淳于宏源

(中沙(天津)石化有限公司生產(chǎn)部， 天津市 300271)

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超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP179的開(kāi)發(fā)

淳于宏源

(中沙(天津)石化有限公司生產(chǎn)部， 天津市 300271)

采用Spherizone工藝生產(chǎn)超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179。分析了其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及應(yīng)用，并與同類產(chǎn)品比較。SP 179具有高抗沖擊強(qiáng)度和彈性模量，SP 179的熔體流動(dòng)速率為8～12 g/10 min，密度為0.9 g/cm3，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度(常溫)大于50 kJ/m2，拉伸彈性模量達(dá)800～850 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口同類產(chǎn)品水平。

聚丙烯; 汽車保險(xiǎn)杠; 專用樹(shù)脂

0 前言

汽車在現(xiàn)代社會(huì)中已成為最主要交通工具之一,也是能源消耗大戶，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大約50%的石油資源消耗在汽車上。據(jù)報(bào)導(dǎo)，汽車一般部件的質(zhì)量減輕1%，節(jié)約燃油達(dá)1%;運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量減輕1%，節(jié)約燃油2%,因而汽車的輕量化對(duì)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)有著重要意義。

汽車的輕量化離不開(kāi)塑料化，因而汽車用塑料的消費(fèi)量逐年增加[1-2]。上世紀(jì)80年代中期，美國(guó)每輛車用塑料109 kg，約占整車質(zhì)量的9.8%;日本每輛車為74.3 kg，約占整車質(zhì)量的6%，最新報(bào)導(dǎo)每輛車用塑料已達(dá)200 kg,約占整車質(zhì)量的15%。其中，汽車保險(xiǎn)杠是最具代表性的 PP 汽車零部件[3]，自上世紀(jì)90年代以來(lái)，日本和歐洲生產(chǎn)的汽車,80%以上的保險(xiǎn)杠是采用 PP注射成型的。目前，國(guó)外多采用彈性體改性 PP生產(chǎn)汽車保險(xiǎn)杠，該保險(xiǎn)杠已占汽車保險(xiǎn)杠總用量的70%。

國(guó)內(nèi)汽車保險(xiǎn)杠專用料在上世紀(jì)90年代以前完全是進(jìn)口的,之后隨著齊魯石化、蘭州石化開(kāi)發(fā)成功SP 179以后，國(guó)產(chǎn)原料逐漸有了一定市場(chǎng)份額。但由于受產(chǎn)能和工藝條件的限制，我國(guó)聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，一半以上仍依賴進(jìn)口,這也引起國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的重視[3]。

中沙天津石化的聚丙烯裝置引進(jìn)了汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179，具備了開(kāi)發(fā)高性能、高附加值專用樹(shù)脂的優(yōu)勢(shì)。為滿足市場(chǎng)的需求，中沙天津石化成功開(kāi)發(fā)了超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器與設(shè)備

自動(dòng)熔融指數(shù)儀，意大利Ceast公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利Anton Paar GmbH公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)，意大利Ceast公司；

拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司；

注射成型流變儀，Moldflow實(shí)驗(yàn)室；

三維影像測(cè)量?jī)x，美國(guó)OGP ；

三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，美國(guó)HEXAGON公司；

HTF 90W2型注塑機(jī)，浙江寧波海天注塑機(jī)有限公司。

1.2 分析測(cè)試

熔體流動(dòng)速率按GB/T 3682—2000測(cè)試;

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試；

簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043—2008測(cè)試；

負(fù)荷變形溫度按GB/T1634—2004測(cè)試;

彎曲性能按GB/T 9341—2000測(cè)試。

二甲苯可溶物(橡膠相)測(cè)定：將試樣在135 ℃下溶解30 min，在25 ℃下恒溫冷卻、結(jié)晶、過(guò)濾，取濾液,將溶劑蒸發(fā)，得到的固體干燥至恒重，稱重,即為25 ℃時(shí)二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 中試試驗(yàn)

聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料的開(kāi)發(fā)有兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn):一是對(duì)材料力學(xué)性能的要求。要求專用料的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度大于450 J/m，以保證產(chǎn)品的低溫韌性。二是對(duì)材料流動(dòng)性的要求。汽車保險(xiǎn)杠的成型面積比較大，必須具有良好的流動(dòng)性，要求專用料的熔體流動(dòng)速率必須達(dá)到5 g/10 min 以上，以保證成型的順利進(jìn)行。

乙烯-丙烯共聚物(橡膠相)中的乙烯與聚丙烯均聚物(聚丙烯相)不相容，可形成一定程度的相分離，無(wú)定型的橡膠相分散在聚丙烯相中，在受到外力沖擊時(shí)，無(wú)定型的橡膠相能夠起到分散作用，賦予聚丙烯優(yōu)異的沖擊韌性，特別是低溫韌性。乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，分散效果也不同。

2.1.1 乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

中試試驗(yàn)制備了4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙烯樣品，并分析二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表1所示。由表1可知:隨著乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，樣品中二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。二甲苯可溶物可大大提高材料的韌性。這是因?yàn)榉稚⒌囊冶鹉z可作為應(yīng)力集中點(diǎn)，在材料受到?jīng)_擊時(shí)，橡膠周圍引發(fā)銀紋，并在其周圍支化，從而吸收大量的沖擊能量。乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，橡膠相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越高，這對(duì)提高材料的韌性也越有利。

表1 樣品中乙烯和二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

抗沖聚丙烯中必須含有橡膠組分，以提高聚合物的韌性[4]，但是這也會(huì)造成聚合物的剛性下降，因此,為了保證產(chǎn)品具有較高的剛性，多相聚合物中的丙烯均聚物必須有很高的規(guī)整性，也就是在提高抗沖擊性能的同時(shí)仍有較高的強(qiáng)度。產(chǎn)品的分子鏈規(guī)整性一般是通過(guò)二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征的，二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與抗沖擊性能的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗沖聚丙烯的缺口沖擊強(qiáng)度與彎曲模量的影響

隨著二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，逐步提高了分子鏈的規(guī)整度，產(chǎn)品的剛性逐漸下降，韌性逐漸升高。通過(guò)試驗(yàn)確定二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，制得的抗沖聚丙烯的沖擊強(qiáng)度為237 J/m，彎曲模量為1.03 GPa。

2.1.2 熔體流動(dòng)速率的影響

PP的熔體流動(dòng)速率可通過(guò)在聚合過(guò)程中改變聚合體系中氫氣的濃度來(lái)調(diào)節(jié)，也可以在造粒過(guò)程中加入相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑來(lái)改變。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)樣品A的熔體流動(dòng)速率，考察了熔體流動(dòng)速率與抗沖聚丙烯的抗沖擊性能的關(guān)系，如表2所示。

表2 熔體流動(dòng)速率對(duì)抗沖聚丙烯力學(xué)性能的影響

由表2可知:隨著熔體流動(dòng)速率的增加，樣品的抗沖擊性能顯著下降，拉伸性能和彎曲性能變化不大。圖2更直觀地表示了熔體流動(dòng)速率與抗沖擊性能的關(guān)系。為了保證成型的順利進(jìn)行，熔體流動(dòng)速率必須達(dá)到5 g/10 min以上，但考慮到產(chǎn)品須具有較高的沖擊強(qiáng)度，試驗(yàn)確定熔體流動(dòng)速率為10 g/10 min左右。

2.2 試生產(chǎn)

根據(jù)中試結(jié)果，初步確定了如下的指標(biāo)：熔體流動(dòng)速率：(10±2.0) g/10 min，乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～13%，二甲苯可溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%左右，根據(jù)上述指標(biāo)制備出樣品SP 179，并與國(guó)內(nèi)3種汽車保險(xiǎn)杠專用樹(shù)脂(PP-1、PP-2、PP-3)的性能進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

圖2 熔體流動(dòng)速率與沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

表3 SP 179與國(guó)內(nèi)汽車保險(xiǎn)杠專用樹(shù)脂的性能對(duì)比

由表3可知:產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的指標(biāo)。

2.3 產(chǎn)品的表征和測(cè)試

2.3.1 基礎(chǔ)性能測(cè)試

根據(jù)制定的指標(biāo)，參考相關(guān)技術(shù)資料，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了SP 179，并進(jìn)行了性能測(cè)試和汽車保險(xiǎn)杠加工試驗(yàn)。

在裝置運(yùn)行平穩(wěn)后，對(duì)擠壓機(jī)出料緩沖倉(cāng)(試樣1、試樣2)和成品試樣分析，測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可見(jiàn)：SP 179的熔體流動(dòng)速率為9.02～9.78 g/10 min，彎曲模量達(dá)800 MPa以上，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度(23 ℃)大于40 kJ/m2，各項(xiàng)性能達(dá)到既定指標(biāo)要求。

表4 SP 179抽樣檢測(cè)的性能指標(biāo)

2.3.2 相態(tài)(AFM)分析

圖3為試生產(chǎn)的SP 179和國(guó)外同類產(chǎn)品的相態(tài)分析圖。由圖3可見(jiàn)：試生產(chǎn)的SP 179存在分布均勻、不同粒徑的橡膠粒子，與進(jìn)口對(duì)比產(chǎn)品的相態(tài)趨于一致。綜上所述：試生產(chǎn)的SP 179達(dá)到了進(jìn)口同類產(chǎn)品水平。

圖3 SP 179和進(jìn)口產(chǎn)品的相態(tài)分析

3 市場(chǎng)驗(yàn)證

試生產(chǎn)的超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179經(jīng)華北地區(qū)多家汽車工廠使用，生產(chǎn)了多

種規(guī)格車用保險(xiǎn)杠。客戶反映該專用料的綜合性能優(yōu)秀，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品水平。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 利用多區(qū)循環(huán)反應(yīng)器開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179，產(chǎn)品具有高抗沖擊強(qiáng)度，熔體流動(dòng)速率為8～12 g/10 min，密度為0.900 g/cm3，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度(常溫)大于50 kJ/m2，彎曲模量達(dá)800～850 MPa，SP 179專用料已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

(2) 超高抗沖聚丙烯汽車保險(xiǎn)杠專用料SP 179，從AFM圖片可看到其橡膠粒徑小，分別均勻；產(chǎn)品在提高韌性的同時(shí)保持一定的剛性，使兩者達(dá)到了平衡，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

(3) SP 179在國(guó)內(nèi)知名汽車企業(yè)大量試用，擠出成型性能良好，工藝穩(wěn)定，成品外觀光潔、光滑，滿足了客戶的要求。

(4) 專用料未來(lái)還可以推廣至兒童推車、安全座椅等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] 劉星，孫顏文. 汽車用聚丙烯開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J]. 合成樹(shù)脂及塑料，2005，22(3)：75-79.

[2] 鐘明強(qiáng). PP汽車保險(xiǎn)杠材料的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)展[J]. 上海塑料，2006(4): 39-42.

[3] 王靜江，趙明全.汽車保險(xiǎn)杠專用料的研制[J].工程塑料應(yīng)用，2005,33(4)：16-18.

[4] 金日光，華幼卿.高分子物理[J].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991:192.

·特色專欄·

Development of Ultra-high Impact Special Polypropylene SP 179 for Automobile Bumper

CHUNYU Hong-yuan

(Operations Support Department of SINOPEC SABIC Tianjin Petrochemical Co., Ltd., Tianjin 300271, China)

Ultra-high impact special polypropylene SP 179 for automobile bumper was prepared by Sperizone process. The structure, mechanical properties and application were analyzed, and companed with the similar materials. SP 179 has high impact strength, flexible modulus. The melt flow rate of SP 179 is 8 to 12 g/10 min, density (natural) is 0.900 g/cm3, the impact strength at the normal temperature is great than 50 kJ/m2, the flexible modulus is 800 to 850 MPa. The indexes have reached the level of imported similar products.

polypropylene; automobile bumper; special resin

淳于宏源(1982—)，男，工程師，研究高分子化學(xué)

TQ 320

A

1009-5993(2016)02-0050-04

2016-04-02)