全塑尾門長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯的制備及性能研究

閆溥 蔣文遠(yuǎn) 黃駿霖 邵之杰 劉彬

(1.會(huì)通新材料股份有限公司,安徽 合肥,230012;2.東風(fēng)汽車公司,湖北 武漢,430058)

汽車輕量化水平已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)關(guān)鍵方向。以塑代鋼降重最為明顯,逐步在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、前端模塊、儀表板骨架、車門內(nèi)襯板、蓄電池蓋板制件上等得到廣泛應(yīng)用。采用非金屬材料制造的汽車尾門與傳統(tǒng)金屬材料相比[1-3],零部件具有重量輕、集成度高、設(shè)計(jì)自由度高、生產(chǎn)周期短和行人保護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外汽車主機(jī)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(fā)的重點(diǎn)。

目前受限于現(xiàn)有的制造工藝及進(jìn)口原材料,全塑尾門的單件成本仍高于鈑金尾門。全塑尾門僅在部分外資汽車品牌中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,主要有路虎極光、沃爾沃XC60、東風(fēng)標(biāo)致3008、雪鐵龍DS6、日產(chǎn)奇駿、英菲尼迪EX、寶馬X3等。

下面主要是以全塑尾門所用的長(zhǎng)玻璃纖維(LGF)增強(qiáng)聚丙烯(PP)復(fù)合材料(PP-LGF)為研究對(duì)象,研究了LGF含量和PP基料熔體流動(dòng)速率(MFR)對(duì)PP-LGF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;并考察了表面極性劑HT-17含量對(duì)PP-LGF復(fù)合材料黏結(jié)性能的影響,通過力學(xué)特性和黏結(jié)特性的研究,獲得最佳的配方組合,為全塑尾門玻纖增強(qiáng)PP材料的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP分別為M60T,鎮(zhèn)海煉化公司;HP480S,韓國(guó)大林公司;Z30S,鎮(zhèn)海煉化公司;1100N,沙特APC公司;S1003,上海賽科公司。LGF,ER14-1000-988A,浙江巨石公司;馬來酸酐接枝PP(PP-g-MAH),1001,以色列普利朗公司。表面極性劑,HT-17,自制,富含—C—OH和—C—NH2極性基團(tuán)。

1.2 主要設(shè)備

ZSK30型雙螺桿擠出機(jī),德國(guó)W&P公司;MA2800型注塑機(jī),寧波海天公司; CMT4204型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī),ZBC1400-1型沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī),均為美特斯工業(yè)公司;Spectrum 2000型紅外光譜儀,英國(guó)Perkin-Elmer 公司;S-4800型掃描電子顯微鏡,日本高新公司;JTV150型二次元光學(xué)影像儀,蘇州嘉騰公司。

1.3 樣品制備

稱取PP,質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的PP-g-MAH進(jìn)行充分混合后,在擠出機(jī)上熔融塑化,主機(jī)轉(zhuǎn)速250 r/min,擠出溫度190～210 ℃,然后和連續(xù)玻璃纖維(GF)在特制浸潤(rùn)裝置作用下完成樹脂對(duì)玻纖束的浸漬(溫度為300 ℃),浸漬的樣條經(jīng)過牽引、風(fēng)干、切粒獲得12 cm 的PP-LGF復(fù)合材料。

1.4 樣品表征

拉伸強(qiáng)度按ISO 175:2010測(cè)試;彎曲強(qiáng)度和彎曲模量按ISO 178:2010測(cè)試;懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按ISO 180:2016測(cè)試,表面張力值按DIN ISO 8296:2008測(cè)試。

將PP-LGF復(fù)合材料在MA2800型注塑機(jī)上采用矩形截面的阿基米德螺旋線模具進(jìn)行注射成型,注射溫度240 ℃,注射壓力100 Pa,注射速度40 mm/s, 測(cè)試復(fù)合材料的流長(zhǎng)比。

將PP-LGF復(fù)合材料拉伸樣條置于650 ℃處理5 h,去除PP樹脂,得到GF樣品,從中隨機(jī)取300根GF,采用二次元光學(xué)影像儀測(cè)量其保留長(zhǎng)度,得到GF保留長(zhǎng)度分布。

PP-LGF復(fù)合材料用雙組分聚氨酯膠黏結(jié)固化后,按GB/T 7124—2008進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試,主機(jī)廠基于經(jīng)驗(yàn),要求標(biāo)準(zhǔn)狀況下剪切強(qiáng)度不小于1.6 MPa,膠層破壞模式為膠內(nèi)聚破壞,破壞的面積率不小于70%。

2 結(jié)果與討論

2.1 GF含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響

表1為L(zhǎng)GF含量對(duì)PP(HP480S)為基材復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,隨著LGF含量的上升,復(fù)合材料的力學(xué)性能,包括拉伸性能,彎曲性能和韌性都有不同程度的提高,但LGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)漸變平緩。

表1 GF用量對(duì)復(fù)合材料性能的影響

這是由于隨著LGF含量的增加,注塑過程中玻纖會(huì)相互搭接纏繞[4-5],在基體內(nèi)逐漸構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 使得流動(dòng)困難,流長(zhǎng)比變小,但傳遞并擴(kuò)散應(yīng)力能力增強(qiáng),復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。當(dāng)LGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí),繼續(xù)增大LGF含量,一方面較高的LGF含量致使其難以分散均勻,如圖1所示;另一方面過多的LGF會(huì)導(dǎo)致LGF之間以及其與加工設(shè)備之間的摩擦增大,使LGF長(zhǎng)度減少,進(jìn)而使拉伸強(qiáng)度的增加變得緩慢[6-7]。同時(shí)掃描不同位置的斷口形貌,發(fā)現(xiàn)拔出LGF表面緊緊包覆樹脂。由此可知,復(fù)合材料具有良好的結(jié)合界面,從而達(dá)到優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖1 PP-LGF(40%)復(fù)合材料的沖擊斷面形貌

為此,LGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的復(fù)合材料(記作PP-LGF40),在滿足制品剛性要求的同時(shí)[8],又能最大化的實(shí)現(xiàn)塑料尾門的輕量化。

2.2 PP的MFR對(duì)復(fù)合材料性能的影響

選取力學(xué)性能相當(dāng),MFR差異較大的5種PP為基體制備PP-LGF40復(fù)合材料,研究MFR對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和玻纖保留長(zhǎng)度的影響,如表2和圖2所示。隨著PP的MFR增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能均有不同程度的提高,特別是沖擊性能和拉伸性能提升最為明顯。這是由于PP樹脂高M(jìn)FR利于提高其對(duì)LGF的浸潤(rùn)程度,減少LGF的團(tuán)聚現(xiàn)象;同時(shí)高M(jìn)FR樹脂降低了對(duì)LGF的剪切作用,從而降低加工過程中LGF折損程度,最大程度保持其長(zhǎng)度。

表2 PP流動(dòng)性對(duì)復(fù)合材料性能的影響

圖2 PP-LGF40拉伸樣條中玻纖保留長(zhǎng)度

由圖2可知，在高M(jìn)FR的PP中,LGF分散更均勻,保留長(zhǎng)度相對(duì)更大。因此,優(yōu)選MFR 40 g/10 min以上的PP作為基材。復(fù)合材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能,此時(shí),拉伸樣條中LGF保留長(zhǎng)度均值約在7.4 mm以上。

2.3 表面極性劑含量對(duì)復(fù)合材料黏結(jié)性能的影響

為了便于黏結(jié),一般要求塑料表面的張力值達(dá)到42 mN/m以上[9],而PP-LGF復(fù)合材料的表面張力僅為30 mN/m,無法滿足生產(chǎn)要求,故在材料中添加自制的表面極性劑 HT-17。

選擇PP HP480S為基體材料,研究HT-17用量對(duì)PP-LGF40復(fù)合材料黏結(jié)性能的影響,結(jié)果如表3顯示。由表3可知，添加HT-17可有效改善其表面張力,當(dāng)其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),PP-LGF40復(fù)合材料的表面張力從31 mN/m增至48 mN/m,經(jīng)黏結(jié)固化后,樣品的剪切強(qiáng)度從0.41 kJ/m2上升至1.65 kJ/m2,界面破壞形式由100%界面破壞發(fā)展成80%膠內(nèi)聚破壞,此時(shí),PP-LGF40復(fù)合材料的力學(xué)性能如表4所示,完全滿足塑料尾門對(duì)材料剛性和黏結(jié)性能的行業(yè)要求。

表3 HT-17用量對(duì)復(fù)合材料黏結(jié)性能的影響

表4 PP-LGF復(fù)合材料性能

3 結(jié)論

a) LGF增強(qiáng)PP復(fù)合材料的力學(xué)性能,包括拉伸性能、彎曲性能和韌性隨GF含量增加而增加,但GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%時(shí),拉伸強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨于平緩。

b) PP基材的MFR越大,LGF保留長(zhǎng)度越大,復(fù)合材料力學(xué)性能越優(yōu)異,MFR為40 g/10 min以上,復(fù)合材料中LGF的保留長(zhǎng)度均值約在7.4 mm以上。

c) 添加表面極性劑HT-17能提高材料的黏結(jié)性能,其添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),復(fù)合材料的表面張力從31 mN/m增至48 mN/m,經(jīng)黏結(jié)固化后,樣品的剪切強(qiáng)度從0.41 kJ/m2上升至1.65 kJ/m2,界面破壞形式由100%界面破壞發(fā)展成80%膠內(nèi)聚破壞,復(fù)合材料的綜合性能滿足全塑尾門要求。