]。我國(guó)是家電產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),塑料在家電中的使用量?jī)H次于金屬材料。因此,針對(duì)廢舊家電塑料的回收再利用,不但能降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,而且可以實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目的。洗衣機(jī)內(nèi)外桶的生產(chǎn)材料較多采用的是PP材料。因此,對(duì)洗衣機(jī)內(nèi)桶的廢棄材料進(jìn)行回收處理,并應(yīng)用于車用再生復(fù)合PP材料,對(duì)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

下面通過(guò)共混改性技術(shù),將一種消費(fèi)塑料回收聚丙烯(PCR-PP)加入PP新料中,制備了RPP樹脂,研究了RPP樹脂的力學(xué)性能、氣味、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和熱老化性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PCR-PP,回收源為波輪洗衣機(jī)內(nèi)桶,格林循環(huán)有限公司;PP新料,EP548R,萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司;三元乙丙橡膠(EPDM),乙烯-辛烯共聚物(POE),875L,均為韓國(guó)SK集團(tuán);滑石粉,遼寧艾海滑石有限公司。

雙螺桿擠出機(jī),STS-35,南京科倍隆機(jī)械有限公司;注塑機(jī),MA1600III,寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司;熔體流動(dòng)速率儀(MFR),Mflow,萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),Z020KN,擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī),HIT25p,均為ZwickRoell(德國(guó))集團(tuán);密度計(jì),瑞士梅特勒-托利多集團(tuán);換氣老化箱,CH-1000,日本愛斯佩克株式會(huì)社;高混機(jī),SHR-50,張家港市日新機(jī)電有限公司;VOC異味處理設(shè)備,VOC干燥罐,300 L,廣東恩必信智能裝備有限公司。

1.2 樣品制備

將PCR-PP、PP新料、抗氧劑1010、抗氧劑168、硬脂酸鈣按照一定質(zhì)量比加入高混機(jī)中,混合均勻,經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒,雙螺桿擠出機(jī)各段溫度分別為40,80,210,210,210,210,210,210,210,205,205 ℃(機(jī)頭),螺桿轉(zhuǎn)速為450 r/min。冷卻干燥后得到RPP樹脂顆粒,將PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,10%,30%,50%的RPP分別記為RPP-0,RPP-10,RPP-30,RPP-50。

對(duì)RPP樹脂顆粒進(jìn)行氣味處理,溫度為120 ℃,時(shí)間為8 h,然后采用注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)樣條,溫度為220 ℃,壓力為6.5 MPa。

1.3 測(cè)試與表征

密度測(cè)試按照ISO 1183—1—2019進(jìn)行;灰分測(cè)試按照GB/T 9345.1—2008進(jìn)行;彎曲性能測(cè)試按照ISO 178—2019進(jìn)行;沖擊性能測(cè)試按照ISO 179—1—2010進(jìn)行;氣味分析按照SMTC 5 400 012—2015進(jìn)行;VOC分析按照SMTC 5 400 018—2015進(jìn)行;MFR分析按照ISO 1133—1—2022進(jìn)行。

拉伸強(qiáng)度測(cè)試按照ISO 527—2—2012進(jìn)行,樣條為1A型。

熱老化試驗(yàn)按照SMTC 5 310 014—PP.06 SMTC 5 310 014 3.3.13進(jìn)行,溫度為100 ℃,時(shí)間為1 000 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度和灰分分析

樣品的密度和灰分如表1所示。

表1 PP樹脂的密度和灰分

由表1可以看出:與PP新料相比,RPP樹脂的密度和灰分均有所上升。這是因?yàn)镻CR-PP由于工藝等原因無(wú)法避免地混入色粉、填充物等雜質(zhì)[10]。部分汽車主機(jī)廠要求材料的密度為(1.050±0.020)g/cm3,灰分為(20.0±2.0)%,4個(gè)樣品均滿足使用要求。

2.2 力學(xué)性能分析

表2為樣品的力學(xué)性能。

表2 樣品的力學(xué)性能

由表2可以看出:隨著PCR-PP含量的增加,RPP樹脂的力學(xué)性能總體呈下降趨勢(shì)。

與PP新料相比,RPP-10,RPP-30拉伸性能和彎曲性能的保持率均超過(guò)95%,且23 ℃時(shí)和-30 ℃時(shí)的沖擊強(qiáng)度變化均較小;RPP-50的拉伸強(qiáng)度保持率降至約85%,且23 ℃和-30 ℃下的沖擊強(qiáng)度變化均較大,在實(shí)際應(yīng)用中,容易出現(xiàn)產(chǎn)品失效的情況。這主要是因?yàn)镻CR-PP的性能和穩(wěn)定性較PP新料均有所下降,當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí),RPP樹脂的性能出現(xiàn)了明顯的變化。

2.3 熱老化性能分析

汽車零部件的長(zhǎng)周期熱氧老化是考察材料及其制件耐久性的重要指標(biāo)。由于PP容易發(fā)生熱氧降解,因此,考察材料的熱老化性能非常重要。通過(guò)材料的外觀變化(顏色、變形等)、力學(xué)性能變化(拉伸性能、沖擊性能等)等指標(biāo)評(píng)價(jià)其熱老化性能。樣品的熱老化性能如表3所示。

表3 4個(gè)樣品的熱老化性能

由表3可以看出:經(jīng)過(guò)熱老化處理后,RPP-0,RPP-10,RPP-30材料外觀無(wú)變化,力學(xué)性能均變化很小;但RPP-50的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯變化,說(shuō)明部分分子鏈發(fā)生明顯熱氧反應(yīng)降解。PCR-PP無(wú)論在使用環(huán)節(jié)還是再回收中清洗、除雜等處理過(guò)程中,均會(huì)發(fā)生部分老化和性能衰減,當(dāng)PCR-PP含量較低時(shí),RPP樹脂的熱老化性能變化較小,當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí),RPP樹脂的熱老化性能明顯下降。

2.4 氣味和VOC分析

針對(duì)汽車內(nèi)飾材料嚴(yán)格的氣味和散發(fā)管控要求,對(duì)4個(gè)樣品進(jìn)行了氣味和VOC評(píng)價(jià),如表4所示。

表4 樣品的氣味和VOC分析結(jié)果

由表4可以看出:當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和30%時(shí),RPP樹脂的氣味和VOC與PP新料相差較小,即散發(fā)性能變化很小;當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 50%時(shí),RPP樹脂的氣味和VOC明顯升高,不滿足汽車內(nèi)飾材料氣味和VOC管控要求。

2.5 實(shí)際應(yīng)用分析

綜合成本和性能考慮,選取RPP-30為某門板材料進(jìn)行生產(chǎn),將某批次產(chǎn)品的性能與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。

表5 某批次產(chǎn)品性能與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

由表5可以看出,該批次產(chǎn)品的性能完全滿足要求,同時(shí),PCR-PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%,符合可持續(xù)材料使用和降低碳排放要求。

3 結(jié)論

a) 當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)30%時(shí),與新料PP相比,RPP樹脂拉伸性能和彎曲性能的保持率均不低于95%,23 ℃和-30 ℃下的沖擊強(qiáng)度變化均較小。

b) 當(dāng)PCR-PP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),RPP樹脂的綜合性能較好,滿足汽車內(nèi)飾材料的性能要求。