極低微發(fā)泡聚丙烯材料和零件性能研究

邵方方 安冉 劉茜 王迪

摘 要：文章進(jìn)行了極低微發(fā)泡PP+EPDM-T20材料性能和極低微發(fā)泡PP+EPDM-T20在降低零件縮痕、提高零件剛度方面的研究。研究不同發(fā)泡劑填充比對(duì)材料性能的影響，結(jié)果表面：極低微發(fā)泡填充對(duì)PP+EPDM-T20材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，對(duì)材料的沖擊性能影響較大。研究不同發(fā)泡劑填充量對(duì)降低零件縮痕的影響，結(jié)果表明，當(dāng)微發(fā)泡填充量為1%時(shí)，零件加筋位縮痕有明顯改善。研究發(fā)泡劑添加量同加強(qiáng)筋厚度/壁厚比例關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)泡劑添加量為1%時(shí)，在保證外觀和剛度的基礎(chǔ)上，零件加強(qiáng)筋厚度和壁厚比例關(guān)系可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

關(guān)鍵詞：極低微發(fā)泡;聚丙烯;縮痕;尺寸穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U465 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-211-04

Research on the Performance of Very Low Micro Foaming Polypropylene

Materials and Parts

Shao Fangfang， An Ran， Liu Qian， Wang Di

（SAIC MOTOR Commercial Vehicle Technical Center， Shanghai 200438 ）

Abstract： The paper was researched on the properties of extremely low foaming PP+EPDM-T20 materials and researched the very low foaming PP+EPDM-T20 in reducing shrinkage marks and improving the stiffness of parts. The effect of different filling ratio of foaming agent on the properties of PP+EPDM-T20 was studied. The effect of very low foaming agent on the tensile modulus， bending modulus and thermal deformation temperature of PP+EPDM-T20 was small， and the impact properties of PP+EPDM-T20 were more affected. The results showed that when the filling amount of micro foaming agent was 1%， the shrinkage mark of stiffened parts was obviously improved. The results show that when the content of foaming agent is 1%， on the basis of keeping the parts appearance and rigidity， the ratio of stiffener thickness to wall thickness can be changed from 1：2.5 to 2：2.5.

Keywords： Very low micro foaming; Polypropylene; Shrinkage; Dimensional Stability

CLC NO.： U465 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-211-04

1 前言

微發(fā)泡塑料與傳統(tǒng)發(fā)泡塑料相比，具有密度小、沖擊強(qiáng)度高、隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的新型材料”，可應(yīng)用于質(zhì)輕強(qiáng)度高的汽車、飛機(jī)零部件、體育器械、電器絕緣材料、各種家電產(chǎn)品等領(lǐng)域。但當(dāng)前微發(fā)泡技術(shù)主要用于減重，通常為達(dá)到減重的效果，發(fā)泡劑的添加比例會(huì)在3%以上，此時(shí)材料的性能會(huì)發(fā)生大幅度篩減。

為避免PP類零件的縮痕，通常將加強(qiáng)筋厚度和零件壁厚比例設(shè)計(jì)在1：3左右，當(dāng)加強(qiáng)筋壁厚再繼續(xù)增加，由于加強(qiáng)筋處壁厚較大，零件內(nèi)部和表面溫度不一致，表面溫度低，內(nèi)部溫度高，極容易形成縮痕。

商用車門板立柱等零件較大，加強(qiáng)筋厚度和零件壁厚比例設(shè)計(jì)在1：3時(shí)，往往零件較軟，剛度不夠，零件易變形，為提高零件剛度，需將加強(qiáng)筋加厚，本課題的目的在于在PP+EPDM-T20門板本體材料中加入微發(fā)泡劑，通過(guò)在材料內(nèi)部形成三維蜂窩結(jié)構(gòu)，將零件內(nèi)部“撐起”，厚度較大位置處加強(qiáng)筋縮痕消失，從而提高零件設(shè)計(jì)自由度、剛度和尺寸穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP+EPDM-T20 C3322T-203040、H35發(fā)泡劑，上海普利特復(fù)合材料股份有限公司。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

（1）ZTH100L高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，上海增達(dá)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司;

（2）GT-7045-MDL擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，高特威爾檢測(cè)儀器有限公司;

（3）萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，Zwick;

（4）CI-3000氙燈老化試驗(yàn)箱，Atlas;

（5）Erichson 430耐刮擦試驗(yàn)儀，德國(guó)儀力信;

（6）Zeiss EVO18鎢燈絲掃描電鏡，德國(guó)ZEISS;

（7）CM-2500c色差儀，柯尼卡美能達(dá);

2.1.3 性能測(cè)試

（1）密度按照ISO 1183進(jìn)行測(cè)定;拉伸性能按照ISO 527-2進(jìn)行測(cè)定;彎曲性能按照ISO 178進(jìn)行測(cè)定;熱變形溫度按照ISO 306進(jìn)行測(cè)定;沖擊強(qiáng)度按照ISO 179進(jìn)行測(cè)定。

（2）耐低溫沖擊性能按照以下方法測(cè)試：

零件固定在剛性工裝或車身上，在（-30±2）℃下存放4h， 然后用一個(gè)直徑50mm、重500g的鋼球，從高處自由落下，垂直于零件表面進(jìn)行一次沖擊，沖擊至零件上的能量為2.5J。

（3）熱存放性能按照以下方法測(cè)試：

將零件固定在特定的工裝夾具上，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)募s束條件來(lái)盡可能模擬實(shí)際的裝配狀態(tài)，將零件放置在85℃的環(huán)境中保持168h。

（4）耐氣候交變性能按照以下方法測(cè)試：

被測(cè)試的樣件需要固定在特定的工裝夾具上，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)募s束條件來(lái)盡可能模擬實(shí)際的裝配狀態(tài)。將零件放置在表1規(guī)定的循環(huán)條件中進(jìn)行氣候交變性能試驗(yàn)，執(zhí)行2個(gè)表1中的循環(huán)。

（5）耐光色牢度性能按照以下方法測(cè)試：

將零件按照要求裁切成規(guī)定尺寸的樣件，放置在CI-3000氙燈老化試驗(yàn)箱中，控制氙燈老化試驗(yàn)箱的輻照能量為280kJ/m2，保持3個(gè)周期。

（6）耐刮擦性能按照以下方法測(cè)試：

將零件按照要求裁切成規(guī)定尺寸的樣件，放置在Erichson 430耐刮擦試驗(yàn)儀上，加載10N的載荷，在設(shè)備的導(dǎo)引下，刻劃工具以（1 000±50）mm/min的速度、2 mm的間距單向刮擦至少20道相互平行的劃痕，每道刮擦痕的長(zhǎng)度要保證網(wǎng)格總寬不小于40 mm。

（7）耐化學(xué)性能按照以下方法測(cè)試：

將零件按照要求裁切成規(guī)定尺寸的樣件，試驗(yàn)試劑包括油脂、機(jī)油、93#汽油、護(hù)手霜、甲基化酒精、皮革蠟。用浸透試劑的紗布在樣件表面以5 N的力來(lái)回擦3次，室溫放置24 h后清除試劑，觀察表面。

（8）靜力試驗(yàn)按照以下方法測(cè)試：

在23℃時(shí)按照設(shè)計(jì)狀態(tài)裝配在鈑金或相應(yīng)工裝上，用直徑50mm的圓球頭施加載荷，施力速度50mm/min，力保持5S。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同發(fā)泡劑填充量對(duì)PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料性能的影響研究

分別在PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料中加入0%H35發(fā)泡劑、0.5%H35發(fā)泡劑、1.0%H35發(fā)泡劑和1.5%H35發(fā)泡劑，研究不同發(fā)泡劑填充量對(duì)PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料性能的影響，相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)列于表2中。

從表2的數(shù)據(jù)可知，極低微發(fā)泡填充，對(duì)PP+EPDM–T20 C3322T-2030材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，材料性能可滿足上汽大通材料開發(fā)要求。對(duì)材料的沖擊性能影響影響較大，同不添加微發(fā)泡的材料相比，當(dāng)微發(fā)泡劑的填充比從0.5%增加到1.5%的過(guò)程中，材料沖擊性能降低12%至31%。原因?yàn)槲l(fā)泡劑加入材料中后，通過(guò)控制注塑工藝，材料內(nèi)部形成穩(wěn)固的三維蜂窩結(jié)構(gòu)，因此材料的拉伸模量、彎曲模量和熱變形溫度影響不大，但是由于蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部為中空，在沖擊性能測(cè)試中，這些中空的位置就是缺陷點(diǎn)，因此材料的沖擊性能降低。

3.2 不同發(fā)泡劑填充比對(duì)材料與零件縮痕、泡孔、減重的關(guān)系研究

分別在PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料中加入0%H35發(fā)泡劑、0.5%H發(fā)泡劑、1.0%H發(fā)泡劑和1.5%H發(fā)泡劑，按照一定注塑工藝分別注射成型不同發(fā)泡比例的零件。

控制壁厚為2.5mm的零件，零件加強(qiáng)筋的厚度分別為1mm、1.2mm、1.5mm和2.0mm，研究不同發(fā)泡劑填充量PP+EPDM-T20 C3322T-2030材料與零件縮痕、泡孔和減重的關(guān)系，相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)列于表3中。

從表3可知，不同微發(fā)泡劑填充量PP+EPDM-T20?C3322T -203040對(duì)改善加強(qiáng)筋處縮痕均有正向影響，當(dāng)微發(fā)泡劑添加量為0.5%時(shí)，加強(qiáng)筋厚度為1.2mm和1.5mm處的縮痕可被改善，加強(qiáng)筋厚度為2mm處的縮痕改善不明顯，零件減重4%。當(dāng)微發(fā)泡劑填充量為1.0%和1.5%時(shí)，加強(qiáng)筋厚度為1.2mm、1.5mm和2.0mm處的縮痕均明顯改善，零件表面質(zhì)量良好，零件減重6%。綜合3.1和3.2，當(dāng)發(fā)泡劑填充量為1%時(shí)，材料和產(chǎn)品的綜合性能最好。

研究1%發(fā)泡劑填充量零件本體和加強(qiáng)筋處的發(fā)泡特征，相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)如圖1所示。

從圖1的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)發(fā)泡劑的填充量為1%時(shí)，零件本體有明顯發(fā)泡，泡孔尺寸較大，且不夠細(xì)密。零件加強(qiáng)筋位置上方有明顯發(fā)泡，泡孔尺寸較大，泡孔較零件本體的泡孔密集。原因?yàn)榧訌?qiáng)筋處零件的壁厚變大，使得該處的壓力減小，發(fā)泡劑易在此處分解發(fā)泡產(chǎn)生三維蜂窩網(wǎng)狀泡孔，三維蜂窩網(wǎng)狀泡孔結(jié)構(gòu)將加強(qiáng)筋處“撐起”，彌補(bǔ)了加強(qiáng)筋處零件厚度較大造成的零件表面溫度低而內(nèi)部溫度高產(chǎn)生的縮痕，因此在加強(qiáng)筋較厚的地方，零件的縮痕消失。

當(dāng)發(fā)泡劑添加量為1%時(shí)，在保證外觀和性能的基礎(chǔ)上，零件壁厚可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

3.3 極低微發(fā)泡門板和普通微發(fā)泡門板性能對(duì)比研究

控制微發(fā)泡劑的填充量為1%，研究極低微發(fā)泡門板和普通微發(fā)泡門板的性能，相應(yīng)的特殊數(shù)據(jù)列于表4。從表4的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)微發(fā)泡的填充量為1%時(shí)，極低微發(fā)泡門板和普通微發(fā)泡門板關(guān)鍵性能相當(dāng)。

從上表的數(shù)據(jù)可知，材料沖擊性能的降低對(duì)總成零件應(yīng)力試驗(yàn)和沖擊性能影響不大。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了極低微發(fā)泡聚丙烯材料和零件性能研究，本文取得的主要成果如下：

（1）研究不同發(fā)泡劑填充比對(duì)材料性能的影響，結(jié)果表面：極低微發(fā)泡填充對(duì)PP+EPDM-T20材料的拉伸模量、彎曲模量、熱變形溫度等影響較小，對(duì)材料的沖擊性能影響較大。

（2）研究不同發(fā)泡劑填充量對(duì)降低零件縮痕的影響，結(jié)果表明，當(dāng)微發(fā)泡填充量為1%時(shí)，零件加筋位縮痕有明顯改善。

（3）研究發(fā)泡劑添加量同加強(qiáng)筋厚度/壁厚比例關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)泡劑添加量為1%時(shí)，在保證外觀和剛度的基礎(chǔ)上，零件壁厚可由最原始的1：2.5提高至2：2.5。

（4）當(dāng)發(fā)泡劑添加量為1%時(shí)，零件各項(xiàng)關(guān)鍵性能均能滿足上汽大通總成零件標(biāo)準(zhǔn)要求。