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【技术帖】车用聚丙烯(PP)材料性能分析与典型应用

来源:qichecailiao    发布时间:2019-12-29 19:58:27


前言

塑料是乘用类汽车常用的非金属材料之一,在中级轿车,塑料的用量已经占到整车质量的12%到15%。在车用塑料中,聚丙烯是发展快,应用比例最大,使用频次最高的塑料之一。以某款主流中级轿车拆解手册数据为例,聚丙烯类材料约占整车塑料选用频次的29%,聚丙烯类材料约占整车塑料用量比例的48%。因此,进行聚丙烯类材料性能分析及典型应用案例研究,对汽车零部件原材料开发具有现实意义。

 聚丙烯材料性能分析与典型应用

聚丙烯(PP)树脂是由丙烯单体聚合而成的非极性的结晶类塑料。PP具有价格低廉、密度较小、容易加工和重复利用等优点;但PP具有成型收缩率大、低温脆性大、易老化等缺点。所以,通常采用物理或化学改性技术,添加滑石粉填充物、玻纤等增强材料、抗光/热氧老化剂等助剂,提高聚丙烯材料的综合性能,以满足汽车部件性能要求。

汽车用聚丙烯材料种类、特点及典型部件

汽车上除少量部件采用纯PP树脂加工外,大部分部件皆采用改性PP材料进行加工。北汽福田车型选材推荐部件,如表1(下一页)所示。传统改性聚丙烯主要用于汽车大部件有保险杠、仪表板护板、门板、立柱等部件,长玻纤聚丙烯主要用在大部件汽车前端模块、仪表板骨架。这几个大部件PP用量,约占全车PP用量的一半,因此材料性能要求具有代表性。

从改性聚丙烯材料在相关部件的应用现状及发展趋势进行阐述
 PP EPDM-TD类材料在保险杠外饰件的应用分析
1
针对前后保险杠本体的改性聚丙烯材料,行业已进行了大量的研究,改性PP保险杠具有成本低、质量轻、易涂装、可循环使用等优点。目前,北汽福田乘用车保险杠本体选材,主要采用PP EPDM-TD10或PP EPDMTD20两种改性聚丙烯材料。通过添加10—20份的滑石粉,即可保证材料收缩率和部件尺寸稳定;通过EPD或POE弹性体增韧,又可保证部件有良好的低温冲击性。

随着汽车轻量化的关注度日益提升,轻量化设计对塑料材料应用提出了大量的新要求。保险杠可通过设计壁厚减薄而降重,这样对熔融指数要求越来越高、对材料强度要求也提高;随着降低成本压力、环保要求日益严峻,免喷涂保险杠应运而生,这对改性聚丙烯材料表面质量,如耐划伤性,等提出更高的要求。


类别

细分组分

特点

典型应用部件

树脂类

均聚PP

高温下稳定,主要用于短时间温度最高为110℃的受热负荷零件

小齿轮小零件等

共聚PP

耐热、流动性好,用于形状复杂型腔韧性要求高的零件

洗涤壶、电池盒等

共聚PP

混增韧,主要用于受冲拉的零件

共膨胀箱等

合金类

PP/PE

PP与PE共混增韧,根据收缩率需要,可添加5-8份的滑石粉

门内板、立柱等

增韧类

PP+EPDM

具有较高流动性及韧性,适用于具有韧性较高,尺寸较大的零件

外饰轮罩护板等

PP-TD填充类

 

PP-TD20

20%滑石粉填充,高模量高刚性

前风挡下装饰板,空调壳体等

PP-TD30

30%滑石粉填充,高模量高刚性,用于对刚性要求高的零件

防擦条等

PP-TD40

40%滑石粉填充,用于短时间内可在140℃下承受负荷时刚性及韧性要求高的零件

灯座外壳等

 

PP-GF增强类

 

PP-GF20

20%玻璃纤维增强,短时间内温度可在140℃受热负荷的零件因结构设计而倾向于挠曲的零件

风扇罩,扇叶等

 

PP-GF30

30%玻璃纤维增强,由于受特殊热负荷且对强度刚度及形状稳定性要求高的零件

散热器盖板等

 

PP-GF40

40%玻璃纤维增强,由于受特殊热负荷且对强度刚度及形状稳定性要求更高的零件

挡风板、手套箱底座等

PP-LGF增强类

PP-LGF20

20%长玻纤增强,高刚性高强度的部件

仪表板骨架等

PP-LGF30

30%长玻纤增强,高刚性高强度,耐疲劳

前端模组等

PP-LGF40

40%长玻纤增强,高刚性高强度的结构体

脚踏板等

PP+EPDM-TD增韧填充类

PP+EPDM-TD10

10%滑石粉填充,EPDM增韧,高抗冲

保险杆等

 

PP+EPDM-TD20

20%滑石粉填充,EPDM增韧,高抗冲

保险杆等

PP+EPDM-TD20

20%滑石粉填充,EPDM增韧,高刚性中韧性

表板上本体等

PP+EPDM-TD15

15%滑石粉填充,EPDM增韧,高刚性

高强度门内板等

PP+EPDM-TD20

20%滑石粉填充,EPDM增韧,高刚性低韧性

门内板、立柱护板等

PP+EPDM-TD30

30%滑石粉填充,EPDM增韧,中刚性中韧性

中央格栅等

 改性PP在内饰件上的应用分析
2

汽车内饰件采用改性PP材料制作的大部件有仪表板、门板、立柱饰板等部件。针对仪表板本体及下护板、门板本体、立柱饰板等部件用改性聚丙烯材料,行业已进行了大量的研究。新车型开发中,件选材更多地结合车型定位、成本、法规、性能等综合因素而定。比如,A级车(入门级乘用车)、B级车(中级乘用车),由于目标客户及整车成本压力、轻量化要求等,对零部件用材选材存在一定的差异。

      A.级乘用类车型注重内饰件的经济性,比如:一般多采用硬质仪表板、硬质门板、硬质立柱,其表面一般没有或有很少采用面料或皮革进行装饰。因此,塑料件的耐热氧老化、耐光老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗发粘性等性能,基本由改性PP塑料粒子相关性能决定。以硬质仪表板选材为例,材料以PP EPDM-TD20为主;力学性能方面,关注高模量高刚性高抗冲性;关键力学指标:拉伸强度≧20MPa,模量≧1800MPa,缺口冲击≧20kJ/m2。以门板本体和立柱饰板选材例,材料一般为PP EPDM-TD20;高刚性中等模量中等冲击性能,关键学指标:拉伸强度≧20MPa,模量≧1400MPa,缺口冲击≧10kJ/m2。

      B.级乘用类车型注重内饰件的装饰性,因此在仪表板骨架、门板、立柱饰板表面多加上面料或皮革装饰件。同时,总成性能的提升,需要(力学等)性能更加优越的材料;随着轻量化要求,部件轻量化设计需要更加轻质的材料。比如:软质仪表板骨架选材,材料以PP-LGF20为主;主要力学性能突出高模量高刚性,关键力学指标:拉伸强度≧40MPa,模量≧4000MPa,缺口冲击≧10kJ/m2。以门板本体或立柱饰板选材,主选材料则为PP/PE-TD16,或者PP/PE合金(根据需要可加入5—8份的滑石粉,以调节材料收缩率)。

       随着对车内空气质量要求的提高,对车内塑料饰件散发特性也越来越严。内饰件散发特性包括气味性、甲醛含量、冷凝组分、总碳含量。目前,汽车厂对改性粒子管控,主要参照德系VDA标准:比如气味≦3级,甲醛≦10g/kg,冷凝组分≦2mg,总碳含量≦50μgC/g。在项目中,我们曾遇到改性PP粒子气味检测性合格,但塑料件气味性超标的案例。经过产业链跟踪分析,发现在注塑时,一方面喷了过量的脱模剂引入杂味,另一方面注塑温度过高,导致材料部分分解产生异味;最终出现改性PP粒子气味性合格,但最终塑料件气味不合格的情况。

       因此,要彻底解决塑料件的气味性,往往需要汽车厂、零部件企业、原材料商三方共同努力。

       除散发特性之外,塑料件的耐热氧老化、耐光氧老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗发粘性等都属于材料认可时重点关注项目。比如,在汽车厂材料实验,针对PP进行的150℃耐热氧老化测试,更多地是评价材料本身在长期使用条件下的可靠性。这需要在改性聚丙烯材料配方设计和加工过程前,充分考虑最终制品性能要求。

        PP-LGF在前端模块上等部件应用分析
3

       对PP-LGF(长玻纤增强聚丙烯)材料的研究与应用,是近年来的热点之一。PP-LGF材料中,玻璃纤维长度一般可达15mm到30mm,形成三维交叉结构。结构决定性能,因此PP-LGF相比普通4—7mm短玻纤材料具有更高的强度、刚性、韧性等优势。对于汽车前端模块,采用PP-LGF30材料,可将散热器、喇叭、冷凝器、托架等前端部件组合成一个整体;相比金属件耐腐蚀、密度小、重量轻,减重约30%;相比玻纤尼龙,有明显的成本优势。

       随着汽车轻量化的研究与应用,“以塑代钢”、“以轻代重”都给PP-LGF材料提供了广阔的发展空间。比如,李菁华等人研究了PP-LGF取代金属制造脚踏板的可行性;杨宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30制造车门拉手底座的可行性,以及取代PBT-GF30制造雾灯壳体的可行性;李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在换挡机构的应用研究。其它汽车部件,比如车门板集成模块、车顶窗框架/压条、保险杠、汽车行李架、汽车蓄电池外壳/托架、轿车座椅骨架、齿轮箱外壳、汽车外饰镜框架、汽车雨刷器支架等,都可选用PP-LGF材料代替金属和尼龙材料。

 

结论

1. 改性聚丙烯根据汽车部件性能要求,可分为增韧类、矿物填充类、玻纤增强类、聚丙烯/聚乙烯合金等;

2. 汽车塑料件的关注要点,可转化成改性聚丙烯材料特征。需结合配方设计、加工工艺、后处理工艺等综合考虑,来满足汽车塑料件性能要求;

3. 随着对乘用车空气质量要求的提高,低气味聚丙烯类内饰材料的开发与应用是今后重点发展方向之一;

4. 随着汽车轻量化,改性聚丙烯材料将进一步拓展应用,长玻纤增强聚丙烯代替金属、玻纤尼龙材料具有明显的减重降本优势。

来源:2015 年 3 月刊 塑料制造、中国汽车材料网编辑报道

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