汽車保險(xiǎn)杠用改性聚丙烯回收料回填比例的研究

劉立春 劉影 劉志波 王東升 林琦

摘要：汽車保險(xiǎn)杠采用的樹(shù)脂原材料為改性聚丙烯（PP），通過(guò)注塑工藝進(jìn)行生產(chǎn)。但在注塑生產(chǎn)過(guò)程中，由于受設(shè)備、工藝和原材料等不穩(wěn)定因素影響，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的不合格品，行業(yè)內(nèi)廢品率約為3% ～ 5%。廢品易造成環(huán)境污染以及成本浪費(fèi)，因此本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，主要介紹了廢舊塑料回收的必要性，并論述了行業(yè)內(nèi)幾種主要的處理方法。文章對(duì)汽車保險(xiǎn)杠改性PP 回收料的回填比例進(jìn)行了充分的論證，為實(shí)際生產(chǎn)保險(xiǎn)杠改性聚丙烯回收料的使用起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：改性聚丙烯；廢舊塑料；回收利用；節(jié)能環(huán)保

中圖分類號(hào)：TQ320.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著石油化工和塑料工業(yè)的迅速發(fā)展， 當(dāng)前塑料制品的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。而廢塑料又是塑料制品消費(fèi)過(guò)程中的必然產(chǎn)物，同時(shí)又是物質(zhì)資源的一種存在形式，它還具有一定的使用價(jià)值。如能有效的將其利用，就可以節(jié)約能源、凈化環(huán)境，具有重大的社會(huì)意義。

據(jù)了解，我國(guó)每年大約有上千萬(wàn)噸廢舊塑料沒(méi)有得到回收利用，整體回收利用率不足30%，直接資源浪費(fèi)高達(dá)近300 億元。歐洲再生塑料起步較早，平均回收率整體高于我國(guó)15% ～ 35%[1]。塑料源于石油資源，石油資源不可再生，而廢舊塑料經(jīng)過(guò)回收、分類和科學(xué)合理處置后可以獲得再生價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。因此，從節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的角度考慮，開(kāi)發(fā)與研究廢舊塑料回收的方法和技術(shù)，將成為今后的一個(gè)重點(diǎn)課題。

1 廢舊塑料的回收利用技術(shù)

廢舊塑料的回收是進(jìn)行再利用的前提，回收的難處在于種類多、數(shù)量大、分布廣以及差異小，而且很多塑料和其他生活垃圾混在一起，使得回收困難重重。國(guó)外在廢舊塑料回收方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，有很多值得我們借鑒的地方，目前行業(yè)內(nèi)處理廢舊塑料的方法總體來(lái)講可以分為以下3種：化學(xué)回收、能量回收和物理回收[2]。

1.1 化學(xué)回收

化學(xué)回收是利用化學(xué)改性或熱分解的方法，使廢棄物成為可以回收利用的其他物質(zhì)，如燃?xì)狻⑷加偷?。化學(xué)回收典型的方法為熱分解法。熱分解是利用高溫?zé)崮苁顾芰细叻肿渔湴l(fā)生斷裂，高分子裂解后得到相對(duì)分子質(zhì)量低的化合物，但該方法技術(shù)難度大，對(duì)回收設(shè)備要求高，回收成本較高，因此不建議采用。

1.2 能量回收

能量回收是對(duì)回收的有機(jī)物通過(guò)焚燒等處理，將燃燒的熱量轉(zhuǎn)化為其他能量的方法。該方法生產(chǎn)成本低、處理方法簡(jiǎn)單，但是廢棄物焚燒過(guò)程中容易釋放CO、S 和P 等有毒有害氣體以及較多顆粒物。焚燒后的灰分也需要填埋，這會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此不建議采用。

1.3 物理回收

物理回收就是將回收的廢聚丙烯經(jīng)過(guò)破碎、混合后，用于生產(chǎn)非外觀件和檔次較低塑料制品。由于產(chǎn)品成分不同，融合效果差，因而該方式也會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。最理想的方法是將廢料進(jìn)行分類回收，重新添加到制品中。為降低成本，目前在汽車行業(yè)多采用粉碎回填方式對(duì)廢料進(jìn)行回收再利用。

2 汽車保險(xiǎn)杠回收料的回收利用

汽車保險(xiǎn)杠采用PP 材料，該材料具有價(jià)格低廉、加工性能好、耐沖擊、耐性、強(qiáng)度高以及密度小等特點(diǎn)，在制造汽車配件中廣泛使用[3]。如汽車上的保險(xiǎn)杠、儀表板、門板和背門護(hù)板等，都是采用PP 材料，該材料處于汽車塑料應(yīng)用第一位。當(dāng)然，在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢PP 配件也較多。因其具有良好的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和加工性能，因此廢棄PP 材料的處理和回收利用得到了人們的廣泛關(guān)注。

PP 材料經(jīng)過(guò)高溫融化后會(huì)產(chǎn)生一定降解，導(dǎo)致性能下降，但其塑料性能還是存在[4]。因此，如采用該方法，需研究廢棄物加入量對(duì)各項(xiàng)性能的影響。

目前國(guó)外一些汽車公司在產(chǎn)品圖紙中僅標(biāo)示出允許回收料回填的最大比例，但行業(yè)內(nèi)均無(wú)有效論證數(shù)據(jù)來(lái)證明，回填比例是如何確定，以及回填比例的合理性。因此，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定回收料的最高加入量，在各項(xiàng)性能均合格的條件下方可采用[5]。

如何確定回收廢料的回填比例，需要進(jìn)行多項(xiàng)性能驗(yàn)證，主要包括對(duì)材料性能的驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)品尺寸精度的驗(yàn)證，以及對(duì)成品性能的驗(yàn)證。三方面性能均合格后，方能確定驗(yàn)證合格。

2.1 回收料添加量對(duì)原料物性的影響

本次試驗(yàn)搭載車型為吉林省某品牌SUV 車型，選取驗(yàn)證零件為前保險(xiǎn)杠面罩。該零件所采用樹(shù)脂原材料為PP，產(chǎn)品型號(hào)為PP+EPDM-TD15，檢測(cè)機(jī)構(gòu)為某非金屬材料第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

將回收料通過(guò)粉碎機(jī)粉碎成小顆粒狀，與原料按照設(shè)定比例進(jìn)行混合，按照回收料與純?cè)媳壤謩e為0%（純?cè)希?0%、20%、25%、50% 和100%（純回收料）進(jìn)行添加。然后按照某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《保險(xiǎn)杠改性聚丙烯供貨技術(shù)條件》進(jìn)行樹(shù)脂原材料性能檢測(cè)，找出符合性能要求的最大合適比例。最后按照最大合適比例與純?cè)线M(jìn)行配比生產(chǎn)，再對(duì)比單品精度以及制件性能進(jìn)行檢測(cè)，并最終鎖定最佳回填比例。各檢測(cè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)條件如下。

（1）密度。按GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1 部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》的規(guī)定，采用A 法（浸漬法）進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）熔融指數(shù)。按GB/T 3682—2000《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率和熔體體積流動(dòng)速率的測(cè)定》規(guī)定的方法A 進(jìn)行試驗(yàn)，負(fù)荷2.16 kg，溫度為230℃。

（3）拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。按GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定 第2 部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。采用1A 型試樣，試驗(yàn)速度為（50.0±5.0）mm/min。

（4）彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。按GB/T9341—2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)尺寸為（80.0±2.0）mm×（10.0±0.5）mm×（4.0±0.2）mm ； 試驗(yàn)跨距為試樣厚度的16±1 倍；試驗(yàn)速度為（2.0±0.4）mm/min。

（5）簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度。按GB/T 1043.1—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定第1 部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)尺寸為Ⅰ 型：（ 8 0 . 0 ± 2 . 0 ） m m ×（10.0±0.5）mm×（4.0±0.2）mm ；缺口選擇A 型， 缺口底部剩余寬度bN ：（8.0±0.2）mm ；跨距為（62.0+0.5）mm。

（6）熱變形溫度。按GB/T 1634.2—2004《塑料 負(fù)荷變形溫度的測(cè)定 第2 部分：塑料、硬橡膠和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)尺寸為（80.0±2.0）mm×（10.0±0.5）mm×（4.0±0.2）mm ；跨距為（64.0±1.0）mm ；負(fù)荷為0.45 MPa ；升溫速度為（120±10）℃ /h ；試樣平放檢測(cè)。

（7） 球壓痕硬度。按GB/T 3398.1—2008《塑料 硬度測(cè)定 第1 部分：球壓痕法》的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。試樣尺寸為φ50.0 mm×4.0 mm ；壓頭直徑為5.0 mm ；試驗(yàn)負(fù)荷為132 N，保持負(fù)荷30 s。

（8）灰分。按GB/T 9345.1—2008《塑料 灰分的測(cè)定 第1部分：通用方法》的規(guī)定，采用方法A（直接煅燒法）進(jìn)行試驗(yàn)。煅燒溫度為（600±25）℃，時(shí)間為3 h，直至恒重。灰分?jǐn)?shù)量為5 ～ 50 mg。

在保險(xiǎn)杠材料中添加不同比例改性聚丙烯回收料后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

2.1.1 無(wú)機(jī)物填充含量分析

密度和灰分代表原料成份中碳酸鈣和滑石粉等無(wú)機(jī)物填充成分的含量。表1 中數(shù)據(jù)顯示，隨著回填料添加量增加，密度和燃燒殘余基本無(wú)變化，均為1.01 g/cm3，說(shuō)明回收料通過(guò)融化和等物理變化，不會(huì)影響到材料無(wú)機(jī)填充的含量。

2.1.2 流動(dòng)性能變化分析

熔融指數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)材料流動(dòng)性的性能指標(biāo)。表1 中數(shù)據(jù)顯示，隨著回填料添加量增加，材料流動(dòng)性逐漸增強(qiáng)。這主要是由于粉碎料至少通過(guò)一次“加熱—熔融”工序，所以與原料相比，樹(shù)脂分子量降低。而且螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)給機(jī)筒內(nèi)的樹(shù)脂施加了很大外力，使得固體填充材料因折斷或殘缺而變小。流動(dòng)性增加使得注塑時(shí)制件更容易充填。

2.1.3 剛性性能變化分析

表1 中拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量以及球壓痕硬度都是反映材料剛性方面的數(shù)據(jù)，也就是材料抵抗拉伸、彎曲變形的能力。數(shù)據(jù)顯示，隨著回填料添加量增加，材料剛性逐漸降低。經(jīng)過(guò)25% 以后下降趨勢(shì)更加明顯，材料抵抗外力能力變差；當(dāng)回填料為100% 時(shí)，球壓痕硬度為33.46 N/mm2，出現(xiàn)不合格情況，在安裝點(diǎn)及受力點(diǎn)處易出現(xiàn)變形或開(kāi)裂的情況。

2.1.4 韌性性能變化分析

沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度代表的是材料的韌性。數(shù)據(jù)顯示，隨著回填料添加量增加，材料韌性逐漸增加，材料抗低溫和抗沖擊性更強(qiáng)。

2.1.5 原材料性能綜合分析

通過(guò)對(duì)表1 數(shù)據(jù)的綜合分析，當(dāng)回收料回填比例超過(guò)25% 后，材料性能下降趨勢(shì)明顯。在實(shí)際生產(chǎn)再利用中，將回收料與生料混合比例控制在某個(gè)程度以內(nèi)，那么“經(jīng)過(guò)很多次回收的材料”的比例就不會(huì)太大。因此結(jié)合原料的數(shù)據(jù)分析，選用回填比例為25% 作為回填試驗(yàn)的最大比例，進(jìn)行產(chǎn)品精度和總成性能驗(yàn)證。

2.2 產(chǎn)品精度

將回收料回填比例為25% 與純?cè)系闹萍M(jìn)行精度對(duì)比分析（表2），數(shù)據(jù)顯示，回填比例25% 與純?cè)蠁纹窓z具精度一致。后經(jīng)整車一體化檢具測(cè)量，精度數(shù)據(jù)與單品檢具狀態(tài)一致，說(shuō)明加入25% 比例回填料對(duì)制件精度方面無(wú)影響。

2.3 制件性能

對(duì)回收料回填比例為0% 和25% 的總成產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《保險(xiǎn)杠改性聚丙烯供貨技術(shù)條件》，包括對(duì)耐熱性、尺寸變化率、耐寒性、落球沖擊、耐熱老化性、耐候性和耐溶劑性等性能的檢測(cè)。制件性能檢測(cè)試驗(yàn)條件如下。

2.3.1 耐熱性

3 個(gè)試驗(yàn)樣品放置在溫度為80±2℃的恒溫箱中96 h，取出后目測(cè)試樣外觀變化情況。試驗(yàn)結(jié)束2 h 后，檢測(cè)原測(cè)量位置的尺寸，并按下式計(jì)算尺寸變化率，結(jié)果取平均值。

（ 1）式中：L 1 為試驗(yàn)后尺寸數(shù)值，單位mm；L 0 為試驗(yàn)前尺寸數(shù)值，單位mm。

2.3.2 耐寒性

將3 個(gè)試驗(yàn)樣品放入（-40±2）℃的低溫試驗(yàn)箱中24 h，試驗(yàn)后取出，目測(cè)試樣外觀變化情況，并進(jìn)行落球沖擊試驗(yàn)。落球質(zhì)量為（800±5）g ；沖擊高度為（650±10）mm。

2.3.3 耐熱老化性

將3 個(gè)試驗(yàn)樣品放入（150±2）℃的恒溫箱中200 h，取出后目測(cè)試樣外觀變化。

2.3.4 耐候性

按GB/T 16422.2—1999《塑料 實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第2 部分：氙弧燈》的規(guī)定進(jìn)行1 000 h 試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：噴水周期為每120 min噴水18 min ；黑板溫度為（63±3）℃。按照規(guī)定條件完成試驗(yàn)后，將氙燈照射后的樣件與初始樣件進(jìn)行比較，按照GB250—1995《評(píng)定變色用灰色樣卡》的要求用灰色卡判定等級(jí)。

2.3.5 耐溶劑性

將制品裁切為80 mm×20 mm 的試樣，然后分別用潤(rùn)滑脂、上光性石蠟、保護(hù)性石蠟、汽油（耐汽油性只做常溫試驗(yàn)）、柴油、制動(dòng)液、發(fā)動(dòng)機(jī)油、石油涂膜劑、除蠟劑、防凍液以及清洗劑浸漬的紗布包好，在室溫下放置1 h，再放入80℃恒溫箱中3 h。取出后目測(cè)外觀變化情況。

對(duì)回收料回填比例為0% 和25% 的制件試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，2 種制件性能檢測(cè)基本一致，說(shuō)明加入25% 比例回填料對(duì)制件成品性能無(wú)影響。在驗(yàn)證完原材料、單品精度和制件性能之后，為將此粉碎料回填使用合法化，又進(jìn)行了3 次（5+20+200）共計(jì)225 輛實(shí)車的試裝驗(yàn)證，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括靜檢、動(dòng)檢以及Audit評(píng)審，試裝結(jié)論為合格，并通過(guò)預(yù)批量管理正式發(fā)放試裝合格文件通知。至此，保險(xiǎn)杠生產(chǎn)過(guò)程中，回收料可以正式回填使用。

3 結(jié)論分析

經(jīng)過(guò)單品精度檢測(cè)、一體化精度檢測(cè)、制件成品性能檢測(cè)以及試裝驗(yàn)證，可以判定回收料25% 比例回填，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，可以用于生產(chǎn)。25% 比例是本次驗(yàn)證的極限比例，可根據(jù)實(shí)際情況降低比例使用。另外，回收制件應(yīng)清洗干凈，無(wú)油污粉塵、雜物，同時(shí)攪拌均勻?；厥樟戏鬯楹笞詈弥匦聰D出造粒，才能保證注塑機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確。需盡量保證粉碎顆粒與原料大小接近，顆粒粉末盡量去除干凈。如果粉末顆粒較小，材料容易氣化，制件外觀容易產(chǎn)生表面缺陷[6]。因此綜合考慮，建議回填比例控制在10% 以內(nèi)較為合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，搭載實(shí)際量產(chǎn)車型進(jìn)行全過(guò)程論證，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，在企業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用，并納入PFMEA、控制計(jì)劃和作業(yè)指導(dǎo)文件等生產(chǎn)管理體系文件中。經(jīng)過(guò)第三方權(quán)威審核機(jī)構(gòu)認(rèn)可，本研究在回收料回填領(lǐng)域填補(bǔ)行業(yè)空白，本文論證結(jié)果可以為行業(yè)內(nèi)企業(yè)提供參考借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：

劉立春，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)。