低線性膨脹系數汽車塑料尾門專用料的研制

閆溥，蔣文遠，邵之杰，石陽陽，周海

(會通新材料股份有限公司，安徽合肥 230012)

0 引言

汽車輕量化水平已經成為汽車技術發展上的一個關鍵方向。采用非金屬材料制造的汽車尾門與傳統金屬材料相比[1-3]，零部件具有質量輕、集成度高、設計自由度高、生產周期短和行人保護能力強等優點，國內外汽車主機廠、零部件公司和材料公司紛紛將全塑尾門作為車身輕量化方案開發的重點。

目前汽車塑料尾門內板主要采用PP-LGF40材料，外板采用PP+EPDM-T30材料，內外板通過聚氨酯膠粘合連接，并根據車身要求將外門板噴涂成不同顏色，對材料的線性膨脹系數、可噴涂性以及可粘結性要求極高[4]。全塑尾門材料大多依靠進口，也僅在部分外資汽車品牌中實現應用，主要有路虎極光、沃爾沃XC60、東風標致3008、雪鐵龍DS6、日產奇駿、英菲尼迪EX、寶馬X3等。

文中主要是以全塑尾門所用的低線性膨脹系數PP+EPDM-T30復合材料為研究對象，研究不同的PP基料、不同熔體流動速率的POE以及不同粒徑的Talc對PP+EPDM-T30復合材料力學性能和線性膨脹系數的影響；并考察了表面極性劑HT-17含量對其粘結性能的影響，通過力學特性和粘結特性的研究，獲得最佳的配方組合，為汽車尾門材料的國產化應用奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚丙烯樹脂(PP)，BX3800[熔體流動速率(MFR)=30 g/10 min，230 ℃，2.16 kg，以下同]，韓國SK集團生產；PP，311MK40T(MFR=30 g/10 min)，中沙集團生產；PP，M30RHC(MFR=30 g/10 min)，鎮海煉化集團生產；滑石粉(Talc)，PA08，1250目；AHCP10，2500目；AHCP250，5000目，均為遼寧艾?；邢薰旧a；聚烯烴增韌劑(POE)，Solumer 8705(MFR=0.5 g/10 min，190 ℃，2.16 kg，以下同)，Solumer 875L(MFR=5 g/10 min)，Solumer 8613L(MFR=13 g/10 min)，韓國SK集團生產；表面極性劑HT-17，多羥基化合物，自制。

1.2 主要設備

雙螺桿擠出機：ZSK30型，德國W&P公司生產；注塑機：HTF80X1型，寧波海天注塑機生產；熔體流動速率儀：ZRZ1452型，美特斯工業系統有限公司生產；萬能實驗機：CMT4204型，美特斯工業系統有限公司生產；沖擊實驗機：ZBC1400-1型，美特斯工業系統有限公司生產；Spectrum 2000紅外光譜儀，英國Perkin-Elmer公司生產；S-4800掃描電子顯微鏡，日本高新公司生產；DSC 200-F3差示掃描量熱儀，德國耐馳公司生產。

1.3 試樣制備

將PP、POE、 Talc、HT-17等組分按照表1所示混合均勻后，經雙螺桿擠出機擠出、造粒，制備出低線性膨脹系數汽車塑料尾門專用料。

表1 基礎配方比 %

1.4 性能測試

MFR(Melt Mass-flow Rate)按照ISO 1133-2011標準測試；拉伸強度按照ISO 175-2010標準測試；彎曲模量按照ISO 178-2010標準測試；懸臂梁缺口沖擊按照ISO 180-2000標準測試；結晶度按照ISO 11357-3-2013標準測試；線性膨脹系數按照ISO 11359-2-1999標準測試熔體流動方向(FD)和垂直熔體流動方向(TD)上的線性膨脹系數值，測試溫度范圍為-40～80 ℃；表面張力按照ISO 8296-2008標準測試；粘結性按照ISO 4587-2003標準測試。

1.5 結構表征

樣品經溴化鉀壓片后，進行紅外測試；樣品斷面經真空噴金后，觀察表面形貌并拍攝。

2 結果與討論

2.1 PP基料選擇

固定POE為Solumer 8613L，Talc為AHCP 250，表面極性劑為HT-17，優選市面上高結晶PP，具體配比如表1所示，比較不同的PP基料對復合材料性能的影響，如表2所示。

表2 不同PP基料復合材料綜合性能對比

由表2可以看出：以BX3800為基料材料的綜合性能較優，M30RHC次之，311MK40T最差。這是由3種基體材料的結晶度不同造成的，基體材料的結晶度越高[5]，材料的強度體現越好。從圖1可知：BX3800的結晶度最高為43.9%，M30RHC結晶度為40.3%，311MK40T結晶度最低為38.9%。

圖1 基料DSC曲線圖

2.2 增韌劑選擇

在PP基料為BX3800基礎上，選取不同MFR的POE，分別對其增韌劑改性，研究POE對復合材料性能的影響，如表3所示。

表3 不同POE復合材料綜合性能對比

由表3可知：以BX3800為基體及不同的POE為增韌劑，復合材料的MFR相差很大，這是因為POE本身的MFR對復合材料的MFR有正相關的影響。在相同添加比例下，選用MFR為13 g/(10 min)的Solumer 8613L遠比選用MFR為0.5 g/(10 min)的Solumer 8705復合材料的MFR高很多。

同時從表3還可以看出：隨著POE的MFR提升，復合材料的沖擊強度也有明顯的提升。這是由于基料BX3800[MFR=30 g/(10 min)]熔融指數較高，POE熔融指數越低，黏度相差越大，越不利于POE在復合材料中的分散，橡膠相不能很好地分散，增韌效果差，Solumer 8613L熔融指數較高，增韌效果最好[6-7]。

2.3 填充劑選擇

為增加材料的剛性，保證成型制品的尺寸穩定性，在固定PP 基料為BX3800、POE為Solumer 8613L的情況下，進一步選取不同粒徑的Talc，研究它對復合材料綜合性能的影響。

由表4可知：添加AHCP250滑石粉綜合性能最優，線性膨脹系數最小。這是由于AHCP250滑石粉粒徑最小，比表面積大，受外力作用下誘導銀紋能力強[8]，在增強材料剛性的同時，對其韌性的影響最小。同時，從圖2可以看到：3種滑石粉都呈現薄片狀結構，均勻分散在聚丙烯基體中，但AHCP250滑石粉的薄片長度和厚度的比值(徑厚比)最大，圖2(d)顯示AHCP250滑石粉的徑厚比約為12倍，阻止聚丙烯分子的鏈段運動能力最強，復合材料的線性膨脹系數最小。

表4 不同粒徑Talc復合材料綜合性能對比

圖2 復合材料SEM圖

2.4 表面極性劑含量選擇

為了便于塑料尾門的涂裝和粘結，要求制品表面的張力值達到45 mN/m以上[9]，而復合材料的表面張力值僅30 mN/m，無法達到應用要求，故在材料中添加自制的富含多羥基表面極性劑，從圖3可以看到：在1 080、1 620 cm-1處有明顯的吸收峰，分別由-C-OH、-C-NH2伸縮振動所產生。

在固定PP為BX3800、POE為Solumer 8613L、Talc為AHCP250，研究表面極性劑HT-17用量對涂裝和粘結性能的影響，結果如表5所示，添加表面極性劑HT-17可以改善材料的表面張力。

圖3 表面極性劑HT-17紅外譜圖

表5 HT-17用量對復合材料粘結性能影響

當其添加質量分數為3%時，復合材料的表面張力從30 mN/m增至50 mN/m，經粘結固化后，樣品的剪切強度從0.45 kJ/m2上升至1.99 kJ/m2，界面破壞形式由100%界面破壞發展成90%膠內聚破壞，滿足塑料尾門對涂裝和粘結性能的要求。

3 低線性膨脹系數專用料在汽車塑料尾門上的應用

綜合上述實驗，以BX3800為基料、Solumer 8613L為增韌劑，AHCP250為增強填料，表面極性劑HT-17用量達到3%時，結果如表6所示，該專用料具有優異的強度和韌性，極低的線性膨脹系數，達到進口材料水平。

表6 塑料尾門專用料綜合性能對比

4 結論

(1) 制備汽車塑料尾門專用材料，PP基體樹脂選擇很重要，對于基本物性相近的BX3800、311MK40T、M30RHC 3種樹脂而言，BX3800結晶度最大，綜合性能最優；

(2) 制備汽車塑料尾門專用材料，POE熔融指數越高，增韌效果越明顯，相對Solumer 8705和Solumer 875L，選擇Solumer 8613L增韌效果最好；

(3) 制備汽車塑料尾門專用材料，Talc徑厚比值越大，越有利于降低材料的線性膨脹系數，相對PA08和AHCP10，選擇AHCP250綜合效果最好，復合材料線性膨脹系數最低；

(4) 制備汽車塑料尾門專用材料，添加表面極性劑HT-17，可以顯著提高復合材料表面張力，添加量達到3%時，復合材料的表面張力達到50 mN/m，滿足塑料尾門的涂裝和粘結要求。