極低微發泡聚丙烯材料和零件性能研究

邵方方 安冉 劉茜 王迪

摘 要：文章進行了極低微發泡PP+EPDM-T20材料性能和極低微發泡PP+EPDM-T20在降低零件縮痕、提高零件剛度方面的研究。研究不同發泡劑填充比對材料性能的影響，結果表面：極低微發泡填充對PP+EPDM-T20材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，對材料的沖擊性能影響較大。研究不同發泡劑填充量對降低零件縮痕的影響，結果表明，當微發泡填充量為1%時，零件加筋位縮痕有明顯改善。研究發泡劑添加量同加強筋厚度/壁厚比例關系，結果表明，當發泡劑添加量為1%時，在保證外觀和剛度的基礎上，零件加強筋厚度和壁厚比例關系可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

關鍵詞：極低微發泡;聚丙烯;縮痕;尺寸穩定性

中圖分類號：U465 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-211-04

Research on the Performance of Very Low Micro Foaming Polypropylene

Materials and Parts

Shao Fangfang， An Ran， Liu Qian， Wang Di

（SAIC MOTOR Commercial Vehicle Technical Center， Shanghai 200438 ）

Abstract： The paper was researched on the properties of extremely low foaming PP+EPDM-T20 materials and researched the very low foaming PP+EPDM-T20 in reducing shrinkage marks and improving the stiffness of parts. The effect of different filling ratio of foaming agent on the properties of PP+EPDM-T20 was studied. The effect of very low foaming agent on the tensile modulus， bending modulus and thermal deformation temperature of PP+EPDM-T20 was small， and the impact properties of PP+EPDM-T20 were more affected. The results showed that when the filling amount of micro foaming agent was 1%， the shrinkage mark of stiffened parts was obviously improved. The results show that when the content of foaming agent is 1%， on the basis of keeping the parts appearance and rigidity， the ratio of stiffener thickness to wall thickness can be changed from 1：2.5 to 2：2.5.

Keywords： Very low micro foaming; Polypropylene; Shrinkage; Dimensional Stability

CLC NO.： U465 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-211-04

1 前言

微發泡塑料與傳統發泡塑料相比，具有密度小、沖擊強度高、隔音效果好等優點，被譽為“21世紀的新型材料”，可應用于質輕強度高的汽車、飛機零部件、體育器械、電器絕緣材料、各種家電產品等領域。但當前微發泡技術主要用于減重，通常為達到減重的效果，發泡劑的添加比例會在3%以上，此時材料的性能會發生大幅度篩減。

為避免PP類零件的縮痕，通常將加強筋厚度和零件壁厚比例設計在1：3左右，當加強筋壁厚再繼續增加，由于加強筋處壁厚較大，零件內部和表面溫度不一致，表面溫度低，內部溫度高，極容易形成縮痕。

商用車門板立柱等零件較大，加強筋厚度和零件壁厚比例設計在1：3時，往往零件較軟，剛度不夠，零件易變形，為提高零件剛度，需將加強筋加厚，本課題的目的在于在PP+EPDM-T20門板本體材料中加入微發泡劑，通過在材料內部形成三維蜂窩結構，將零件內部“撐起”，厚度較大位置處加強筋縮痕消失，從而提高零件設計自由度、剛度和尺寸穩定性。

2 實驗

2.1 實驗原料及儀器

2.1.1 實驗原料

PP+EPDM-T20 C3322T-203040、H35發泡劑，上海普利特復合材料股份有限公司。

2.1.2 實驗儀器

（1）ZTH100L高低溫交變濕熱試驗箱，上海增達環境試驗設備有限公司;

（2）GT-7045-MDL擺錘沖擊試驗機，高特威爾檢測儀器有限公司;

（3）萬能材料試驗機，Zwick;

（4）CI-3000氙燈老化試驗箱，Atlas;

（5）Erichson 430耐刮擦試驗儀，德國儀力信;

（6）Zeiss EVO18鎢燈絲掃描電鏡，德國ZEISS;

（7）CM-2500c色差儀，柯尼卡美能達;

2.1.3 性能測試

（1）密度按照ISO 1183進行測定;拉伸性能按照ISO 527-2進行測定;彎曲性能按照ISO 178進行測定;熱變形溫度按照ISO 306進行測定;沖擊強度按照ISO 179進行測定。

（2）耐低溫沖擊性能按照以下方法測試：

零件固定在剛性工裝或車身上，在（-30±2）℃下存放4h， 然后用一個直徑50mm、重500g的鋼球，從高處自由落下，垂直于零件表面進行一次沖擊，沖擊至零件上的能量為2.5J。

（3）熱存放性能按照以下方法測試：

將零件固定在特定的工裝夾具上，同時通過適當的約束條件來盡可能模擬實際的裝配狀態，將零件放置在85℃的環境中保持168h。

（4）耐氣候交變性能按照以下方法測試：

被測試的樣件需要固定在特定的工裝夾具上，同時通過適當的約束條件來盡可能模擬實際的裝配狀態。將零件放置在表1規定的循環條件中進行氣候交變性能試驗，執行2個表1中的循環。

（5）耐光色牢度性能按照以下方法測試：

將零件按照要求裁切成規定尺寸的樣件，放置在CI-3000氙燈老化試驗箱中，控制氙燈老化試驗箱的輻照能量為280kJ/m2，保持3個周期。

（6）耐刮擦性能按照以下方法測試：

將零件按照要求裁切成規定尺寸的樣件，放置在Erichson 430耐刮擦試驗儀上，加載10N的載荷，在設備的導引下，刻劃工具以（1 000±50）mm/min的速度、2 mm的間距單向刮擦至少20道相互平行的劃痕，每道刮擦痕的長度要保證網格總寬不小于40 mm。

（7）耐化學性能按照以下方法測試：

將零件按照要求裁切成規定尺寸的樣件，試驗試劑包括油脂、機油、93#汽油、護手霜、甲基化酒精、皮革蠟。用浸透試劑的紗布在樣件表面以5 N的力來回擦3次，室溫放置24 h后清除試劑，觀察表面。

（8）靜力試驗按照以下方法測試：

在23℃時按照設計狀態裝配在鈑金或相應工裝上，用直徑50mm的圓球頭施加載荷，施力速度50mm/min，力保持5S。

3 結果與討論

3.1 不同發泡劑填充量對PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料性能的影響研究

分別在PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料中加入0%H35發泡劑、0.5%H35發泡劑、1.0%H35發泡劑和1.5%H35發泡劑，研究不同發泡劑填充量對PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料性能的影響，相應的特征數據列于表2中。

從表2的數據可知，極低微發泡填充，對PP+EPDM–T20 C3322T-2030材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，材料性能可滿足上汽大通材料開發要求。對材料的沖擊性能影響影響較大，同不添加微發泡的材料相比，當微發泡劑的填充比從0.5%增加到1.5%的過程中，材料沖擊性能降低12%至31%。原因為微發泡劑加入材料中后，通過控制注塑工藝，材料內部形成穩固的三維蜂窩結構，因此材料的拉伸模量、彎曲模量和熱變形溫度影響不大，但是由于蜂窩結構內部為中空，在沖擊性能測試中，這些中空的位置就是缺陷點，因此材料的沖擊性能降低。

3.2 不同發泡劑填充比對材料與零件縮痕、泡孔、減重的關系研究

分別在PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料中加入0%H35發泡劑、0.5%H發泡劑、1.0%H發泡劑和1.5%H發泡劑，按照一定注塑工藝分別注射成型不同發泡比例的零件。

控制壁厚為2.5mm的零件，零件加強筋的厚度分別為1mm、1.2mm、1.5mm和2.0mm，研究不同發泡劑填充量PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料與零件縮痕、泡孔和減重的關系，相應的特征數據列于表3中。

從表3可知，不同微發泡劑填充量PP+EPDM-T20?C3322T -203040對改善加強筋處縮痕均有正向影響，當微發泡劑添加量為0.5%時，加強筋厚度為1.2mm和1.5mm處的縮痕可被改善，加強筋厚度為2mm處的縮痕改善不明顯，零件減重4%。當微發泡劑填充量為1.0%和1.5%時，加強筋厚度為1.2mm、1.5mm和2.0mm處的縮痕均明顯改善，零件表面質量良好，零件減重6%。綜合3.1和3.2，當發泡劑填充量為1%時，材料和產品的綜合性能最好。

研究1%發泡劑填充量零件本體和加強筋處的發泡特征，相應的特征數據如圖1所示。

從圖1的數據可知，當發泡劑的填充量為1%時，零件本體有明顯發泡，泡孔尺寸較大，且不夠細密。零件加強筋位置上方有明顯發泡，泡孔尺寸較大，泡孔較零件本體的泡孔密集。原因為加強筋處零件的壁厚變大，使得該處的壓力減小，發泡劑易在此處分解發泡產生三維蜂窩網狀泡孔，三維蜂窩網狀泡孔結構將加強筋處“撐起”，彌補了加強筋處零件厚度較大造成的零件表面溫度低而內部溫度高產生的縮痕，因此在加強筋較厚的地方，零件的縮痕消失。

當發泡劑添加量為1%時，在保證外觀和性能的基礎上，零件壁厚可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

3.3 極低微發泡門板和普通微發泡門板性能對比研究

控制微發泡劑的填充量為1%，研究極低微發泡門板和普通微發泡門板的性能，相應的特殊數據列于表4。從表4的數據可知，當微發泡的填充量為1%時，極低微發泡門板和普通微發泡門板關鍵性能相當。

從上表的數據可知，材料沖擊性能的降低對總成零件應力試驗和沖擊性能影響不大。

4 結論

本文進行了極低微發泡聚丙烯材料和零件性能研究，本文取得的主要成果如下：

（1）研究不同發泡劑填充比對材料性能的影響，結果表面：極低微發泡填充對PP+EPDM-T20材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，對材料的沖擊性能影響較大。

（2）研究不同發泡劑填充量對降低零件縮痕的影響，結果表明，當微發泡填充量為1%時，零件加筋位縮痕有明顯改善。

（3）研究發泡劑添加量同加強筋厚度/壁厚比例關系，結果表明，當發泡劑添加量為1%時，在保證外觀和剛度的基礎上，零件壁厚可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

（4）當發泡劑添加量為1%時，零件各項關鍵性能均能滿足上汽大通總成零件標準要求。