改善聚丙烯蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的研究*

孟姍姍，秦永利，范欣愉，肖 鵬

廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣東 廣州510530

鑒于三明治夾芯板的輕量化特點(diǎn)，越來越多的三明治夾芯板被用于汽車備胎蓋板和衣帽架等部件.早期夾芯板的芯層多為紙蜂窩芯.紙蜂窩夾芯板的典型優(yōu)勢是高溫承載性能優(yōu)異.但是紙蜂窩夾芯板在生產(chǎn)過程中需要通過熱塑性膠黏劑或熱固性樹脂，實(shí)現(xiàn)三明治夾芯結(jié)構(gòu)的面層和紙蜂窩芯的粘接[1].因?yàn)槟z水中含有大量的醛類和苯類物質(zhì)，導(dǎo)致紙蜂窩夾芯板的氣味、揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds)和其他有害物質(zhì)超標(biāo)，不能滿足國家相關(guān)法規(guī)要求，同時(shí)產(chǎn)品的回收再利用難度大，利用率低[2].

為了改善夾芯板的氣味，降低有害物質(zhì)含量，提升可回收性，越來越多的聚丙烯(PP)蜂窩夾芯板被開發(fā)，以替代紙蜂窩夾芯板.同時(shí)因PP良好的加工性、耐腐蝕性和低氣味性，普遍用于乘用車和廂式貨車[3-4].但在高溫下，PP蜂窩夾芯板的彎曲性能較低，與常溫比降幅達(dá)50%以上，限制了PP蜂窩夾芯板的推廣.為了進(jìn)一步拓展PP蜂窩夾芯板的應(yīng)用范圍，亟需提高其高溫下的彎曲性能.

人們對提升蜂窩夾芯板的彎曲性能進(jìn)行了一些研究，如通過增加蜂窩板面層層數(shù)，蜂窩夾芯板的彎曲性能得到明顯提高，因?yàn)樵黾用鎸佑兄诮档头涓C芯中心區(qū)域的變形程度[5-6].另外，隨著蜂窩芯壁厚增加以及孔徑減小，蜂窩夾芯板的彎曲、壓縮等性能呈上升趨勢[6-7]. 目前的研究主要集中在面層厚度、蜂窩芯尺寸(壁厚、孔徑等)等對蜂窩板彎曲性能的影響.而關(guān)于PP/GF面層的配方中蜂窩板面層中的纖維長度、PP蜂窩芯層中添加填料等對PP蜂窩夾芯板高溫彎曲性能影響的研究較少.本文將重點(diǎn)探討蜂窩板面層中玻璃纖維長度、在PP蜂窩芯層中添加填料和填料尺寸等對PP蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響，從而找到影響PP蜂窩夾芯板高溫下彎曲性能的主要因素.

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚丙烯(PP)(中國石油蘭州石化公司)：其熔體質(zhì)量流動(dòng)速率( MFR)為10～15 g/10min；玻璃纖維(中國巨石集團(tuán)股份有限公司)；其長度25～50 mm；黑色母(卡博特化工有限公司)，滑石粉(廣西桂廣滑石粉有限公司)，抗氧劑1010，抗氧劑168(瑞士汽巴精細(xì)化學(xué)有限公司).

1.2 主要設(shè)備

180063型單螺桿擠出機(jī)1(蘇州金韋爾機(jī)械有限公司)，ZZ150型單螺桿擠出機(jī)2(廣州正裝科技有限公司)，玻璃纖維裁切機(jī)(江蘇潤源控股集團(tuán)有限公司)，KFK-X 1900型復(fù)合壓機(jī)1(Meyer)，Double Belt Press型復(fù)合壓機(jī)2(Sandvik TPS)，WK650型高低溫試驗(yàn)箱(美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司)，5967型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(英斯特朗工程公司Instron Engineering Corporation).

1.3 樣品制備

聚丙烯/玻璃纖維(PP/GF)面層制備：將PP、抗氧劑1010、抗氧劑168和黑色母等按照一定比例混合均勻后，通過料筒加入到單螺桿擠出機(jī)1中進(jìn)行熔融擠出，擠出機(jī)溫度設(shè)為 190～230 ℃.熔融態(tài)擠出膜通過擠出機(jī)模唇下方的對輥擠壓定型，得到一定厚度的PP膜.玻璃纖維絲束通過玻璃纖維裁切機(jī)的刀輥，在一定的裁切速度下，裁切成長度為25 mm、50 mm.多層PP膜(2～3層)與多層(1～2層)裁切的玻纖絲束交叉鋪層后，通過傳輸帶一起傳遞到復(fù)合壓機(jī)上，在復(fù)合壓機(jī)1中將其壓成具有一定厚度和面密度的PP/GF面層，復(fù)合溫度為180～230 ℃，復(fù)合壓力0.2～0.5 MPa.

聚丙烯(PP)蜂窩芯制備：將PP、滑石粉等按照一定比例混合均勻后，通過料筒加入到擠出機(jī)2中熔融擠出，然后通過特定的成型設(shè)備冷卻定型為特定厚度的蜂窩芯.擠出機(jī)溫度設(shè)為 190～230 ℃.

聚丙烯(PP)蜂窩夾芯板制備：按照從下至上的順序依次將PP/GF面層、PP蜂窩芯、PP/GF面層鋪層，再將3層材料通過傳輸帶傳遞到復(fù)合壓機(jī)2中，通過加熱熔融、冷卻定型，最終制成具有特定厚度的蜂窩夾芯板樣品.復(fù)合溫度為190～230 ℃，復(fù)合壓力0.25～0.3 MPa.制備的樣品厚度偏差±0.5 mm.

1.4 測試與表征

按照GB/T1456-2005對制備的蜂窩夾芯板進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和彎曲模量測試.彎曲測試模式為三點(diǎn)彎，彎曲樣條尺寸為200mm×60mm，測試跨距為160 mm，測試速率為2 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 面層中纖維長度對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響

蜂窩夾芯板的結(jié)構(gòu)類似于二維的“工字梁”形狀，其上下面層可承受彎曲時(shí)的壓縮和拉伸載荷.彎曲模量和彎曲撓度與面層的模量有關(guān).

在PP蜂窩芯中未添加滑石粉等填料的基礎(chǔ)上，調(diào)整蜂窩夾芯板面層中玻璃纖維長度，以探討纖維長度對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響.1號樣的玻璃纖維長度為25mm，2號樣的玻璃纖維長度為50%的25 mm和50%的50 mm組合，3號樣的玻璃纖維長度為50 mm，試驗(yàn)結(jié)果列于表1.由表1可知，1號樣分別在常溫23 ℃和80 ℃測試時(shí)，蜂窩夾芯板在80 ℃的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量比23 ℃的分別降低56%，48%；在80 ℃測試時(shí)，2號樣蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量比1號樣的分別提高12.5%，7.7%，3號樣蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量比1號樣的分別提高37.5%，19%.隨著玻璃纖維長度增加，玻璃纖維可承載更高的彎曲外力，從而提高蜂窩夾芯板的整體模量.試驗(yàn)結(jié)果表明，增加玻璃纖維長度可改善蜂窩夾芯板的高溫彎曲性能.

表1 玻璃纖維長度對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響

Table 1 The effects of glass fiber length in PP/GF skin on high temperature bending property of honeycomb sandwich panel

樣品玻纖長度/mm溫度/℃彎曲強(qiáng)度/MPa彎曲模量/MPa1號25231.85025800.8262號25(50%)+50 (50%)800.9283號50801.131

2.2 芯層中添加滑石粉對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響

在彎曲外力下，蜂窩夾芯板會出現(xiàn)剪切撓度變形，剪切撓度與芯層的剪切模量有關(guān).因此，對于PP芯層來說，增加芯層的模量可以提升PP蜂窩夾芯板在高溫下的彎曲性能.

滑石粉的主要成分為水合硅酸鎂(3MgO·4SiO2·H2O).由于滑石粉特殊的薄片狀結(jié)構(gòu)，在塑料中是一種有效的增強(qiáng)材料，無論常溫和高溫下，都可賦予塑料較高的剛性和抗蠕變性.滑石粉對塑料材料熱變形溫度的影響較為明顯，可以有效地提高各種塑料的熱變形溫度[8]，從而增加塑料的耐熱性.

在面層玻璃纖維長度為50 mm的條件下，在蜂窩芯層中添加10 μm滑石粉以探討滑石粉的添加量對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1可見，隨著滑石添加量的增加，蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量逐漸增加.在80 ℃下，與未添加滑石粉的蜂窩板相比，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%滑石粉后，蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提高18%，16%.在PP蜂窩芯層中添加滑石粉后，滑石粉自身既可以作為增強(qiáng)填料，也可以作為成核劑.成核劑的作用主要是細(xì)化材料晶粒，提高聚丙烯的結(jié)晶性，從而改善材料的力學(xué)性能.

圖1 芯層中滑石粉添加量對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響Fig.1 The effects of talc content in PP honeycomb core layer on high temperature bending property of honeycomb sandwich panel

2.3 滑石粉粒徑對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響

在面層玻璃纖維長度為50 mm，芯層中滑石粉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的條件下，探討滑石粉粒徑對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響.由圖2可見，隨著滑石粉粒徑降低，蜂窩夾芯板的高溫彎曲強(qiáng)度和彎曲模量提高.其原因是滑石粉粒徑降低后，滑石粉的表面積增加，與PP的接觸面積相應(yīng)增加，從而可充分地發(fā)揮滑石粉抗蠕變耐高溫特性.

圖2 滑石粉粒徑對蜂窩夾芯板高溫彎曲性能的影響Fig.2 The effects of talc particle size on high temperature bending property of honeycomb sandwich panel

3 結(jié) 論

在滿足加工性的前提下，增加聚丙烯/玻璃纖維(PP/GF)面層中的纖維長度，增加蜂窩芯中滑石粉添加量及降低滑石粉粒徑，均可提高聚丙烯蜂窩夾芯板的高溫彎曲性能.