聚丙烯玻纖板的輕量化進(jìn)展

郭煥祥 李海帆 王國(guó)淑 韋明 王克強(qiáng)

（煙臺(tái)正海合泰科技股份有限公司；山東省汽車(chē)內(nèi)飾材料工程技術(shù)研究中心）

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能和環(huán)保的日益重視，對(duì)汽車(chē)輕量化的要求也日益提高，在傳統(tǒng)的干法和濕法工藝的基礎(chǔ)上，PP 玻纖板的輕量化技術(shù)也取得了一些新的進(jìn)展，主要特征是在保證產(chǎn)品剛性的前提下通過(guò)引入發(fā)泡微球來(lái)進(jìn)一步降低材料質(zhì)量。國(guó)外的濕法廠家直接在粉料中增加微球，國(guó)內(nèi)的干法廠家則采用浸漬法和撒粉法引入發(fā)泡微球來(lái)實(shí)現(xiàn)干法技術(shù)的升級(jí)。文章結(jié)合行業(yè)信息、文獻(xiàn)資料以及實(shí)際研發(fā)工作，簡(jiǎn)要介紹了PP 玻纖板的輕量化技術(shù)的最新進(jìn)展。

1 PP玻纖板材質(zhì)介紹

PP 玻纖板，通常也被稱(chēng)為輕質(zhì)GMT 材料，是一種輕量化的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾頂棚、衣帽架等產(chǎn)品上。GMT（玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性板材）結(jié)構(gòu)較密實(shí)，體積質(zhì)量因玻纖含量的不同而有差異，但是都在1 g/m3左右。作為輕質(zhì)GMT 的PP 玻纖板結(jié)構(gòu)蓬松，質(zhì)量為1 000 g/m2的片材厚度一般在3～4 mm，體積質(zhì)量大概為0.3 g/m3。

相對(duì)于汽車(chē)內(nèi)飾頂棚常用的PU 泡沫夾心板材，PP 玻纖板因?yàn)椴徊捎脽峁绦缘腜U 泡沫，消除了PU 泡沫中不可避免的催化劑、表面活性劑等小分子物質(zhì)，氣味和VOC 有很大改善，而且PP 玻纖板屬于熱塑性復(fù)合材料，具有可再生利用的優(yōu)點(diǎn)。

2 PP玻纖板生產(chǎn)技術(shù)

PP 玻纖板的主要成分是聚丙烯和玻璃纖維（簡(jiǎn)稱(chēng)玻纖），生產(chǎn)方法主要有干法和濕法2 種。國(guó)內(nèi)的PP 玻纖板幾乎全部采用干法工藝[1]。

2.1 濕法工藝

PP 玻纖板的濕法工藝類(lèi)似于造紙工藝，以PP 粉末和玻璃纖維為原料，將原料和表面活性劑加入水中，借助表面活性劑和攪拌的作用，形成含有很多小氣泡的泡沫，把玻璃纖維和PP 粉末均勻地分散在泡沫中，再通過(guò)流漿箱分布到抄紙網(wǎng)上，脫泡后得到纖維和粉末的堆積物，之后經(jīng)過(guò)加熱和冷壓制成板材[2]。濕法工藝采用的玻璃纖維比較短，長(zhǎng)度在6～25 mm，典型尺寸是12 mm。

濕法工藝的設(shè)備投資較大，工藝復(fù)雜，但是板材均勻性較好，加熱后膨脹高度大，頂棚基材質(zhì)量可以做到900 g/m2，甚至可以更低。

2.2 干法工藝

PP 玻纖板的干法工藝與針刺無(wú)紡布的生產(chǎn)工藝類(lèi)似，以PP 纖維和玻璃纖維為原料，通過(guò)混合、開(kāi)松、梳理、鋪網(wǎng)、層疊、針刺等工藝制成熱熔氈，加熱后冷壓制成板材。干法工藝采用的玻璃纖維比較長(zhǎng)，一般在50～75 mm。

干法工藝的PP 玻纖板生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，生產(chǎn)的板材均勻性較差，加熱后膨脹高度略小，目前頂棚用的基材質(zhì)量一般在1 000 g/m2左右。

2.3 流化床工藝

文獻(xiàn)[3]中開(kāi)發(fā)了攪拌-噴動(dòng)流化床工藝，以空氣為流化分質(zhì)，在流化床中通過(guò)流化和攪拌實(shí)現(xiàn)聚合物基體與纖維的充分混合，并將纖維束分散為吸附了聚合物基體的單絲，既可以解決通常熱塑性復(fù)合材料制備中在浸漬上的難題，又可避免濕法中經(jīng)常出現(xiàn)的廢水污染環(huán)境的缺陷。該工藝目前僅見(jiàn)于文章，尚未有產(chǎn)品面市。

3 輕量化技術(shù)的新進(jìn)展

PP 玻纖板的輕量化技術(shù)在不斷進(jìn)步，其相關(guān)專(zhuān)利有很多，但是市面上能夠見(jiàn)到的產(chǎn)品主要出自韓國(guó)韓華、日本K- 普拉希特株式會(huì)社，以及國(guó)內(nèi)的華江科技公司。傳統(tǒng)的PP 玻纖板頂棚用基材質(zhì)量在1 000 g/m2左右，輕量化的PP 玻纖板基材質(zhì)量低于800 g/m2，甚至低于600 g/m2。

輕量化的PP 玻纖板的主要特征是其中含有發(fā)泡微球。發(fā)泡微球?yàn)楹藲そY(jié)構(gòu)，表面的殼在高溫下有一定的延伸性，里面的核在高溫下體積急劇膨脹，所以在高溫下發(fā)泡微球的體積會(huì)增加幾十倍，從而增加板材的膨脹高度，改善成型特性，實(shí)現(xiàn)輕量化。

輕量化的PP 玻纖板的生產(chǎn)工藝也分為干法和濕法，但是濕法工藝更成熟。干法的輕量化產(chǎn)品還很少見(jiàn)，主要原因是：濕法工藝本來(lái)的原料中就含有粉末狀的PP，再增加一種粉末狀的發(fā)泡微球，工藝上沒(méi)有革命性的變化；而干法工藝本來(lái)的原料全是纖維，增加粉料后需要對(duì)工藝和設(shè)備做大幅度的調(diào)整。

因此，文章不再詳細(xì)介紹濕法PP 玻纖板的輕量化工藝，著重介紹干法工藝的輕量化技術(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，目前國(guó)內(nèi)的干法工藝主要有浸漬法和撒粉法2 種方案。

3.1 浸漬法

浸漬法首先要用PP 纖維和玻璃纖維制成針刺氈，然后把針刺氈浸漬在分散有發(fā)泡微球的水分散體系中，使發(fā)泡微球滲透到PP 玻璃針刺氈中，液體去除后，發(fā)泡微球就殘留在PP 玻纖針刺氈中，最后通過(guò)加熱、加壓和冷卻，制成含有發(fā)泡微球的PP 玻纖板。

這種工藝與傳統(tǒng)的干法工藝非常接近，設(shè)備不需要做大的調(diào)整，只是增加了通過(guò)浸漬滲入發(fā)泡微球的過(guò)程。不過(guò)，PP 玻纖針刺氈是非常蓬松的材料，浸漬后會(huì)吸收大量的水分，水分的除去非常困難，需要單獨(dú)的除水裝置，大部分水分最后只能通過(guò)加熱除去，需要在加熱設(shè)備上充分考慮除水的負(fù)荷。由于水的蒸發(fā)潛熱消耗大量的能源，浸漬法的能耗大、成本高；另外發(fā)泡微球的滲透力有限，而且在除水的過(guò)程中，會(huì)有大量的發(fā)泡微球流失和遷移，發(fā)泡微球在PP 玻纖針刺氈中的分布均勻性較差，所以產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性較差。

3.2 撒粉法

撒粉法是通過(guò)撒粉方式在多層纖網(wǎng)形成之前讓發(fā)泡微球在其中均勻分布，然后通過(guò)針刺加固形成帶有發(fā)泡微球的PP 玻纖針刺氈，再壓制成板材。

與浸漬法相比，由于發(fā)泡微球的分布在纖網(wǎng)層疊之前完成，其分布均勻性有很大改善，而且撒粉的方式不需要以水為介質(zhì)，所以不存在除水的問(wèn)題，能耗大大降低，產(chǎn)品質(zhì)量也有所提高。在設(shè)備方面，撒粉法與傳統(tǒng)的干法仍然非常相似，僅在纖網(wǎng)層疊之前增加了撒粉裝置。不利之處在于，撒粉之后的針刺加固過(guò)程中，發(fā)泡微球很容易在PP 玻纖針刺氈中沉降甚至脫落出來(lái)，影響發(fā)泡微球的分布均勻性。

3.3 改進(jìn)型撒粉法

針對(duì)針刺過(guò)程導(dǎo)致微球沉降和脫落的問(wèn)題，文獻(xiàn)[6-7]提出不用針刺的干法撒粉工藝。

針刺過(guò)程本來(lái)是干法工藝的主要特征，但是針刺工藝會(huì)導(dǎo)致粉末的脫落，不利于PP 粉末、發(fā)泡微球與玻璃纖維的均勻分布，而且針刺過(guò)程中的纖維纏結(jié)會(huì)限制PP 玻纖板的加熱膨脹高度，所以最好能夠避免該工藝過(guò)程。但是，針刺工藝使纖維纏結(jié)，使網(wǎng)狀物形成有一定拉伸強(qiáng)度的氈，從而才能夠在后面的工序通過(guò)拉幅烘箱來(lái)加熱。所以，取消針刺工藝后，設(shè)備必須做出適應(yīng)性的調(diào)整，不再采用拉幅烘箱，改用承托式的特氟龍帶或者特氟龍網(wǎng)來(lái)傳送材料。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來(lái)看，這種改進(jìn)的撒粉法工藝由于沒(méi)有針刺過(guò)程，沒(méi)有纖維穿插纏繞的情況，纖維的狀態(tài)與濕法工藝類(lèi)似，具有更好的加熱膨脹效果。也是得益于針刺工藝的取消，干法工藝也可以使用PP 粉末，不再使用PP 纖維，使PP 樹(shù)脂的選擇范圍更大了。相對(duì)于濕法工藝來(lái)說(shuō)，這種改進(jìn)的撒粉法設(shè)備簡(jiǎn)單，前半部分工序仍然是開(kāi)松、梳理和鋪網(wǎng)，撒粉之后不用針刺直接進(jìn)行加熱、加壓和冷卻，能耗低，工藝合理，成本和質(zhì)量上都有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

隨著汽車(chē)輕量化的不斷發(fā)展，PP 玻纖板的輕量化技術(shù)也在不斷進(jìn)步。我國(guó)的PP 玻纖板輕量化技術(shù)發(fā)展之路必須結(jié)合我國(guó)普遍采用干法工藝的國(guó)情。與浸漬法相比，低能耗的撒粉法更有優(yōu)勢(shì)。而改進(jìn)的撒粉法利用了干法成熟的工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)濕法工藝的產(chǎn)品質(zhì)量，具有較好的發(fā)展前景。