長玻纖增強聚丙烯在汽車翼子板上的應(yīng)用＊

李曉雄，楊小祥

（重慶國際復合材料股份有限公司創(chuàng)新中心，重慶 400082）

0 前言

力學性能是車用聚丙烯材料最基礎(chǔ)最重要的性能之一［1］。由于聚丙烯具有密度低、加工性能優(yōu)異等特點，是汽車高分子材料中用量最大、增長速度最快的品種，但聚丙烯的低溫脆性、剛性差等缺點限制了其在汽車上的應(yīng)用，因此汽車用聚丙烯材料一般都要經(jīng)過改性處理，通過增強增韌方法來提高其剛性和韌性，以滿足汽車零部件的使用要求［2］。在汽車輕量化及下游降成本大趨勢下，此類玻璃纖維增強熱塑性復合材料得到了廣泛的關(guān)注和飛速的發(fā)展。

目前在汽車行業(yè)中，短玻璃纖維是主要用于聚丙烯中的增強纖維。但短玻纖由于長徑比較小，在基體樹脂中排布不均，增強效果不明顯［3］。長纖維增強熱塑性復合材料（LFT）中的纖維的長徑比比短纖維增強熱塑性復合材料（SFT）中的纖維大一個數(shù)量級，纖維在基體中的分布均勻，因此可以充分發(fā)揮纖維強度的優(yōu)勢［4,5］。

1 研究背景

熟知的LFT復合材料成型工藝主要有長玻璃纖維增強混配直接模壓成型工藝（LFT-D）和長玻璃纖維增強熱塑性復合材料造粒工藝（LFT-G）兩大類。LFT-D工藝使用特制的擠出機設(shè)備和特殊設(shè)計的螺桿結(jié)構(gòu)，使得連續(xù)玻璃纖維和熱塑性樹脂可以在擠出機內(nèi)部經(jīng)過可控的剪切混合過程擠出形成胚料，而后模壓成型，此成型方法的優(yōu)點是一步成型，高效且能耗低［6］；LFT-G工藝是研究最多、工業(yè)化最早的一種技術(shù)，其特點是通過不同的浸漬技術(shù)來獲得浸漬程度高的LFT基料，而后擠出造粒，注塑成型［7］。

相比傳統(tǒng)短玻璃纖維增強熱塑性制品，注塑成型的LFT-G復合材料性能更強，這得益于玻纖長度的增加，導致了2種材料結(jié)構(gòu)上的差異。注塑制品內(nèi)部玻璃纖維長度明顯較長，其在注塑的過程中長纖維之間，聚合物樹脂之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點使其具有更強的力學性能，更好的尺寸穩(wěn)定性，在高溫條件下不易變形，而在低溫條件下還能保持一定韌性。普通注塑機可以加工生產(chǎn)的特點，使得制品得到了迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。

LFT熱塑性復合材料制品現(xiàn)已被大眾、通用、日產(chǎn)、馬自達等汽車企業(yè)廣泛地應(yīng)用于尾門內(nèi)板、儀表板支架、座椅支架、發(fā)動機下底護板、備胎倉支架、控電盒、導流板等汽車關(guān)鍵零部件［8，9］。在我國目前由于生產(chǎn)該類零件的工藝技術(shù)和生產(chǎn)線設(shè)備大多進口，價格昂貴，導致零件價格不菲，阻礙了該類先進技術(shù)和零部件在自主品牌汽車上的應(yīng)用。因而，我國的汽車產(chǎn)業(yè)急需國產(chǎn)化的長纖維增強熱塑性復合材料技術(shù)與產(chǎn)線設(shè)備。

因此，公司一直致力于自主設(shè)計開發(fā)國產(chǎn)化LFT生產(chǎn)線，本文使用LFT試驗線及成型裝備，制備了20%、30%和40%玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的LFT-PP粒料，并將40%玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的粒料成功應(yīng)用于汽車翼子板。

2 實驗部分

2.1 主要原料

PP：1352F，臺塑工業(yè)（寧波）有限公司；

抗氧劑：1010+168，巴斯夫化工有限公司；

潤滑劑：GM-100A，中藍晨光化工研究院有限公司；

相容劑：5701，佳易容江蘇有限公司；

玻纖：4305PM，重慶國際復合材料股份有限公司。

2.2 主要設(shè)備和儀器

國復LFT試驗線：LFT-01線，重慶國際復合材料股份有限公司；

注射成型機：MA2400，海天塑機集團公司；

懸簡組合擺錘沖擊試驗機：XJC-25D，承德精密試驗機公司；

電子萬能試驗機：WDT-W-100B，承德精密試驗機公司。

2.3 長纖維增強聚丙烯粒料的制備

長纖維增強PP復合材料的制備采取公司自主設(shè)計的試驗線LFT-G方法。將PP和抗氧劑、相容劑等助劑按照一定質(zhì)量分數(shù)比例混合，通過雙螺桿擠出機進行共混，共混熔體進入模具，同時，連續(xù)纖維經(jīng)退捻張力架預(yù)加熱，在牽引輥的帶動下達到浸漬模具，熔融狀態(tài)下的物料與連續(xù)纖維充分接觸，實現(xiàn)浸漬、包覆，而后料條水冷定型，經(jīng)牽引切粒得到長纖粒料。通過纖維TEX和模具孔板直徑控制纖維質(zhì)量分數(shù)，分別制備了質(zhì)量分數(shù)20%、30%、40%的樣品。

將長纖粒料樣品通過注塑機注塑成標準樣條，注塑機各段溫度為220 ℃左右，系統(tǒng)壓力為70 MPa，每種百分比樣條取5個。將沖擊樣條修剪后，用缺口制樣機制出2 mm的單邊缺口，每種樣品取5組樣條進行簡支梁缺口沖擊強度測試。將啞鈴型樣條進行修剪，每種樣品取5個樣條進行拉伸強度測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 玻纖質(zhì)量分數(shù)對試樣拉伸強度的影響

拉伸性能實驗是將測試本文制備不同纖維質(zhì)量分數(shù)LFT-PP復合材料的抗拉強度，以此來探究長玻璃纖維對基體的增強效果及其中的一些規(guī)律，試驗參考國際標準ISO 527-2《塑料拉伸性能測試方法》進行拉伸性能測試。

普通的聚丙烯的抗拉強度一般為30 MPa左右，而由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，即使是其中抗拉強度最低的20%玻纖質(zhì)量分數(shù)的試樣也比單純的聚丙烯強度提高了217%，最高的40%玻纖質(zhì)量分數(shù)的抗拉強度達到了145 MPa，比聚丙烯強度提高了383%，可以看出長玻璃纖維對聚丙烯的抗拉強度提升非常明顯。

表1 不同玻纖質(zhì)量分數(shù)LFT-PP材料的拉伸性能

隨著玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的不同，聚丙烯基體所受到的增強效果也不一樣。由表1中能看到，30%玻纖質(zhì)量分數(shù)的試樣抗拉強度較20%玻纖質(zhì)量分數(shù)的高出31%，40%玻纖質(zhì)量分數(shù)的又比30%的試樣高出16%，但是斷裂延伸率隨玻纖質(zhì)量分數(shù)的增加沒有明顯變化。

3.2 玻纖質(zhì)量分數(shù)對試樣彎曲強度的影響

由表2中不同玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的試樣彎曲性能數(shù)據(jù)可以看出，隨著玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的彎曲強度及彎曲模量都在逐漸提高，其中40%玻璃纖維的試樣彎曲強度最大，達到了170 MPa，彎曲模量達到了6 970 MPa，彎曲強度比30%玻纖質(zhì)量分數(shù)的試樣提升了12%，比20%玻纖質(zhì)量分數(shù)的試樣提升了26%。但是試樣的撓度隨著玻纖試樣整體在常溫下發(fā)生的彎曲斷裂基本都為脆斷，主要是因為玻纖雖然抗拉強度高，剛性優(yōu)異，但是較脆，彎曲樣條背部的玻璃纖維容易超過彈性限度而發(fā)生斷裂，這也是玻纖質(zhì)量分數(shù)增加后其撓度降低的主要原因。

表2 不同玻纖質(zhì)量分數(shù)LFT-PP材料的彎曲性能

3.3 玻纖質(zhì)量分數(shù)對試樣沖擊性能的影響

聚丙烯基體在室溫和低溫下，由于本身分子結(jié)構(gòu)規(guī)整度高，所以抗沖擊強度較差，但是經(jīng)過長玻璃纖維增強后能夠顯著改善其沖擊性能。

根據(jù)表3中所列數(shù)據(jù)可以看出，隨著玻纖質(zhì)量分數(shù)的提升，試樣的沖擊性能明顯提高，尤其是當玻纖質(zhì)量分數(shù)由30%增加到40%，簡支梁缺口沖擊強度提升了50%，簡支梁無缺口沖擊強度提高44%。可見長玻璃纖維對基體樹脂沖擊性能的改善效果比較顯著，樹脂對玻纖的完全浸漬能夠保護玻纖在粒子的塑化過程中不受破壞，從而保留玻纖在制件中的長度，基體中的玻璃纖維保留長度越長，質(zhì)量分數(shù)越高，沖擊強度也就會越高。

表3 不同玻纖質(zhì)量分數(shù)LFT-PP材料的沖擊性能

4 復合材料在汽車翼子板上的應(yīng)用

基于以上力學性能測試結(jié)果及分析，40%玻纖質(zhì)量分數(shù)的長纖復合材料完全有潛力應(yīng)用于汽車輕量化相關(guān)零部件，減重的同時亦能滿足性能需求。本文隨即做了一部分應(yīng)用方面的工作，利用公司LFT-G試驗線及相關(guān)成型設(shè)備生產(chǎn)試制了國內(nèi)某款電動汽車的翼子板。

4.1 翼子板制品性能測試

汽車零配件在使用過程中，需要面對的環(huán)境是復雜多變的，因此力學性能并不是判斷它實用性的唯一標準，在裝車前還應(yīng)通過汽車塑料制品各項通用試驗測試，滿足技術(shù)標準指標。對翼子板進行的通用性能測試主要參考QC/T15-1992《汽車塑料制品通用試驗方法》進行，主要檢測其耐高溫性、耐冷熱交變性、耐沖擊性、耐濕熱型、耐水性、耐溶劑性及耐低溫性等在日常環(huán)境使用可能遇到的條件，具體的檢測項目、檢測條件及結(jié)果如表4所示。

表4 翼子板通用性能試驗

由表4中可以看出，制備的汽車翼子板經(jīng)過汽車塑料制品通用試驗各項測試后，基本都沒有發(fā)生變形、開裂、粉化、氣泡、發(fā)粘與溶解等現(xiàn)象，體現(xiàn)出了該材料可以滿足不同實際應(yīng)用場景對它的要求，也證明了本文中研究生產(chǎn)的制品可以達到汽車應(yīng)用方向的技術(shù)條件。

4.2 翼子板裝配

通過各項測試之后，將翼子板制件進行裝配，尺寸穩(wěn)定性好，外觀平整，如圖1所示。

圖1 翼子板裝車實例

5 總結(jié)

（1）本文從自主設(shè)計研發(fā)的LFT-G試驗線出發(fā)，通過配方設(shè)計，工藝控制，制備出不同玻纖質(zhì)量分數(shù)的LFT-PP復合材料，并進行了力學性能測試。

（2）經(jīng)過測試，試樣的抗拉強度、彎曲強度及沖擊強度都與玻纖質(zhì)量分數(shù)成正比，測試樣品中40%玻纖質(zhì)量分數(shù)樣品拉伸強度達到145 MPa，彎曲模量6 970 MPa，沖擊強度達到27 kJ/m2，力學性能優(yōu)異。

（3）將40%LFT-PP粒料注塑成翼子板制件，經(jīng)過汽車塑料制品通用試驗各項測試后，基本都沒有發(fā)生變形、開裂、粉化、氣泡、發(fā)粘與溶解等現(xiàn)象。

（4）在追求輕量化和以塑代鋼的當下，本文采用的LFT-G生產(chǎn)工藝和配方有望得到更廣泛的關(guān)注和使用，其優(yōu)異的性能和低成本優(yōu)勢將會帶來廣闊的市場前景。