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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。
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。
1 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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