李瑞生，李智，王磊

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

聚丙烯( PP) 具有良好的使用性能、加工性能和價格低廉等特點，是應(yīng)用較為廣泛的熱塑性樹脂之一，但 PP 存在低溫時韌性差以及機械性能較低等缺點，使其應(yīng)用受到一定限制。因此，對 PP 進行增強和增韌的改性研究已成為目前國內(nèi)外研究的焦點[1-4]。

麥克勞林 1954年首先提出了使用玻璃制造單孔中空微珠的技術(shù)。空心玻璃微珠（ES）是由鈉硼硅酸鹽材料經(jīng)特殊工藝制成的薄壁、封閉的微小球體，球體內(nèi)部包裹一定量的氣體，它具有低密度、低導(dǎo)熱、低吸油率、耐高低溫、電絕緣強度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、粒度及化學(xué)組成可控等優(yōu)點[5]。

當(dāng)PP中填充滑石粉后，不但改進了PP的成型收縮率和低溫易脆性以及剛性，還提高了PP原本就優(yōu)良的其他性能，如電絕緣性，沖擊強度等。同時滑石粉還具有與阻燃劑協(xié)同提高阻燃性的作用[6]。

滑石粉與玻璃微珠共同填充改性聚丙烯材料可以有效改善PP機械性能和低溫的韌性，添加三元乙丙橡膠（EPDM）對PP材料的低溫韌性將有很大提升。

隨著汽車工業(yè)能源危機和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)日益加劇，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要使命，而輕量化技術(shù)已經(jīng)成為降低整車油耗最為行之有效的方法之一[7]。

材料輕量化是汽車輕量化技術(shù)中的重要組成部分，目前歐美發(fā)達國家至2020年，汽車塑料使用量將達到單車500kg以上，聚丙烯( PP)材料作為汽車內(nèi)外飾常用材料占有較大比例，本文使用新型的改性聚丙烯材料汽車手套箱外蓋板上進行應(yīng)用研究。

1　玻璃微珠填充的聚丙烯材料

1.1　聚丙烯材料

表1　材料組成、牌號及生產(chǎn)廠家

1.2　材料性能

分別按照 GB/T 1843-2008、GB/T 9341-2000和 GB/T 1040-1992來進行材料的沖擊、彎曲和拉伸性能測試，拉伸性能試樣選取GB/T 1040.1中1A類型進行，所有樣條尺寸和數(shù)量均滿足國標中的要求。

2　玻璃微珠填充的聚丙烯材料在汽車手套箱外蓋板上的應(yīng)用

2.1　材料性能

表2為滑石粉、玻璃微珠以及E/P填充到PP中的，從表中可以看出，隨著玻璃微珠的添加量變化，HL345比HL125的熔融流動速率，斷裂伸長率和彎曲彈性模量都更高，而強度基本沒有變化，這是因為隨著玻璃微珠的量增加，空心玻璃微珠的加入增加了聚丙烯的剛度，改善了延展性，提升了流動性和延伸率，同時在偶聯(lián)劑的作用下，使玻璃微珠與PP相容更緊密，增加了粘結(jié)效果提升了材料強度和模量的增加。同時玻璃微珠的低表面積可以明顯提升填充量，填充的微珠像滾珠一樣分散在 PP基體當(dāng)中可以大幅提升材料熔體流動速率。

在玻璃微珠和滑石粉添加量一致的情況下，相比HL345比 HL940，HL345的熔體流動速率和斷裂伸長率明顯高于HL940，尤其在懸臂梁缺口沖擊強度上比HL940高約35%，但在拉伸強度，彎曲強度和彎曲模量上較HL940要低，這是因為HL345添加了EPDM(三元乙丙)，EPDM耐低溫及耐候性都較好，是綜合性能較優(yōu)的合成橡膠，在以玻璃微珠和滑石粉填充改性的PP中加入了EPDM橡膠，減小了聚丙烯的剛度，提高了延展性。在吸收相同的能量時，橡膠/聚丙烯材料所產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)最小，作為緩沖吸能材料可減少對外界物質(zhì)的破壞程度。所以其抗缺口沖擊性能也極佳，尤其是耐低溫后的沖擊性。添加玻璃微珠改性PP對比滑石粉改性PP的密度要明顯下降，這是由于玻璃微珠的密度在（0.3-0.6）g/cm3，而滑石粉的密度在（2.7-2.8）g/cm3。

在改性PP材料中隨著無機填充劑（滑石粉和玻璃微珠）含量的降低其比重也逐步降低，玻璃微珠的填充使其材料性能沒有明顯變化，同時其部分性能要優(yōu)于僅使用滑石粉和EP填充的材料。使用EPDM改性的PP材料有更優(yōu)的抗沖擊性能。

表2　材料性能

2.2　手套箱外蓋板

手套箱組件本身應(yīng)具備一定的剛度與強度。當(dāng)與乘客膝部發(fā)生碰撞時，既不能由于強度太弱發(fā)生碎裂而傷害乘客，也不能因剛度過強而無法在撞擊時吸收沖擊能量。因此，手套箱應(yīng)采用合適的吸能材料，并且儀表板在手套箱背后會配備吸能結(jié)構(gòu)或金屬吸能支架。特殊的工作環(huán)境（經(jīng)常日曬、震動、溫差等）對手套箱表皮的老化性能（熱老化和光老化）、熱性能、拉伸性能、沖擊性能等均提出了較高要求。

從表2中選擇PP30530-C169、HL345、HL125材料，選用中國船舶重工集團公司汾西機械廠制造的塑料注射成型機型號 JL6500，螺桿直徑：90mm，注射容積：3020cm3采取注塑成型的工藝手套箱外蓋板。

手套箱處于汽車駕駛室內(nèi)手套箱外蓋板常處于面向乘客的一側(cè)，汽車內(nèi)部凸出物應(yīng)符合相應(yīng)的法規(guī)，因其安裝部位不同，各自的要求也不盡相同，一般要采用分區(qū)檢查法。參考國家標準 GB 11552-1999“轎車內(nèi)部凸出物”，手套箱組件處于前排座椅“H”點之前、儀表 板水平線以下的乘員艙內(nèi)部構(gòu)件分區(qū)。

相應(yīng)的手套箱凸出物應(yīng)滿足下列要求：

（1）保證支架沒有凸起的棱邊。

（2）外觀面高度應(yīng)不小于25mm，表面邊緣圓角半徑不小于 3.2mm；應(yīng)采用吸能材料覆蓋或制成，并按照標準所述方法進行檢驗。

（3）外觀面若不滿足要求，則應(yīng)符合標準規(guī)定的向前縱向水平力沖擊實驗要求。

（4）若手套箱安裝在剛性支架上，且由低于肖氏硬度50度的軟性材料制成，該剛性支架應(yīng)滿足標準規(guī)定的剛度要求。

手套箱外蓋板還應(yīng)滿足以下要求：高低溫存放、熱老化、低溫落球沖擊、耐光性、耐刮擦、冷熱交變、氣味性等。手套箱總成還需滿足開關(guān)耐久性試驗，試驗后手套箱總成不能出現(xiàn)任何功能及外觀的損壞，如手套箱蓋變形，手套箱鎖機構(gòu)失效，手套箱限位結(jié)構(gòu)失效、變形等。手套箱沖擊試驗在三種環(huán)境溫度(-40±5)℃，(+23±5)℃，(+90±5)℃下試驗后手套箱總成不能出現(xiàn)任何功能及外，觀的損壞，如手套箱蓋變形，手套箱鎖機構(gòu)失效，手套箱限位結(jié)構(gòu)失效、變形等。

圖1　某小型SUV車型的手套箱

2.3　手套箱外蓋板的輕量化效果

圖2　輕量化效果

由圖2可知使用PP30530-C169、HL345、HL125試制的手套箱外蓋板的減重幅度達到 6.8%-9.8%。玻璃微珠的添加明顯降低了材料的密度降低了手套箱外蓋板的重量，并隨著填充量的變化而發(fā)生改變，相比傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料最大減重幅度接近10%。

3　結(jié)論

（1）使用玻璃微珠填充改性的 PP材料與傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料有明顯的減重，最大減重幅度接近10%，輕量化效果顯著。

（2）添加玻璃微珠填充改性的PP材料，因玻璃微珠的低表面積可以明顯提升填充量，有效防止因注塑時發(fā)生的扭曲現(xiàn)象。

（3）使用玻璃微珠填充改性的PP材料，填充的玻璃微珠像滾珠一樣分散在 PP基體當(dāng)中可以大幅提升材料的熔體流動速率，可以在注塑壓力減小以及相對低溫的環(huán)境下成型。

（4）汽車用改性聚丙烯材料，使用玻璃微珠填充的懸臂梁缺口沖擊強度和熱變形溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PP+E/P-TD20材料。

[1] 張立新,勵爭,徐杰.界面強度對玻璃微珠填充聚丙烯力學(xué)性能的影響[J].實驗力學(xué),2006,21( 4) : 479～484.

[2] 章正熙等.納米 CaCO3對聚丙烯的增強作用[J].合成橡膠工業(yè),2003,26( 2).

[3] Wu C L,Zhang M Q,Rong M Z,et al. Matrix ductility and particle species on mechanical performance of the compos［J］.Composites Science and Technology,2005,65: 635～645.

[4] Hartikainen J,Hine P,Szabó J S,et al. Polypropylene hybrid composi-tes reinforced with long glass fibres and particulate filler［J］. Com-posites Science and Technology,2005,65: 257～267.

[5] 李鵬,劉德安,楊學(xué)忠.微球復(fù)合泡沫材料的研究和應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料, 2000, (4): 21-24.

[6] 王經(jīng)武.聚丙烯改性技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[7] 燕戰(zhàn)秋,華潤蘭.論汽車輕量化[J].汽車工程,1994,16(6):375-383.