傅 軼，唐昌偉，彭志宏，劉 冉

( 廣東銀禧科技股份有限公司，廣東東莞523187)

礦物填充聚丙烯(PP)具有密度較低、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕、環(huán)保、價格低廉以及利于回收利用等特點，廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾件［1-2］。近年來，汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對內(nèi)外飾材料提出了越來越高的要求。如儀表盤、門板和保險杠等要求高強度、抗沖擊、耐刮擦以及尺寸穩(wěn)定性好等性能。和礦物填充聚丙烯相比，玻璃纖維增強聚丙烯具有更高的強度、耐刮擦性和更好的尺寸穩(wěn)定性［3-4］。但是車用內(nèi)飾材料通常要求具有軟觸感，邵氏硬度不超過75D，而玻璃纖維增強聚丙烯的硬度較高，不具備軟觸感。一種解決方法是在制件表面包覆一層由軟質(zhì)聚氯乙烯(PVC)、PVC/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物(ABS)合金等材料制備的蒙皮。但是這不僅會導(dǎo)致工序復(fù)雜、成本上升，而且軟質(zhì)PVC、PVC/ABS 含有較多的增塑劑和重金屬穩(wěn)定劑，產(chǎn)生環(huán)保和回收利用的難題。

為了改善上述缺陷，日本專利JP 2009/506177公開了一種增強聚丙烯材料，組分包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% ～90%的軟質(zhì)聚丙烯材料、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% ～60%的礦物或玻璃纖維和加工助劑等，具有良好的耐刮擦性和軟觸感。但是所用的聚丙烯為高橡膠含量的嵌段共聚聚丙烯，乙丙橡膠的含量高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞60%)，與聚丙烯基體相容性較差，制件容易出現(xiàn)流痕等缺陷。Kondo 等［5］利用由特殊的茂金屬催化劑制備的聚丙烯制備了一種耐刮擦、軟觸感玻璃纖維增強聚丙烯，但所用聚丙烯原料較難獲得，而且為了增強耐刮擦性能，需要加入小分子酰胺類化合物，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)粘。

該文以商品化的無規(guī)共聚聚丙烯和丙烯基聚烯烴彈性體為原料，通過共混擠出制備了一系列玻璃纖維增強的軟觸感聚丙烯材料。研究了聚丙烯、彈性體以及玻璃纖維對材料力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響;利用十字劃格儀研究了材料的耐刮擦性。

1 實驗部分

1.1 原料

無規(guī)共聚聚丙烯購自中海油，牌號為RP364R，紅外光譜法測定其乙烯含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%;嵌段共聚聚丙烯購自揚子石化，牌號為YPJ -1220C;丙烯基聚烯烴彈性體購自?？松梨?，牌號為6102，乙烯含量為9% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，邵氏硬度為72A;乙烯與1 -丁烯的共聚物購自為LG 化學(xué)，牌號為LC670，邵氏硬度為70A;短切玻璃纖維購自巨石集團，牌號為502;滑石粉購自北海集團;聚丙烯接枝馬來酸酐(PP-g-MAH)購自南通日之升;抗氧劑1010 和168 購自BASF;色粉黑煙購自毅興行。其余試劑均購自國藥集團，直接使用。

1.2 測試與表征

所有樣品測試前均在23℃和60%RH 的濕度的環(huán)境中平衡48h。

拉伸強度和斷裂伸長率按照ISO527 測定，測試速率50mm/min;彎曲模量按照ISO178 測定，測試速率2mm/min;懸臂梁缺口沖擊強度按照ISO180測定;邵氏硬度按照ISO868 測定，停留時間5 s;

掃描電子顯微鏡(SEM)型號為Hitachi S9300，將樣條置于液氮中脆斷，放入50℃的甲苯中浸泡4h去除可溶解的彈性體，然后真空干燥，表面噴金后用于SEM 表征。

耐刮擦性參照PV3952，使用劃格儀測試，儀器型號為430-P1，壓頭直徑為1mm，載荷為6N，刮擦速率為500mm/min，皮紋類型為VW-K85。通過色差儀測試樣品刮擦前后L*的差異(△L*)來衡量耐刮擦性能，△L*越小，耐刮擦性能越好。

線性膨脹系數(shù)(CLTE)參照ASTMD696，溫度范圍為-20℃～80℃，測試方向為平行于流動方向，CLTE 越小，尺寸穩(wěn)定性越好。

1.3 試樣制備

按重量配比稱取聚丙烯、彈性體、相容劑、抗氧劑和色粉(黑煙)放入高速混合機中共混3min，轉(zhuǎn)速1000r/min。將玻璃纖維通過側(cè)喂料與上述混合物一起加入到雙螺桿擠出機中熔融混煉，擠出造粒，擠出機長徑比40 ∶1，螺桿轉(zhuǎn)速15r/min，擠出溫度190℃～220℃。用注塑機在200℃注射標(biāo)準(zhǔn)樣條和樣板用于測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯的影響

玻璃纖維增強聚丙烯具有高強度和耐熱性的優(yōu)點，主要用于受力的結(jié)構(gòu)件［6］，但其表面硬度高，難以滿足汽車內(nèi)飾件的軟觸感要求。該文利用玻璃纖維分別增強嵌段共聚聚丙烯YPJ -1220C 和無規(guī)共聚聚丙烯RP346R，研究聚丙烯的種類和含量對材料性能的影響，相應(yīng)的配方列于表1 中。圖1顯示了材料的表面硬度和耐刮擦性與聚丙烯含量的關(guān)系。隨著聚丙烯含量的增加，表面硬度逐漸增大，耐刮擦性則明顯降低。這是由于相較于柔性的彈性體，聚丙烯分子鏈的剛性較大，硬度高，刮擦?xí)r產(chǎn)生的變形難以恢復(fù)［7］。在含量相同的情況下，含RP346R 的材料具有更低的表面硬度和更好的耐刮擦性，有利于制備綜合性能優(yōu)異的軟觸感材料。

表1 玻璃纖維增強聚丙烯材料的配比組合Table 1 Composition of glass-fiber reinforced polypropylene

圖2 顯示了含有20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同)彈性體6102 的YPJ1220C 和RP346R 樣條斷面的SEM圖。在RP346R 基體中，6102 分散相的尺寸較小，為200nm 左右，且分布較為均勻;而在YPJ1220C 基體中，橡膠分散相的尺寸明顯增大，超過1μm，并有一定的團聚。我們認(rèn)為RP346R 為乙烯與丙烯的無規(guī)共聚物，少量乙烯鏈段均勻分布于聚丙烯分子鏈中，與丙烯基彈性體6102 的結(jié)構(gòu)較為接近，二者之間具有很好的相容性，有利于彈性體分散到材料表面。因此，含RP346R 的材料具有較低的表面硬度和較好的耐刮擦性。相對而言，嵌段共聚聚丙烯YPJ1220C 中包含聚丙烯均聚物和乙丙橡膠，乙丙橡膠和彈性體6102 與均聚聚丙烯相容性都較差，橡膠相難以分散。

圖1 材料的表面硬度(a)和耐刮擦性(b)與聚丙烯含量的關(guān)系Fig.1 Effect of polypropylene content on surface hardness(a)and scratch resistance(b)of polypropylene compounds

圖2 20% 6102 增韌RP346R 和YPJ1220C 樣條斷面的SEM 圖Fig.2 SEM images of fracture surfaces:(a)20% 6102 toughened RP346R，(b)20% 6102 toughened YPJ 1220C

2.2 玻璃纖維的影響

為了滿足車用材料要求，需要在聚丙烯中加入滑石粉或者玻璃纖維，提高其剛性、熱變形溫度和尺寸穩(wěn)定性。表2 和表3 分別顯示了滑石粉和玻璃纖維增強聚丙烯的組成與性能。隨著玻璃纖維或者滑石粉含量的增加，材料的彎曲模量、熱變形溫度和尺寸穩(wěn)定性顯著提高。在含量相同的情況下，滑石粉和玻璃纖維增強的材料具有接近的表面硬度，但是由于玻璃纖維具有一定的長徑比，其增強效果明顯優(yōu)于滑石粉。

表2 玻璃纖維和滑石粉增強聚丙烯的配比組合Table 2 Composition of glass-fiber and talc reinforced polypropylene

續(xù)表2

表3 玻璃纖維和滑石粉增強聚丙烯的性能Table 3 Properties of glass-fiber and talc reinfoced polypropylene

圖3 顯示了材料的耐刮擦性和線性膨脹系數(shù)與滑石粉或玻璃纖維含量的關(guān)系。從中可以看出，玻璃纖維可以顯著增強聚丙烯材料的尺寸穩(wěn)定性，有利于在大尺寸制件中的應(yīng)用。提高玻璃纖維含量可以改善材料的耐刮擦性，而滑石粉則會惡化耐刮擦性。這一方面是由于和滑石粉相比，玻璃纖維具有較高的硬度，刮擦?xí)r難以變形，另一方面，涂覆在玻璃纖維表面的硅烷類偶聯(lián)劑能夠與相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯反應(yīng)，增強了玻璃纖維與聚丙烯界面的作用，刮擦?xí)r不易與聚合物基體分離;而滑石粉與聚丙烯基體相容性差，刮擦?xí)r容易脫附出來，從而降低了耐刮擦性。綜合來看，20%玻璃纖維增強的Ex10 具有強度高、軟觸感、耐刮擦和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以滿足汽車內(nèi)飾強度和觸感要求，非常適合用于制備汽車儀表盤、門板等大型內(nèi)飾件。

圖3 材料的耐刮擦性(a)和線性膨脹系數(shù)(b)與滑石粉或玻璃纖維含量的關(guān)系Fig.3 Effect of glass fiber or talc content on the scratch resistance(a)and CLTE(b)of polypropylene compounds

3 結(jié)論

由于相容性較好且易分散，丙烯基彈性體用于增韌無規(guī)共聚聚丙烯具有低表面硬度的優(yōu)點，具備較佳的軟觸感，可以滿足汽車內(nèi)飾件的要求。玻璃纖維能夠顯著提高材料的強度和熱變形溫度，增強耐刮擦性和尺寸穩(wěn)定性。

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