車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究進展

張 姣,陳桂宏,李建輝，蔡 雄

(1.廣東東軟學院科研管理部，廣東 佛山 528225；2.廣東圓融新材料有限公司，廣東 佛山 528322)

車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究進展

張 姣1,陳桂宏1,李建輝1，蔡 雄2

(1.廣東東軟學院科研管理部，廣東 佛山 528225；2.廣東圓融新材料有限公司，廣東 佛山 528322)

綜述了基體材料、填料、耐刮擦劑等對車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影響，介紹了耐刮擦性能的測試方法以及國內常用的耐刮擦劑，并對車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的研究趨勢進行了展望。

車用改性聚丙烯材料；耐刮擦性能；填料；基體材料；耐刮擦劑

汽車工業正處于高速發展階段，對其輕量性、高度舒適性、安全性以及車用材料的美觀性、耐用性、環保節能性等也提出了更高要求。塑料及其復合材料是汽車材料不可缺少的組成部分，受到汽車廠商的重視和青睞，一輛車約使用300 kg塑料，約占汽車總質量的20%[1-2]。作為當今最輕的通用塑料之一，聚丙烯材料因低密度和低成本特性在眾多車用塑料中脫穎而出，成為目前使用量最大且成長最迅速的車用塑料，其在車輛上的廣泛應用得益于優異的耐熱性、較強的剛性、耐腐蝕性和良好的加工性[3-7]。

車用塑料對美觀性和耐用性有較高的要求，聚丙烯材料較低的表面硬度導致其表面易被劃傷留下刮痕，不僅影響美觀，還使材料產生應力集中現象，不能完全滿足汽車對材料性能的要求[8-9]，很大程度上限制了聚丙烯材料作為車用塑料的應用。因此，聚丙烯材料耐刮擦性能的提升已成為該領域的研究重點[10-11]。

鑒于此，作者綜述了基體材料、填料、耐刮擦劑等對車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影響，介紹了耐刮擦性能的測試方法以及國內常用的耐刮擦劑，以期為車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的提升提供幫助。

1 耐刮擦性能的影響因素

1.1 基體材料

目前，我國聚丙烯年產量已達到100萬t[12-13]。不同牌號的聚丙烯材料的形貌、結構和性能都有所差異，其中結晶度對耐刮擦性能起決定性作用[14]。

李延壘等[15]研究了不同結晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能，發現聚丙烯材料的耐刮擦性能與結晶度密切相關，耐刮擦性能隨著結晶度的提高有明顯的改善，結晶度為75%的聚丙烯材料的耐刮擦性能明顯優于結晶度為65%、70%的聚丙烯材料。

范瀟瀟等[16]對不同結晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能進行了測試，結果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能與結晶度成正比。原因可能是，聚丙烯材料的結晶度高，分子鏈較短，鏈的柔順性好；隨著結晶度的提高，聚丙烯材料分子間作用力增強，模量和硬度也會隨之增大。

此外，聚丙烯材料的耐刮擦性能與其晶體組成有很大關系，短分子鏈形成的聚丙烯球狀晶體具有更好的抗形變性能，其耐刮擦性能也更好。

1.2 填料

填充合適的填料粒子對聚丙烯材料的機械性能(如模量、硬度、抗拉強度和斷裂伸長率等)及耐刮擦性能有較大的改善作用[17]。

傅軼等[18]在研究耐刮擦、軟觸感聚丙烯材料的制備過程時發現，選用玻璃纖維作為填料可以使聚丙烯材料的尺寸穩定性顯著增強；增加玻璃纖維的含量可以有效提高聚丙烯材料的耐刮擦性能；與滑石粉填料體系進行比較，加入玻璃纖維的聚丙烯材料具有較大的硬度，刮擦時不易變形；在玻璃纖維表面涂覆的硅烷類偶聯劑能夠與相容劑反應，增強玻璃纖維與基體材料的界面作用，刮擦時不易與基體分離。

黃曉明等[19]分別選用不同目數的滑石粉及硅灰石作為填料加到聚丙烯材料中，對其耐刮擦性能進行比較研究。結果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能與滑石粉的粒徑成反比，即采用大目數的滑石粉填充聚丙烯會獲得更耐刮擦的聚丙烯材料；滑石粉的粒徑直接影響聚丙烯基體的結晶形態，平均粒徑更小的填料在聚丙烯基體中起到了更好的異相成核作用，從而帶來更高的結晶度，減輕聚丙烯材料表面的劃痕深度，提升聚丙烯材料的耐刮擦性能；而選用相同粒徑的硅灰石作為填料時，聚丙烯材料的耐刮擦性能更優。這是因為，硅灰石是3個硅四面體分子重復扭轉而成的針狀結構，而滑石粉是2個硅四面體分子中間夾著氫氧化鎂八面體分子的層狀結構，層間以弱范德華力連接。因此，硅灰石填充對材料強度的提高更加明顯，即硅灰石填充改善材料耐刮擦性能優于滑石粉填充[15,20]。

1.3 耐刮擦劑

除了硬度等因素外，表面摩擦系數、粗糙程度也會對聚丙烯材料的耐刮擦性能產生巨大影響。所以提升材料表面的光滑度和減小表面摩擦系數也能提升聚丙烯材料的耐刮擦性能。由于潤滑劑分子具有非常小的表面張力，在聚丙烯材料成型過程中會遷移到材料表面形成一個高度潤滑的層狀結構，使得聚丙烯材料表面摩擦系數大幅減小，從而提升其耐刮擦性能[21]。

余林華[22]將贏創德固賽(中國)投資有限公司生產的耐刮擦劑V-Si 4042加到聚丙烯材料中，在聚丙烯材料成型過程中，V-Si 4042遷移到了聚丙烯材料表面形成一個高度潤滑的層狀結構，由于V-Si 4042的分子量較大，能與聚丙烯大分子鏈形成互相纏繞的狀態，V-Si 4042分子兩端則嵌入到聚丙烯材料表面，此時聚丙烯材料表面就會牢固地貼合上V-Si 4042高度潤滑的層狀結構，從而達到大幅提升聚丙烯材料耐刮擦性能的目的。

季孟淵等[23]將美國道康寧公司生產的耐刮擦劑MB50-001加到聚乙烯材料中，發現聚乙烯復合材料的耐刮擦性能明顯改善。其原因是，MB50-001屬于硅酮類耐刮擦劑，在高溫條件下與聚乙烯表面的活性基團進行交聯，交聯后成為聚乙烯復合材料的一部分，可增大聚乙烯復合材料的硬度，減小表面摩擦系數。

黃曉明等[19]研究發現，耐刮擦劑AS100能有效改善聚丙烯復合材料體系的耐刮擦性能。AS100的主要化學成分為線性的高分子量聚二甲基硅氧烷，在聚丙烯材料的成型過程中，AS100在聚丙烯材料表面形成一層潤滑層，能有效減小材料的表面摩擦系數，達到提升耐刮擦性能的目的。

2 耐刮擦性能的測試方法[24]

2.1 五指刮擦測試方法

五指刮擦測試方法是在不同的載荷下，用5個外形類似于手指的金屬刮擦頭劃過材料表面，在材料表面形成刮痕，目視刮痕深度。此法具有儀器簡易、操作便捷、結果直觀的優點。但此法不能進行定量評價，不便于科學研究。目前國內有部分研究者[25]借助激光共聚焦顯微鏡對刮痕深度等指標進行定量描述，但還未被認同。

2.2 硬度試驗筆刮擦測試方法

硬度試驗筆刮擦測試方法是將滿足測試條件的刮擦頭和彈簧組合安裝成測試筆，根據不同的測試要求來調節測試壓力，使測試筆與材料表面垂直，測試人員將刮擦頭壓入到測試材料中指定的深度，目視材料的表面刮痕[26]。該法可以依據對應的標準評價刮痕，且儀器更為簡易，測試時不受時間和地點的限制。但測試過程需要手動操作，存在較大的人為因素，施加刮擦作用的過程速度難以保持統一。

2.3 網格刮擦測試方法

網格刮擦測試方法是用固定的載荷及間隔距離在材料表面劃網格，然后記錄并評價刮痕的顏色變化，通過刮痕的發白程度來表征材料表面的耐刮擦性能。采用儀力信十字形切口試驗機劃網格，通過測色儀測試刮擦前后的L值(反映顏色的深淺)，計算ΔL，ΔL值越大說明刮擦后顏色發白越明顯，材料的耐刮擦性能越差[25,27]。該方法表征結果和測試步驟較為科學，客觀性較強。

3 國內常用耐刮擦劑

(1)硅酮母粒MB50

硅酮母粒MB50是道康寧公司生產的，其外觀形貌為白色顆粒。硅酮母料MB50可以提高塑料產品的流動性，減小工程塑料制品的表面摩擦系數，改善玻纖及無機填料的均勻分散性能，提升光滑度和耐刮擦性能，具有良好的穩定性和非遷移性，被廣泛應用于交通、包裝、日用品等行業及齒輪、耐摩擦件等制品的生產。

(2)Javachem?HG-600

Javachem?HG-600是佳華精化公司生產的，其外觀形貌為淡白色顆粒。Javachem?HG-600是以聚丙烯為載體的有機基團改性超高分子量聚硅氧烷，可以提升大部分聚烯烴的加工性和表面耐刮擦性能，能高度相容于聚烯烴體系，并能更好地提升有機硅制品的耐刮擦性能，同時幾乎不會增加制品的應力發白現象。較高的熱穩定性和抗老化能力保證了其較長的使用壽命，可作為食品用塑料制品的添加劑。

(3)Tegomer V-Si 4042

Tegomer V-Si 4042是贏創德固賽(中國)投資有限公司生產的，其外觀形貌為白色液體，是一種有機硅塑料添加劑，可作為相容的分散潤滑劑使用。有機改性的基團增加了硅酮與高分子樹脂的相容性，不遷移，不析出，保留了硅酮表面活性的特點，同時克服了其相容性差的缺點。其在聚丙烯滑石粉體系中主要應用在汽車內飾材料，能降低網格刮擦測試方法的ΔL值和刮痕的深度，提高礦物填料的分散性，允許更高的填充量。

(4)Irgasurf?SR100

Irgasurf?SR100是汽巴精化公司生產的，其外觀形貌為白色半透性顆粒，在PP/TPO等原料中的使用頻率非常高，且能夠很好地提升原料的耐刮擦性能。其作用主要是提升材料表面的潤滑性，同時還能增大材料的彈性，使刮痕的中心和深處較為平滑，肩脊更低。所以較大程度上削弱了刮擦對材料表面的損害，減輕應力集中現象的同時較好地保證了材料的美觀性，被國內眾多汽車材料廠家廣泛使用。

4 展望

國內在車用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能改善方面已經開展了很多研究，但隨著汽車行業的飛速發展，對車用聚丙烯材料的要求也越來越高。目前國內大多數車用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能還達不到要求或者是性能不夠穩定。未來的研究不僅要適應耐刮擦的要求，同時要滿足汽車行業環保節能的新要求；進一步摸索材料加工工藝，使得材料性能更加穩定；制定出合理的耐刮擦性能的測試方法行業標準，進行定性定量評價。

[1] 唐堯.改性塑料行業發展特征及其在汽車行業中的應用[J].國外塑料,2011,29(1):43-45.

[2] 劉西文.塑料在“輕量化”汽車中的應用及發展趨勢[J].中國塑料,2010(12):8-13.

[3] 李應平,鄭化安,王小憲,等.車用聚丙烯改性材料氣味控制技術進展[J].工程塑料應用,2016,44(6):124-127.

[4] 王斌,戴芳,張振英.汽車用塑料的研究進展[J].工程塑料應用,2006,34(4):76-80.

[5] 陶永亮.改性聚丙烯材料在汽車上的應用分析[J].汽車工程師,2012(3):58-61.

[6] BOONCHOO T,THARAJAK J.Effect of welding on hardness and deformation behavior of polypropylene by scratch test[J].Applied Mechanics & Materials,2016,848:27-30.

[7] YARI H,MOHSENI M,MESSORI M.A scratch resistant yet healable automotive clearcoat containing hyperbranched polymer and POSS nanostructures[J].RSC Advances,2016,6(79):76028-76041.

[8] HAMDI M,PUOPOLO M,PHAM H,et al.Experimental and FEM analysis of scratch behavior on polypropylene thin films:effect of film orientation and ethylene monomer content[J].Tribology International,2016,103:412-422.

[9] 白啟榮.改性超細硅灰石材料在聚丙烯塑料中的應用研究[C]//2011改性塑料熱點技術及產品論壇,2011.

[10] 李平,韓琛,汪家寶.汽車用聚丙烯材料研究進展及應用[J].塑料工業,2011,39(S1):26-29.

[11] SOBHANI H,KHORASANI M M.Optimization of scratch resistance and mechanical properties in wollastonite-reinforced polypropylene copolymers[J].Polymers for Advanced Technologies,2016,27(6):765-773.

[12] 安芳成.聚丙烯行業發展現狀及市場分析[J].化工進展,2012,31(1):246-251.

[13] 孫凱,徐東東,婁小安,等.阻燃聚丙烯在家電行業中的應用和發展[J].塑料工業,2013,41(6):5-9.

[14] 何穎,宋潔,郭建兵,等.PP復合材料耐刮擦性能的研究[J].廣東化工,2014,41(14):22-24.

[15] 李延壘,張雖栓.車用高分子材料耐刮擦性能研究與改善[J].價值工程,2014,33(13):311-312.

[16] 范瀟瀟,項軍,孟成銘,等.汽車內飾件用低氣味耐刮擦聚丙烯的研制[J].塑料工業,2010,38(1):80-82.

[17] 龐承煥.抗析出耐劃傷車用聚丙烯材料的制備與表征[D].廣州:華南理工大學,2014.

[18] 傅軼,唐昌偉,彭志宏,等.耐刮擦、軟觸感聚丙烯的制備與表征[J].合成材料老化與應用,2015，44(4):22-25.

[19] 黃曉明,孟成銘,范瀟瀟,等.耐刮擦聚丙烯共混物的制備和性能研究[J].塑料工業,2011,39(11):101-103.

[20] 王茜.汽車內飾用改性聚丙烯復合材料耐刮擦性和散發特性研究[D].上海:復旦大學,2011.

[21] 道康寧公司.潤滑劑在汽車塑料零件中的作用[J].塑料制造,2006(8):22-25.

[22] 余林華.低散發耐刮擦汽車內飾用聚丙烯復合材料的研制[J].工程塑料應用,2012,40(9):9-12.

[23] 季孟淵,程健,劉凱.一種耐刮擦、低氣味、低VOC聚乙烯復合材料的研究[J].汽車零部件,2016(11):60-62.

[24] 程前.高分子材料刮擦實驗設備設計與實驗應用[D].成都:西南交通大學,2016.

[25] 林潔龍,楊波,丁正亞,等.免噴涂外觀美學樹脂的應用[J].工程塑料應用,2016,44(10):36-40.

[26] 張立娟,戴婷,張超,等.車用塑料耐刮擦測試方法概述[J].廣州化學,2014,39(3):68-72.

[27] 林秀玲.乘用車注塑外觀塑料零件刮擦性能研究[J].合成材料老化與應用,2012,41(3):40-44.

ResearchProgressinScratch-ResistantPropertyofAutomotiveModifiedPolypropyleneMaterials

ZHANG Jiao1,CHEN Gui-hong1,LI Jian-hui1,CAI Xiong2

(1.DepartmentofScientificResearchManagement,GuangdongNeusoftInstitute,Foshan528225,China; 2.GuangdongYuanrongNewMaterialsCo.,Ltd.,Foshan528322,China)

We review the effects of matrix materials,fillers,and scratch-resistant agents on the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials,introduce testing methods of scratch-resistant property and domestic common scratch-resistant agents,and put forward prospect and research trend of the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials.

automotive modified polypropylene material;scratch-resistant property;filler;matrix material;scratch-resistant agent

張姣，陳桂宏,李建輝,等.車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究進展[J].化學與生物工程，2017，34(12)：1-3，9.

廣東省高校重大科研平臺和科研項目——2016年青年創新人才項目(2016KQNCX192)，佛山市科技計劃項目(2016AG100652)

2017-07-22

張姣(1990-)，女，湖北人，碩士，主要從事改性塑料研究及科技管理工作，E-mail:775688988@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.001

TQ325.14 TB324

A

1672-5425(2017)12-0001-03