發(fā)泡劑母粒對微發(fā)泡PP材料泡孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響

張 涵

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 前言

近年來，聚丙烯(PP)發(fā)泡材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、突出的耐高溫穩(wěn)定性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性和良好的耐降解性而引起人們廣泛的關(guān)注；尤其在輕量化、節(jié)能環(huán)保趨勢的汽車領(lǐng)域更受青睞。注塑級微發(fā)泡材料技術(shù)以其獨(dú)有的芯層發(fā)泡、表層致密的三明治結(jié)構(gòu)，可以在盡可能減少性能損耗的前提下，顯著減輕制件的質(zhì)量，縮短注塑周期，減少材料用量，降低生產(chǎn)成本[1-4]。

汽車內(nèi)飾由于氣味、揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)等要求，目前車用微發(fā)泡材料的發(fā)泡劑基本是碳酸氫鈉類無機(jī)發(fā)泡劑。使用該發(fā)泡劑后，采用化學(xué)法注塑微發(fā)泡技術(shù)生產(chǎn)出來的制件普遍存在表面缺陷，如大量氣痕、表面分層、表面發(fā)花等，制約PP微發(fā)泡材料應(yīng)用的拓展。許多學(xué)者對表面缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。ZHANG L等[5]認(rèn)為在高射速下泡孔向表面擴(kuò)散，從而與模具表面出現(xiàn)剪切破裂，造成了表面缺陷，且破裂所處的界面不同會造成表面缺陷形貌不同。CHEN S C等[6-7]研究了氣體反壓對聚苯乙烯發(fā)泡材料表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：氣體反壓壓力升高有助于消除微發(fā)泡材料表面氣痕等問題，但是過高的壓力會抑制發(fā)泡的進(jìn)行。雖然目前關(guān)于發(fā)泡材料表面質(zhì)量和力學(xué)性能的研究有一定進(jìn)展，但是針對發(fā)泡劑對發(fā)泡材料的表面質(zhì)量、泡孔形態(tài)和性能研究的報(bào)道比較少。

筆者通過化學(xué)注塑微發(fā)泡方法，研究不同發(fā)泡劑特性對PP材料發(fā)泡后表觀、泡孔形態(tài)和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為改善化學(xué)注塑發(fā)泡制件的表面質(zhì)量提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

改性PP材料，熔融指數(shù)為40 g/min(230 ℃、2.16 kg)，密度為1.05 g/cm3；

碳酸氫鈉發(fā)泡劑母粒A，主要成分是NaHCO3，發(fā)氣量為110 mL/g，載體樹脂為低密度聚乙烯(上海杰上杰化學(xué)有限公司)；

碳酸氫鈉發(fā)泡劑母粒B，主要成分是NaHCO3，發(fā)氣量為90 mL/g，載體樹脂為低密度聚乙烯(上海杰上杰化學(xué)有限公司);

碳酸氫鈉發(fā)泡劑母粒C，主要成分是NaHCO3，發(fā)氣量為70 mL/g，載體樹脂為低密度聚乙烯(上海杰上杰化學(xué)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

塑料注塑設(shè)備(SA2500/1000V)，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

光學(xué)電子顯微鏡(Leica M125),徠卡顯微系統(tǒng)；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell Z010)，Zwick/Roell集團(tuán)；

擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell Hit5.5P)，Zwick/Roell集團(tuán)。

1.3 樣品制備

將碳酸氫鈉發(fā)泡劑母粒A、B、C分別與PP材料均勻混合，在二次開模條件下制備微發(fā)泡PP復(fù)合材料，其注塑溫度為175 ℃、190 ℃、200 ℃、180 ℃，注塑壓力為0.5 MPa，注射速度為90%最大注射速度。

1.4 測試與表征

1.4.1 泡孔結(jié)構(gòu)

將使用不同發(fā)泡劑母粒發(fā)泡后的PP樣條在低溫下迅速沖斷，斷口在光學(xué)電子顯微鏡下觀察并拍照。泡孔尺寸及泡孔數(shù)目采用LAS V4.7圖像處理軟件對泡孔結(jié)構(gòu)的光學(xué)電子顯微鏡照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

1.4.2 密度

采用梅特勒-托利多XS電子天平按ISO 1183-1—2012 《塑料 材料密度的測定方法》測試。

1.4.3 力學(xué)性能

拉伸強(qiáng)度按ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能測試方法》測試，樣條尺寸為5A,測試速度為50 mm/min。

彎曲強(qiáng)度按ISO 178—2010 《塑料 彎曲性能的測試》測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm,跨距為64 mm，測試速度為2 mm/min。

缺口沖擊強(qiáng)度按ISO179-1/1eA—2010 《塑料 簡支梁沖擊強(qiáng)度的測試》測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP復(fù)合材料泡孔形態(tài)的影響

圖1為不同發(fā)泡劑種類在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%下的微發(fā)泡PP材料泡孔形態(tài)圖片。由圖1可以看出：PP材料中添加不同發(fā)泡劑母粒進(jìn)行發(fā)泡，其發(fā)泡質(zhì)量有明顯差異。PP材料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的發(fā)泡劑母粒B以后，發(fā)泡質(zhì)量最好，泡孔平均直徑最小(124 μm)，單位面積內(nèi)可觀察到743個(gè)泡孔，泡孔數(shù)目最多，泡孔尺寸分布相對較均勻。

圖1 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料泡孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖1(a)可以看出：相同添加量下，發(fā)泡劑母粒B的發(fā)氣量介于發(fā)泡劑母粒A和發(fā)泡劑母粒C之間。使用發(fā)泡劑母粒A的PP材料發(fā)泡后泡孔平均直徑增大至159 μm，同時(shí)泡孔數(shù)量降低至393，有并泡現(xiàn)象發(fā)生，泡孔尺寸分布不均勻。分析其主要原因，可能是由于PP材料添加發(fā)泡劑母粒A，發(fā)泡劑母粒A發(fā)氣量比較大，但在基體材料中分散性較差從而導(dǎo)致發(fā)泡質(zhì)量不佳，出現(xiàn)并泡現(xiàn)象[7]。

由圖1(c)可以看出：使用發(fā)泡劑母粒C的PP材料發(fā)泡后泡孔平均直徑為171 μm，單位面積內(nèi)可觀察到330個(gè)泡孔，泡孔稀疏。分析其主要原因，可能是發(fā)泡劑母粒C發(fā)氣量不足，且產(chǎn)生的氣核無法均勻分散在熔體中。若相鄰泡孔尺寸相似，在界面張力的作用下泡孔會趨于合并；若尺寸相差較大，則由于泡孔內(nèi)氣體壓力的不同，泡孔間的熔體薄膜破裂，泡孔合并[8-9]，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)泡質(zhì)量較差。

2.2 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料表面質(zhì)量影響

圖2為不同發(fā)泡劑種類在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%下的微發(fā)泡PP材料表面質(zhì)量的圖片。由圖2可以看出：PP材料中添加不同發(fā)泡劑母粒進(jìn)行發(fā)泡，表面質(zhì)量有明顯的差異。PP材料中加入發(fā)泡劑母粒A后，表面出現(xiàn)明顯的氣痕，尤其在光板區(qū)域放射狀的氣痕非常明顯。

圖2 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料表面質(zhì)量的影響

當(dāng)加入發(fā)泡劑母粒B、C后，微發(fā)泡PP材料的表面基本無明顯氣痕，表面質(zhì)量好。分析其主要原因，可能是由于PP材料添加發(fā)泡劑母粒A，發(fā)泡劑母粒A發(fā)氣量較大，且初期形成的氣核不能均勻分散在PP材料中，從而在泡孔生長時(shí)，大量泡孔擴(kuò)散至表面，與模具表面剪切，從而形成大量氣痕。當(dāng)發(fā)氣量適當(dāng)降低時(shí)，氣核產(chǎn)生數(shù)量相對較低，能相對較穩(wěn)定地分散在PP材料中，不易擴(kuò)散至表面形成氣痕[10-11]，所以發(fā)泡劑母粒B、C發(fā)泡后表面質(zhì)量更好。

2.3 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料力學(xué)性能的影響

圖3為不同發(fā)泡劑種類在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%下的微發(fā)泡PP材料力學(xué)性能圖。由圖3可以看出：相對未發(fā)泡PP材料，發(fā)泡后的PP材料拉伸強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度均有一定程度的降低。由于注塑微發(fā)泡PP中的泡孔作為應(yīng)力集中缺陷分布在PP基體中，泡孔的存在對于力學(xué)強(qiáng)度有不利的影響，因此發(fā)泡后PP材料力學(xué)強(qiáng)度具有一定程度的降低[12-13]。使用不同發(fā)泡劑母粒的PP材料降低幅度會出現(xiàn)較大差異。在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%下，發(fā)泡劑母粒B的力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度)降低幅度最小，其中彎曲模量與未發(fā)泡PP材料相比，無明顯變化。這是因?yàn)槭褂冒l(fā)泡劑母粒B后可獲得相對較為均一的泡孔結(jié)構(gòu)，而使用發(fā)泡劑母粒A或C后泡孔大小不均一，大泡孔受力時(shí)容易最先破裂從而成為缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能損失較大。

圖3 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料力學(xué)性能的影響

比強(qiáng)度為材料單位面積所受的力與其密度之比，該參數(shù)是衡量材料是否輕質(zhì)高強(qiáng)的重要指標(biāo)[16]。圖4為不同發(fā)泡劑種類在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%下的微發(fā)泡PP材料比強(qiáng)度的對比圖。由圖4可以看出：相比未發(fā)泡PP材料，發(fā)泡后的PP材料的比彎曲強(qiáng)度均有增加，使用不同的發(fā)泡劑母粒，比拉伸強(qiáng)度和比沖擊強(qiáng)度變化趨勢略有不同。注塑發(fā)泡過程中，泡孔壁周圍的PP分子鏈和鏈段受到顯著的拉伸形變作用而形成取向的晶體。同時(shí)，由于模具溫度較低，PP分子鏈及鏈段來不及完全松弛就被凍結(jié)，取向的晶體作為增強(qiáng)相包裹在泡孔周圍，可大大降低微發(fā)泡PP的比強(qiáng)度損失[15-16]。使用發(fā)泡劑母粒A或C后，發(fā)泡材料的比拉伸強(qiáng)度和比沖擊強(qiáng)度明顯低于未發(fā)泡PP材料，而使用發(fā)泡劑母粒B后，發(fā)泡材料的比拉伸強(qiáng)度和比沖擊強(qiáng)度基本與未發(fā)泡PP材料相當(dāng)，這得益于使用發(fā)泡劑母粒B后可獲得相對較為均一的泡孔結(jié)構(gòu)。

圖4 不同發(fā)泡劑對微發(fā)泡PP材料比強(qiáng)度的影響

3 結(jié)語

以PP材料為基體，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的不同發(fā)泡劑母粒，采用注塑成型的工藝方法制備微發(fā)泡PP材料，系統(tǒng)考察了發(fā)泡劑種類對微發(fā)泡PP材料泡孔結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：

(1) 使用不同發(fā)泡劑后，在相同的添加比例下可以獲得不同泡孔結(jié)構(gòu)的微發(fā)泡PP材料。當(dāng)使用發(fā)泡劑母粒B后微發(fā)泡PP材料泡孔質(zhì)量最好，泡孔平均直徑最小，單位面積內(nèi)可觀察到泡孔數(shù)目最多，泡孔尺寸分布相對較均勻。同時(shí)，使用發(fā)泡劑母粒B后，微發(fā)泡PP材料的表面基本無明顯氣痕，表面質(zhì)量最好。

(2) 使用發(fā)泡劑母粒B后獲得相對較為均一細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu)，相比于未發(fā)泡PP材料，微發(fā)泡PP材料比彎曲模量增加，比拉伸強(qiáng)度和比沖擊強(qiáng)度基本無明顯變化。

因此，選擇合適發(fā)氣量的發(fā)泡劑母粒能夠得到表面質(zhì)量和力學(xué)性能要求較高的注塑微發(fā)泡PP材料制件。