汽車PP保險杠注塑成型收縮及涂裝后收縮的研究

徐 偉，羅竟?jié)瑘蛴来?，?學(xué)，盧鴻劍

汽車PP保險杠注塑成型收縮及涂裝后收縮的研究

徐 偉，羅竟?jié)瑘蛴来?，?學(xué)，盧鴻劍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

文本針對目前乘用車保險杠所面臨的尺寸穩(wěn)定性現(xiàn)狀，對汽車PP保險杠的注塑成型收縮及涂裝后收縮的情況分別進(jìn)行了分析，尋找到了穩(wěn)定保險杠尺寸和提高裝配精度的控制手段。闡述了通過選用合適的彈性體品種，控制合理的彈性體添加比例，以及調(diào)整合適的注塑工藝可以得到希望的保險杠尺寸。

PP保險杠；尺寸穩(wěn)定性；注塑成型收縮；涂裝后收縮

1　引言

近十年來，我國的汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，進(jìn)入“十二·五”以來，汽車年產(chǎn)銷總量已超過2 000萬輛，其中近1 500萬輛是乘用車。對于乘用車而言，無論是轎車，還是MPV或SUV，其保險杠基本都是采用PP共混改性材料注塑成型，然后根據(jù)需要噴涂或套色噴涂成與車身同色的成品。多次拆車分析的結(jié)果表明，它們所使用的PP共混改性材料大部分為PP+E/P+T20類型。

然而，PP材料屬于結(jié)晶性材料，溫度對尺寸的影響較大，即注塑成型過程中，PP保險杠從模具型腔取出經(jīng)空氣冷卻后，會發(fā)生較大收縮［1］。我們把冷卻至室溫48 h后的尺寸變化值，與模具型腔尺寸值的比值稱為注塑成型收塑率。汽車前后保險杠均需要與車身配合，一旦尺寸發(fā)生超差，它與車身銜接處就會出現(xiàn)間隙或段差。

本文通過研究汽車PP保險杠的注塑成型收縮率及涂裝后收縮率，尋找到了穩(wěn)定保險杠尺寸和提高裝配精度的控制手段。

2　PP材料注塑成型收縮的基本原理［1，2］

PP材料的注塑成型收縮主要來源于以下兩個方面：

第一，是PP分子鏈的伸展與卷曲。PP由數(shù)百至數(shù)千個丙烯單體聚合而成，注塑前，PP分子鏈就如一根根卷曲的彈簧相互纏繞，進(jìn)入料筒加熱熔融后，分子鏈解纏，散開，并在注塑壓力推動下伸展開來，沿著壓力方向向前流動直至冷卻固化。如圖1所示：

冷卻固化后，PP分子鏈在失去注塑壓力推動的情況下，又會發(fā)生卷曲，這個分子鏈卷曲的現(xiàn)象反映到注塑件表觀上，就是注塑件的收縮。因此，分子鏈伸展、卷曲的程度與速度體現(xiàn)了注塑件注塑成型后收縮率的大小與收縮速度的快慢。在PP中添加彈性體和滑石粉進(jìn)行共混改性后，彈性體微粒分散在PP本體中形成海島結(jié)構(gòu)，滑石粉顆粒作為無機(jī)填料均勻分布，對PP分子鏈的伸展和卷曲均起到了阻礙作用。因此，該P(yáng)P分子鏈的伸展、卷曲程度和速度都比純PP要低得多，也就是說，共混改性后的PP的收縮率和收縮速度明顯降低，表1即反映了這樣的情況。

表1　不同品種改性PP的收縮率對比

從表1還可以看出，彈性體和滑石粉的共同作用，對共混改性材料收縮率的影響要比其中任何一種材料單獨(dú)作用時大得多。

導(dǎo)致PP注塑后收縮的第二個因素，是PP的結(jié)晶行為。PP是結(jié)晶性聚合物，其結(jié)晶部分在加熱時吸熱熔化，而在冷卻時則又重新結(jié)晶并放出熱量。在結(jié)晶狀態(tài)時，PP分子結(jié)構(gòu)堆砌得比較規(guī)整，因而體積會比熔融狀態(tài)時小，反映到注塑件的表觀，也是注塑件的收縮。顯然，這個收縮的程度和速度與PP結(jié)晶的數(shù)量和速度有關(guān)。在加入彈性體和滑石粉后，PP的結(jié)晶受到了破壞，因而，在注塑成型時，共混改性后的PP的收縮率和收縮速度要比采用純PP注塑時小得多。

3　保險杠注塑成型收縮率與收縮速度的影響因素

注塑成型收縮率以及收縮速度與多方面的因素相關(guān)。有的產(chǎn)品從型腔取出后，尺寸很快就可以收縮到位，4 h后收縮可以完成約80%，而有的產(chǎn)品收縮速度非常慢，即使48 h后產(chǎn)品還在繼續(xù)收縮，最長甚至要72 h以上才能完成收縮。有的產(chǎn)品從型腔脫模到產(chǎn)品完全定型，尺寸變化率很小，而有的產(chǎn)品則變化率很大。根據(jù)不同的PP品種及共混改性的組份變化，產(chǎn)品從熱狀態(tài)到最終定型，尺寸變化率范圍可以達(dá)到0.5%～1.8%。有研究表明［3］，配混料的收縮較聚合物材料下降50%。對于未經(jīng)改性的PP原料，注塑收縮率為1.5%～1.8%。經(jīng)添加彈性體和滑石粉改性后，注塑收縮率可以降低至0.8%～1.2%。而經(jīng)過特殊組分混配的PP改性材料，注塑收縮率最低可達(dá)到0.5%。

通過對PP注塑成型收縮的原理分析可以推斷出，PP，彈性體，滑石粉三者的品種和添加比例會對共混材料的注塑成型收縮率和收縮速度產(chǎn)生影響。其中，表2～表4是在保證材料類型為PP+E/P（12%）+TALC（20%）的前提下，分別只調(diào)整其中一種物質(zhì)的品種得到的數(shù)據(jù)；表5～表6是在三種物質(zhì)的品種都固定不變的前提下，分別再固定滑石粉添加比例為20%和彈性體的添加比例為12%得到的數(shù)據(jù)。

表2　PP品種的影響

表3　彈性體品種的影響

表4　滑石粉品種的影響

表5　彈性體添加比例的影響

表6　滑石粉添加比例的影響

從表2可以看出，采用均聚PP作為共混改性材料的基材， 比采用共聚PP的注塑成型收縮率要略大，而收縮速度跟基材PP的品種關(guān)系不大。

從表3可以看出，彈性體的品種對共混改性材料的收縮率影響比較大，最大和最小值相差2.5個千分點(diǎn)，而收縮速度則影響不大。

從表4可以看出，滑石粉的品種對共混改性材料的收縮率和收縮速度的影響都比較小。

從表5可以看出，共混改性材料的收縮率與收縮速度，均隨著彈性體的添加比例增加而降低，達(dá)到某一值后趨于穩(wěn)定。

從表6可以看出，共混改性材料的收縮率隨著滑石粉添加比例的增加而快速降低，而收縮速度變慢，但變化的幅度不是很大。

綜合上述數(shù)據(jù)分析，可以得出結(jié)論：PP，彈性體，滑石粉都會對PP共混改性材料的收縮率和收縮速度產(chǎn)生影響。其中，彈性體和滑石粉的添加比例對收縮率和收縮速度產(chǎn)生較大影響。在三者混合比例固定的情況下，彈性體的品種對共混改性材料的收縮率影響最大。

除材料本身的組成變化對保險杠注塑成型的收縮率和收縮速度產(chǎn)生影響外，注塑成型的工藝對保險杠的尺寸和收縮速度也會有一定的影響［4，5］。根據(jù)PP注塑成型收縮的原理，可以推測，當(dāng)成型工藝發(fā)生變化，比如說改變注塑的溫度、材料推進(jìn)的速度、注塑的壓力、保壓的壓力和時間等，保險杠冷卻到穩(wěn)定狀態(tài)時的尺寸和所需要的時間是不同的。同種材料在不同工藝下注塑保險杠，其成型后的尺寸和達(dá)到穩(wěn)定尺寸所需要的時間見表7：

表7　同種材料不同工藝下注塑保險杠的收縮率和收縮速度

根據(jù)上述實(shí)驗數(shù)據(jù)可以看出，注塑成型工藝會對保險杠的收縮率產(chǎn)生影響，其中注塑速度影響較大：注塑越快，成型后的保險杠的收縮率就越大，尺寸也就越短。成型工藝對保險杠的收縮速度的影響程度則不明顯。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們需要判斷生產(chǎn)出的保險杠最終冷卻后的定型尺寸是否符合要求，常需要采用強(qiáng)制冷卻的方式來代替需要停線放置至少12 h的自然冷卻，強(qiáng)制冷卻的方式如下：將保險杠浸入水中30 min，測量其1 m線長度。為了驗證這種方法的有效性，我們對保險杠用強(qiáng)制冷卻和自然冷卻兩種方式冷卻后的尺寸進(jìn)行了比較，見表8：

表8　兩種冷卻方式的影響

從表8可以看出，這種強(qiáng)制冷卻方法與實(shí)際自然冷卻方法的結(jié)果比較接近，可以用作首件驗證的一個手段。

4 保險杠涂裝后收縮的影響因素

保險杠注塑成型后素材件的收縮一般稱為一次收縮，涂裝烘烤后的收縮稱為二次收縮。關(guān)于保險杠涂裝后二次收縮的成因目前通常有兩種解釋：第一是PP結(jié)晶部分在烘烤（一般約80℃＠45 min）至再次冷卻的過程中，發(fā)生再次結(jié)晶，使得分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整度進(jìn)一步提高，從而保險杠尺寸發(fā)生進(jìn)一步的收縮。第二是PP分子鏈在第一次注塑成型冷卻過程被凍結(jié)，涂裝受熱狀態(tài)下發(fā)生松弛，并在隨后的冷卻過程中繼續(xù)回彈卷曲，反映到零件表觀上就是進(jìn)一步的收縮。

對保險杠注塑成型收縮情況的研究表明，保險杠注塑成型收縮的影響因素，同樣也會對保險杠涂裝烘烤的二次收縮產(chǎn)生影響，但影響的程度有所不同，下面以PP+E/P+T20類型材料為研究對象，研究各因素對保險杠涂裝后收縮的影響，研究結(jié)果見圖2：

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，，保險杠涂裝前后的尺寸變化，一般為2.0-2.5個千分點(diǎn)。但在不同彈性體品種的情況下，這個變化值相差比較大。在實(shí)際試驗中，測得保險杠涂裝前后的尺寸變化，最小值為0.5個千分點(diǎn)，并經(jīng)多次重復(fù)試驗得到驗證?？梢?，彈性體的品種對于保險杠涂裝后收縮的影響是比較大的。同種材料不同成型工藝對涂裝后收縮的影響則列于表9：

表9　同種材料不同成型工藝對涂裝后收縮的影響

5　結(jié)語

保險杠的尺寸穩(wěn)定性問題一直困擾著主機(jī)廠和零部件廠。本文通過研究分析，確認(rèn)保險杠的注塑成型收縮和涂裝烘烤的后收縮，與保險杠材料的成分和注塑工藝密切相關(guān)。其中，彈性體的品種和添加量是十分關(guān)鍵的因素。通過對保險杠材料配方的設(shè)計，以及注塑工藝的控制，可以得到希望得到的保險杠尺寸。另外，在保險杠模具開模尺寸存在超差的情況下，我們可以通過材料和工藝進(jìn)行彌補(bǔ)，使得在不更改模具的情況下，也能得到符合裝車尺寸的保險杠。

［1］洪定一.塑料工業(yè)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［2］趙文聘，黃海清等.聚丙烯改性料的收縮率的探討［J］ .工程塑料應(yīng)用，2000，28（11）:8-10.

［3］王松杰等.聚丙烯精密注射成型收縮率的研究［J］.塑料加工，2003，37（5） :33-34.

［4］徐宏彬，笪文忠.聚丙烯注塑制品成型收縮率的影響因素.2005年南京復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展研討會論文，2005:149-152.

［5］曹民干.注射工藝條件與PP成型收縮率的關(guān)系［J］.工程塑料應(yīng)用，2002，30（1）:21-23.

聶昕：

作者針對PP的成形后變形，考慮了材料添加物成分、比例、工藝參數(shù)、冷卻方法等的不同，做了很多組的實(shí)驗來研究PP保險杠收縮的影響，有一定的指導(dǎo)意義。但是，我建議能否用更科學(xué)的手段進(jìn)行研究。比如采用概率學(xué)、統(tǒng)計學(xué)原理（比如正交序列）來研究參數(shù)的影響規(guī)律，起到更大的指導(dǎo)意義。

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This paper researches on the control means of stabilizing the dimension and improving the assembly accuracy， by analyzing the shrinkage after injection molding and coating respectively， in allusion to the status quo of the dimensional stability of the automotive PP bumper. It is also elaborated that， we can get the hope dimension of the bumper by choosing appropriate varieties and controlling reasonable adding proportion of the elastomer， and by adjusting the right molding process.

PP bumper； dimensional stability； shrinkage after injection molding； shrinkage after coating

U270.4+2

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1005-2550（2015）02-0058-05

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