低密度聚丙烯材料在商用車輕量化應用開發
引言
在汽車輕量化和節能的壓力下，各OEM紛紛采用碳纖維復合材料、輕質鋁合金、高強度鋼、薄壁化設計等措施進行減重。雖然這些技術可以實現大幅度的減重，但這些措施輕則更改模具，重則更改生產工藝，投入成本太高、驗證周期長、風險較高，在國內OEM推廣存在困難。
目前中低端汽車門板內飾板、側圍飾板、立柱飾板材料大多采用PP類材料，全車內飾用量約50kg。開發低密度的PP類材料可以無需更改模具和注塑設備，調整注塑工藝即可得到尺寸和性能滿足要求的零件，實現輕量化。集團種子基金支持主要用于PP、POE、添加劑和填料等材料購買、加工費和測試費。
1 材料開發
1.1 材料開發思路
目前中低端汽車門板內飾板、側圍飾板、立柱飾板、座椅飾板、副儀表板材料大多采PP+EPDM-T20，整車內飾用量約50kg。PP+EPDM-T20是以PP(聚丙烯)為基材添加約10%的EPDM（三元乙丙橡膠）作為增韌相，添加20%的滑石粉改善材料的強度、剛度和尺寸穩定性。PP密度0.92g/cm3，EPDM密度0.87 g/cm3，滑石粉密度2.7-2.8g/cm3。在保持材料性質不變同時降低滑石粉的使用量可以降低材料的密度，實現輕量化。
1.2 材料開發原理
主體基材聚丙烯是主鏈為亞甲基和次甲基交替、側鏈為甲基的線性聚合物，其分子極性小，易結晶，低密度和化學惰性等性能。純的聚丙烯由于存在機械強度較低、耐熱性差、收縮變形大等缺陷，不能滿足車內飾塑料件要求（見表1）。隨著結晶度的提高，PP材料的拉伸強度、彎曲模量、硬度都有明顯提高。
EPDM是乙烯-丙烯-非共軛二烯烴共聚的三元橡膠通常作為增韌材料使用，但由于碎膠困難,后期與粒狀PP混合不均勻，流動性較差，造成整體性能下降，同時由于EPDM氣味較大，作為增韌材料使用量逐漸減少。POE是采用茂金屬催化劑的乙烯和辛烯實現原位聚合的熱塑性彈性體，在POE分子鏈中辛烯的柔軟鏈卷曲結構和結晶的乙烯鏈作為物理交聯點，使它既有優異的韌性又有良好的加工性；POE分子量分布窄，具有較好的流動性，與聚烯烴相容性好，相對于常用EPDM增韌效果更好。
為改善純聚丙烯材料的缺陷，通常采用價格便宜的無機硅酸鹽滑石粉進行填充改性。試驗證明，隨著滑石粉量的增加，材料彎曲模量顯著提高，收縮率降低，熱變形溫度提高（見圖1）。
圖1 滑石粉對聚丙烯材料性能影響
但隨著滑石粉含量的增加，材料的沖擊強度和拉伸強度逐漸下降。主要原因是隨著滑石粉含量增加，滑石粉微粒相互團聚，與聚丙烯基材結合力下降，出現了不同程度的相分離，增強效果減弱。
表1 材料基本配方
成分 |
比例 |
高結晶聚丙烯PP |
71% |
增韌材料POE |
18.4% |
亞納米滑石粉 |
10% |
熱穩定劑 |
0.3% |
光穩定劑 |
0.2% |
耐刮痕劑 |
0.1% |
因此選用高結晶PP基材，選用增韌效果更好的POE提高增韌效果，特殊偶聯劑改善滑石粉表面性質，提高滑石粉和PP基材的結合力。通過以上措施可以在保持材料的力學、熱學性能的基礎上降低滑石粉的含量，從而降低材料密度實現輕量化。基本配方見表1。
1.2 材料級性能測試
各組分混合后加入螺桿擠出機中混合擠出造粒，注塑標準測試樣條。首先通過掃描電鏡觀察PP+POE-T10（左）和PP+EPDM-T20（右）新開發材料樣條斷口形貌，見圖2。
圖2 PP+EPDM-T10和PP+EPDM-T20材料斷口形貌
通過圖中可以看出，右圖中由于滑石粉含量提高，與PP基材之間結合力下降，出現不同程度的相分離，微觀下材料整體出現較多的小碎片。新開發的PP+POE-T10滑石粉與PP基材結合良好，分散均勻，沒有出現明顯的聚集和相分離。
圖3 PP+POE-T10和PP+EPDM-T20材料紅外譜圖
通過紅外譜圖（圖3）可以看出，CH2的不對稱伸縮正常在2826cm-1出峰，由于CH2中H和滑石粉中的Si-O形成氫鍵紅移至2917 cm-1。對比兩張譜圖可以看出，左圖（PP+POE-T10紅外譜圖）中在2917 cm-1處峰強是右圖（PP+EPDM-T20紅外譜圖）中的2.5倍，這表明經過特殊鈦酸酯偶聯劑處理的滑石粉和聚丙烯基材形成的氫鍵更多，結合力更強。
滑石粉和PP基材之間的結合力增強有利于材料的耐熱性能的提高，如圖所示，用DSC和TGA分別測試兩種材料測熔融溫度和分解溫度。
圖4 PP+POE-T10和PP+EPDM-T20材料DSC和TGA譜圖
從圖中可以看出，兩種增強的聚丙烯材料的熔融溫度都在177℃；特殊偶聯劑增強的聚丙烯的分解溫度在481℃，比普通滑石粉增強的聚丙烯的分解溫度提高約14℃。這說明雖然降低滑石粉的含量，但通過提高滑石粉和聚丙烯基材的結合力,使PP+POE-T10的熱老化性能優于PP+EPDM-T20。
把材料注塑成標準樣條，進行力學測試, 通過特殊處理的滑石粉增強和POE增韌的聚丙烯在拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊均能夠滿足通用門板的技術要求。且密度比常用的PP+EPDM-T20低近10%，見表2。
表2 力學性能測試
測試項目 |
PP+EPDM-T20 |
PP+POE-T10 |
常規門板要求 |
密度（g/cm3） |
1.06 |
0.96 |
1.03±0.03 |
拉伸強度(MPa) |
18 |
20 |
17 |
彎曲模量(MPa) |
1800 |
1750 |
1700 |
缺口沖擊強度（-30℃, kj/m2） |
4.2 |
3 |
2.8 |
缺口沖擊強度（23℃, kj/m2） |
36 |
25 |
25 |
收縮率(%) |
1.0-1.2 |
0.9-1.0 |
1.0±0.1 |
綜上所述，通過用10%特殊表面改性的滑石粉增強、POE增韌的低密度PP+POE-T10材料通過材料級測試性能優于PP+EPDM-T20,可以滿足通用門板的力學、熱學性能要求。
2 零件級耐久測試
利用開發的材料在現有的模具和注塑設備上制作結構復雜的SK81前門內飾板，注塑樣件尺寸和外觀良好，實現8.9%減重效果(見圖5)。
圖5新老狀態門板重量對比
為簡化實驗，注塑SV71洗滌液蓋板，注塑樣件尺寸和外觀良好。首先進行安裝拉托力對比測試，新開發的注塑樣件拉托力為31N，與老狀態材料33N相當（見圖6）。
圖6 新老狀態拔出力對比
然后委托上海普尼測試進行耐化學性、耐合成汗液、內飾耐刮擦、光照色牢度、耐潮濕、高低溫令熱循環等測試 (見表3)。
表3 耐久測試結果
測試項目 |
測試標準 |
測試結果 |
耐化學性 |
參考CVTC 54117-2013和委托單位要求 |
試樣未出現軟化、隆起、變色現象 |
耐合成汗液性 |
參考CVTC 54087-2013和委托單位要求 |
試樣表面無明顯變化 |
內飾材料耐刮擦 |
參考CVTC 52021-2014、CVTC 54115-2013 和dL≤2.0 |
dL= 0.97 |
光照色牢度 |
參考CVTC 52021-2014、CVTC 52031-2012和色差△E≤3.0或灰度等級≥4 |
測試后，均無滲出物、黑斑、不良顏色變化、不良光澤變化；灰度等級均為4-5級 |
冷存放測試 |
①從25°C以1°C/min的速率經過65min至-40°C，并駐留28h ②從-40°C以1°C/min的速率經過65min恢復至25°C |
測試后，產品無起泡、起皺、顏色或表面變化及裂紋 |
表3(續)
耐沖擊性測試 |
①從25°C以1°C/min的速率經過55min至-30°C，并駐留4h ②500g的鋼球 沖擊能量為2.5J
|
測試后，產品無裂紋 |
耐溫度循環測試
|
①從23°C以2°C/min的速率經過13min至50°C，95%RH，并駐留24h ②從50°C，95%RH以2°C/min的速率經過13min至23°C，50%RH，并駐留1h ③從23°C，50%RH以2°C/min的速率經過30min至85°C，并駐留24h ④從85°C以2°C/min的速率經過30min至23°C，50%RH，并駐留1h ⑤從23°C，50%RH以2°C/min的速率經過26min至-30°C，并駐留4h ⑥從-30°C以2°C/min的速率經過26min恢復至23°C，50%RH，并駐留1h 以上為1個循環，共進行2個循環
|
測試后，樣品無起泡、起皺、顏色或表面變化及裂紋，尺寸保持穩定； |
耐潮濕性測試 |
①從25°C以1°C/min的速率經過25min至50°C，95%RH，并駐留168h ②從50°C，95%RH以1°C/min的速率經過25min恢復至25°C |
測試后，產品無顏色或光澤等有害變化，外觀無異常 |
熱老化測試 |
①從25°C以1°C/min的速率經過60min至85°C，并駐留168h ②從85°C以1°C/min的速率經過60min恢復至25°C |
測試后，樣品無起泡、起皺、顏色或表面變化及裂紋；試驗后目測樣件無明顯影響裝配的尺寸變化， |
上述實驗結果表明，新開發的PP+POE-T10材料制作的樣件均滿足CVTC企業標準要求。
3 總結
選用高結晶PP基材；改善滑石粉的表面處理、增強滑石粉與PP基材的結合力；改善增韌體系，提高增韌效果，制得低密度PP+POE-T10材料。通過材料微觀測試、材料級力學和熱學測試、零件級耐久測試和安裝測試表明新開發的材料滿足CVTC標準要求。可以在原有的模具和注塑設備上替代PP+EPDM-T20，實現8.9%的減重效果，綜合物料成本下降3%。全車內飾用量約45-50kg，非常適合老項目VAVE和新項目的輕量化設計。
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