应用于汽车领域的改性PP可以取代工程塑料吗？
发布时间：2023-05-18
聚丙烯 PP 质轻、结晶度高、易加工，耐腐蚀、抗冲击强度、 抗挠曲性以及电绝缘性好，已经成为汽车零部件使用最多的塑料材料之一，约占车用塑料的 37 %。
聚丙烯 PP 主要应用于汽车内饰件、外饰件和功能键，如仪表盘、门护板、保险杠等，其中内饰占比为 55 %。
由于聚丙烯 PP 材料的收缩率大、尺寸稳定性差，容易产生翘曲变形，低温易脆、韧性差、耐光热老化性差，必须进行改性处理。改性的聚丙烯PP具备优良的力学性能，可代替工程塑料、金属、热固性树脂使用。
一、性能优势
PP 聚丙烯在强度、刚性、硬度、耐热性方面优于聚乙烯；可在 100 ℃ 温度下正常使用，尺寸稳定性、热稳定性、力学性能、抗冲击性、机械性质强，化学稳定性良好，不受湿度影响。
聚丙烯外观透明轻便，密度 0.89 - 0.91 g/cm3，是目前塑料中最轻的品种之一。因此，用聚丙烯代替传统的金属材料可以进一步降低重量。
另外，由于近年来聚丙烯改性技术的发展，聚丙烯在汽车工业的发展中占有绝对优势。
二、环境保护优势
聚丙烯是无毒、无味、无臭的乳白色透明的高结晶聚合物，是环保材质。
聚丙烯不仅可回收利用，而且聚丙烯主链含有叔碳原子，在高温和氧化作用下可以发生分子链的降解反应，使聚丙烯具有降解特性，大大减少了白色污染带来的环境问题。
三、成本优势
聚丙烯的生产原料来源途径多样，主要有油、煤、甲醇、丙烯等。煤制聚丙烯是目前聚丙烯中增长最快的原料来源方式之一。由于我国煤炭资源丰富，煤炭价格相对稳定，煤炭生产聚丙烯成本波动小。同时，聚丙烯加工成型方便，生产工艺简单，其生产成本远低于现有其他塑料材料。
聚丙烯有很多优点，但缺点也非常明显。
PP 分子链上的甲基会增加分子链的刚性，降低PP的冲击性能，特别是低温韧性；
PP 作为非极性聚合物，与极性树脂、无机填料相容性差，亲水性、染色性、防静电性、粘接性差；
收缩率大则产品尺寸稳定性差、耐老化降解性能差，聚丙烯作为常用的通用型塑料，具有耐高温性能差、耐油性差等缺点。
这些缺点严重束缚了聚丙烯在复杂工况、多样性要求较高的车用功能部件上的使用，需要通过比内饰要求更高更复杂的改性技术来改善缺点、提高性能，扩大改性 PP 在车用功能部件上的使用。
薄壁化、微发泡、低臭气、高强度、低密度等是当前汽车聚丙烯材料亟待解决的技术问题和未来的主要发展方向。
四、工程化发展趋势
1、薄壁化
一般薄壁制品的尺寸为壁厚小于 1 mm，表面积超过 50 cm2；或者纵横比超过 100（或 150）时，由于型腔的空间尺寸严格，因此在注塑下容易发生大的收缩。
林友平等采用氢调法制备高熔体流动速率 PP 薄壁注塑专用料，该产品弯曲模量 1600 MPa 以上，满足客户设计指标和加工要求，已规模化生产。Keisuke 等探讨了薄壁 PP 零件注射技术与性能的关系，有助于 PP 分子在较低注射速度下取向，薄壁制品可获得较高的断裂韧性。徐冰系统分析了长纤维增强 PP（LGFPP）薄壁塑件不同部位的玻璃纤维结构和性能。
在型腔填充过程中，熔融 PP 流动性强于玻璃纤维，远于浇口的端部和模具端部温度较低，PP 迅速冷却，但玻璃纤维通过不断更新的熔融凝聚，含量提高。另外，远于浇口的玻璃纤维由于工艺的成长而发生较多的折损，保持长度降低，近于浇口的端部由于长时间的保压，玻璃纤维长度也明显受损。中部有最长的玻璃纤维保持长度，这部分玻璃纤维在熔体高速流动的作用下高度定向，抗拉强度最强。
2、微发泡技术
陈明等综述了微发泡 PP 材料的改性研究，PP 的半晶相结构和低熔体强度使其发泡性恶化，引入均匀分布的其他颗粒，在基体内起异相核点作用，形成良好的分散，增大熔体强度，两者协同促进 PP 发泡。
Wang 等人使用纤维素纳米纤维（CNFs）改善 PP 的发泡性，细小的纤维结构诱导 PP 结晶温度上升，形成多个微晶成核位点，熔体粘弹性增强，防止纤维素破裂合并，添加质量5 % 的 CNFs 时发泡。
陈明等深入探讨了热塑性弹性体（POE）对 PP 微发泡材料综合性能的影响。POE 粒子在基体中提供了有效的异相核点，形成大量微晶，添加质量分数 10 % 时发泡均匀，单元平均直径约 60 m。此外，POE 与 PP 分子链相容性好，相互缠绕形成良好有序的网络结构，材料松弛时间延长，熔体粘弹性明显提高，可为发泡提供有利条件。
3、低气味
虽然多通过添加助剂来提高 PP 性能，但由于助剂固有的挥发性，产品不能满足气味指标的要求。
余林华采用抗划伤剂 V-Si4042 复配气味吸附剂 PY88TQ 制备汽车内饰用 PP 材料。V-Si4042 的主要成分是聚硅氧烷，可以在材料表面形成润滑层，降低表面摩擦系数。单独添加质量分数 1.5 % 的 V-Si4042 时，PP 无法识别划痕，显示出优异的耐划痕性，但气味和挥发性有机化合物（VOC）的释放等急剧上升。添加质量分数为 1.0 % 的 PY88TQ，其三维多孔结构经表面活化处理可分解或形成螯合气味小的分子基团。届时，PP 同时满足良好的抗划伤性和低发散性要求，成功推广到一汽大众、通用福特等车型。
Brodzik 检测了三种不同汽车内饰部件（遮阳板、车顶衬里和手制动杆罩）的 VOC 排放，各部件单独测试的 VOC 浓度均高于整车测试条件的结果，材料之间存在协同吸附作用，且李秀峻等研究了汽车工业常用螺杆挤出双真空脱挥法的有效性。PP 熔体与挥发性有机物“吸附-分析”平衡，进而需要通过延长高温烘烤时间来降低材料 VOC。分子链在高温下运动加剧，自由体积扩大，熔体粘度降低，有利于挥发物的扩散释放。130 ℃ 焙烧 4 小时后材料 VOC 含量降至 7768 g/m3，满足汽车零部件对 PP 材料低挥发的要求。
4、纤维增强
由于玻璃纤维表面的 PP 分子链通过热应力而取向，且玻璃纤维向 PP 提供的成核表面，PP 的结晶成核屏障都降低，因此 PP 首先在玻璃纤维表面生长成核结晶，但远离玻璃纤维的基体的能量屏障高，因此随着沮丧度的降低，玻璃纤维表面的晶体继续生长，远离玻璃纤维的基体在达到一定的沮丧度后开始核晶体生长。
华东理工大学崔新宇等人就玻璃纤维强化 PP 结晶化行为的研究进行了说明。因此，玻璃纤维增强 PP 复合体系的结晶过程变得复杂，界面可能出现异常的结晶形态界面横晶，横晶的出现会改变复合体系的界面结构，严重影响界面的应力传递和断裂行为。
5、高兼容性
PP 系聚烯烃具有非极性晶型的线状结构，由于其表面活性低，难以表面印刷、涂装、粘接，也难以与极性系高分子化合物相容。另外，PP 熔点低、热变形温度低、抗蠕变性差、尺寸稳定性差等缺陷限制了其作为工程结构材料的应用。通过接枝反应在高分子链中引入极性基团，改善聚烯烃的粘合性和与其他材料的相容性，已成为当前聚烯烃改性研究的重要方向之一。
6、添加成核剂
成核剂对 PP 的结晶行为有明显影响，许多物质可作为 PP 的成核剂。当然，成核效果因成核剂而异。添加成核剂促进 PP 结晶加速、晶核结构细化和性能提高，是最近发展起来的使 PP 高性能、高透明化的简单有效的方法。从机理上看，成核剂通过改变 PP 的结晶形态来影响其物理力学性能，因此添加成核剂的 PP 具有高拉伸强度、模量、热变形温度、硬度和透明性。
转自——链塑网公众号