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发表于 2020-7-1 11:21:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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低密度聚丙烯材料在商用车轻量化应用开发

代玉堂,杨汐

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)

【中国汽车材料网】摘 要:文章主要介绍低密度聚丙烯(PP)材料开发的思路、原理、材料性能测试、零件注塑和零件性能评价。为内饰塑料件轻量化提供一种低成本、低风险的可行方案。
关键词:聚丙烯 低密度 轻量化
1 前言
在汽车轻量化和节能的压力下,各OEM纷纷采用碳纤维复合材料、轻质铝合金、高强度钢、薄壁化设计等措施进行减重。虽然这些技术可以实现大幅度的减重,但这些措施轻则更改模具,重则更改生产工艺,投入成本太高、验证周期长、风险较高,在国内OEM推广存在困难。
目前中低端汽车门板内饰板、侧围饰板、立柱饰板材料大多采用PP类材料,全车内饰用量约50kg。开发低密度的PP类材料可以无需更改模具和注塑设备,调整注塑工艺即可得到尺寸和性能满足要求的零件,实现轻量化。集团种子基金支持主要用于PP、POE、添加剂和填料等材料购买、加工费和测试费。
1.1 材料开发思路
目前中低端汽车门板内饰板、侧围饰板、立柱饰板、座椅饰板、副仪表板材料大多采 PP+EPDM-T20,整车内饰用量约50kg。PP+EPDM-T20是以PP(聚丙烯)为基材添加约10%的EPDM(三元乙丙橡胶)作为增韧相,添加20%的滑石粉改善材料的强度、刚度和尺寸稳定性。PP密度 0.92g/cm3,EPDM 密度 1g/cm3,滑石粉密度 2.7-2.8g/cm3。在保持材料性质不变同时降低滑石粉的使用量可以降低材料的密度,实现轻量化。
1.2 材料开发原理
主体基材聚丙烯是主链为亚甲基和次甲基交替、侧链为甲基的线性聚合物,其分子极性小,易结晶,低密度和化学惰性等性能。纯的聚丙烯由于存在机械强度较低、耐热性差、收缩变形大等缺陷,不能满足车内饰塑料件要求。随着结晶度的提高,PP材料的拉伸强度、弯曲模量、硬度都有明显提高。
EPDM 是乙烯-丙烯-非共轭二烯烃共聚的三元橡胶通常作为增韧材料使用,但由于碎胶困难,后期与粒状 PP混合不均匀,流动性较差,造成整体性能下降,同时由于EPDM气味较大,作为增韧材料使用量逐渐减少[1]。POE是采用茂金属催化剂的乙烯和辛烯实现原位聚合的热塑性弹性体,在POE分子链中辛烯的柔软链卷曲结构和结晶的乙烯链作为物理交联点,使它既有优异的韧性又有良好的加工性;POE分子量分布窄,具有较好的流动性,与聚烯烃相容性好,相对于常用EPDM增韧效果更好[2]。
为改善纯聚丙烯材料的缺陷,通常采用价格便宜的无机硅酸盐滑石粉进行填充改性。试验证明,随着滑石粉量的增加,材料弯曲模量显著提高,收缩率降低,热变形温度提高(见图1)。
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图1 滑石粉对聚丙烯材料性能影响


但随着滑石粉含量的增加,材料的冲击强度和拉伸强度逐渐下降。主要原因是随着滑石粉含量增加,滑石粉微粒相互团聚,与聚丙烯基材结合力下降,出现了不同程度的相分离,增强效果减弱。
表1 材料基本配方

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因此选用高结晶PP基材,选用增韧效果更好的POE提高增韧效果,特殊偶联剂改善滑石粉表面性质,提高滑石粉和PP基材的结合力。通过以上措施可以在保持材料的力学、热学性能的基础上降低滑石粉的含量,从而降低材料密度实现轻量化。基本配方见表1。


2 材料级性能测试
各组分混合后加入螺杆挤出机中混合挤出造粒,注塑标准测试样条。首先通过扫描电镜观察 PP+POE-T10(左)和PP+EPDM-T20(右)新开发材料样条断口形貌,见图2。
通过图中可以看出,右图中PP+EPDM-T20由于滑石粉含量较高,与 PP基材之间结合力下降,出现不同程度的相分离,微观下材料整体出现较多的小碎片。新开发的PP+POE-T10滑石粉与PP基材结合良好,分散均匀,没有出现明显的聚集和相分离。
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图2 PP+POE-T10和PP+EPDM-T20材料断口形貌


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图3 PP+POE-T10和PP+EPDM-T20材料红外谱图


选用高结晶 PP基材;改善滑石粉的表面处理、增强滑石粉与 PP基材的结合力;改善增韧体系,提高增韧效果,制得低密度PP+POE-T10材料。通过材料微观测试、材料级力学和热学测试、零件级耐久测试和安装测试表明新开发的材料满足CVTC标准要求。可以在原有的模具和注塑设备上替代PP+EPDM-T20,实现8.9%的减重效果,综合物料成本下降3%。全车内饰用量约45-50kg,非常适合老项目VAVE和新项目的轻量化设计。
滑石粉和 PP基材之间的结合力增强有利于材料的耐热性能的提高,如图4所示,用DSC和TGA分别测试两种材料测熔融温度和分解温度。
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图4 PP+POE-T10和PP+EPDM-T20材料DSC和TGA谱图


从图中可以看出,两种增强的聚丙烯材料的熔融温度都在177℃;特殊偶联剂增强的聚丙烯的分解温度在481℃,比普通滑石粉增强的聚丙烯的分解温度提高约14℃。这说明虽然降低滑石粉的含量,但通过提高滑石粉和聚丙烯基材的结合力,使PP+POE-T10的热老化性能优于PP+EPDM-T20。
表2 力学性能测试

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把材料注塑成标准样条,进行力学测试, 通过特殊处理的滑石粉增强和POE增韧的聚丙烯在拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击均能够满足通用门板的技术要求,且密度比常用的PP+EPDM-T20低近10%,见表2。
综上所述,通过用10%特殊表面改性的滑石粉增强、POE增韧的低密度 PP+POE-T10材料通过材料级测试性能优于PP+EPDM-T20,可以满足通用门板的力学、热学性能要求。


3 零件级耐久测试
利用开发的材料在现有的模具和注塑设备上制作结构复杂的SK81前门内饰板,注塑样件尺寸和外观良好,实现8.9%减重效果(见图5)。
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图5 新老状态门板重量对比


为简化实验,注塑SV71洗涤液盖板,注塑样件尺寸和外观良好。首先进行安装拉托力对比测试,新开发的注塑样件拉托力为31N,与老状态材料33N相当(见图6)。
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图6 新老状态拔出力对比


然后委托上海普尼测试进行耐化学性、耐合成汗液、内饰耐刮擦、光照色牢度、耐潮湿、高低温令热循环等测试(见表 3)。
上述实验结果表明,新开发的PP+POE-T10材料制作的样件均满足CVTC企业标准要求。


4 总结
所以本文选取隐藏层层数为2的LSTM网络作为本实验的网络模型,在该模型的基础上进一步调节网络参数优化模型。本文主要针对网络模型参数——批次、学习率进行实验,以RMSE作为评价准则,选出网络模型最适合的网络参数。不同网络参数的RMSE对比如图4所示。
表3 耐久测试结果

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参考文献
[1] 徐国平.低气味聚丙烯改性料的研制[J].工程塑料应用,2011,39(1):58-60.
[2] 王坷,史贞,王建民.PP 增韧技术的研究进展[J].合成树脂及塑料,1996,13(3):58-61.




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