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大、发展迅速的塑料品种，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常用的方法，而POE是目前常见的橡胶品种。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。