• 汽車輕量化為改性PP發展帶來新機遇,機不可失!

     時間:2020-07-10 00:00:00    瀏覽次數:691    作者:
    改性PP因為其成本較低、綜合性能優異,早已在汽車保險杠和汽車內飾里得到了應用。近些年來,隨著汽車輕量化的快速發展,在改性塑料廠商和各科研機構進行大量研究測試后,LGFPP和微發泡PP的生產技術也取得了突破性進展并實現了市場化。近日,奇瑞推出的eQ1電動汽車尾門板內部結構,實現減重40%。據悉,成功減重的背后,是因為采用了沙特基礎工業公司(SABIC)的工程聚烯烴材料。雖說是塑料,但這款STAMAX樹脂為長玻纖填充聚丙烯(LGFPP),與鋼材相比這種低密度材料可以在減輕內尾門板

    研究顯示,汽車整車質量每減少100kg,每百公里燃料消耗量可降低0.3~0.6L。我國頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》,要求到2020年乘用車的百公里平均燃料消耗量降至5.0L,節能型乘用車的降至4.5L以下。因此,汽車輕量化技術的開發與應用勢在必行。

     1、汽車輕量化帶來哪些改性PP新機遇?

    改性PP因為其成本較低、綜合性能優異,早已在汽車保險杠和汽車內飾里得到了應用。近些年來,隨著汽車輕量化的快速發展,在改性塑料廠商和各科研機構進行大量研究測試后,LGFPP和微發泡PP的生產技術也取得了突破性進展并實現了市場化。

    以塑代鋼趨勢下LGFPP的市場化

    近日,奇瑞推出的eQ1電動汽車尾門板內部結構,實現減重40%。據悉,成功減重的背后,是因為采用了沙特基礎工業公司(SABIC)的工程聚烯烴材料。雖說是塑料,但這款STAMAX樹脂為長玻纖填充聚丙烯(LGFPP),與鋼材相比這種低密度材料可以在減輕內尾門板重量的同時,達到所需的剛度。

    在尾門板部件、前端模塊、車門模塊、座椅結構和儀表板等結構件中用輕量化材料替代金屬已成為汽車行業的重要趨勢,同時也推動著熱塑性塑料在汽車領域的應用,使用STAMAX樹脂可使這些部件的重量減少多達50%。


    降低車用PP重量的需求促進了LGFPP和微發泡PP的應用

    車用PP輕量化主要有兩個發展趨勢,一方面是使汽車零部件薄壁化,不僅要求產品薄壁、高強度,同時還需要保證高效率的生產;另一方面是使汽車零部件在原有性能不變的前提下具有更低的密度。針對這兩個發展方向,改性塑料廠商分別在PP-LGF和微發泡PP進行了大量研究并使其市場化。

    在2017年廣州國際橡塑展上,金發科技帶來的PP-LGF40、PP+LGF30、微發泡PP以及PP+EPDM+T20等改性PP產品為替代傳統改性以為汽車減重提供了較好的解決方式。除此之外,北歐化工也會在今年將原有的3000噸PP-LGF生產線擴大到10000噸??磥?,汽車輕量化也為改性PP的發展帶來了新的春天。

    2、什么是LGFPP?

    長玻纖增強聚丙烯復合材料(LGFPP)是由聚丙烯(PP)與連續長玻纖經過特殊工藝復合而成,根據實際成型需要,一般切成12 mm左右的長塑料顆粒,玻璃纖維在樹脂中基本保留了與顆粒相當的長度,相比普通的短玻纖增強聚丙烯材料(玻纖長度集中在1 mm 以下),LGFPP 具有密度低、比強度高、比模量高、抗沖擊性強、尺寸穩定和翹曲度低等顯著特點;而與鋼、鋁等金屬材料和熱固性復合材料相比,LGFPP能為設計人員提供更大的設計靈活性,可以成型形狀復雜的汽車部件,降低制品中的零部件使用數量,節約模具成本(LGFPP注塑模具的成本僅為金屬沖壓模具成本的10%-20%),減少能耗(LGFPP的生產能耗僅為鋼制品的60%-80%、鋁制品的35%-50%),簡化組裝/精加工工序。因而,LGFPP正在成為替代部分短纖維增強工程塑料和部分金屬材料的熱門材料。


    影響LGFPP性能的因素


    玻纖含量和長度:纖維的長度是決定纖維增強復合材料制品性能的重要因素,LGFPP 中玻纖的長度在7~12 mm,為使玻纖在材料中起到很好的骨架作用,玻纖的長度一定要大于臨界長度,當玻纖長度小于臨界長度時,復合材料受到載荷時,玻纖很容易被拔出,無法發揮其作用。在一定范圍內,長玻纖的含量越高,其作為骨架也就越牢固,復合材料的力學性能就越高;當含量過高時,玻纖相互作用增加,纖維的斷裂程度增加,同時含量過高也會使部分纖維得不到充分浸潤,和PP樹脂基體結合力變差,成為裂紋增長點,LGFPP復合材料的力學性能下降。

    界面結合性質:作為結構材料,LGFPP中玻纖與PP樹脂基體的物理、化學和力學性能相差較大,要想讓兩者作為一個整體發揮其最佳性能,玻纖與PP樹脂基體這兩相之間必須要形成有效的界面結合。因為PP 是非極性有機材料,不存在活性基團,玻纖是極性無機材料,兩種物質結合時界面的作用力差,所以,為了有效提升LGFPP 復合材料的綜合力學性能,改善玻纖與PP樹脂基體之間的界面粘結狀況顯得尤為重要。

    玻纖與PP 樹脂基體的粘結方式主要有兩種:(1)物理結合。玻纖表面與樹脂基體的相容性直接影響其結合的強弱。(2)化學鍵結合。在玻纖表面引入過氧化物或者在樹脂基體中引入功能化PP活化點,與玻纖表面的偶聯劑形成化學鍵,可使界面結合的強度增大。目前,界面改性能夠有效地改善復合材料界面性能,包括基體樹脂的改性和玻纖的表面處理。向PP基體中引入功能化PP是PP樹脂基體改性的一種,例如PP接枝處理,為基體提供富含活性的極性基團從而與玻纖表面的極性基團形成化學鍵,提高界面強度,得到力學性能優良的LGFPP復合材料。合理地應用偶聯劑也可以改善PP與玻纖之間的界面作用,提高復合材料的力學性能。

    加工工藝:在加工過程中,因為LGFPP中樹脂基體的熔體黏度較大、玻纖長度較長、流動性不好,所以注塑時充模不夠充分。在注塑時一般采用增加注塑壓力而且選用直徑較大的流道和澆口、提高模具和料筒溫度的方式來提高預浸料的充模性。在注塑過程中,螺桿剪切作用會使玻纖折斷并且受到一定程度的損傷,這種情況一般發生在熔融–固態界面處和模穴充模過程中流動層和固體層的界面處,一般采用改變澆口和流道尺寸或者調整工藝的方法盡量規避。

    LGFPP在完全滿足成型要求和各項性能要求的同時,還在輕量化和降低成本等方面有明顯的效果,在汽車零部件領域具有廣泛的應用前景。近些年來,LGFPP復合材料的研究取得了很大進步,但諸如玻纖浸漬技術優化、加工工藝的進一步優化、玻纖在制品中的取向和分布的研究與控制等仍需進一步研究探索,以期建立起LGFPP產品質量和微觀結構之間的橋梁,更好地實現產品的質量管控。

    3、什么是微發泡PP?

    聚丙烯微孔發泡新材料(MPP),是特指泡孔尺寸小于100微米的聚丙烯多孔發泡材料(更嚴格地定義是泡孔尺寸小于10微米,泡孔密度大于10的9次方個/cm3)。和普通改性PP相比,由于材料內部大量微米級泡孔的存在,MPP集增強、隔熱和降噪為一體,特別適用于對材料輕量化要求較高的領域,如汽車、軌道交通,船舶,風機葉片等,而在汽車制造中,可應用于各種內外飾件,如車身門板、尾門、風道等;汽車風管等;密封條、頂棚等。

    路虎已計劃在2017年所有車型上都采用微發泡技術,計劃到2020年實現年產量100萬臺車成功應用微發泡聚丙烯。采用該技術,塑料部件的設計在壁厚方面將能夠實現功能最優化,而不是受到模具的限制。結果既能減輕密度和重量,帶來功能化設計,還能節省20%的材料。除了路虎,上海大眾、長安馬自達、全新英朗等汽車的全套門板,都在進行微發泡技術測試推廣中。


    微發泡PP的開發進展

    用于PP微發泡原料改性的進展:PP是結晶性聚合物,其發泡行為只有在結晶熔點附件進行,溫度達到熔點之后,熔體強度立即降低,無法支持氣核的生長,而且普通PP的熔體粘度很低,抗熔垂性很差,從而使發泡變性變得非常困難。自從高熔體強度聚丙烯(HM-SPP)問世以來這個問題得到了解決。

    迄今為止,改善通用聚丙烯熔體粘彈性的主要技術包括: 增加相對分子質量與分子量分布,與其他支化聚合物共混,在通用PP線形主鏈上接枝長側鏈等。其中, 增加相對分子質量與分子量分布可以提高熔體強度,但對于熔體粘度的提高卻并不顯著;而得到長支鏈支化的PP則可以同時提高拉伸粘度和熔體強度, 長支鏈支化可使PP具有顯著的應變硬化現象和較高的熔體強度。


    PP微發泡工藝的開發進展:PP發泡方法通??梢苑譃榛瘜W發泡和物理發泡兩種方法,用化學發泡法可以按類似聚乙烯的發泡工藝, 采用普通的擠出法制造; 而物理發泡法一般需要設置專用的發泡劑計量、加壓和注人系統。隨著對環境保護、回收和再利用等要求不斷提高,采用CO2、N2和丁烷氣體等物理發泡劑為主的物理發泡法得到了廣泛的重視。目前以超臨界CO2作為發泡劑的開發最受關注,超臨界CO2流體具有與液體類似的溶解度, 同時也具有氣體相近的粘度, 較大的傳質系數。超臨界流體技術為泡沫材料的制備提供了廣闊的前景。

    生產PP微發塑料,主要有兩種加工工藝,一種是反應釜式發泡,主要是生產發泡珠粒;另一種是擠出發泡,可生產發泡珠粒和發泡板材。采用的發泡劑多是丁烷、CO2、N2等物理發泡劑。

    生產PP微發塑料的兩種加工工藝流程圖


    PP微發塑料的兩種加工工藝對比


    近些年來,改性PP在汽車工業的應用為汽車輕量化的發展起到了舉足輕重的作用,其相關改性工藝也日益成熟,除了利用LGFPP和微發泡PP不斷提高其比強度,降低其壁厚之外,關于如何在維持優異性能的同時降低其改性成本仍是工業界關注的焦點,而對于其VOCs釋放量的進一步降低和表面硬度的提高也被越來越多的汽車生產商和消費者所考慮。小編相信,改性PP必將在汽車輕量化的發展過程中發揮出更大的能量。


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