用于汽車內(nèi)飾的空心玻璃微珠增強聚丙烯材料的配方研究

劉 茜 （上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200000）

0 引言

聚丙烯材料由于其較好的耐沖擊性能、機械性能，優(yōu)良的耐各種溶劑性能，抗光照老化性能，以及較低的成本，而廣泛應(yīng)用在汽車內(nèi)外飾零件上。近年來，隨著汽車銷量的提升，節(jié)能環(huán)保越來越受到消費者的關(guān)注，輕量化已成為業(yè)內(nèi)炙手可熱的話題。聚丙烯材料作為整車用量最大的塑料材料，輕量化的改性材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

空心玻璃微珠的密度一般只有0.3～0.5 g/cm3，是一種輕量化的填料。采用空心玻璃微珠改性聚丙烯材料，并通過長玻纖增強，可以獲得與滑石粉改性聚丙烯性能相當(dāng)?shù)妮p量化材料，將其應(yīng)用于汽車內(nèi)飾零件，可以達到良好的減重效果。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

聚丙烯（BX3800），韓國SK；空心玻璃微珠（VS5500，承壓2 495 kg和IM16K，承壓7 257 kg），美國3M；玻纖（GF 508A），巨石；耐刮擦劑（MB50-001），道康寧；除味劑（JH-200A），嘉和化工；抗浮纖劑（Tegomer H-Si 6441P），德固賽；分散劑（EBFF），花王；相容劑（Bondyram 100CN），Polyram。

1.2 試驗設(shè)備

雙螺桿擠出機（科倍隆ZSK-58），德國；注塑機（HTFS30X1），海天；電動劃格儀（430P-I），ERICHSEN；高低溫交變濕熱試驗箱（EEXTH400U），安吉拉通力增達；恒溫恒濕試驗機（KSON KTHC-415THS），中國臺灣慶聲。

1.3 制樣過程

1.3.1 材料粒子制備

樹脂和各種助劑經(jīng)過高速混勻后，從主喂料加入；采用雙側(cè)喂的方式將空心玻璃微珠和玻纖加入雙（或單）螺桿擠出機進行熔融擠出，再經(jīng)造粒機切粒即可得空心玻璃微珠改性聚丙烯材料。擠出溫度為200～240 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速300～600 r/min。生成的粒料在80 ℃烘箱中干燥4 h后，注塑成樣條，測試其物理性能。

1.3.2 樣件制備

采用空心玻璃微珠改性的材料，利用現(xiàn)有普通門飾板的模具，注塑零件。提高料溫至250 ℃，增加材料的流動性，有利于獲得更好的零件表面質(zhì)量；增加注塑壓力至9 MPa，減少材料在螺桿中的時間，減少空心玻璃微珠的破碎，以獲得更好的減重效果。

1.4 性能測試

所有注塑成型的樣品及零件在成型后立即封入標(biāo)準(zhǔn)氣壓下［溫度（23±3）℃，相對濕度50 %］的除濕箱中至少24 h，然后再按照要求進行各項試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃微珠牌號選擇對材料性能的影響

選 擇VS5500、IM16K和7040S 3種 牌 號 的 空 心玻璃微珠，其基本性能見表1。由表1可知，VS5500的密度最小，IM16K的密度最大，承壓性能也最好，7040S的承壓性能最差。

表1 空心玻璃微珠的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of hollow glass beads

采用上述3種牌號的空心玻璃微珠制備樣條，進行材料級試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 空心玻璃微珠改性PP材料的性能Table 2 Properties of PP materials modified by hollow glass beads

由 表2可 見，經(jīng)VS5500和IM16K改 性 后 的PP材料的拉伸強度和彎曲模量符合T20材料標(biāo)準(zhǔn)，由于空心玻璃微珠的加入，材料密度下降明顯，沖擊強度明顯下降。經(jīng)7040S改性后的材料性能更接近PP-GF10，推測由于采用的微珠抗壓性較低，玻璃微珠在制備過程中大量碎裂，未能起到輕量化的效果。以輕量化為導(dǎo)向，后續(xù)試驗采用輕量化效果最佳的IM16K繼續(xù)進行。

2.2 不同配方的性能對比

選擇IM16K型玻璃微珠作為填料，并添加一定比例的玻璃纖維增強聚丙烯（PP）材料，玻璃微珠（GB）的質(zhì)量分數(shù)分別為10 %、20 %、25 %，玻璃纖維（GF）的質(zhì)量分數(shù)分別為5 %、10 %、15 %，試驗結(jié)果與整車內(nèi)飾常用材料PP-T20（聚丙烯添加20 %滑石粉材料）的對比如表3所示。

表3 不同配方的改性材料性能Table 3 Properties of modified materials with different formulations

2.2.1 密度變化

在相同玻璃纖維含量的材料中，空心玻璃微珠的含量和材料密度存在線性關(guān)系，隨著空心玻璃微珠含量的增加，材料的密度降低。說明加入空心玻璃微珠可以起到較好的減重效果。

2.2.2 強度變化

在相同玻璃纖維含量的材料中，空心玻璃微珠含量和材料的彎曲模量存在線性關(guān)系，隨著空心玻璃微珠含量的增加，材料的彎曲模量降低。原因是空心玻璃微珠的中空結(jié)構(gòu)會成為材料中較為薄弱的環(huán)節(jié)，如果微珠破裂，也易產(chǎn)生孔洞，對材料強度造成不利影響，導(dǎo)致彎曲強度下降。

2.2.3 韌性變化

在相同的空心玻璃微珠的材料中，玻璃纖維含量和材料的沖擊強度存在線性關(guān)系，隨著玻璃纖維含量的增加，材料的沖擊強度增加，玻璃纖維起到了補強增韌的效果。但隨著空心玻璃微珠含量的增加，玻璃纖維增韌的效果減弱，這可能是由于隨著空心玻璃微珠含量的增加，微珠及玻璃纖維混合碎裂的可能性增大，影響了玻璃纖維的增韌效果。

2.3 樣件的性能分析

內(nèi)飾材料的沖擊強度應(yīng)≥4 kJ/m2，因此選擇10 %空心玻璃微珠，15 %玻璃纖維增強的聚丙烯材料，應(yīng)用改性后的PP-GB10GF15和改性前的PP-T20材料制備門飾板，分別命名為“改性PP門飾板”和“普通PP門飾板”，并且進行相關(guān)試驗。

2.3.1 質(zhì)量對比

普通PP門飾板質(zhì)量為207.1 g，改性PP門飾板質(zhì)量為181.7 g，減重了12.3 %，效果比較明顯。改性PP門飾板和普通PP門飾板零件外觀差別不大，在零件縮痕等方面還略有改善。

2.3.2 性能檢測結(jié)果

改性PP門飾板零件性能測試結(jié)果如表4所示，均符合試驗要求，這說明改性PP門飾板可以滿足內(nèi)飾零件的基本要求。

表4 改性PP門飾板零件性能測試結(jié)果Table 4 Performance test results of modified PP door trim parts

3 結(jié)語

本項目研究空心玻璃微珠改性聚丙烯材料，替代常規(guī)的滑石粉增強聚丙烯材料，取得以下成果：

（1） 篩選原材料，選取抗壓強度較高的美國3M IM16K空心玻璃微珠為原料；

（2） 調(diào)整配方和選材比例，改性聚丙烯材料的最優(yōu)配比為10 %空心玻璃微珠、15 %玻璃纖維和75 %的聚丙烯；

（3） 通過小批量配方研制、試制樣件，無需修模，較高的料溫和較大的注塑壓力，有利于減少原材料在螺桿中的時間，獲得輕量化的試樣，相比20 %滑石粉增強聚丙烯材料減重12.4 %；

（4） 零件經(jīng)過試驗后，尺寸、外觀和性能都滿足零件要求。

本項目研究了空心玻璃微珠改性聚丙烯材料的最優(yōu)選材配方和最佳配比，以及生產(chǎn)工藝的注意事項，為開發(fā)輕量化的空心玻璃微珠改性聚丙烯材料打下了基礎(chǔ)。