低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件的可行性研究

徐偉，李艷華，蔣艷云，江上洋，許立

?

低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件的可行性研究

徐偉，李艷華，蔣艷云，江上洋，許立

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

文章針對目前國內(nèi)經(jīng)濟環(huán)保型汽車的需求，對低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件的前景進行了評述，詳細介紹了低VOC的PP材料、低密度的PP材料在國內(nèi)中低端車型上的應用現(xiàn)狀和技術(shù)概況。闡述了同時滿足低VOC低密度要求的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件的可行性。

低VOC；低密度；薄壁；內(nèi)飾件；PP

前言

近年來，汽車零件薄壁化技術(shù)發(fā)展較為迅速，它不僅提升了操控性能，而且減輕了整車重量，降低了整車油耗，對汽車生產(chǎn)者來說還縮短了成型周期，降低了生產(chǎn)成本。在一定程度上推動了汽車工業(yè)的發(fā)展。

同時，低密度材料技術(shù)也日益成熟。低密度材料技術(shù)，簡言之就是以減少礦粉填充含量的方式降低材料密度，進而實現(xiàn)9%～12%減重效果的技術(shù)。雖然它不像零件薄壁化技術(shù)的減重效果那樣明顯，但它對提高耐刮擦性能，改善氣味性，提高加工性能，縮短成型周期等起到了卓越貢獻。

另外，隨著消費者對汽車內(nèi)飾零件的環(huán)保要求越來越關(guān)注，為降低包括PP在內(nèi)的改性塑料釋放出的某些難聞氣體或有害揮發(fā)物含量，我們需要重新考慮尋找合適基材，利用先進設備，制備低VOC的PP材料，以滿足日益嚴格的車內(nèi)空氣質(zhì)量要求。

本文對低VOC的PP材料，低密度的PP材料分別進行闡述，對同時滿足低VOC和低密度要求的PP材料采用試制薄壁內(nèi)飾件的方法進行研究，提出了該材料用于對應的薄壁內(nèi)飾件的可行性。

1 低VOC的PP材料

研究表明，車內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)主要來自于內(nèi)飾材料[1-4]：汽車內(nèi)飾中的儀表板、門內(nèi)飾板、立柱、轉(zhuǎn)向盤、地毯、坐椅、頂棚襯里等零部件多采用PP（PP）、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯（PU）等塑料；除此之外，各種橡膠、織物、涂料、粘合劑等也常用在汽車內(nèi)飾中。目前，國內(nèi)的汽車市場需求量很大，很多汽車可能下了生產(chǎn)線就直接進入市場，各種配件和材料的難聞氣體和有害揮發(fā)物來不及釋放，含有的助劑、有機溶劑等在使用過程中仍會持續(xù)釋放出VOC有害氣體，導致車內(nèi)VOC大量增加，給車體環(huán)保帶來許多負面影響。目前汽車車內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機物濃度，包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等揮發(fā)性氣體在內(nèi)，已經(jīng)在2012年3月1日開始實施的《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價指南》（GB/T 27630-2011）中明確指出，相關(guān)的濃度要求見表1。其中，苯蒸汽濃度對人體健康的危害見表2[5]。

表1 車內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機物濃度要求

表2 苯蒸汽濃度對人體健康的危害

因此，針對汽車內(nèi)飾用量最大的PP材料，我們首先應該從尋找合適的PP基材開始，在源頭上降低八項有害物質(zhì)排放。經(jīng)分析PP基材的聚合方法，我們首先排除掉了溶劑法、氣相法、本體-氣相組合法聚合的PP基材。在測試方法方面,我們選擇采用小樣袋法定量檢測單位樣件內(nèi)八種有害氣體的揮發(fā)濃度，采用氣味瓶法進行感官評定氣味等級.表3為本體法或氫調(diào)法聚合的五種PP基材的VOC檢測結(jié)果。其中氣味等級測試方法按GMW3205進行。

表3 本體法或氫調(diào)法聚合的五種PP基材的VOC檢測結(jié)果

其次，助劑和色粉的重新選?。簩τ谥鷦?，要選取那些與PP基材相容性較強、擴散速度較慢、極性較好的助劑，盡量減少因助劑的遷移造成的分解和析出，并重新調(diào)整熱氧穩(wěn)定劑和光穩(wěn)定劑的類別和添加量，以緩解因受光照、氧氣、潮濕、高溫、灰塵、微生物的長期作用造成的材料降解、助劑分解狀況；對于色粉，盡量選取無機色粉，在一定要用到某些有機色粉才能準確配色的情況下，也應將有機色粉的用量控制到最少。

第三,嚴格控制生產(chǎn)制造過程的每一個環(huán)節(jié)，包括共混、造粒、干燥等系列加工過程。目前，一些材料廠家的擠出生產(chǎn)線仍然是各種不同類型的材料混用，為了去除前一種材料對低VOC材料的影響，共混之前一定要將螺桿清洗干凈；造粒時，需要嚴格控制每一區(qū)的溫度，表4顯示了不同擠出溫度下，PP5#材料的VOC檢測結(jié)果。

表4 不同擠出溫度下PP5#材料的VOC檢測結(jié)果

由表4及綜合考慮PP5#材料本身的塑化狀況，擠出溫度應不超過220℃，且210~220℃區(qū)間內(nèi)最適宜。

另外，擠出造粒后，我們還要嚴格控制PP材料的干燥溫度和干燥時間以有效抑制材料分解?？紤]到增加數(shù)據(jù)對比度，我們選取擠出溫度為240℃的PP5#材料進行驗證。由表5和表6可以得知，干燥溫度提高對VOC改善不明顯，干燥時間提高對VOC影響較大，但干燥超過3小時后，效果改善不明顯，綜合考慮經(jīng)濟效率，85℃下干燥3小時為PP5#材料最適宜的干燥溫度和干燥時間。對于干燥后續(xù)還會釋放出的部分殘留VOC，我們再采取溶劑吸附[6]的方法進行有效的清除。

表5 不同干燥溫度，相同干燥時間下PP5#材料的VOC檢測結(jié)果

最后，注塑成型階段。在此階段，粒料需經(jīng)過螺桿的高壓剪切熔融，此時高分子中原本殘留的或者是新生成的不安定成分容易分解。因此，合理控制注射溫度、壓力、時間等注塑條件，能夠適當?shù)匾种撇牧系姆纸?；在注射現(xiàn)場設置一些能夠吸附VOC的溶劑或其他裝置也是降低VOC含量的一種方法。

表6 85℃干燥溫度，不同干燥時間下PP5#材料的VOC檢測結(jié)果

綜上，從PP基材的聚合制備、混料改性、擠出造粒、干燥后處理、注塑成型到最終使用，每個過程都會有部分VOC釋放。因此，要想控制VOC的含量，需從以上幾個方面著手，綜合采用添加助劑、精制工程、參數(shù)控制、吸附捕捉、抑制分解等方法進行控制。

2 低密度的PP材料

目前，國內(nèi)經(jīng)濟環(huán)保型汽車內(nèi)飾有儀表板、門內(nèi)飾板、副儀表板、立柱、門檻壓條等零件，根據(jù)它們所處部位和承擔功能的不同，需要選用不同類型的PP材料來制造，其使用環(huán)境及要求見表7[7]。

表7 內(nèi)飾零部件的使用環(huán)境及要求

由表7可知，幾乎所有的內(nèi)飾零件采用的材料類型均為PP+E/P+T20，密度為1.05g/cm3左右。

經(jīng)分析，儀表板由于其所處的特殊部位和承擔的特殊功能，必然要選用高礦粉填充PP來保證高模量、中高沖擊的要求。但門內(nèi)飾板、副儀表板、立柱、門檻壓條對材料的韌性要求高于剛性，可以嘗試使用低密度的PP/PE類材料。表8為兩家材料廠家提供的的幾種低VOC低密度材料的物性對比。

表8 幾種材料的物性對比

根據(jù)表8所列技術(shù)數(shù)據(jù)，PP/PE類材料除了彎曲模量比較低之外，其它技術(shù)參數(shù)均優(yōu)于原PP+E/P+T20材料。表9為在不添加抗刮擦劑的情況下，不同礦粉添加量的PP/PE類材料的抗刮擦性能測試結(jié)果。結(jié)果顯示，礦粉添加越少，抗刮擦效果越好。因此，采用了低密度的PP/PE材料后，除有產(chǎn)品重量減輕，成型周期縮短，側(cè)碰安全性能提升等優(yōu)點外，表面刮擦性和氣味性的利好作用更大，可以解釋為：由于礦粉填充減少，抗刮擦劑等小分子助劑的添加量將會大幅減少甚至不添加，進而從源頭上避免了其在生產(chǎn)制造過程中析出產(chǎn)生的光照發(fā)粘及VOC超標等不利影響。

表9 不同礦粉添加量的PP/PE類材料的抗刮擦性能

3 低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件的可行性研究

對薄壁內(nèi)飾件的研究，目前我們分兩個階段進行：第一階段：考慮門內(nèi)飾板、立柱從2.5mm減薄到2.2mm；第二階段：考慮門內(nèi)飾板、立柱從2.2mm減薄到2.0mm。目前，我們已經(jīng)完成了第一階段，并已經(jīng)在沒有變更原標準的前提下成熟應用于已量產(chǎn)的某車型，故確定第二階段2.0mm的厚度是我們本次的研究目標。確定研究目標后，我們分別從剛性、韌性、加工性三方面對其進行充分的考慮和驗證。

對于剛性，我們根據(jù)公式轉(zhuǎn)動慣量I = bd3/12和撓度=FL3/48EI可以推算出d1/d2=(E2/E1)1/3，因此減薄設計需要極大提高材料的彎曲模量要求。按照原PP+E/P+T20標準，彎曲模量為1500MPa，如果從2.2mm減薄到 2.0mm，在需要保持同等剛度要求的情形下，薄壁材料的彎曲模量則需要提升為2000MPa，這對低密度的PP/PE類材料是個極嚴峻的考驗，幾乎不可能達到。

圖1 PP/PE材料試制的某車型的門內(nèi)飾板

那么，我們想到，不妨先嘗試采用材料廠家2提供的不加礦粉填充的低VOC低密度PP/PE類材料進行彎曲模量降低的探索。經(jīng)過試制2.2mm厚度的某車型的門內(nèi)飾板并完成所有的總成試驗，我們發(fā)現(xiàn)，1000MPa的彎曲模量可滿足零件總成要求。因此，我們選用1000MPa的模量進行基礎計算，得出薄壁材料的彎曲模量要求只需要提升至1330MPa，即可在理論上滿足2.0mm壁厚的剛度要求。由表8，材料供應商1提供的兩款材料的物性均可滿足我們的理論計算值。圖1為PP/PE材料試制的某車型的門內(nèi)飾板。

對于韌性，我們的評估方法依然是低溫落球試驗。低溫落球試驗即在-40℃的條件下存放4h后，以500g鋼球從1m高度落下，對剛性支撐的門內(nèi)飾板任意表面進行沖擊，不允許出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

對于加工性，門內(nèi)飾板減薄后，在同樣的熔指條件下，熔體在模腔里更容易凝固而導致不斷補充的熔體難以繼續(xù)流動，很容易造成門內(nèi)飾板充填不滿，這也是我們需要從材料本身去解決的問題之一。

另外，對于同一種材料，壁厚不同，收縮率會存在差異。由于樣板模具受限，我們暫時沒有渠道對低VOC低密度材料進行收縮率探索。圖1數(shù)據(jù)取自金發(fā)科技的牌號為ABP-2040 的材料標準樣板，測試標準采用GB/T 17037.4- 2003。由圖2可以看出，隨厚度降低，材料的收縮率也在降低，且降低幅度趨于平穩(wěn)，這對于模具設計初期模腔尺寸的確定及后續(xù)的生產(chǎn)過程控制是有利的。

因此，我們可以推斷，對于同樣是PP基材的低VOC低密度材料，不同壁厚收縮率也存在這樣的規(guī)律。[8]而隨厚度降低而降低的材料收縮率，對于因減少了礦粉填充導致材料收縮率相應增大的低VOC低密度材料也是相當有利的。

圖2 金發(fā)科技ABP-2040材料不同壁厚收縮率

綜上，低VOC低密度的PP材料應用于薄壁內(nèi)飾件，呈現(xiàn)的材料特性是低VOC、高模量、高韌性、高熔指。

低VOC的PP材料要求從選擇基材的聚合方式開始，嚴格控制生產(chǎn)制造過程中包括共混、造粒、干燥、注塑等工序在內(nèi)的每個環(huán)節(jié)；高模量要求，是因為要同時滿足減輕因礦粉填充減少帶來剛性下降的影響，及內(nèi)飾件減薄后剛性保持不變的要求；高韌性要求,是為了滿足零件碰撞或者模擬碰撞試驗的要求；另外，在壁厚減薄的前提下，材料的加工性能必然要求更高，這就更需要以高熔指作為必要條件，在保證外觀的前提下完成材料對模具的填充，高熔指還可以大大縮短注塑成型周期，在保證質(zhì)量的前提下，有效地降低了零部件的成本。

4 結(jié)論

隨著原材料工業(yè)的發(fā)展和共混改性技術(shù)的不斷進步，采用本體法或氫調(diào)法已經(jīng)可以聚合成同時具備高模量、高熔指特性的PP基材。而低密度的PP材料本身也會由于礦粉填充的減少，韌性和熔指得到相應提高，與此同時刮擦劑的減少使VOC得到極大改善。低VOC、低密度和薄壁這三個條件在滿足材料性能要求方面不但并無矛盾，很多方面還是相輔相成的。

因此，精選低VOC、高模量、高熔指的PP基材，綜合采用添加助劑、精制工程、參數(shù)控制、吸附捕捉、抑制分解等方法，在理論上完全可以實現(xiàn)低VOC低密度的PP材料在薄壁內(nèi)飾件上的最終應用。關(guān)于它的平臺化推廣應用，值得在實踐中進行進一步的試制及綜合成本分析研究。

[1] You K W, Ge Y S,Hu B, et al. Measurement of in-vehicle volatile organic-112-compounds under static conditions. Journal of Environ -mental sciences, 2007,19(10): 1208-1213.

[2] Yoshida T, Matsunaga I. A case study on identification of airborne organic compounds and time courses of their concentrations in the cabin of a new car for Private use. Environment international, 2006, 32(1): 58-79.

[3] Parra M A, Elustondo D, Bermejo R, et al. Exposure to volatile organic compounds (VOC) in public buses of Pamplona, Northern Spain. Science of the Total Environment, 2008, 404(1): 18-25.

[4] Chien Y C. Variations in amounts and potential sources of volatile organic chemicals in new cars. Science of the Total Environment, 2007, 382(2-3):228-239.

[5] Geiss 0,Tirendi S, Barrero J, et al. Investigation of volatile organic compounds and phthalates present in the cabin air of used private cars. Environment International, 2009, 35: 1188-1195.

[6] 陸昕,王萬祥,陶榮華.車內(nèi)有害氣體分析和凈化的有效途徑.客車技術(shù)與研究,2005,(5):28-29.

[7] 徐偉,潘杰花,蔣艷云.PP類材料在汽車輕量化方案中的應用研究.汽車零部件,2014,(11):48-51.

Feasibility research on polypropylene material for low VOC, low density andthin-walled interior trim

Xu Wei, Li Yanhua, Jiang Yanyun, Jiang Shangyang, Xu Li

（Saic GM Wuling Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007）

This paper researches on the feasibility to apply Low VOC, Low density and Thin-walled Interior Trim and proposals in original designing by stating its application prospect and status quo in low end vehicle models based on domestic interior trim development condition on economic and environmental protection vehicles.

Low VOC; Low density; Thin-walled; Interior Trim; Polypropylene

B

1671-7988(2018)18-268-04

U445

B

1671-7988(2018)18-268-04

CLC NO.: U445

徐偉（1985.4），女，中級工程師，現(xiàn)任職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，目前擔任非金屬材料主任工程師。主要負責塑料、橡膠、發(fā)泡材料、織物、皮革等傳統(tǒng)材料及前瞻性新材料技術(shù)的推廣及應用。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.094