低密度聚丙烯材料在商用车轻量化应用开发

2018-09-21 17:43:56·  来源:代玉堂,杨汐 汽车实用技术杂志社  
 
摘要:文章主要介绍低密度聚丙烯(PP)材料开发的思路、原理、材料性能测试、零件注塑和零件性能评价。为内饰塑料件轻量化提供一种低成本、低风险的可行方案。引
摘要:文章主要介绍低密度聚丙烯(PP)材料开发的思路、原理、材料性能测试、零件注塑和零件性能评价。为内饰塑料件轻量化提供一种低成本、低风险的可行方案。
 
引言
在汽车轻量化和节能的压力下,各OEM纷纷采用碳纤维复合材料、轻质铝合金、高强度钢、薄壁化设计等措施进行减重。虽然这些技术可以实现大幅度的减重,但这些措施轻则更改模具,重则更改生产工艺,投入成本太高、验证周期长、风险较高,在国内OEM推广存在困难。
目前中低端汽车门板内饰板、侧围饰板、立柱饰板材料大多采用PP类材料,全车内饰用量约50kg。开发低密度的PP类材料可以无需更改模具和注塑设备,调整注塑工艺即可得到尺寸和性能满足要求的零件,实现轻量化。集团种子基金支持主要用于PP、POE、添加剂和填料等材料购买、加工费和测试费。
 
 
材料开发

1.1 材料开发思路
目前中低端汽车门板内饰板、侧围饰板、立柱饰板、座椅饰板、副仪表板材料大多采PP+EPDM-T20,整车内饰用量约50kg。PP+EPDM-T20是以PP(聚丙烯)为基材添加约10%的EPDM(三元乙丙橡胶)作为增韧相,添加20%的滑石粉改善材料的强度、刚度和尺寸稳定性。PP密度0.92g/cm3,EPDM密度0.87 g/cm3,滑石粉密度2.7-2.8g/cm3。在保持材料性质不变同时降低滑石粉的使用量可以降低材料的密度,实现轻量化。
 
1.2 材料开发原理
主体基材聚丙烯是主链为亚甲基和次甲基交替、侧链为甲基的线性聚合物,其分子极性小,易结晶,低密度和化学惰性等性能。纯的聚丙烯由于存在机械强度较低、耐热性差、收缩变形大等缺陷,不能满足车内饰塑料件要求(见表1)。随着结晶度的提高,PP材料的拉伸强度、弯曲模量、硬度都有明显提高。
 
EPDM是乙烯-丙烯-非共轭二烯烃共聚的三元橡胶通常作为增韧材料使用,但由于碎胶困难,后期与粒状PP混合不均匀,流动性较差,造成整体性能下降,同时由于EPDM气味较大,作为增韧材料使用量逐渐减少。POE是采用茂金属催化剂的乙烯和辛烯实现原位聚合的热塑性弹性体,在POE分子链中辛烯的柔软链卷曲结构和结晶的乙烯链作为物理交联点,使它既有优异的韧性又有良好的加工性;POE分子量分布窄,具有较好的流动性,与聚烯烃相容性好,相对于常用EPDM增韧效果更好。
 
为改善纯聚丙烯材料的缺陷,通常采用价格便宜的无机硅酸盐滑石粉进行填充改性。试验证明,随着滑石粉量的增加,材料弯曲模量显著提高,收缩率降低,热变形温度提高(见图1)。
图1 滑石粉对聚丙烯材料性能影响
 
但随着滑石粉含量的增加,材料的冲击强度和拉伸强度逐渐下降。主要原因是随着滑石粉含量增加,滑石粉微粒相互团聚,与聚丙烯基材结合力下降,出现了不同程度的相分离,增强效果减弱。
 
表1 材料基本配方
成分
比例
高结晶聚丙烯PP
71%
增韧材料POE
18.4%
亚纳米滑石粉
10%
热稳定剂
0.3%
光稳定剂
0.2%
耐刮痕剂
0.1%

因此选用高结晶PP基材,选用增韧效果更好的POE提高增韧效果,特殊偶联剂改善滑石粉表面性质,提高滑石粉和PP基材的结合力。通过以上措施可以在保持材料的力学、热学性能的基础上降低滑石粉的含量,从而降低材料密度实现轻量化。基本配方见表1。
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