玻璃微珠填充的聚丙烯材料在車用手套箱外蓋板上的應(yīng)用研究

李瑞生，李智，王磊

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

聚丙烯( PP) 具有良好的使用性能、加工性能和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是應(yīng)用較為廣泛的熱塑性樹(shù)脂之一，但 PP 存在低溫時(shí)韌性差以及機(jī)械性能較低等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到一定限制。因此，對(duì) PP 進(jìn)行增強(qiáng)和增韌的改性研究已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)[1-4]。

麥克勞林 1954年首先提出了使用玻璃制造單孔中空微珠的技術(shù)。空心玻璃微珠（ES）是由鈉硼硅酸鹽材料經(jīng)特殊工藝制成的薄壁、封閉的微小球體，球體內(nèi)部包裹一定量的氣體，它具有低密度、低導(dǎo)熱、低吸油率、耐高低溫、電絕緣強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、粒度及化學(xué)組成可控等優(yōu)點(diǎn)[5]。

當(dāng)PP中填充滑石粉后，不但改進(jìn)了PP的成型收縮率和低溫易脆性以及剛性，還提高了PP原本就優(yōu)良的其他性能，如電絕緣性，沖擊強(qiáng)度等。同時(shí)滑石粉還具有與阻燃劑協(xié)同提高阻燃性的作用[6]。

滑石粉與玻璃微珠共同填充改性聚丙烯材料可以有效改善PP機(jī)械性能和低溫的韌性，添加三元乙丙橡膠（EPDM）對(duì)PP材料的低溫韌性將有很大提升。

隨著汽車工業(yè)能源危機(jī)和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)日益加劇，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要使命，而輕量化技術(shù)已經(jīng)成為降低整車油耗最為行之有效的方法之一[7]。

材料輕量化是汽車輕量化技術(shù)中的重要組成部分，目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家至2020年，汽車塑料使用量將達(dá)到單車500kg以上，聚丙烯( PP)材料作為汽車內(nèi)外飾常用材料占有較大比例，本文使用新型的改性聚丙烯材料汽車手套箱外蓋板上進(jìn)行應(yīng)用研究。

1　玻璃微珠填充的聚丙烯材料

1.1　聚丙烯材料

表1　材料組成、牌號(hào)及生產(chǎn)廠家

1.2　材料性能

分別按照 GB/T 1843-2008、GB/T 9341-2000和 GB/T 1040-1992來(lái)進(jìn)行材料的沖擊、彎曲和拉伸性能測(cè)試，拉伸性能試樣選取GB/T 1040.1中1A類型進(jìn)行，所有樣條尺寸和數(shù)量均滿足國(guó)標(biāo)中的要求。

2　玻璃微珠填充的聚丙烯材料在汽車手套箱外蓋板上的應(yīng)用

2.1　材料性能

表2為滑石粉、玻璃微珠以及E/P填充到PP中的，從表中可以看出，隨著玻璃微珠的添加量變化，HL345比HL125的熔融流動(dòng)速率，斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲彈性模量都更高，而強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，這是因?yàn)殡S著玻璃微珠的量增加，空心玻璃微珠的加入增加了聚丙烯的剛度，改善了延展性，提升了流動(dòng)性和延伸率，同時(shí)在偶聯(lián)劑的作用下，使玻璃微珠與PP相容更緊密，增加了粘結(jié)效果提升了材料強(qiáng)度和模量的增加。同時(shí)玻璃微珠的低表面積可以明顯提升填充量，填充的微珠像滾珠一樣分散在 PP基體當(dāng)中可以大幅提升材料熔體流動(dòng)速率。

在玻璃微珠和滑石粉添加量一致的情況下，相比HL345比 HL940，HL345的熔體流動(dòng)速率和斷裂伸長(zhǎng)率明顯高于HL940，尤其在懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度上比HL940高約35%，但在拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量上較HL940要低，這是因?yàn)镠L345添加了EPDM(三元乙丙)，EPDM耐低溫及耐候性都較好，是綜合性能較優(yōu)的合成橡膠，在以玻璃微珠和滑石粉填充改性的PP中加入了EPDM橡膠，減小了聚丙烯的剛度，提高了延展性。在吸收相同的能量時(shí)，橡膠/聚丙烯材料所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)最小，作為緩沖吸能材料可減少對(duì)外界物質(zhì)的破壞程度。所以其抗缺口沖擊性能也極佳，尤其是耐低溫后的沖擊性。添加玻璃微珠改性PP對(duì)比滑石粉改性PP的密度要明顯下降，這是由于玻璃微珠的密度在（0.3-0.6）g/cm3，而滑石粉的密度在（2.7-2.8）g/cm3。

在改性PP材料中隨著無(wú)機(jī)填充劑（滑石粉和玻璃微珠）含量的降低其比重也逐步降低，玻璃微珠的填充使其材料性能沒(méi)有明顯變化，同時(shí)其部分性能要優(yōu)于僅使用滑石粉和EP填充的材料。使用EPDM改性的PP材料有更優(yōu)的抗沖擊性能。

表2　材料性能

2.2　手套箱外蓋板

手套箱組件本身應(yīng)具備一定的剛度與強(qiáng)度。當(dāng)與乘客膝部發(fā)生碰撞時(shí)，既不能由于強(qiáng)度太弱發(fā)生碎裂而傷害乘客，也不能因剛度過(guò)強(qiáng)而無(wú)法在撞擊時(shí)吸收沖擊能量。因此，手套箱應(yīng)采用合適的吸能材料，并且儀表板在手套箱背后會(huì)配備吸能結(jié)構(gòu)或金屬吸能支架。特殊的工作環(huán)境（經(jīng)常日曬、震動(dòng)、溫差等）對(duì)手套箱表皮的老化性能（熱老化和光老化）、熱性能、拉伸性能、沖擊性能等均提出了較高要求。

從表2中選擇PP30530-C169、HL345、HL125材料，選用中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司汾西機(jī)械廠制造的塑料注射成型機(jī)型號(hào) JL6500，螺桿直徑：90mm，注射容積：3020cm3采取注塑成型的工藝手套箱外蓋板。

手套箱處于汽車駕駛室內(nèi)手套箱外蓋板常處于面向乘客的一側(cè)，汽車內(nèi)部凸出物應(yīng)符合相應(yīng)的法規(guī)，因其安裝部位不同，各自的要求也不盡相同，一般要采用分區(qū)檢查法。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 11552-1999“轎車內(nèi)部凸出物”，手套箱組件處于前排座椅“H”點(diǎn)之前、儀表 板水平線以下的乘員艙內(nèi)部構(gòu)件分區(qū)。

相應(yīng)的手套箱凸出物應(yīng)滿足下列要求：

（1）保證支架沒(méi)有凸起的棱邊。

（2）外觀面高度應(yīng)不小于25mm，表面邊緣圓角半徑不小于 3.2mm；應(yīng)采用吸能材料覆蓋或制成，并按照標(biāo)準(zhǔn)所述方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）外觀面若不滿足要求，則應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的向前縱向水平力沖擊實(shí)驗(yàn)要求。

（4）若手套箱安裝在剛性支架上，且由低于肖氏硬度50度的軟性材料制成，該剛性支架應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的剛度要求。

手套箱外蓋板還應(yīng)滿足以下要求：高低溫存放、熱老化、低溫落球沖擊、耐光性、耐刮擦、冷熱交變、氣味性等。手套箱總成還需滿足開(kāi)關(guān)耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)后手套箱總成不能出現(xiàn)任何功能及外觀的損壞，如手套箱蓋變形，手套箱鎖機(jī)構(gòu)失效，手套箱限位結(jié)構(gòu)失效、變形等。手套箱沖擊試驗(yàn)在三種環(huán)境溫度(-40±5)℃，(+23±5)℃，(+90±5)℃下試驗(yàn)后手套箱總成不能出現(xiàn)任何功能及外，觀的損壞，如手套箱蓋變形，手套箱鎖機(jī)構(gòu)失效，手套箱限位結(jié)構(gòu)失效、變形等。

圖1　某小型SUV車型的手套箱

2.3　手套箱外蓋板的輕量化效果

圖2　輕量化效果

由圖2可知使用PP30530-C169、HL345、HL125試制的手套箱外蓋板的減重幅度達(dá)到 6.8%-9.8%。玻璃微珠的添加明顯降低了材料的密度降低了手套箱外蓋板的重量，并隨著填充量的變化而發(fā)生改變，相比傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料最大減重幅度接近10%。

3　結(jié)論

（1）使用玻璃微珠填充改性的 PP材料與傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料有明顯的減重，最大減重幅度接近10%，輕量化效果顯著。

（2）添加玻璃微珠填充改性的PP材料，因玻璃微珠的低表面積可以明顯提升填充量，有效防止因注塑時(shí)發(fā)生的扭曲現(xiàn)象。

（3）使用玻璃微珠填充改性的PP材料，填充的玻璃微珠像滾珠一樣分散在 PP基體當(dāng)中可以大幅提升材料的熔體流動(dòng)速率，可以在注塑壓力減小以及相對(duì)低溫的環(huán)境下成型。

（4）汽車用改性聚丙烯材料，使用玻璃微珠填充的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料。

[1] 張立新,勵(lì)爭(zhēng),徐杰.界面強(qiáng)度對(duì)玻璃微珠填充聚丙烯力學(xué)性能的影響[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2006,21( 4) : 479～484.

[2] 章正熙等.納米 CaCO3對(duì)聚丙烯的增強(qiáng)作用[J].合成橡膠工業(yè),2003,26( 2).

[3] Wu C L,Zhang M Q,Rong M Z,et al. Matrix ductility and particle species on mechanical performance of the compos［J］.Composites Science and Technology,2005,65: 635～645.

[4] Hartikainen J,Hine P,Szabó J S,et al. Polypropylene hybrid composi-tes reinforced with long glass fibres and particulate filler［J］. Com-posites Science and Technology,2005,65: 257～267.

[5] 李鵬,劉德安,楊學(xué)忠.微球復(fù)合泡沫材料的研究和應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料, 2000, (4): 21-24.

[6] 王經(jīng)武.聚丙烯改性技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[7] 燕戰(zhàn)秋,華潤(rùn)蘭.論汽車輕量化[J].汽車工程,1994,16(6):375-383.