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        高含量玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的性能研究

        2019-04-08 02:50:54李秀峻
        上海塑料 2019年1期
        關(guān)鍵詞:復合材料優(yōu)化

        李秀峻

        (上汽大眾汽車有限公司, 上海 201805)

        0 前言

        隨著當前汽車輕量化、環(huán)?;男枨笕找嫱怀?,在產(chǎn)銷量相對更大的小型乘用車領(lǐng)域,很多形狀復雜、承力要求較低的結(jié)構(gòu)性部件如前端框架、天窗框架等已逐步采用玻璃纖維(GF)增強熱塑性顆粒料為基材選擇,其具有加工簡便、易注塑、纖維分布均勻等特點[1-2]。

        對于常規(guī)的玻璃纖維增強聚丙烯(PP-GF)復合材料來說,由于其常用GF為短切氈片,加工后纖維保留長度(0.2~0.6 mm)相對較低,因此,其力學性能上對比其他增強材料如長纖增強聚丙烯(PP-LGF)材料、玻璃纖維增強聚酰胺(PA-GF)材料具有一定的劣勢[3-5]。要實現(xiàn)PP-GF復合材料在汽車輕量化領(lǐng)域更大范圍的推廣應用,必須解決PP-GF復合材料的高性能化問題,尤其是在較高GF質(zhì)量分數(shù)的前提下復合材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化問題,這需要從材料配方組分的不同方面協(xié)同入手,實現(xiàn)各因素的改性效果的疊加效應。

        1 實驗部分

        1.1 實驗原料

        PP:牌號T30S,中國石化茂名石油化工有限公司;

        PP:牌號HJ8012,北方華錦化學工業(yè)集團有限公司;

        PP:牌號B393G,韓國SK公司;

        GF:248A,直徑為13 μm,歐文斯科寧復合材料有限公司;

        相容劑: 馬來酸酐接枝聚丙烯5001,佳易容相容劑江蘇有限公司;

        相容劑: 馬來酸酐接枝聚丙烯1001,以色列Polyram Group;

        成核助劑:NA-21,日本旭電化工業(yè)株式會社。

        1.2 儀器和設備

        雙螺桿擠出機,CTE-35,科倍隆機械南京有限公司;

        標準樣條注塑機,EM120-SVP/3,震德塑料機械有限公司;

        密度測試儀,DH-300,東莞宏拓儀器有限公司;

        灰分含量測試儀,SXL-1200M,上海鉅晶精密儀器制造有限公司;

        電子萬能試驗機,Z010,德國Zwick/Roell集團;

        簡支梁沖擊試驗機,JJ-5.5,長春市智能儀器設備有限公司;

        低溫冷凍箱,MDF-192,日本三洋;

        熱變形維卡測試儀,6921.000,意大利Ceast公司;

        纖維長度分布測試儀,F(xiàn)ASEP Eco,德國KARG集團。

        1.3 材料制備及樣條注塑

        按表1中比例稱量聚丙烯(PP)、相容劑、成核劑等原料,混合均勻后投入到螺桿直徑為35 mm、長徑比為44的緊密嚙合同向雙螺桿擠出機的主喂料倉中,單獨稱取一定量的GF,投入到擠出機側(cè)向喂料倉中,擠出溫度設定為190~210 ℃,經(jīng)機頭口模擠出后冷卻、干燥、切粒,制得所需的PP-GF復合材料。

        表1高質(zhì)量分數(shù)PP-GF復合材料的配方%

        將所得PP-GF粒子在標準樣條注塑機中進行注塑成型,制備常規(guī)的力學性能測試樣條。

        1.4 常規(guī)性能及微觀結(jié)構(gòu)測試

        密度按ISO 1183-1《非泡沫塑料的密度測定方法》測試。

        拉伸性能按ISO 527-2《拉伸性能的測定方法》測試,測試速率為50 mm/min。

        彎曲性能按ISO 178《彎曲性能的測定方法》測試,跨距為64 mm,測試速率為2 mm/min。

        沖擊性能按ISO 179-1《簡支梁沖擊強度的測定方法》在簡支梁沖擊試驗機上進行,分別在常溫(23 ℃)及低溫(-30 ℃)下進行測試。

        缺口沖擊性能按ISO 179-1在簡支梁沖擊試驗機上進行,樣條缺口為A型,在常溫(23 ℃)下進行測試。

        纖維保留長度分析是將所得的玻璃纖維增強聚合物離子于600 ℃的馬弗爐中灼燒至恒重,然后將所得殘余物溶解于乙醇溶劑中進行分散,分散后的樣品放置于FASEP Eco纖維長度分布測試儀的載物臺上進行分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 增強PP的配方因素對材料力學性能的影響

        對于PP/GF復合體系來說,纖維長度及取向、界面狀況、基體樹脂特性是影響復合材料最終性能的三個要素,而其中GF的界面相容性一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一[6-7]。

        GF作為一種無機增強體,其性質(zhì)與PP基體材料之間存在較大的差距,即便GF表面存在著一定量的偶聯(lián)劑,但這種基于物理作用力構(gòu)建的界面層還是過于薄弱,在多因素的復雜環(huán)境中極易發(fā)展成空隙、空洞、微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷,最終導致復合材料失效[8]。因此,在一些特定需求的體系中,如較高質(zhì)量分數(shù)(≥40%)的GF增強體系中,其他因素如基體樹脂特性、纖維長度及取向分布的重要性就逐漸顯現(xiàn)出來。

        表2為不同的PP基體、相容劑及功能助劑組合而成的配方材料力學性能測試結(jié)果對比。由表2數(shù)據(jù)可知:在GF質(zhì)量分數(shù)較高時,PP基材選擇的合理性顯得尤為重要。對比樣品1、樣品2、樣品3的數(shù)據(jù)可知,由于擠出機中物料的停留時間是非常有限的,而樣品1所用的T30S材料由于其熔指較低,加工流動性差,因此對GF與基體之間均勻混煉效果帶來一定的負面影響,材料的拉伸強度僅為98 MPa,彎曲強度及模量分別為136 MPa、7 320 MPa,主要的力學性能指標均明顯低于樣品2和樣品3。樣品2所用的HJ8012基體為中等熔指、高結(jié)晶性均聚丙烯,其基體的各項特性都很適用于高剛性、高模量的GF增強體系,因此,其與GF的搭配效果明顯優(yōu)于其他兩種基體。而進一步對比可知,在相容劑及功能助劑優(yōu)化的共同輔助前提下(樣品6),增強PP材料的力學性能得以小幅度的再提升,拉伸強度最高可達120 MPa,常溫(23℃)及低溫(-30℃)沖擊強度提升至58 kJ/m2、65 kJ/m2,體現(xiàn)出良好的剛性及抗沖擊性能。

        表2不同配方組分的高質(zhì)量分數(shù)PP-GF復合材料性能

        項目樣品編號123456密度/(g·cm-3)1.271.281.271.281.28.1.28GF質(zhì)量分數(shù)/%44.345.244.945.745.445.7拉伸強度/MPa98106104115113120彎曲強度/MPa136149143153160164彎曲模量/MPa7 3207 7458 2308 6408 9439 045 23 ℃沖擊強度/(kJ·m-2)414743545058 -30 ℃沖擊強度/(kJ·m-2)374041485465 缺口沖擊強度/(kJ·m-2)9.69.910.110.310.811.5 1.8 MPa熱變形溫度/℃143147144149151153

        對于PP/GF復合體系來說,GF的分布狀況也是影響復合材料最終性能的關(guān)鍵性因素[9-10]。因此,筆者選擇性對比樣品1和樣品6材料中GF增強體的保留長度情況(見圖1)。

        由圖1可知:配方優(yōu)化前的樣品1材料中存在著明顯的碎纖現(xiàn)象,其長度都低于0.1 mm,且體系中GF集中分布于0.20~0.25 mm,纖維的平均保留長度為0.258 mm;而通過PP基體、相容劑及成核劑等組分優(yōu)化的樣品6材料中則基本不存在零碎的GF,纖維集中分布于0.25~0.40 mm,尤其是長度為0.30~0.40 mm的GF占比有了明顯的提升,纖維的平均保留長度為0.343 mm,同比樣品1材料的纖維平均保留長度提高了30%,這與表1中兩者的力學性能差異是相互印證的。

        2.2 優(yōu)化前后增強PP材料的制件表現(xiàn)

        雖然各項測試數(shù)據(jù)表明,配方優(yōu)化后的PP-GF復合材料的剛性及抗沖擊性都有了明顯改善,但對于高質(zhì)量分數(shù)PP-GF復合材料來說,其高剛性、高抗沖的特性是否能較好地在最終的成品件上體現(xiàn)出來是更值得關(guān)注的環(huán)節(jié),而且制件的尺寸穩(wěn)定性也是決定了材料應用價值的關(guān)鍵因素。

        圖2為樣品1和樣品6增強PP材料在汽車天窗前梁模具上的驗證制件。

        (a) 樣品1(配方優(yōu)化前)(b) 樣品6(配方優(yōu)化后)

        圖2配方優(yōu)化前后材料的成品件狀況對比

        從圖2中制件的整體狀況對比可以看出:兩者的成型效果大致相同,制件表觀平整、光滑,表面浮纖狀況較少,各螺絲孔裝配正常,表明上述2種材料已基本具備天窗前梁用高性能PP-GF復合材料的基本特性。

        表3是樣品1和樣品6材料注塑成品件的件上取樣性能、尺寸測試及其他成品件試驗結(jié)果對比。

        由表3可見:配方優(yōu)化后的樣品6材料的各項數(shù)據(jù)均明顯優(yōu)于未優(yōu)化的樣品1材料,制件取樣的性能更好,制件剛性明顯增強;更為關(guān)鍵的是制件的尺寸數(shù)據(jù)合格率從85%提升至98%,且樣品1材料在成品件測試所出現(xiàn)的拉拔力、卡扣拉傷等現(xiàn)象均得以改善,測試項目全部獲得通過。

        3 結(jié)語

        PP-GF復合材料是當今汽車輕量化、低成本化的典型材料,其將PP適中的力學性能、良好的耐化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的成型加工型和相對低廉的價格,以及GF增強體的高模量、高強度、低收縮等特性集于一身,體現(xiàn)了當前汽車“以塑代鋼”的新材料發(fā)展理念。

        表3 配方改善前后材料的成品件測試項目情況匯總

        筆者的研究聚焦于高質(zhì)量分數(shù)的PP-GF復合材料,與常規(guī)的GF增強材料不同的是,由于GF增強體用量的大幅度提升,影響其性能的關(guān)鍵因素也從傳統(tǒng)的界面相容性轉(zhuǎn)變?yōu)镻P基體及其他組分的搭配應用,尤其是加工流動性更好、結(jié)晶含量高、晶體結(jié)構(gòu)更為致密的PP基體,對促進增強PP復合材料的整體性能提升、改善成品件的剛性及尺寸穩(wěn)定性更是有著顯而易見的促進作用。隨著未來汽車領(lǐng)域的深層次變革持續(xù)推進,這種高剛性、高性價比、易加工成型、尺寸穩(wěn)定性好的高性能復合材料的應用前景及價值將不可限量。

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