低密度聚丙烯材料在商用車輕量化應用開發

代玉堂 楊汐

摘 要：文章主要介紹低密度聚丙烯（PP）材料開發的思路、原理、材料性能測試、零件注塑和零件性能評價。為內飾塑料件輕量化提供一種低成本、低風險的可行方案。

關鍵詞：聚丙烯 低密度 輕量化

中圖分類號：U445 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-145-03

Abstract： This article mainly introduces the development of low-density polypropylene （pp）， containing develop concept， principle， material testing， part injection and performance evaluation， to provide a low-cost and low-risk light-weight project for trim.

Keywords： Polypropylene； Low-Density； Light-Weight

CLC NO.： U445 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-145-03

1 前言

在汽車輕量化和節能的壓力下，各OEM紛紛采用碳纖維復合材料、輕質鋁合金、高強度鋼、薄壁化設計等措施進行減重。雖然這些技術可以實現大幅度的減重，但這些措施輕則更改模具，重則更改生產工藝，投入成本太高、驗證周期長、風險較高，在國內OEM推廣存在困難。

目前中低端汽車門板內飾板、側圍飾板、立柱飾板材料大多采用PP類材料，全車內飾用量約50kg。開發低密度的PP類材料可以無需更改模具和注塑設備，調整注塑工藝即可得到尺寸和性能滿足要求的零件，實現輕量化。集團種子基金支持主要用于PP、POE、添加劑和填料等材料購買、加工費和測試費。

1.1 材料開發思路

目前中低端汽車門板內飾板、側圍飾板、立柱飾板、座椅飾板、副儀表板材料大多采PP+EPDM-T20，整車內飾用量約50kg。PP+EPDM-T20是以PP（聚丙烯）為基材添加約10%的EPDM（三元乙丙橡膠）作為增韌相，添加20%的滑石粉改善材料的強度、剛度和尺寸穩定性。PP密度0.92g/cm3，EPDM密度1g/cm3，滑石粉密度2.7-2.8g/cm3。在保持材料性質不變同時降低滑石粉的使用量可以降低材料的密度，實現輕量化。

1.2 材料開發原理

主體基材聚丙烯是主鏈為亞甲基和次甲基交替、側鏈為甲基的線性聚合物，其分子極性小，易結晶，低密度和化學惰性等性能。純的聚丙烯由于存在機械強度較低、耐熱性差、收縮變形大等缺陷，不能滿足車內飾塑料件要求。隨著結晶度的提高，PP材料的拉伸強度、彎曲模量、硬度都有明顯提高。

EPDM是乙烯-丙烯-非共軛二烯烴共聚的三元橡膠通常作為增韌材料使用，但由于碎膠困難，后期與粒狀PP混合不均勻，流動性較差，造成整體性能下降，同時由于EPDM氣味較大，作為增韌材料使用量逐漸減少[1]。POE是采用茂金屬催化劑的乙烯和辛烯實現原位聚合的熱塑性彈性體，在POE分子鏈中辛烯的柔軟鏈卷曲結構和結晶的乙烯鏈作為物理交聯點，使它既有優異的韌性又有良好的加工性；POE分子量分布窄，具有較好的流動性，與聚烯烴相容性好，相對于常用EPDM增韌效果更好[2]。

為改善純聚丙烯材料的缺陷，通常采用價格便宜的無機硅酸鹽滑石粉進行填充改性。試驗證明，隨著滑石粉量的增加，材料彎曲模量顯著提高，收縮率降低，熱變形溫度提高（見圖1）。

但隨著滑石粉含量的增加，材料的沖擊強度和拉伸強度逐漸下降。主要原因是隨著滑石粉含量增加，滑石粉微粒相互團聚，與聚丙烯基材結合力下降，出現了不同程度的相分離，增強效果減弱。

因此選用高結晶PP基材，選用增韌效果更好的POE提高增韌效果，特殊偶聯劑改善滑石粉表面性質，提高滑石粉和PP基材的結合力。通過以上措施可以在保持材料的力學、熱學性能的基礎上降低滑石粉的含量，從而降低材料密度實現輕量化。基本配方見表1。

2 材料級性能測試

各組分混合后加入螺桿擠出機中混合擠出造粒，注塑標準測試樣條。首先通過掃描電鏡觀察PP+POE-T10（左）和PP+EPDM-T20（右）新開發材料樣條斷口形貌，見圖2。

通過圖中可以看出，右圖中PP+EPDM-T20由于滑石粉含量較高，與PP基材之間結合力下降，出現不同程度的相分離，微觀下材料整體出現較多的小碎片。新開發的PP+POE-T10滑石粉與PP基材結合良好，分散均勻，沒有出現明顯的聚集和相分離。

通過紅外譜圖（圖3）可以看出，CH2的不對稱伸縮正常在2826cm-1出峰，由于CH2中H和滑石粉中的Si-O形成氫鍵移至2917cm-1。對比兩張譜圖可以看出，左圖（PP+POE-T10紅外譜圖）中在2917cm-1處峰強是右圖（PP+ EPDM-T20紅外譜圖）中的2.5倍，這表明經過特殊鈦酸酯偶聯劑處理的滑石粉和聚丙烯基材形成的氫鍵更多，結合力更強。

滑石粉和PP基材之間的結合力增強有利于材料的耐熱性能的提高，如圖4所示，用DSC和TGA分別測試兩種材料測熔融溫度和分解溫度。

從圖中可以看出，兩種增強的聚丙烯材料的熔融溫度都在177℃；特殊偶聯劑增強的聚丙烯的分解溫度在481℃，比普通滑石粉增強的聚丙烯的分解溫度提高約14℃。這說明雖然降低滑石粉的含量，但通過提高滑石粉和聚丙烯基材的結合力，使PP+POE-T10的熱老化性能優于PP+EPDM-T20。

把材料注塑成標準樣條，進行力學測試， 通過特殊處理的滑石粉增強和POE增韌的聚丙烯在拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊均能夠滿足通用門板的技術要求，且密度比常用的PP+EPDM-T20低近10%，見表2。

綜上所述，通過用10%特殊表面改性的滑石粉增強、POE增韌的低密度PP+POE-T10材料通過材料級測試性能優于PP+EPDM-T20，可以滿足通用門板的力學、熱學性能要求。

3 零件級耐久測試

利用開發的材料在現有的模具和注塑設備上制作結構復雜的SK81前門內飾板，注塑樣件尺寸和外觀良好，實現8.9%減重效果（見圖5）。

為簡化實驗，注塑SV71洗滌液蓋板，注塑樣件尺寸和外觀良好。首先進行安裝拉托力對比測試，新開發的注塑樣件拉托力為31N，與老狀態材料33N相當（見圖6）。

然后委托上海普尼測試進行耐化學性、耐合成汗液、內飾耐刮擦、光照色牢度、耐潮濕、高低溫令熱循環等測試（見表3）。

上述實驗結果表明，新開發的PP+POE-T10材料制作的樣件均滿足CVTC企業標準要求。

4 總結

選用高結晶PP基材；改善滑石粉的表面處理、增強滑石粉與PP基材的結合力；改善增韌體系，提高增韌效果，制得低密度PP+POE-T10材料。通過材料微觀測試、材料級力學和熱學測試、零件級耐久測試和安裝測試表明新開發的材料滿足CVTC標準要求。可以在原有的模具和注塑設備上替代PP+EPDM-T20，實現8.9%的減重效果，綜合物料成本下降3%。全車內飾用量約45-50kg，非常適合老項目VAVE和新項目的輕量化設計。

參考文獻

[1] 徐國平.低氣味聚丙烯改性料的研制[J].工程塑料應用，2011，39（1）：58-60.

[2] 王坷，史貞，王建民.PP 增韌技術的研究進展[J].合成樹脂及塑料， 1996，13（3）：58-61.