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聚丙烯汽车内饰材料低温高速拉伸性能的研究

  众所周知,聚丙烯(PP)是通用塑料中最常用的塑料品种。由于聚丙烯具有密度低、力学性能优异、环保易回收以及加工性能良好等特点,目前已成为车用塑料中用量最大、发展最迅速的塑料品种,特别是近年来车用材料轻量化的趋势,使得聚丙烯材料得到了材料工作者的极大关注。聚丙烯的玻璃化转变温度较高,且为半结晶材料,存在低温韧性不高、初始收缩率和后收缩率偏大、刚性不足等缺点,限制了其直接在汽车零部件上的应用。为克服上述不利因素,采用乙烯一辛烯共聚物(POE)弹性体对聚丙烯进行改性已是行业内最常见的方式。同时,为了平衡POE的添加造成的刚性下降,通常添加一定含量的滑石粉进行填充改性,以提高材料刚性和尺寸稳定性。
  采用上述手段改性的聚丙烯材料在汽车内饰件包括仪表板、副仪表板、门板以及立柱等获得了广泛的运用。而硬塑无缝气囊仪表板采用的改性聚丙烯材料性能要求最高,零件一般需要满足-30、23、85°C三个不同温度条件下的气囊爆破要求,因此对材料的刚韧平衡要求非常高,尤其是一30℃低温下的韧性表现最为关键,如果低温韧性差,硬塑仪表板在低温环境下气囊爆出时,聚丙烯材料的上体材料会产生大量的碎片,对驾乘人员不但起不到保护作用反而造成严重的二次伤害。
  低温缺口冲击强度是评价材料低温韧性的常用指标,目前根据主流的汽车厂标准,硬塑无缝仪表板用聚丙烯材料的低温简支梁缺口冲击强度要求大于4kJ/m2。但是在低温爆破时,材料在高速应变下还是出现明显的脆化失效,此时材料采用一30°C、200s—1条件进行高速拉伸测试也会表现脆性断裂。因此,研究开发低温韧性优异且稳定的汽车内饰件材料,以满足汽车硬塑无缝气囊仪表板对材料的需求,是车用内饰聚丙烯技术的难点和热点。本文通过加入相容剂的方式改善了PP/POE/Talc共混物在一30°C,200s—1高速拉伸测试条件下的韧性,为开发硬塑聚丙烯汽车内饰材料提供了有效方法。
  一、实验部分
  1.实验树脂及助剂
  共聚聚丙烯:PP M2600R;碳四型乙彬辛烯共聚物:POEDF610;PP/POE相容剂:Compatilizerl;3000目滑石粉;抗氧剂。
  2.仪器及设备
  双螺杆单真空挤出机;单螺杆注塑机;扫描透射电子显微镜(STEM)(采用RuCl3染色);万能材料测试仪;熔体流动速率仪;高速拉伸试验仪。
  3.样品制备
  按配方称量聚丙烯、共聚物、滑石粉以及功能助剂,采用高混机充分混合均匀,然后在熔融温度190—210°C条件下经过双螺杆挤出机熔融剪切混合、抽粒。粒料采用80℃条件烘干2h去除水分,采用200—220℃温度条件下成型测试样品及样片。
  4.性能测试
  拉伸强度按ISO 527—2012测试;缺口冲击强度按ISO 179—2000测试;弯曲性能按照ISO 178-2010测试;熔体质量流动速率(MFR)按ISO 1133—2011测试。采用冷冻超薄切片将样品切至80nm厚度,染色采用三氯化钌,采用扫描透射电镜完成拍照。高速拉伸测试:将TYPE3拉伸样条放置到一30℃低温箱恒温8h,按照ISO 18872:2007(E)标准以200S—1的应变速率进行测试。
  二、结果与分析
  1.相容剂对材料基本性能的影响
  采用橡胶增韧是改善聚丙烯材料的低温韧性最常用的方法,而POE是目前最常见的橡胶品种。如果POE添加量过低则起不到明显的增韧效果,而含量过高则会造成材料刚性下降,无法满足应用的要求。加人相容剂前后材料的常规力学性能测试结果见表1。从表1可以发现,加入相容剂Compatilizerl之后,常温拉伸强度和弯曲强度以及一30℃简支梁缺口冲击强度变化不大,这说明,相容剂对材料常规力学性能影响较小,同时相容剂的加人对该配方体系并无显著的常温增韧效果。
  2.相容剂对材料高速拉伸性能的影响
  高速拉伸实验通常用来模拟高速碰撞过程中材料的力学行为。图1为加入相容剂前后材料的低温高速拉伸性能曲线。从图中可以发现,加入相容剂前,材料断裂伸长率较低,仅为30%左右;加入相容剂后,材料断裂伸长率显著提升到超过70%。进一步观察高速拉伸后样条的断裂形式(见图2),可以发现,加入相容剂前的高速拉伸失效样条断面非常平整,无明显的剪切产生,表明材料为脆性断裂特征,而加入相容剂后的高速拉伸失效样条断面不规则,表现出韧性断裂特征。
  图1和图2的低温高速拉伸结果说明,加入相容剂前后,虽然常温和低温简支梁缺口冲击强度并无显著变化,但从高速拉伸测试曲线及高速拉伸失效后样条断面可以看出,加人相容剂后材料发生了明显的脆一韧转变,这可能是由于相容剂改变了橡胶相的分散效果。
  3.相容剂对材料微观形貌的影响
  为考察相容剂对材料橡胶相分散效果的影响,对相容剂加人前后的材料做扫描透射电镜(STEM)测试,结果见图3。从图3可以发现,相容剂的加入显著改善了橡胶相的分散效果,橡胶相尺寸更小,并且更均匀。这说明,相容剂明显改善了POE的分散效果。