高含量玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

李秀峻

(上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805)

0 前言

隨著當(dāng)前汽車輕量化、環(huán)?；男枨笕找嫱怀觯诋a(chǎn)銷量相對(duì)更大的小型乘用車領(lǐng)域，很多形狀復(fù)雜、承力要求較低的結(jié)構(gòu)性部件如前端框架、天窗框架等已逐步采用玻璃纖維(GF)增強(qiáng)熱塑性顆粒料為基材選擇，其具有加工簡(jiǎn)便、易注塑、纖維分布均勻等特點(diǎn)[1-2]。

對(duì)于常規(guī)的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP-GF)復(fù)合材料來說，由于其常用GF為短切氈片，加工后纖維保留長(zhǎng)度(0.2～0.6 mm)相對(duì)較低，因此，其力學(xué)性能上對(duì)比其他增強(qiáng)材料如長(zhǎng)纖增強(qiáng)聚丙烯(PP-LGF)材料、玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺(PA-GF)材料具有一定的劣勢(shì)[3-5]。要實(shí)現(xiàn)PP-GF復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域更大范圍的推廣應(yīng)用，必須解決PP-GF復(fù)合材料的高性能化問題，尤其是在較高GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前提下復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化問題，這需要從材料配方組分的不同方面協(xié)同入手，實(shí)現(xiàn)各因素的改性效果的疊加效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP：牌號(hào)T30S，中國石化茂名石油化工有限公司；

PP：牌號(hào)HJ8012，北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；

PP：牌號(hào)B393G，韓國SK公司；

GF：248A，直徑為13 μm，歐文斯科寧復(fù)合材料有限公司；

相容劑: 馬來酸酐接枝聚丙烯5001，佳易容相容劑江蘇有限公司；

相容劑: 馬來酸酐接枝聚丙烯1001，以色列Polyram Group；

成核助劑：NA-21，日本旭電化工業(yè)株式會(huì)社。

1.2 儀器和設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)，CTE-35，科倍隆機(jī)械南京有限公司；

標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑機(jī)，EM120-SVP/3，震德塑料機(jī)械有限公司；

密度測(cè)試儀，DH-300，東莞宏拓儀器有限公司；

灰分含量測(cè)試儀，SXL-1200M，上海鉅晶精密儀器制造有限公司；

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

簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，JJ-5.5，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；

低溫冷凍箱，MDF-192，日本三洋；

熱變形維卡測(cè)試儀，6921.000，意大利Ceast公司；

纖維長(zhǎng)度分布測(cè)試儀，F(xiàn)ASEP Eco，德國KARG集團(tuán)。

1.3 材料制備及樣條注塑

按表1中比例稱量聚丙烯(PP)、相容劑、成核劑等原料，混合均勻后投入到螺桿直徑為35 mm、長(zhǎng)徑比為44的緊密嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的主喂料倉中，單獨(dú)稱取一定量的GF，投入到擠出機(jī)側(cè)向喂料倉中，擠出溫度設(shè)定為190～210 ℃，經(jīng)機(jī)頭口模擠出后冷卻、干燥、切粒，制得所需的PP-GF復(fù)合材料。

表1高質(zhì)量分?jǐn)?shù)PP-GF復(fù)合材料的配方%

將所得PP-GF粒子在標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑機(jī)中進(jìn)行注塑成型，制備常規(guī)的力學(xué)性能測(cè)試樣條。

1.4 常規(guī)性能及微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

密度按ISO 1183-1《非泡沫塑料的密度測(cè)定方法》測(cè)試。

拉伸性能按ISO 527-2《拉伸性能的測(cè)定方法》測(cè)試，測(cè)試速率為50 mm/min。

彎曲性能按ISO 178《彎曲性能的測(cè)定方法》測(cè)試，跨距為64 mm，測(cè)試速率為2 mm/min。

沖擊性能按ISO 179-1《簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法》在簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別在常溫(23 ℃)及低溫(-30 ℃)下進(jìn)行測(cè)試。

缺口沖擊性能按ISO 179-1在簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，樣條缺口為A型，在常溫(23 ℃)下進(jìn)行測(cè)試。

纖維保留長(zhǎng)度分析是將所得的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物離子于600 ℃的馬弗爐中灼燒至恒重，然后將所得殘余物溶解于乙醇溶劑中進(jìn)行分散，分散后的樣品放置于FASEP Eco纖維長(zhǎng)度分布測(cè)試儀的載物臺(tái)上進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 增強(qiáng)PP的配方因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響

對(duì)于PP/GF復(fù)合體系來說，纖維長(zhǎng)度及取向、界面狀況、基體樹脂特性是影響復(fù)合材料最終性能的三個(gè)要素，而其中GF的界面相容性一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6-7]。

GF作為一種無機(jī)增強(qiáng)體，其性質(zhì)與PP基體材料之間存在較大的差距，即便GF表面存在著一定量的偶聯(lián)劑，但這種基于物理作用力構(gòu)建的界面層還是過于薄弱，在多因素的復(fù)雜環(huán)境中極易發(fā)展成空隙、空洞、微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，最終導(dǎo)致復(fù)合材料失效[8]。因此，在一些特定需求的體系中，如較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≥40%)的GF增強(qiáng)體系中，其他因素如基體樹脂特性、纖維長(zhǎng)度及取向分布的重要性就逐漸顯現(xiàn)出來。

表2為不同的PP基體、相容劑及功能助劑組合而成的配方材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比。由表2數(shù)據(jù)可知:在GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，PP基材選擇的合理性顯得尤為重要。對(duì)比樣品1、樣品2、樣品3的數(shù)據(jù)可知，由于擠出機(jī)中物料的停留時(shí)間是非常有限的，而樣品1所用的T30S材料由于其熔指較低，加工流動(dòng)性差，因此對(duì)GF與基體之間均勻混煉效果帶來一定的負(fù)面影響，材料的拉伸強(qiáng)度僅為98 MPa，彎曲強(qiáng)度及模量分別為136 MPa、7 320 MPa，主要的力學(xué)性能指標(biāo)均明顯低于樣品2和樣品3。樣品2所用的HJ8012基體為中等熔指、高結(jié)晶性均聚丙烯，其基體的各項(xiàng)特性都很適用于高剛性、高模量的GF增強(qiáng)體系，因此，其與GF的搭配效果明顯優(yōu)于其他兩種基體。而進(jìn)一步對(duì)比可知，在相容劑及功能助劑優(yōu)化的共同輔助前提下(樣品6)，增強(qiáng)PP材料的力學(xué)性能得以小幅度的再提升，拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)120 MPa，常溫(23℃)及低溫(-30℃)沖擊強(qiáng)度提升至58 kJ/m2、65 kJ/m2，體現(xiàn)出良好的剛性及抗沖擊性能。

表2不同配方組分的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)PP-GF復(fù)合材料性能

項(xiàng)目樣品編號(hào)123456密度/(g·cm-3)1.271.281.271.281.28.1.28GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%44.345.244.945.745.445.7拉伸強(qiáng)度/MPa98106104115113120彎曲強(qiáng)度/MPa136149143153160164彎曲模量/MPa7 3207 7458 2308 6408 9439 045 23 ℃沖擊強(qiáng)度/(kJ·m-2)414743545058 -30 ℃沖擊強(qiáng)度/(kJ·m-2)374041485465 缺口沖擊強(qiáng)度/(kJ·m-2)9.69.910.110.310.811.5 1.8 MPa熱變形溫度/℃143147144149151153

對(duì)于PP/GF復(fù)合體系來說，GF的分布狀況也是影響復(fù)合材料最終性能的關(guān)鍵性因素[9-10]。因此，筆者選擇性對(duì)比樣品1和樣品6材料中GF增強(qiáng)體的保留長(zhǎng)度情況(見圖1)。

由圖1可知：配方優(yōu)化前的樣品1材料中存在著明顯的碎纖現(xiàn)象，其長(zhǎng)度都低于0.1 mm，且體系中GF集中分布于0.20～0.25 mm，纖維的平均保留長(zhǎng)度為0.258 mm；而通過PP基體、相容劑及成核劑等組分優(yōu)化的樣品6材料中則基本不存在零碎的GF，纖維集中分布于0.25～0.40 mm，尤其是長(zhǎng)度為0.30～0.40 mm的GF占比有了明顯的提升，纖維的平均保留長(zhǎng)度為0.343 mm，同比樣品1材料的纖維平均保留長(zhǎng)度提高了30%，這與表1中兩者的力學(xué)性能差異是相互印證的。

2.2 優(yōu)化前后增強(qiáng)PP材料的制件表現(xiàn)

雖然各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，配方優(yōu)化后的PP-GF復(fù)合材料的剛性及抗沖擊性都有了明顯改善，但對(duì)于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)PP-GF復(fù)合材料來說，其高剛性、高抗沖的特性是否能較好地在最終的成品件上體現(xiàn)出來是更值得關(guān)注的環(huán)節(jié)，而且制件的尺寸穩(wěn)定性也是決定了材料應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵因素。

圖2為樣品1和樣品6增強(qiáng)PP材料在汽車天窗前梁模具上的驗(yàn)證制件。

(a) 樣品1(配方優(yōu)化前)(b) 樣品6(配方優(yōu)化后)

圖2配方優(yōu)化前后材料的成品件狀況對(duì)比

從圖2中制件的整體狀況對(duì)比可以看出:兩者的成型效果大致相同，制件表觀平整、光滑，表面浮纖狀況較少，各螺絲孔裝配正常，表明上述2種材料已基本具備天窗前梁用高性能PP-GF復(fù)合材料的基本特性。

表3是樣品1和樣品6材料注塑成品件的件上取樣性能、尺寸測(cè)試及其他成品件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

由表3可見：配方優(yōu)化后的樣品6材料的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均明顯優(yōu)于未優(yōu)化的樣品1材料，制件取樣的性能更好，制件剛性明顯增強(qiáng)；更為關(guān)鍵的是制件的尺寸數(shù)據(jù)合格率從85%提升至98%，且樣品1材料在成品件測(cè)試所出現(xiàn)的拉拔力、卡扣拉傷等現(xiàn)象均得以改善，測(cè)試項(xiàng)目全部獲得通過。

3 結(jié)語

PP-GF復(fù)合材料是當(dāng)今汽車輕量化、低成本化的典型材料，其將PP適中的力學(xué)性能、良好的耐化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的成型加工型和相對(duì)低廉的價(jià)格，以及GF增強(qiáng)體的高模量、高強(qiáng)度、低收縮等特性集于一身，體現(xiàn)了當(dāng)前汽車“以塑代鋼”的新材料發(fā)展理念。

表3 配方改善前后材料的成品件測(cè)試項(xiàng)目情況匯總

筆者的研究聚焦于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PP-GF復(fù)合材料，與常規(guī)的GF增強(qiáng)材料不同的是，由于GF增強(qiáng)體用量的大幅度提升，影響其性能的關(guān)鍵因素也從傳統(tǒng)的界面相容性轉(zhuǎn)變?yōu)镻P基體及其他組分的搭配應(yīng)用，尤其是加工流動(dòng)性更好、結(jié)晶含量高、晶體結(jié)構(gòu)更為致密的PP基體，對(duì)促進(jìn)增強(qiáng)PP復(fù)合材料的整體性能提升、改善成品件的剛性及尺寸穩(wěn)定性更是有著顯而易見的促進(jìn)作用。隨著未來汽車領(lǐng)域的深層次變革持續(xù)推進(jìn)，這種高剛性、高性價(jià)比、易加工成型、尺寸穩(wěn)定性好的高性能復(fù)合材料的應(yīng)用前景及價(jià)值將不可限量。