擠出成型工藝對(duì)聚丙烯復(fù)合材料的VOC影響研究

侯智謀，郝源增，胡俊龍，吳建偉

(廣州市聚賽龍工程塑料股份有限公司，廣東 廣州 510940)

汽車內(nèi)部空間有機(jī)物(VOC)散發(fā)問題如今已廣受關(guān)注，其直接影響了車內(nèi)人員的駕乘體驗(yàn)和健康。環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局也聯(lián)合發(fā)布了《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》，對(duì)車內(nèi)五苯三醛等有機(jī)物濃度做了明確限值要求，詳見表1。

表1 不同螺桿組合的螺紋元件排布

表1 車內(nèi)空氣中有機(jī)物濃度要求

聚丙烯 (PP) 材料具有力學(xué)性能好、價(jià)格低廉、密度小、易 加工、可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾 件，如儀表板、門板、立柱、安全氣囊組件、座椅周 邊部件等[1-2]，因此控制聚丙烯復(fù)合材料的VOC水平，對(duì)控制整車的VOC有著重要作用。

聚丙烯復(fù)合材料的擠出成型過程工藝一般包括螺桿組合的強(qiáng)度，加工溫度，螺桿轉(zhuǎn)速、喂料量，真空度等，本文著重研究了螺桿組合強(qiáng)度，加工溫度，真空度，注水及烘干后處理對(duì)聚丙烯復(fù)合材料VOC水平的影響，以期找到低VOC聚丙烯材料的最佳加工工藝，從而制得種低VOC水平的聚丙烯復(fù)合材料，為車內(nèi)環(huán)境的凈化做出有益貢獻(xiàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

共聚聚丙烯(牌號(hào)：EP548R-Z)，中海殼牌；彈性體(牌號(hào)：POE565)，LG,滑石粉(3000目)，遼寧北海;抗氧劑1010，巴斯夫；抗氧劑168，巴斯夫;硬脂酸鋅，中山華明泰;耐候劑(LA-402AF)，艾迪科；耐刮劑(HG-600S)，浙江佳華;碳母(PE2718)，卡博特。

1.2 主要儀器和設(shè)備

STS-35平行雙螺桿擠出機(jī)，科倍隆科亞(南京)機(jī)械有限公司；CJ80M3V注塑機(jī)，震德集團(tuán)公司；GCMS-QP2020，LC-20AT，日本島津。

1.3 試樣的制備

熔融擠出法制備聚丙烯復(fù)合材料：將PP、POE、滑石粉、抗氧劑、潤(rùn)滑劑、耐刮劑、耐候劑、色母粒按一定比例準(zhǔn)確稱量后，在高速混合機(jī)中攪拌5 min，然后通過同向平行雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出，經(jīng)過水冷、風(fēng)干、切粒，制得聚丙烯復(fù)合材料；然后再通過注塑機(jī)制得VOC測(cè)試用的150×150×3 mm的樣片。

1.4 性能測(cè)試

VOC測(cè)試：按VS-00.28-L-06017-2018標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即長(zhǎng)安汽車《內(nèi)飾零部件/材料 VOC 采樣測(cè)定試驗(yàn)規(guī)范》，HPLC測(cè)試甲醛、乙醛、丙烯醛，GCMS測(cè)試苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯和TVOC。袋子體積，10 L，測(cè)試樣本量：100 cm2。

ND：表示未檢出(小于檢出限);

醛系物：檢出限為15 μg/m3(甲醛為30 μg/m3);

苯系物：檢出限為16 μg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺桿組合對(duì)聚丙烯復(fù)合材料VOC的影響

圖1 大導(dǎo)程輸送元件

圖2 90°/5/56型捏合元件

雙螺桿擠出機(jī)的螺桿主要由下圖所示的輸送元件和捏合元件組成，輸送元件僅起輸送物料的作用，對(duì)物料幾乎沒剪切分散能力。捏合元件則提供剪切力，使物料各組分均勻分散及分布。不同規(guī)格的捏合元件主要以三個(gè)參數(shù)區(qū)分，即捏合片的錯(cuò)列角、捏合片數(shù)量、捏合片厚度，其中捏合片的錯(cuò)列角是影響捏合元件剪切力強(qiáng)弱的首要參數(shù)，捏合片的錯(cuò)列角一般有30°、45°、60°、90°之分,錯(cuò)列角越大，剪切力越強(qiáng)。同理，一個(gè)螺桿組合中捏合元件數(shù)量越多，則代表該螺桿組合剪切力越強(qiáng)。

通過逐步增加剪切塊數(shù)量測(cè)試復(fù)合材料VOC，由表2數(shù)據(jù)可見，隨著剪切螺紋塊數(shù)量增加，甲醛、乙醛、丙烯醛含量逐步升高，而苯系物含量則變化不大。有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，聚丙烯復(fù)合材料中的醛系物主要是由聚丙烯的氧化降解產(chǎn)生，[3]本實(shí)驗(yàn)中螺桿組合強(qiáng)度越強(qiáng)對(duì)聚丙烯的剪切作用也越強(qiáng)，降解程度就越大，也印證了聚丙烯中的醛系物來源于降解產(chǎn)生的結(jié)論。1#、2#螺桿組合剪切強(qiáng)度低不能充分分散滑石粉，5#螺桿組合VOC含量高，因此選用3-4#強(qiáng)度的螺桿組合相對(duì)平衡。

表2 不同螺桿組合下聚丙烯復(fù)合材料VOC含量對(duì)比

2.2 加工溫度對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

通過改變擠出機(jī)的擠出溫度測(cè)試復(fù)合材料VOC，由表3數(shù)據(jù)可見，隨著擠出溫度升高，甲醛、乙醛、丙烯醛等醛系物逐步升高，而苯系物含量變化不大。其可能的原因和螺桿組合實(shí)驗(yàn)類似，醛系物是聚丙烯加工過程中氧化降解產(chǎn)生，而加工溫度越高，聚丙烯降解程度越高，因此醛系物含量越高[4]。擠出溫度太低，聚丙烯原料熔融不充分，不利于各組份的分散，而擠出溫度太高則VOC含量高，因此，對(duì)聚丙烯復(fù)合材料，選擇200 ℃左右的加工溫度較為合適。

表3 不同擠出溫度對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

2.3 真空度對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

通過改變擠出機(jī)的真空度測(cè)試復(fù)合材料VOC，由表4數(shù)據(jù)可見，隨著真空度提高，小分子物質(zhì)更多地被抽提出去，醛系物、苯系物含量都得到較大幅度降低。兩個(gè)真空比一個(gè)真空作用更明顯。

表4 擠出機(jī)真空度對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

2.4 擠出機(jī)注水對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

通過改造擠出機(jī)，在復(fù)合材料中注入2%的純凈水，測(cè)試復(fù)合材料VOC，由表5數(shù)據(jù)可見，純凈水在螺桿中汽化蒸發(fā)過程中可附帶抽提部分小分子物質(zhì)，改性材料中醛系物、苯系物都有一定程度降低，且醛系物降低幅度比苯系物更大，可能是醛系物有一定極性，在水中的溶解度相對(duì)苯系物更高，因此能被更多的抽提出去。

表5 擠出機(jī)注水對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

2.5 后處理工藝對(duì)其對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

改性材料生產(chǎn)完成后，使用真空除濕熱風(fēng)烘箱在120 ℃烘干1～4 h，由表6可見，材料經(jīng)過烘干處理后，醛系物和苯系物都有一定程度下降，這和分子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，因此小分子能更快的揮發(fā)出去[5]。同時(shí)由圖3可見，烘干1～2 h五苯三醛總VOC下降速度較快，3 h后雖然也有一定程度下降，但下降速度逐漸減緩，綜合VOC水平和成本，烘干選擇2～3 h較為合適。

表6 烘干后處理工藝對(duì)復(fù)合材料VOC的影響

圖3 烘干時(shí)間對(duì)VOC揮發(fā)的影響

3 結(jié) 論

(1)螺桿組合剪切強(qiáng)度、加工溫度對(duì)聚丙烯復(fù)合材料的VOC均有不同影響，剪切越強(qiáng)，溫度越高，改性材料VOC越高，選擇適中的螺桿組合強(qiáng)度，加工溫度200 ℃有利于制備VOC水平低的改性PP材料。

(2)真空度、螺桿注水、烘干后處理等工藝對(duì)聚丙烯復(fù)合材料VOC有重要影響，雙真空加注水工藝，輔助烘干后處理，可制得低VOC水平的聚丙烯復(fù)合材料。