高流動、高剛性、抗沖擊汽車保險杠專用料的研制
聚丙烯（PP）具有密度小、性能好、易加工、價格低、易回收等特點，是綜合性能優良的通用塑料，已經得到了廣泛推廣和應用。在汽車用塑料中，PP的用量大，增長速度快。PP已經成為保險杠的主要原材料。由于汽車保險杠是一種表面積較大、形狀復雜的薄壁大型結構部件，使用時會受到沖擊等因素的影響，一般采用注塑成型，因此汽車保險杠料需要有較高的流動性、剛性、韌性、耐熱性等，還要有良好的尺寸穩定性和防老化性能。
筆者通過大量試驗，研制了高流動性、高剛性、抗沖擊汽車保險杠專用料，原材料絕大部分選用國產料，從而為高性能汽車保險杠料的國產化奠定了基礎。
1 實驗部分
1.1 主要原料
共聚PP:CB5290，韓國大韓油化工業株式會社；
共聚PP:7760，石化北京燕化石油化工股份有限公司；
共聚PP:9035，石化北京燕化石油化工股份有限公司；
均聚PP: Z30，大連西太平洋石油化工有限公司；
接枝PP：市售；
聚烯烴彈性體（POE）：POE8150、POE8003、Du-Pont DOW Elastomers L.L.C；
POE: POEDF605，三井彈體塑膠新加坡有限公司；
三元乙丙橡膠（EPDM）：EPDM 3745P，DuPontDOW Elastomers L.L.C；
滑石粉、云母、碳酸鈣：均約10μm（1250目），市售；
硫酸鋇：約15μm（800目），市售。
1.2 主要設備與儀器
雙螺桿擠出機：南京橡塑機械廠；
注塑機：SZ-160型，寧波東方塑料機械有限公司；
電子拉伸試驗機：美國Instron公司；
智能數顯沖擊試驗機：TAJD型，承德德勝試驗機廠；
熔體流動速率（MFR）儀：μPTARZ-400C型，吉林大學科教儀器廠；
維卡熱變形溫度測試儀：TARW-300MA型，承德寶華電器有限公司；
氙燈老化儀:SH60B II型，四川銀河實驗儀器有限公司。
1.3 試樣制備
按配比準確稱量原輔材料，加入高速攪拌機，充分混合均勻后，利用雙螺桿擠出機擠出、造粒。擠出溫度為205～215℃，螺桿轉速為240 r/min。將粒料置于80℃烘箱中烘干2h后，利用注塑機制備標準試樣。注塑溫度為190～200℃。
1.4 性能測試
MFR按GB/T 3682-2000測試；
拉伸性能按GB/T 1040-1992測試；
彎曲性能按GB/T 9341 -2000測試；
簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043-1993測試；
懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1843-1996測試；
熱變形溫度按GB/T 634-1989測試。
2 結果與討論
2.1 材料組分的選擇
?。?）PP基料
PP自身的性能對汽車保險杠料的性能有著的非常重要的影響。由于汽車保險杠料對剛性、流動性的要求較高，所以我們選用幾種MFR較高的PP做基料，其性能見表1。表2列出不同PP基料保險杠專用料的性能對比。
由表1可以看出，CB5290流動性高、彎曲彈性模量大，適宜用作高流動、高剛性保險杠料的基料。而7760的流動性、剛性、韌性等性能指標比較均衡。從表2可以看出，采用7760為基料的專用料的性能比較均衡，兼顧了流動性、韌性和剛性。雖然以CB5290和730為基料的專用料的拉伸強度和彎曲強度較高，但沖擊強度較低。7760由于引入了乙烯單體，沖擊強度較高，與POE的相容性較好，同時又可以降低POE的用量以降低成本，考慮貨源國產化、供應、價格問題，故選用7760為基體樹脂。
?。?）增韌劑
分別向PP基料中加入20份不同增韌劑，考查不同增韌劑對專用料性能的影響，結果列于表3。表3可以看出，POE8003增韌所得的專用料的性能較佳，而EPDM 3745P增韌所得的專用料的性能較差。這是因為EPDM比PP的粘度大很多，不容易分散，需要較強的剪切。同時，EPDM的加入使材料的流動性能下降很大，若加入過氧化物調節流動性，則會發生眾多形式的交聯，歧化反應，對材料性能影響較大，且殘存的過氧化物或共混過程中形成的不穩定結構會影響制品的耐侯性。而POE具有窄的分子量分布和一定的結晶度，且不含雙鍵，與EP-DM相比，它有較小的內聚能，較高的剪切敏感性，加工時與聚烯烴相容性好。由于POE與PP的表觀切變粘度對切變速率或溫度的依賴性較相近，容易得到更小的分散相粒徑和較窄的粒徑分布，因而在PP基體中的相容性和分散性更好，其增韌效果往往優于EPDM。故選用POE8003作增韌劑。
圖1、圖2、圖3示出POE8003用量對材料力學性能的影響。由圖1、圖2、圖3可知，隨POE8003用量的增加，材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量都呈下降趨勢，缺口沖擊強度逐漸提高，在用量為15～20份時，沖擊性能有較大的飛躍，已經達到較好的增韌效果。這可以用Dr. Wu提出的基體剪切帶屈服逾滲理論來解釋，分布在基體樹脂中的分散相粒子，粒間距或稱為界面帶厚度存在一個臨界尺寸Lc，當L＜Lc時，粒子間的相互作用力可以引起基體的剪切屈服，從而吸收外部的沖擊能量。這種剪切帶屈服對外部能量的吸收占據了主導地位。因此，在固定的剪切分散條件下，材料的韌性隨POE用量增加呈現一定的突變。
?。?）填料
為增加材料的剛性，保證成型制品的尺寸穩定性，我們選取硫酸鋇、滑石粉、云母和碳酸鈣進行對比實驗。硫酸鋇和碳酸鈣采用鈦酸酯偶聯劑處理（用量為填料質量的0.5%），云母采用硅烷偶聯劑處理（用量為填料質量的0.5%），滑石粉經過特殊表面處理。表4列出采用不同填料制得的專用料性能對比。從表4可以看出，云母對PP彎曲彈性模量的貢獻大，滑石粉次之。這是由于硫酸鋇和碳酸鈣都為圓形顆粒填料，對提高材料的模量貢獻不大。而云母和滑石粉都為片狀填料，其片層結構為材料提供了高的模量。綜合考慮，采用特殊處理的滑石粉做填料，此時材料的綜合性能好。
2.2 關鍵性能的改進
（1）流動性能
汽車保險杠屬于大尺寸薄壁制品，要求物料在滿足力學性能的前提下具有較高的流動性。國內汽車保險杠料的MFR大多在2～18g/10min，而國外料的MFR可達到28g/10min以上，同時還可以保持較高的剛性和沖擊性能。為賦予材料更好的流動性，我們在選用高MFR PP基料的基礎上又加入了一種新型分散潤滑劑EB，它含有多種極性和非極性官能團，具有較好的內外潤滑作用。圖4、圖5示出EB的用量對材料流動性能和缺口沖擊性能的影響。
從圖4、圖5可以看出，分散潤滑劑EB可明顯改善材料的流動性，同時材料的沖擊強度也有所提高。這是因為分散潤滑劑EB中含有大量極性基團和非極性官能團，因此一方面它與PP相容性很好，另一方面，極性基團又使它對滑石粉顆粒有較牢固的結合性，起到了偶聯劑的作用，因此提高了滑石粉在基體樹脂中的分散性和結合強度，使沖擊強度也得到提高。在EB質量分數為1.5%時，材料的MFR達到30g/10min，同時簡支梁缺口沖擊強度達到43kJ/m2，懸臂梁缺口沖擊強度達到40kJ/m2。
（2）剛性
我們通過3條途徑同時來提高材料的剛性：一是加入填料增強；二是加入高性能PP成核劑TA，通過提高PP結晶度來提高剛性；三是加入大分子偶聯劑接枝PP,增強填料、成核劑的分散效果，提高填料與基體的結合牢度，充分發揮填料增強作用。
表5列出成核劑TA用量對材料彎曲彈性模量及其它性能的影響。由表5可以看出，成核劑TA的加入提高了材料的彎曲彈性模量、熱變形溫度、沖擊強度。原因是成核劑使PP結晶度提高并細化了PP晶區尺寸。由表5可以看出，當成核劑TA質量分數為0.3%時，材料的綜合性能好。
圖6示出馬米酸酐接枝PP用量對材料彎曲彈性模量的影響。由圖6可見，馬來酸酐接枝PP質量分數為3%時，材料的彎曲彈性模量已明顯提高，此后提高比較緩慢。馬來酸酐接枝PP的佳質量分數為3%。
3 產品應用
研制的保險杠專用料在富奧東洋公司經過注塑成型、噴涂后，被用于馬自達6轎車的汽車保險杠外飾。應用結果表明，該保險杠專用料流動性良好，減少了產品成型壓力和注塑溫度，降低了加工能耗。同時，成型周期較一般產品要短，生產效率大大提高。材料性能波動較小，產品尺寸穩定。落錘沖擊實驗表明，該保險杠韌性優良，沒用明顯破壞現象。該保險杠安裝尺寸穩定，剛性好，不易變形，裝車緊固過程無應力發白現象。噴涂性能優良，保險杠與噴漆的結合牢度很好，完全能通過刻劃剝離實驗。表6列出筆者研制的汽車保險杠專用料與進口料的性能比較。由表6可以看出，研制的專用料的綜合性能良好，完全達到進口材料性能。
4 結論
（1）以PP為基料、POE為增韌劑、滑石粉為填料制備的汽車保險杠專用料具有良好的成型加工比、高剛性及優良的抗沖擊性能，可替代同類進口產品。
（2）新型分散潤滑劑EB的加入大大改善了專用料的流動性能，同時也提高了材料的沖擊性能。
（3）成核劑TA的加入能明顯提高材料剛性，同時流動性和其它力學性能也有所提高，是一種高效的增剛、增韌功能助劑。在TA質量分數為0.3%時體系能達到較好的剛性和韌性的平衡。同時，縮短了保險杠成型周期，提高了產品生產效率，取得了良好的經濟效益。
（4）馬來酸酐接枝pp可以大幅提高材料的彎曲彈性模量、熱變形溫度和材料的噴涂性。
