纤维增强聚丙烯复合材料及其在汽车中的应用

作者：东风汽车有限公司 张郧生 周崎    来源：《现代塑料》

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 玻璃纤维毡增强热塑性片材（Glass Mat Reinforced Thermoplastics，简称GMT）作为先期研发应用成功的一种热塑性复合材料，曾对汽车工业采用新材料产生了积极而又深远的影响，至今仍方兴未艾。近年来，车用纤维增强聚丙烯复合材料的研究和应用又有了新的发展——自增强聚丙烯（SR-PP）和长玻纤增强聚丙烯（LGFPP）的开发应用成功使其成为汽车工业中的新宠。 在汽车塑料件所用塑料材料中，聚丙烯是用量最大、发展最快的塑料品种，其原因不仅是由于聚丙烯材料本身具有密度小、成本低、产量大、性价比高、化学稳定性好、易于加工成型和可回收利用等突出特点，而且还因为该种材料可通过共聚、共混、填充增强等方法得到改性，因而可适合不同的汽车零件的使用性能要求。 目前可用于汽车零部件的聚丙烯材料已有多个牌号的品种，可分别作为汽车保险杠、仪表板、方向盘、车门护板、发动机冷却风扇以及车身暖风组件等多种零部件的材料。尽管如此，为了提供高性能品种以满足高品质汽车在美观、舒适、安全、防腐以及轻量化方面提出的更高要求，人们仍然在不断地进行着聚丙烯材料的改性和应用方面的研究。 自增强聚丙烯复合材料 自增强聚丙烯复合材料(Self-Reinforced Polypropylene Composite，简称SR-PP)是一种由高定向性的聚丙烯纤维和各向同性的聚丙烯基材组成的100%聚丙烯片材。SR-PP是继GMT之后国外最新开发应用的一种热塑性复合材料，它由英国Leads大学研制成功。2002年初，Amoco纤维有限公司在德国Gronau建立了第一条年产5000t SR-PP的生产线，其生产的产品目前主要用作车底遮护板。 自增强聚丙烯片材加工制备工艺的要素可概述为：将高模量的聚丙烯带排列起来，在适宜的温度和压力条件下，使每条带的薄层表皮熔融在一起，在冷却过程中，这种熔融的材料凝固或重结晶，从而粘合成为一个整体结构。由于生成的热压实片材由同一种聚合物材料所组成，再加上物相之间分子的连续性，使片材中纤维/基材间有着优异的粘合性。此外，由于每条定向带表面膜层的熔融效应，从而克服了GMT材料中增强玻璃纤维需要浸润处理的问题。自增强聚丙烯片材热压实制备工艺如图1所示。 国外有关专家在对自增强聚丙烯复合材料的性能进行研究后指出，SR-PP片材的刚性和强度与GMT材料很接近（弹性模量均在5GPa左右），但较GMT材料轻20%～30%。此外，与随意纤维方向排布的GMT片材和NMT（天然纤维增强聚丙烯）片材不同的是，SR-PP片材生产中使用的编织纤维结构使整个零件具有均匀一致的机械性能，可将加工零件的厚度进一步减薄20%～30%，这样就可以使成品的总重量减轻50%左右。表1列出了SR-PP、GMT和均聚PP三种材料的性能对比。 从表中数据可以看出，SR-PP的抗冲击性能呈现出最大优势，由于其全聚丙烯结构的原因，材料具有高水平的破坏应力，其悬臂梁冲击试验的数据比GMT材料高出6倍以上，特别是在低温下的抗冲击性能更突出，-40℃下的低温冲击性能不仅没有降低，甚至比常温下还高出近2倍，此外，常温下的拉伸强度比GMT材料也高出近2倍。 将SR-PP片材进一步加工成零件的工艺同GMT材料基本上是一样的，都是先将半成品片材预热后再放到模具中压制成型，SR-PP片材的预热温度通常为160℃～170℃，在成型过程中可以将制品加工得很薄。此外，其成型温度还适合于直接叠加其他材料如吸音泡沫和合成革。典型的应用是在Hercedes A级轿车上的由SR-PP制作的车底遮护板。 SR-PP片材及用其制作的车底遮护板除了具有重量轻和良好的抗冲击性能外，还具有优异的抗石击耐磨性。为了验证这一性能，国外的有关专家在相同条件下，分别对GMT20(20%玻纤含量的GMT)、GMT35(35%玻纤含量且加有PET增强纤维)、NMT(天然纤维增强PP)和SR-PP进行了石粒冲击磨损对比试验。其方法是将规定尺寸分布的石粒按试验条件喷射到材料表面，耐磨性以一定厚度的材料上(均为2.3～2.4mm厚的板材)出现一定直径的空洞所需要的时间来评定，试验结果如图2所示。由图2可以看出，如果将GMT20材料作为基准，SR-PP呈现出最高的抗石击耐磨性，即使高玻纤含量且加有PET增强纤维的GMT35材料也达不到SR-PP所具有的耐磨性。这就使得SR-PP特别适用于车底部件的生产，它使车底部件采用更薄的材料成为可能，从而在减重方面具有更大的潜力。 作为单一组份的聚合物材料，自增强聚丙烯复合材料SR-PP比GMT和NMT更具有环境友好性。SR-PP制品不仅便于回收再利用，而且由于聚丙烯材料具有良好的耐老化性能，在回收利用时可使制品保持较好的机械性能。 长玻纤增强聚丙烯 在车用玻璃纤维增强塑料中，长玻纤增强聚丙烯(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene.简称LGFPP)是倍受人们关注的新品种之一。作为汽车模块载体材料，该材料不仅能有效地提高制品的刚性、抗冲击强度、抗蠕变性能和尺寸稳定性，而且可以做出复杂的汽车模块制品。由于强度的要求，以往的模块载体通常由以聚丙烯为基材的玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)或金属板材经冲压制得。由于采用压制成型，很难对多种零件进行集成。而为了提高刚性和强度以及为了得到薄的成型厚度，还需要使用加强筋。此外，还需要通过其他步骤来去除成型零件的飞边和毛刺。上述所有因素都制约了汽车模块制品重量和成本的降低。由于金属不适合成型复杂的形状，限制了它在很多零件中的应用，这也阻碍了成本的下降。与此相反，采用长玻纤增强塑料注射成型则可以克服上述诸多弊病。然而，玻璃纤维在注射成型的过程中可能被损坏而得不到所需的强度。 为了使玻璃纤维在塑料中很好地起到提高强度的作用，必须使玻璃纤维长度大于其临界长度Lo。有关资料表明，当纤维长度小于此临界长度的纤维增强塑料受到一定载荷时，纤维就会被拔出，纤维的强度就不能得到充分发挥。临界长度Lo与具体的塑料品种有关，就玻纤增强聚丙烯而言，其Lo为3.1mm。然而，一种经过化学改性的PP的Lo可降到0.9mm，而普通短纤维增强塑料的Lo则更小，玻纤长度一般只有0.2～0.6mm。由此表明，破坏模式主要是纤维被拔出而无法满足模块载体材料的强度要求。因此，开发应用长玻纤增强聚丙烯及其注射成型技术，就是要制备出增强玻纤长度在10mm左右的聚丙烯原料，并通过改进的注射成型工艺，保证制品中的玻纤长度在3～5mm。 2002年，国外开发成功长玻纤增强聚丙烯注射成型技术，并将这种技术成功地用于生产马自达6型汽车前端模块和车门模块载体。该项技术包括两个方面： 一是对玻纤增强聚丙烯的材料改性，即采用一种超低熔融粘度的聚丙烯树脂（树脂熔体流动速度为300g/10min），使包裹在其中的玻璃纤维在注射成型过程中受到较小的螺杆推进剪切力，以减少玻璃纤维的长度折损，同时添加一种高结晶结构的聚丙烯树脂来保证注射成型件的强度。通过这种树脂共混改性，解决了材料流动性和制品强度的矛盾，从表2列出的试验对比数据可以看出，经共混改性后的长玻纤增强聚丙烯(LGFPP)的弯曲模量、弯曲强度和冲击强度三种机械性能已与玻纤毡增强聚丙烯(GMT)的同一性能相当，其流动性也比普通的玻纤增强聚丙烯(FGPP)的流动性提高了30%。 二是对注射成型工艺的改进，即通过对螺杆的几何形状进行改进（如图3所示），如加深螺槽、加宽螺齿间距、对螺杆头进行优化设计以及通过扩大热流道的方式，使玻纤增强树脂在注射过程中得以平缓流动以降低塑化过程中树脂承受的高剪切力，从而达到减少玻纤长度受损的目的。在使用长玻纤增强聚丙烯原料的条件下，改进型的低剪切力螺杆注塑制品所得平均玻纤长度为普通螺杆注塑制品所得平均玻纤长度的1.7倍，如图4所示。 这种长玻纤增强聚丙烯注射成型技术的特点是： ● 相对于用一般螺杆注射成型短玻纤增强高熔融粘度聚丙烯的普通工艺而言，由于玻纤受到较小的剪切力，使制品中的玻纤长度为采用普通工艺所得玻纤长度的10倍（普通工艺所得制品的玻纤长度一般为0.5mm），制品的抗冲击强度提高了3倍，将此材料用于马自达6型前端模块载体，重量减轻了9kg。 ● 树脂中超低粘度组份的加入使之较普通玻纤增强聚丙烯和玻纤增强尼龙的成型流动性提高了30%，这可使其与多种零件相集成且具有更薄的成型厚度，从而降低了制造成本。 ● 长玻纤的增强以及高结晶聚丙烯树脂的加入使材料在120℃时的高温疲劳强度为普通玻纤增强聚丙烯的2倍，甚至比以耐热性著称的玻纤增强尼龙高出近17%，因而这种新材料具有作为结构件所需的耐久性和可靠性。 ● 超低粘度组份使制品表面形成厚塑料层，它可阻止玻纤暴露于制品的表面而达到美化外观的作用，可免除普通玻纤增强塑料表面需用涂料进行处理的过程。 ● 这种聚丙烯基材有很好的再生性，即便是再生材料也同普通玻纤增强聚丙烯具有同等的物理性能和机械性能。 ● 作为汽车模块载体材料，长玻纤增强聚丙烯的开发成功使之不只被应用在马自达汽车上。 最近，新福特Fiesta车型前门模块也相继由Owens Coring汽车公司开发成功，该车门模块集成了多种功能元件，诸如门锁、车门玻璃升降器、扬声器、防盗装置等，采用的载体材料是DSM公司的牌号为StaMax P30YM240长玻纤增强聚丙烯材料。在开发该车门模块的过程中，一些专家对注射成型用长玻纤增强聚丙烯材料的性能进行了深入的研究，特别是对该种材料的抗蠕变性能进行了研究，结果表明，长玻纤增强聚丙烯材料即使经受100℃的高温也不会产生明显的蠕变，且比短玻纤增强聚丙烯有着更好的抗蠕变性能。长玻纤增强聚丙烯在100℃时不同应力下的蠕变性能以及与短玻纤增强聚丙烯蠕变性能的比较如图5和图6所示。 在高温和长时间低负荷条件下，长玻纤增强聚丙烯材料不会产生变形，可使其制品具有良好的尺寸稳定性，这可从批量生产的新福特Fiesta车型前门模块的尺寸实测结果中得到证实。目前，随着汽车零部件模块化日益引起人们的重视且越来越多地得到应用，长玻纤增强聚丙烯无疑将成为一种理想的模块载体材料，为此有人预言，LGFPP材料将成为GMT材料作为汽车模块应用的替代品。 以聚丙烯树脂为基材的不同纤维增强的热塑性复合材料，无论是GMT、SR-PP还是LGFPP，它们都有着一些共同的特点，即：与金属材料相比，它们具有密度低、重量轻、比强度高、耐腐蚀、易成型等特点；与热固性复合材料SMC和手糊玻璃钢相比，它们具有成型周期短、冲击韧性好、可再生利用等特点。尤其是可再生利用的特性使得这些材料在环保要求日益严格的今天具有更广阔的应用前景。(end)

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