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汽车用改性PP材料开发与应用 |
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作者：东风汽车工程研究院 吴三清 来源：PT现代塑料 |
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[摘要] 本文从PP 材料的改性原理，汽车用改性PP 材料的性能要求出发，全面阐述了汽车用改性PP 材料的开发研制过程，开发出了一系列汽车用改性PP 材料，并全面在东风轻型汽车EQ1030 上得到了应用。
关键词：汽车 PP 共混改性
1 前言
塑料在满足汽车美观、舒适、安全、防腐、轻量化及设计自由度大等方面起着其它材料无法替代的作用。近十年来塑料在汽车上的应用获得了巨大的发展，其应用领域已扩展到整车的各大总成系统，零件数量已超过整车零件数量的10%，其重量已由20 世纪80 年代的每车数十公斤发展到20 世纪90 年代末期的每车一百余公斤。而在汽车用诸多塑料品种中，各类改性PP 材料在汽车的上的开发与应用，一直是汽车工业和塑料工业关注的焦点。通过各种改性加工手段可以获得满足各种汽车部件不同功能要求的改性PP材料，加之其优异的性能价格比，使各种增韧、填充、增强PP 材料在汽车各大总成系统中获得了广泛应用。并且不断有一些新的技术及应用正在或即将问世。目前，发达汽车工业国家单车PP 材料的用量达到近40kg，占整车塑料材料应用量的1/3，成为汽车上所有塑料材料中用量最大的品种。
本文从PP 材料的改性原理，汽车用改性PP 材料的性能要求出发，全面阐述了汽车用改性PP 材料的开发过程及应用状况。
2 PP 材料改性原理
PP 材料由于其来源广泛、密度小、力学均衡性好、耐化学腐蚀、易加工及价格低廉等突出优点，因而被广泛使用。但通用PP 材料收缩率大，制品尺寸稳定性差，容易产生翘曲变形；低温易脆断，低温韧性差；耐光老化、耐热老化性能差等缺点（1）。无法满足汽车保险杠、仪表板、护风圈、发动机风扇等部件的特殊使用要求，因此必须对通用PP 材料进行改性。
利用溶度参数相近的两种或两种以上的聚合物材料及助剂在一定的温度下进行机械掺混，得到一种新材料的方法叫机械共混改性法。由于这种方法投资少、见效快，材料性能设计自由度大，目前被广泛应用。PP 材料的共混改性方法就是在PP 材料中加入增韧剂、填充剂等改性剂得到改性PP 材料。在PP 材料中加入弹性体（增韧剂）可显著改善PP 的冲击韧性及耐低温性，这就是增韧的作用。但弹性体的加入会带来材料的强度和热变形温度的下降，为克服这一现象，在增韧体系中填充高耐热、高刚性的无机物填料，可显著提高材料的刚性，耐热性及尺寸稳定性。通过对PP 基体、增韧剂、填充剂三者间配比的协调，可制造出一系列不同性能的材料，满足汽车不同部件的功能要求。与未改性的PP 材料相比，改性后的材料性能大大拓宽，既可制造超高韧性的增韧材料，又可制造增韧、填充并举的高刚性、高韧性的填充增韧材料及高刚性、高耐热的填充材料。
3 改性PP 材料的主要品种及性能要求
3.1 改性PP 材料的主要品种
目前国内外汽车用改性PP 材料主要分为以下四大品种：
(1) 增韧型 即以弹性体为主增韧的改性PP 材料，具有极高的冲击强度和低温韧性，主要用来制造汽车保险杠。
(2) 填充增韧型 即以无机物填充、弹性体增韧的改性PP 材料，具有模量高、刚性及耐热性好、尺寸稳定性好等突出优点，克服了通用PP 材料收缩率大、热变形温度低、力学持久性差等缺点，广泛用来制造汽车各内外装饰件，如仪表板、车门内护板、水箱面罩等。
(3) 填充型 采用高含量无机物填充的改性PP 材料，可大大提高通用PP 材料的刚性、耐热性及尺寸稳定性，主要用来制造耐高温的非受力结构零件，如护风圈、暖风机壳体等。
(4) 增强型 玻纤增强PP 材料是聚烯烃塑料中强度最高，刚性、耐热性及尺寸稳定性最好的品种，主要用来制造发动机风扇等高强度、高耐热制品。
3.2 汽车用主要改性PP 材料性能要求
不同类型的改性PP 材料其改性原理、材料组成、配方均有很大不同，其用途也不尽相同，表1 为国内引进车型典型零件用改性PP 材料的技术要求。表1 国内引进车型典型零件用改性PP 材料技术要求
 4 各类改性PP 材料的开发
4.1 各类材料的配方体系确定
根据汽车零件的使用要求，对各类材料的配方组成，包括基体树脂、增韧剂、填充剂、增强剂、抗老化剂等组分进行筛选及试验：
(1) 基体树脂 对小本体PP、均聚PP、共聚PP 等基体树脂从力学均衡性、加工流动性能等方面考虑进行筛选及试验。
(2) 增韧剂 对SBS、EPDM、POE 等增韧材料，进行筛选及试验。
(3) 填充剂 填充粒子的粒径、表面处理剂对共混物的性能至关重要，应采用合适细度与处理方法的填充剂。
(4) 增强剂 采用无捻长玻璃纤维。
(5) 抗老化剂 根据不同材料的老化源及实际使用要求，选择相应的抗老化剂。
通过对上述各组分的筛选，同时根据各材料的使用要求，对各组分之间配比协调，确定各类材料的配方。
4.2 材料的老化及防老化研究
4.2.1 汽车用塑料材料的老化
汽车用塑料材料老化可分为两类：
(1) 车身内外装饰件材料的老化 仪表板、保险杠等零件长期置于光照条件下，由于太阳光的幅射作用，被反射的红外光使零件表面温度升高，而被吸收的紫外线引起塑料发生光化学反应，产生自由基（2）。自由基破坏高分子链段，使材料的分子链降解、支化和交联，导致材料力学性能与外观的破坏。
(2) 发动机系统材料的老化 该系统零件长期处于高温下工作，其热源是引起材料老化的主要因素，亦即热氧化。
4.2.2 改性PP 材料防老化处理
改性PP 材料的防老化分为抗热氧老化和抗光老化，表2 列出了不同使用环境的材料抗老化体系。表2 不同使用环境的材料抗老化体系
 4.3 改善大型塑料制品用材料的加工工艺性
由于在PP 材料中加入了相当数量的橡胶增韧剂及无机填充物，造成材料的流动性大幅度下降，而仪表板、保险杠等制品体积大、形状复杂、模具流程长，要求材料具有良好的流动性。在保证材料力学性能的前提下，采用化学调节法可提高材料流动性，即在共混物中加入经过氧化物处理过的降解母粒。过氧化物是PP 塑料常用的分子量调节剂（3），其作用是切断较长的PP 分子链，使PP 发生部分降解，并使分子量分布变窄，从而改善共混物的流动性。通过上述方案的采用，使得仪表板、保险杠等零件用材料的流动性大大提高。
4.4 汽车用系列改性PP 材料性能
4.4.1 改性PP 材料的物理力学性能
表3 列出了开发的系列改性PP 材料的物理力学性能，对比表1 及表3 的数据，开发的系列改性PP 材料的各项物理力学性能均达到了国内引进车型同类材料的水平。表3 系列改性PP 材料性能
 4.4.2 改性PP 材料的抗老化性能
对进行老化处理和非老化处理的材料进行对比试验，试验结果见表4 所示。表4 老化处理和非老化处理的材料对比试验结果
 由表4 可见，材料进不进行抗老化处理，其材料的老化性能具有本质区别。经过抗光老化和抗热氧老化处理的材料其抗老化性能均能达到国内引进车型同类材料的水平。
5 改性PP 系列材料的应用
目前东风轻型汽车EQ 1030 已大量应用了改性PP 材料，表5 列出了该车型主要改性PP 零件的应用情况。表5 EQ1030 主要零件的应用情况
 6 结论
(1) 通过对改性PP 材料的基体树脂、增韧剂、填充剂、增强剂等组分进行合理的筛选及匹配，并用机械共混方法能制造出不同性能要求的改性PP 材料。
(2) 根据不同材料的防老化要求，选择不同的抗老化体系，对材料进行抗老化处理，能显著提高材料的抗老化性能，增加材料的使用寿命。
(3) 采用化学调节方法，能显著改善材料的流动性，满足制造大型制品的要求。
(4) 通过系列改性PP 材料在东风轻型汽车EQ 1030 仪表板、保险杠、车门内护板、护风圈及其它制品上的应用，不仅该车型在改性PP 材料单车应用重量及零件应用数量居于国内领先水平，而且提高了材料质量及制品质量，促进了该系列车型整车质量水平的提高。
参考文献
1 王德禧，李兰等. 聚丙烯及其改性技术. 工程塑料应用，1998,（4）：26
2 区英鸿主编. 塑料手册. 北京：兵器工业出版社，1991
3 陈红. 聚丙烯过氧化物浓缩母粒生产控制. 塑料工业，2000，（3）：45(end)
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(5/12/2005) |
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