不同發(fā)泡體系EPP 對(duì)性能的影響

鄭廣通，葉 明，倪忠斌，施冬?。ㄍㄐ抛髡撸?/p>

（1 無(wú)錫會(huì)通輕質(zhì)材料股份有限公司 江蘇 無(wú)錫 214000）

（ 2 江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

發(fā)泡聚丙烯以其優(yōu)異的綜合性能，目前已成為增長(zhǎng)最快的輕量化材料之一，在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用較廣，對(duì)于汽車工業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)作出了較大的貢獻(xiàn)［1］。

發(fā)泡聚丙烯釜壓發(fā)泡工藝一般采用高熔體強(qiáng)度的聚丙烯作為原料，進(jìn)行螺桿改性后，通過(guò)超臨界二氧化碳釜壓發(fā)泡，制備出發(fā)泡聚丙烯珠粒［2-6］。 發(fā)泡聚丙烯珠粒在專用模具中通過(guò)蒸汽加熱成型出所需制件。 因使用場(chǎng)景要求，部分制件需要有較高的機(jī)械性能，故需選用熔點(diǎn)更高、力學(xué)性能相對(duì)優(yōu)異的二元共聚聚丙烯進(jìn)行發(fā)泡研究；但是，當(dāng)選用的聚丙烯自身熔點(diǎn)高，其發(fā)泡后所制備的珠粒在進(jìn)行成型過(guò)程中所需要的蒸汽能耗隨之升高。 換言之，發(fā)泡聚丙烯制件的機(jī)械性能主要受原料聚丙烯自身的力學(xué)性能以及珠粒與珠粒間的黏接性能共同影響。 當(dāng)聚丙烯自身力學(xué)性能較優(yōu)時(shí)，結(jié)晶度較高，成型壓力也必然提高；而對(duì)于尺寸較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的制件，成型過(guò)程中蒸汽穿透各珠粒間所需要的壓力更大，由此可以看出其珠粒間的黏接性能將受到極大影響［7-12］。

基于此，開(kāi)發(fā)出一款力學(xué)性能較優(yōu)、成型能耗較低的發(fā)泡聚丙烯珠粒，將可以極大改善這一問(wèn)題。 因此，本文將首先采用二元共聚聚丙烯進(jìn)行發(fā)泡工藝的研究，試圖尋找最優(yōu)的發(fā)泡工藝；其次通過(guò)引入三元共聚聚丙烯，在確保機(jī)械性能前提下，降低成型能耗，實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本和節(jié)能減排。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及原料

二元共聚聚丙烯（PP）：W331，新加坡聚烯烴公司；三元共聚聚丙烯（PP）：E800E，中國(guó)石化（上海）金山實(shí)業(yè)公司；硼酸鋅，工業(yè)級(jí)，昆山升恒化學(xué)材料有限公司；油酸酰胺：精制出口級(jí)，德國(guó)ZOTN 公司；抗氧劑：1010，常州新策高分子材料有限公司；高嶺土：ASP200，巴斯夫股份公司；十二烷基磺酸鈉，純度≥97%，上海源葉生物科技有限公司；二氧化碳：食品級(jí)，林德二氧化碳有限公司；水：高純，自制。

1.2 主要儀器和設(shè)備

電子天平：JB／T 5374-1991，瑞士Mettler Toledo 公司；高速混合機(jī)：SHR-511，張家港市億利機(jī)械有限公司；小型雙螺桿擠出機(jī)：AK22，南京科亞化工成套裝備有限公司；發(fā)泡釜：0.5 m3，南通華興高壓釜有限公司；真空干燥箱：DZF-6050，無(wú)錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司；EPP 成型設(shè)備：FK-EPP1412，翡柯機(jī)械（福建）有限公司；萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)：INSTRON-5967，英斯特朗試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司；差示掃描量熱儀：DSC-8000，美國(guó)PE 公司。

1.3 發(fā)泡聚丙烯珠粒的制備

將500 ppm 的硼酸鋅、2 000 ppm 的色母粒、600 ppm的油酸酰胺、3 000 ppm 的抗氧劑、聚丙烯顆粒，置于高速混合機(jī)攪拌中，均勻后，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融混煉、拉絲、切粒，得到聚丙烯發(fā)泡微粒。 將聚丙烯發(fā)泡微粒、十二烷基磺酸鈉、高嶺土加入高壓發(fā)泡釜中，在特定工藝參數(shù)下進(jìn)行發(fā)泡，分別制得不同發(fā)泡體系和W331 發(fā)泡體系聚丙烯珠粒。

1.4 聚丙烯泡沫制品的制備

發(fā)泡聚丙烯珠粒成型工藝分為五個(gè)階段，分別為充填階段、穿透加熱階段、雙面加熱階段、冷卻階段和烘干定型階段，具體流程圖如圖1。

圖1 發(fā)泡聚丙烯泡沫制品的制備

2 結(jié)果與討論

2.1 不同發(fā)泡體系成型性能

兩種發(fā)泡體系的成型工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種發(fā)泡體系的成型工藝參數(shù)

在保證熔接熟化率在100%的基礎(chǔ)上，分析比較兩種體系發(fā)泡聚丙烯的成型生產(chǎn)工藝參數(shù)和能耗，待工藝參數(shù)穩(wěn)定后連續(xù)批量生產(chǎn)50 件，統(tǒng)計(jì)成品合格率。 以上數(shù)據(jù)比較，低能耗發(fā)泡聚丙烯成型周期短、雙面蒸汽壓力低、蒸汽時(shí)間少，水冷時(shí)間少，比純W331 發(fā)泡聚丙烯的成型周期減少14%，所用能耗減少較多。 同時(shí)，通過(guò)比較批量生產(chǎn)時(shí)兩種材料的成品合格率，本文中研究的低能耗發(fā)泡聚丙烯合格率有所提升，主要因素是純W331 發(fā)泡聚丙烯消耗蒸汽大，易造成蒸汽熱源不穩(wěn)定，造成泡沫制品熔接不良。 通過(guò)以上分析得出結(jié)論，低能耗發(fā)泡聚丙烯量時(shí)，在節(jié)能減排方面有顯著的優(yōu)勢(shì)［13-14］。

2.2 不同發(fā)泡體系力學(xué)性能

不同比例的W331／E800E 的發(fā)泡聚丙烯材料的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率如圖2 所示。

圖2 不同比例的W331／E800E 的發(fā)泡聚丙烯材料拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率

從圖2 中可以看出，發(fā)泡聚丙烯材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨E800E 含量的增加而增加，拉伸強(qiáng)度隨E800E 含量的增加而減小。 未添加E800E 的發(fā)泡聚丙烯珠粒的拉伸強(qiáng)度為1 300 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率為30%；當(dāng)W331／E800E 的復(fù)配比例為85／15 時(shí)，發(fā)泡聚丙烯珠粒的斷裂伸長(zhǎng)率為53%，拉伸強(qiáng)度為1 100 kPa，由折線圖可以看出在此比例下拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均衡性最佳。

2.3 不同發(fā)泡體系熱學(xué)性能

圖3 為不同復(fù)配比例的W331／E800E 所制備的發(fā)泡聚丙烯珠粒進(jìn)行DSC 測(cè)試的熔融曲線。

圖3 不同比例的W331／E800E 的發(fā)泡聚丙烯材料的DSC 分析

根據(jù)圖3 所示，當(dāng)E800E 占比增加時(shí)，受E800E 的低熔點(diǎn)影響，高溫峰峰值溫度與低溫峰峰值溫度均呈下降趨勢(shì)。 同時(shí)，E800E 為三元共聚聚丙烯，結(jié)晶度、結(jié)晶速率等均弱于二元共聚聚丙烯W331，故低溫峰熱焓值隨著E800E 的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，故W331 的加入會(huì)對(duì)成型壓力工藝參數(shù)帶來(lái)影響。

2.4 不同發(fā)泡體系承重性能

將兩種發(fā)泡體系發(fā)泡聚丙烯利用重卡臥鋪模具制備臥鋪的左、中、右三個(gè)工制件，按照主機(jī)廠承重測(cè)試要求，依次對(duì)成型合格的兩款EPP 臥鋪工具箱進(jìn)行承重分析。首先模擬車身裝配位置，將其固定放置于抗壓機(jī)平臺(tái)的工裝上，分別對(duì)臥鋪工具箱左、中、右三個(gè)區(qū)域中心位置，靜態(tài)加載力至2000 N，記錄其位移變化，得到的數(shù)值如表2所示。

表2 不同區(qū)域的位移變化值

從表2 中可以看出，低能耗發(fā)泡聚丙烯珠粒和W331發(fā)泡聚丙烯珠粒模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一樣，證明兩種材料性能接近。

利用UG NX 11.0 高級(jí)仿真分析軟件，通過(guò)有限元法對(duì)40 mm 厚度EPP 臥鋪工具箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 厚度40mm EPP 臥鋪工具箱加載力和應(yīng)變曲線

從圖4 中可以看出，通過(guò)上圖計(jì)算的Z 向應(yīng)變數(shù)值分析，加載力在2 000 N 時(shí)，EPP 臥鋪工具箱的每個(gè)區(qū)域在加載2 000 N 的情況下，各部位的位移變化均小于30 mm，且未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，滿足主機(jī)廠對(duì)臥鋪工具箱承重變形的使用要求［15］。

2.5 低能耗發(fā)泡體系產(chǎn)品裝配情況

低能耗高剛性發(fā)泡聚丙烯珠粒尺寸穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)EPP 公差范圍設(shè)計(jì)了每個(gè)EPP 部件之間的間隙、EPP 和車身之間的間隙、EPP 和周圍邊界的間隙，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間隙可控制在合理公差范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)裝車圖如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)裝配圖

將制備好的EPP 臥鋪工具箱安裝在主機(jī)廠新車上，新車在試驗(yàn)場(chǎng)地路試1 個(gè)月，驗(yàn)證安裝位置的振動(dòng)疲勞耐久性，結(jié)果未出現(xiàn)過(guò)開(kāi)裂或松動(dòng)現(xiàn)象［16-17］.

3 結(jié)論

低能耗發(fā)泡體系聚丙烯在生產(chǎn)臥鋪工具箱時(shí)具有成型周期短、成品合格率高的顯著特點(diǎn)；添加E800E 可有效改善發(fā)泡制品的斷裂伸長(zhǎng)率，不同比例E800E 含量體系發(fā)泡的臥鋪成型制品均可滿足承重性能要求；低能耗發(fā)泡體系的EPP 臥鋪工具箱路試驗(yàn)證通過(guò)，該體系發(fā)泡聚丙烯可應(yīng)用于重型卡車臥鋪生產(chǎn)。