張 姣,陳桂宏,李建輝，蔡 雄

(1.廣東東軟學(xué)院科研管理部，廣東 佛山 528225；2.廣東圓融新材料有限公司，廣東 佛山 528322)

車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究進(jìn)展

張 姣1,陳桂宏1,李建輝1，蔡 雄2

(1.廣東東軟學(xué)院科研管理部，廣東 佛山 528225；2.廣東圓融新材料有限公司，廣東 佛山 528322)

綜述了基體材料、填料、耐刮擦劑等對(duì)車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影響，介紹了耐刮擦性能的測(cè)試方法以及國(guó)內(nèi)常用的耐刮擦劑，并對(duì)車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

車用改性聚丙烯材料；耐刮擦性能；填料；基體材料；耐刮擦劑

汽車工業(yè)正處于高速發(fā)展階段，對(duì)其輕量性、高度舒適性、安全性以及車用材料的美觀性、耐用性、環(huán)保節(jié)能性等也提出了更高要求。塑料及其復(fù)合材料是汽車材料不可缺少的組成部分，受到汽車廠商的重視和青睞，一輛車約使用300 kg塑料，約占汽車總質(zhì)量的20%[1-2]。作為當(dāng)今最輕的通用塑料之一，聚丙烯材料因低密度和低成本特性在眾多車用塑料中脫穎而出，成為目前使用量最大且成長(zhǎng)最迅速的車用塑料，其在車輛上的廣泛應(yīng)用得益于優(yōu)異的耐熱性、較強(qiáng)的剛性、耐腐蝕性和良好的加工性[3-7]。

車用塑料對(duì)美觀性和耐用性有較高的要求，聚丙烯材料較低的表面硬度導(dǎo)致其表面易被劃傷留下刮痕，不僅影響美觀，還使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不能完全滿足汽車對(duì)材料性能的要求[8-9]，很大程度上限制了聚丙烯材料作為車用塑料的應(yīng)用。因此，聚丙烯材料耐刮擦性能的提升已成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[10-11]。

鑒于此，作者綜述了基體材料、填料、耐刮擦劑等對(duì)車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影響，介紹了耐刮擦性能的測(cè)試方法以及國(guó)內(nèi)常用的耐刮擦劑，以期為車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的提升提供幫助。

1 耐刮擦性能的影響因素

1.1 基體材料

目前，我國(guó)聚丙烯年產(chǎn)量已達(dá)到100萬(wàn)t[12-13]。不同牌號(hào)的聚丙烯材料的形貌、結(jié)構(gòu)和性能都有所差異，其中結(jié)晶度對(duì)耐刮擦性能起決定性作用[14]。

李延壘等[15]研究了不同結(jié)晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能，發(fā)現(xiàn)聚丙烯材料的耐刮擦性能與結(jié)晶度密切相關(guān)，耐刮擦性能隨著結(jié)晶度的提高有明顯的改善，結(jié)晶度為75%的聚丙烯材料的耐刮擦性能明顯優(yōu)于結(jié)晶度為65%、70%的聚丙烯材料。

范瀟瀟等[16]對(duì)不同結(jié)晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能與結(jié)晶度成正比。原因可能是，聚丙烯材料的結(jié)晶度高，分子鏈較短，鏈的柔順性好；隨著結(jié)晶度的提高，聚丙烯材料分子間作用力增強(qiáng)，模量和硬度也會(huì)隨之增大。

此外，聚丙烯材料的耐刮擦性能與其晶體組成有很大關(guān)系，短分子鏈形成的聚丙烯球狀晶體具有更好的抗形變性能，其耐刮擦性能也更好。

1.2 填料

填充合適的填料粒子對(duì)聚丙烯材料的機(jī)械性能(如模量、硬度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等)及耐刮擦性能有較大的改善作用[17]。

傅軼等[18]在研究耐刮擦、軟觸感聚丙烯材料的制備過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，選用玻璃纖維作為填料可以使聚丙烯材料的尺寸穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；增加玻璃纖維的含量可以有效提高聚丙烯材料的耐刮擦性能；與滑石粉填料體系進(jìn)行比較，加入玻璃纖維的聚丙烯材料具有較大的硬度，刮擦?xí)r不易變形；在玻璃纖維表面涂覆的硅烷類偶聯(lián)劑能夠與相容劑反應(yīng)，增強(qiáng)玻璃纖維與基體材料的界面作用，刮擦?xí)r不易與基體分離。

黃曉明等[19]分別選用不同目數(shù)的滑石粉及硅灰石作為填料加到聚丙烯材料中，對(duì)其耐刮擦性能進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能與滑石粉的粒徑成反比，即采用大目數(shù)的滑石粉填充聚丙烯會(huì)獲得更耐刮擦的聚丙烯材料；滑石粉的粒徑直接影響聚丙烯基體的結(jié)晶形態(tài)，平均粒徑更小的填料在聚丙烯基體中起到了更好的異相成核作用，從而帶來(lái)更高的結(jié)晶度，減輕聚丙烯材料表面的劃痕深度，提升聚丙烯材料的耐刮擦性能；而選用相同粒徑的硅灰石作為填料時(shí)，聚丙烯材料的耐刮擦性能更優(yōu)。這是因?yàn)?，硅灰石?個(gè)硅四面體分子重復(fù)扭轉(zhuǎn)而成的針狀結(jié)構(gòu)，而滑石粉是2個(gè)硅四面體分子中間夾著氫氧化鎂八面體分子的層狀結(jié)構(gòu)，層間以弱范德華力連接。因此，硅灰石填充對(duì)材料強(qiáng)度的提高更加明顯，即硅灰石填充改善材料耐刮擦性能優(yōu)于滑石粉填充[15,20]。

1.3 耐刮擦劑

除了硬度等因素外，表面摩擦系數(shù)、粗糙程度也會(huì)對(duì)聚丙烯材料的耐刮擦性能產(chǎn)生巨大影響。所以提升材料表面的光滑度和減小表面摩擦系數(shù)也能提升聚丙烯材料的耐刮擦性能。由于潤(rùn)滑劑分子具有非常小的表面張力，在聚丙烯材料成型過(guò)程中會(huì)遷移到材料表面形成一個(gè)高度潤(rùn)滑的層狀結(jié)構(gòu)，使得聚丙烯材料表面摩擦系數(shù)大幅減小，從而提升其耐刮擦性能[21]。

余林華[22]將贏創(chuàng)德固賽(中國(guó))投資有限公司生產(chǎn)的耐刮擦劑V-Si 4042加到聚丙烯材料中，在聚丙烯材料成型過(guò)程中，V-Si 4042遷移到了聚丙烯材料表面形成一個(gè)高度潤(rùn)滑的層狀結(jié)構(gòu)，由于V-Si 4042的分子量較大，能與聚丙烯大分子鏈形成互相纏繞的狀態(tài)，V-Si 4042分子兩端則嵌入到聚丙烯材料表面，此時(shí)聚丙烯材料表面就會(huì)牢固地貼合上V-Si 4042高度潤(rùn)滑的層狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到大幅提升聚丙烯材料耐刮擦性能的目的。

季孟淵等[23]將美國(guó)道康寧公司生產(chǎn)的耐刮擦劑MB50-001加到聚乙烯材料中，發(fā)現(xiàn)聚乙烯復(fù)合材料的耐刮擦性能明顯改善。其原因是，MB50-001屬于硅酮類耐刮擦劑，在高溫條件下與聚乙烯表面的活性基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)后成為聚乙烯復(fù)合材料的一部分，可增大聚乙烯復(fù)合材料的硬度，減小表面摩擦系數(shù)。

黃曉明等[19]研究發(fā)現(xiàn)，耐刮擦劑AS100能有效改善聚丙烯復(fù)合材料體系的耐刮擦性能。AS100的主要化學(xué)成分為線性的高分子量聚二甲基硅氧烷，在聚丙烯材料的成型過(guò)程中，AS100在聚丙烯材料表面形成一層潤(rùn)滑層，能有效減小材料的表面摩擦系數(shù)，達(dá)到提升耐刮擦性能的目的。

2 耐刮擦性能的測(cè)試方法[24]

2.1 五指刮擦測(cè)試方法

五指刮擦測(cè)試方法是在不同的載荷下，用5個(gè)外形類似于手指的金屬刮擦頭劃過(guò)材料表面，在材料表面形成刮痕，目視刮痕深度。此法具有儀器簡(jiǎn)易、操作便捷、結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。但此法不能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，不便于科學(xué)研究。目前國(guó)內(nèi)有部分研究者[25]借助激光共聚焦顯微鏡對(duì)刮痕深度等指標(biāo)進(jìn)行定量描述，但還未被認(rèn)同。

2.2 硬度試驗(yàn)筆刮擦測(cè)試方法

硬度試驗(yàn)筆刮擦測(cè)試方法是將滿足測(cè)試條件的刮擦頭和彈簧組合安裝成測(cè)試筆，根據(jù)不同的測(cè)試要求來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)試壓力，使測(cè)試筆與材料表面垂直，測(cè)試人員將刮擦頭壓入到測(cè)試材料中指定的深度，目視材料的表面刮痕[26]。該法可以依據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)刮痕，且儀器更為簡(jiǎn)易，測(cè)試時(shí)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。但測(cè)試過(guò)程需要手動(dòng)操作，存在較大的人為因素，施加刮擦作用的過(guò)程速度難以保持統(tǒng)一。

2.3 網(wǎng)格刮擦測(cè)試方法

網(wǎng)格刮擦測(cè)試方法是用固定的載荷及間隔距離在材料表面劃網(wǎng)格，然后記錄并評(píng)價(jià)刮痕的顏色變化，通過(guò)刮痕的發(fā)白程度來(lái)表征材料表面的耐刮擦性能。采用儀力信十字形切口試驗(yàn)機(jī)劃網(wǎng)格，通過(guò)測(cè)色儀測(cè)試刮擦前后的L值(反映顏色的深淺)，計(jì)算ΔL，ΔL值越大說(shuō)明刮擦后顏色發(fā)白越明顯，材料的耐刮擦性能越差[25,27]。該方法表征結(jié)果和測(cè)試步驟較為科學(xué)，客觀性較強(qiáng)。

3 國(guó)內(nèi)常用耐刮擦劑

(1)硅酮母粒MB50

硅酮母粒MB50是道康寧公司生產(chǎn)的，其外觀形貌為白色顆粒。硅酮母料MB50可以提高塑料產(chǎn)品的流動(dòng)性，減小工程塑料制品的表面摩擦系數(shù)，改善玻纖及無(wú)機(jī)填料的均勻分散性能，提升光滑度和耐刮擦性能，具有良好的穩(wěn)定性和非遷移性，被廣泛應(yīng)用于交通、包裝、日用品等行業(yè)及齒輪、耐摩擦件等制品的生產(chǎn)。

(2)Javachem?HG-600

Javachem?HG-600是佳華精化公司生產(chǎn)的，其外觀形貌為淡白色顆粒。Javachem?HG-600是以聚丙烯為載體的有機(jī)基團(tuán)改性超高分子量聚硅氧烷，可以提升大部分聚烯烴的加工性和表面耐刮擦性能，能高度相容于聚烯烴體系，并能更好地提升有機(jī)硅制品的耐刮擦性能，同時(shí)幾乎不會(huì)增加制品的應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象。較高的熱穩(wěn)定性和抗老化能力保證了其較長(zhǎng)的使用壽命，可作為食品用塑料制品的添加劑。

(3)Tegomer V-Si 4042

Tegomer V-Si 4042是贏創(chuàng)德固賽(中國(guó))投資有限公司生產(chǎn)的，其外觀形貌為白色液體，是一種有機(jī)硅塑料添加劑，可作為相容的分散潤(rùn)滑劑使用。有機(jī)改性的基團(tuán)增加了硅酮與高分子樹(shù)脂的相容性，不遷移，不析出，保留了硅酮表面活性的特點(diǎn)，同時(shí)克服了其相容性差的缺點(diǎn)。其在聚丙烯滑石粉體系中主要應(yīng)用在汽車內(nèi)飾材料，能降低網(wǎng)格刮擦測(cè)試方法的ΔL值和刮痕的深度，提高礦物填料的分散性，允許更高的填充量。

(4)Irgasurf?SR100

Irgasurf?SR100是汽巴精化公司生產(chǎn)的，其外觀形貌為白色半透性顆粒，在PP/TPO等原料中的使用頻率非常高，且能夠很好地提升原料的耐刮擦性能。其作用主要是提升材料表面的潤(rùn)滑性，同時(shí)還能增大材料的彈性，使刮痕的中心和深處較為平滑，肩脊更低。所以較大程度上削弱了刮擦對(duì)材料表面的損害，減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象的同時(shí)較好地保證了材料的美觀性，被國(guó)內(nèi)眾多汽車材料廠家廣泛使用。

4 展望

國(guó)內(nèi)在車用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能改善方面已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，但隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)車用聚丙烯材料的要求也越來(lái)越高。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)車用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能還達(dá)不到要求或者是性能不夠穩(wěn)定。未來(lái)的研究不僅要適應(yīng)耐刮擦的要求，同時(shí)要滿足汽車行業(yè)環(huán)保節(jié)能的新要求；進(jìn)一步摸索材料加工工藝，使得材料性能更加穩(wěn)定；制定出合理的耐刮擦性能的測(cè)試方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行定性定量評(píng)價(jià)。

[1] 唐堯.改性塑料行業(yè)發(fā)展特征及其在汽車行業(yè)中的應(yīng)用[J].國(guó)外塑料,2011,29(1):43-45.

[2] 劉西文.塑料在“輕量化”汽車中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)塑料,2010(12):8-13.

[3] 李應(yīng)平,鄭化安,王小憲,等.車用聚丙烯改性材料氣味控制技術(shù)進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2016,44(6):124-127.

[4] 王斌,戴芳,張振英.汽車用塑料的研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2006,34(4):76-80.

[5] 陶永亮.改性聚丙烯材料在汽車上的應(yīng)用分析[J].汽車工程師,2012(3):58-61.

[6] BOONCHOO T,THARAJAK J.Effect of welding on hardness and deformation behavior of polypropylene by scratch test[J].Applied Mechanics & Materials,2016,848:27-30.

[7] YARI H,MOHSENI M,MESSORI M.A scratch resistant yet healable automotive clearcoat containing hyperbranched polymer and POSS nanostructures[J].RSC Advances,2016,6(79):76028-76041.

[8] HAMDI M,PUOPOLO M,PHAM H,et al.Experimental and FEM analysis of scratch behavior on polypropylene thin films:effect of film orientation and ethylene monomer content[J].Tribology International,2016,103:412-422.

[9] 白啟榮.改性超細(xì)硅灰石材料在聚丙烯塑料中的應(yīng)用研究[C]//2011改性塑料熱點(diǎn)技術(shù)及產(chǎn)品論壇,2011.

[10] 李平,韓琛,汪家寶.汽車用聚丙烯材料研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].塑料工業(yè),2011,39(S1):26-29.

[11] SOBHANI H,KHORASANI M M.Optimization of scratch resistance and mechanical properties in wollastonite-reinforced polypropylene copolymers[J].Polymers for Advanced Technologies,2016,27(6):765-773.

[12] 安芳成.聚丙烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)分析[J].化工進(jìn)展,2012,31(1):246-251.

[13] 孫凱,徐東東,婁小安,等.阻燃聚丙烯在家電行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].塑料工業(yè),2013,41(6):5-9.

[14] 何穎,宋潔,郭建兵,等.PP復(fù)合材料耐刮擦性能的研究[J].廣東化工,2014,41(14):22-24.

[15] 李延壘,張雖栓.車用高分子材料耐刮擦性能研究與改善[J].價(jià)值工程,2014,33(13):311-312.

[16] 范瀟瀟,項(xiàng)軍,孟成銘,等.汽車內(nèi)飾件用低氣味耐刮擦聚丙烯的研制[J].塑料工業(yè),2010,38(1):80-82.

[17] 龐承煥.抗析出耐劃傷車用聚丙烯材料的制備與表征[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

[18] 傅軼,唐昌偉,彭志宏,等.耐刮擦、軟觸感聚丙烯的制備與表征[J].合成材料老化與應(yīng)用,2015，44(4):22-25.

[19] 黃曉明,孟成銘,范瀟瀟,等.耐刮擦聚丙烯共混物的制備和性能研究[J].塑料工業(yè),2011,39(11):101-103.

[20] 王茜.汽車內(nèi)飾用改性聚丙烯復(fù)合材料耐刮擦性和散發(fā)特性研究[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2011.

[21] 道康寧公司.潤(rùn)滑劑在汽車塑料零件中的作用[J].塑料制造,2006(8):22-25.

[22] 余林華.低散發(fā)耐刮擦汽車內(nèi)飾用聚丙烯復(fù)合材料的研制[J].工程塑料應(yīng)用,2012,40(9):9-12.

[23] 季孟淵,程健,劉凱.一種耐刮擦、低氣味、低VOC聚乙烯復(fù)合材料的研究[J].汽車零部件,2016(11):60-62.

[24] 程前.高分子材料刮擦實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用[D].成都:西南交通大學(xué),2016.

[25] 林潔龍,楊波,丁正亞,等.免噴涂外觀美學(xué)樹(shù)脂的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2016,44(10):36-40.

[26] 張立娟,戴婷,張超,等.車用塑料耐刮擦測(cè)試方法概述[J].廣州化學(xué),2014,39(3):68-72.

[27] 林秀玲.乘用車注塑外觀塑料零件刮擦性能研究[J].合成材料老化與應(yīng)用,2012,41(3):40-44.

ResearchProgressinScratch-ResistantPropertyofAutomotiveModifiedPolypropyleneMaterials

ZHANG Jiao1,CHEN Gui-hong1,LI Jian-hui1,CAI Xiong2

(1.DepartmentofScientificResearchManagement,GuangdongNeusoftInstitute,Foshan528225,China; 2.GuangdongYuanrongNewMaterialsCo.,Ltd.,Foshan528322,China)

We review the effects of matrix materials,fillers,and scratch-resistant agents on the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials,introduce testing methods of scratch-resistant property and domestic common scratch-resistant agents,and put forward prospect and research trend of the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials.

automotive modified polypropylene material;scratch-resistant property;filler;matrix material;scratch-resistant agent

張姣，陳桂宏,李建輝,等.車用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(12)：1-3，9.

廣東省高校重大科研平臺(tái)和科研項(xiàng)目——2016年青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2016KQNCX192)，佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016AG100652)

2017-07-22

張姣(1990-)，女，湖北人，碩士，主要從事改性塑料研究及科技管理工作，E-mail:775688988@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.001

TQ325.14 TB324

A

1672-5425(2017)12-0001-03