化學微發(fā)泡注塑在汽車門內(nèi)飾板的應用

劉臻青

（泛亞汽車技術中心有限公司）

我國在2014年正式發(fā)布了乘用車燃料消耗量第四階段強制性國家標準，根據(jù)標準要求，到2020年我國當年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量需降低到5.0L/100km。除此之外歐盟、美國及日本等主要發(fā)達經(jīng)濟體也對汽車燃油消耗做出了更加嚴格的限制。世界各大汽車制造企業(yè)為了應對新的標準紛紛加大了新能源車的研發(fā)，另一方面著力改善傳統(tǒng)發(fā)動機的燃油利用效率。根據(jù)美國能源署的統(tǒng)計，整車質(zhì)量每下降10%燃油經(jīng)濟性提高5.1%，汽車的其他排放物也會相應降低。所以塑料零件的輕量化成為減輕整車質(zhì)量的重要組成部分，門內(nèi)飾板作為重要的汽車內(nèi)飾零件主要由塑料注塑工藝制造，成為塑料輕量化研究的重點。文章論述了某車型采用化學微發(fā)泡工藝，通過門內(nèi)飾板的注塑與發(fā)泡厚度的確認并考慮化學發(fā)泡注塑聚丙烯材料彎曲模量的性能要求，在滿足門飾板剛度性能要求的前提下，實現(xiàn)了零件減重的目的。

1 化學微發(fā)泡注塑工藝過程

目前國內(nèi)外文獻報道的微發(fā)泡聚合物材料加工主要采用物理發(fā)泡技術，而化學微發(fā)泡注塑工藝的研究報道很少。微發(fā)泡注塑技術有降低鎖模力、提高產(chǎn)品尺寸精度及縮短成型周期等諸多優(yōu)勢。制成品有更長的疲勞壽命、更低的塑件密度、更高的斷裂韌度及更好的能量吸收能力[1]。其工藝過程是將聚丙烯原材料和小蘇打類發(fā)泡劑均勻混合后放進料筒，熔融塑化射入模具型腔內(nèi)，在填充完成的瞬間模具型腔打開一個距離，利用熔料中間層尚未凝結，及發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體推動下（2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O），迅速膨脹發(fā)泡，最終形成設計壁厚產(chǎn)品的技術。模具還沒有打開之前，型腔厚度小于常規(guī)注塑的零件厚度，通過減少聚丙烯原材料的使用減輕零件質(zhì)量。圖1示出化學微發(fā)泡注塑工藝過程示意圖。

圖1 化學微發(fā)泡注塑工藝過程示意圖

2 化學微發(fā)泡注塑厚度的確定

門飾板作為重要的汽車內(nèi)飾零件，剛度是首先需要滿足的性能要求，任何輕量技術的研究也應以滿足剛度要求為前提。注塑零件在不改變材料類型的基礎上實現(xiàn)輕量化的主要方式是減少材料的使用，根據(jù)ISO—178標準在門飾板上取樣進行試驗，發(fā)現(xiàn)在材料不變的情況下，直接將零件壁厚從2.5mm減薄到1.8 mm，雖然能夠有效地減輕零件質(zhì)量，但是樣板的彎曲模量、彎曲強度以及剛度都出現(xiàn)了不同程度的下降，尤其是樣板的剛度更是出現(xiàn)了大幅下降。由此可見為滿足零件性能要求，直接降低零件壁厚并不具有實際應用的可行性。表1示出注塑實體力學試驗參數(shù)表。

表1 注塑實體力學試驗參數(shù)表

化學微發(fā)泡注塑是在注塑工藝過程中，通過碳酸氫鈉等化學發(fā)泡劑在零件的內(nèi)部形成大量微孔氣泡替代注塑原材料，以達到減重的目的。根據(jù)華東理工大學的研究結果，以4種不同改性方式制備的PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）為研究對象，在不改變零件壁厚的情況下以超臨界CO2作為發(fā)泡劑制備樣件。即使是綜合性能最好的NPET（原位聚合多元醇改性PET），拉伸強度和彎曲強度相對于實體零件也分別下降了23%和15%，只有沖擊強度比實體略微上升，而減重效果也只有10.5%[2]。雖然文章的研究對象是PP材料，發(fā)泡劑種類也不相同，但是從材料的類型和工藝的原理來看，兩者有非常接近的性能表現(xiàn)。表2示出不同PET實體和發(fā)泡樣品的力學性能對比表。

表2 不同PET實體和發(fā)泡樣品的力學性能對比表

從工程力學的原理也可以發(fā)現(xiàn)類似的結論，如零件的剛度計算，即載荷與載荷作用下的變形量之比，如式（1）所示。

式中：K——剛度，N/mm；

P——載荷，N；

Y——變形量，mm。

門飾板上某一點的受力狀態(tài)可以近似簡化成簡支梁受力，簡支梁變形量計算公式，如式（2）所示，轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，如式（3）所示。由此式（1）可簡化為式（4），從式（4）中可以看出，當其他參數(shù)不變時，零件的剛度與材料的彎曲模量成正比，同時與零件壁厚的3次方成正比。因此可以得出結論：如果材料不變直接減薄壁厚，零件的剛度會大幅下降。如果厚度不變直接在原材料內(nèi)添加發(fā)泡劑注塑，由于材料用量下降，勢必影響彎曲模量，同樣會導致零件剛度變差。所以如果原材料不變，想要減少用量必須要增加零件的壁厚來補充剛度的損失，這就是化學發(fā)泡注塑通過模具后退來增加壁厚的根本原因。

式中：L——長度，mm；

E——彎曲模量，MPa；

I——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

t——厚度，mm。

在確定化學發(fā)泡注塑門飾板零件壁厚之前，首先需要確認零件減重目標。通常門飾板零件的壁厚為2.5mm，項目要求減重20%，綜合考慮零件結構以及開模過程中零件翻邊面發(fā)泡距離有限，最終確定門飾板注塑壁厚為1.8 mm。

3 化學微發(fā)泡厚度的確定

根據(jù)式（4）可以得到發(fā)泡后的零件剛度和發(fā)泡前1.8 mm厚注塑零件的剛度之比，如式（5）所示。為了使發(fā)泡之后的門飾板剛度達到2.5 mm厚實體注塑零件相同的水平，根據(jù)表1可得發(fā)泡之后的零件剛度應該是1.8 mm厚實體注塑零件剛度的3.48倍（K1/K2=

式中：K1——發(fā)泡后零件剛度，N/mm；

K2——發(fā)泡前1.8 mm厚注塑零件剛度，N/mm；

E1——發(fā)泡后零件彎曲模量，MPa；

E2——發(fā)泡前1.8 mm厚注塑零件彎曲模量，MPa；

t1——發(fā)泡后零件壁厚，mm；

t2——發(fā)泡前1.8 mm壁厚，mm。

以1.8 mm作為注塑壁厚，開模后退發(fā)泡距離分別為0，0.6，1，1.4 mm，采用某型聚丙烯原材料，運用KraussMaffei 2300 t注塑機分別加工這4種狀態(tài)的零件，采用無機吸熱型發(fā)泡劑，添加比例為3%。在零件上截取80 mm×25 mm的標準靜態(tài)彎曲試驗樣板，并采用UTM6104型電子萬能試驗機按照ISO—178標準進行彎曲模量試驗。表3示出發(fā)泡零件力學試驗參數(shù)表。將表3中1.8 mm厚實體注塑樣板及3種發(fā)泡后樣板的彎曲模量試驗結果分別代入式（5）中，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)泡后3.2mm厚的零件剛度是1.8 mm厚實體注塑零件剛度的3.47倍，相當于2.5mm厚實體注塑件，如式（6）所示。

表3 發(fā)泡零件力學試驗參數(shù)表

雖然從試驗結果和公式推導來看，從1.8 mm注塑厚度發(fā)泡到3.2 mm厚可以達到2.5 mm實體注塑厚度零件相同的剛度要求，似乎是合適的選擇，但是在3種不同發(fā)泡厚度的零件上截取樣板后，用貝朗50～200倍變倍高清電子放大鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)3.2 mm厚的樣件在發(fā)泡層中泡孔密度降低，分布也不均勻，有些泡孔直徑過大，這是由于泡孔破裂而出現(xiàn)的并泡現(xiàn)象，如圖2所示，這種現(xiàn)象是典型的“過發(fā)泡”狀態(tài)，而此時得到的發(fā)泡聚丙烯材料的綜合力學性能較差[3]。這也解釋出3.2 mm厚發(fā)泡樣板彎曲模量試驗結果離散程度比較大的原因。

圖2 不同發(fā)泡厚度泡孔斷面放大圖

雖然嘗試通過增加發(fā)泡劑添加比例來改善泡孔狀態(tài)，但是作用并不明顯。由于都是按照1.8 mm壁厚實體注塑零件的材料用量進行注射，因此模腔內(nèi)聚丙烯材料的量是固定的，隨著模具后退量的加大需要更多的氣泡來填充。在氣泡長大的過程中相鄰兩氣泡中間的氣泡壁（聚丙烯原材料）被不斷拉伸，一旦出現(xiàn)破裂就會有并泡現(xiàn)象，簡單增加發(fā)泡劑的添加量只是增加了發(fā)氣量，只要不能有效阻止氣泡壁在拉伸過程中破裂，就不能防止并泡現(xiàn)象的發(fā)生。因此綜合考慮減重目標、泡孔狀態(tài)的穩(wěn)定性及零件的性能之后，決定在門飾板上采用1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚的方案。

4 材料彎曲模量的確定

從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚雖然在減重幅度和泡孔狀態(tài)上滿足要求，但在零件性能上與2.5 mm厚實體注塑的零件仍然存在一定差距。要解決這個問題就需要提高新型發(fā)泡材料的彎曲模量。

從表3的試驗數(shù)據(jù)，計算出2.8 mm厚發(fā)泡注塑零件的彎曲模量是1.8 m厚實體注塑的80%（944.67/1 178.67=0.80）。假設新型發(fā)泡材料的彎曲模量在原有材料的基礎上提升的幅度為X，根據(jù)式（5）采用新型發(fā)泡材料的零件剛度應該達到原有材料1.8 mm厚實體注塑件的3.48倍。通過式（7）可知X等于15.6%，也就是新型材料的彎曲模量需要在不改變原有材料密度的基礎上提升15.6%，才能實現(xiàn)1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚的零件剛度達到2.5 mm厚實體注塑相當?shù)乃健?/p>

根據(jù)材料供應商給出的參數(shù)表，原有材料的彎曲模量為1 550 MPa左右與1.8 mm厚實體注塑結果1 178.67 MPa有比較大的差異。彎曲模量作為塑料材料的固有屬性，理論上不應該隨注塑厚度發(fā)生變化，但是考慮到本次試驗是在注塑的門飾板零件上取樣進行，模具大小和工藝參數(shù)與ISO—178標準樣板存在差異，同時零件上取樣很難保證樣條平直和標準樣條一致。雖然通過在相同的門飾板零件的同一個位置取樣可以確保各組試驗結果之間的可比性，但是與材料參數(shù)表中的試驗結果存在偏差也在情理之中。所以新型發(fā)泡聚丙烯材料應在原有材料1 550 MPa的彎曲模量基礎上提升15.6%，也就是需要達到1 800 MPa。

5 驗證和應用

在材料供應商的配合下，新型發(fā)泡聚丙烯材料成功地在原有密度水平下將彎曲模量提升到了1800MPa。門飾板地圖袋受力變形試驗是典型的剛度試驗，采用該新型發(fā)泡注塑材料加工的門飾板順利地通過了地圖袋性能測試，滿足了通用汽車門飾板技術標準中對于地圖袋受力變形的要求，圖3示出門飾板地圖袋性能試驗。由此可以證明當材料彎曲模量達到1 800 MPa時，1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚的零件剛度性能能夠達到2.5 mm厚實體注塑相同的水平。

圖3 門飾板地圖袋性能試驗圖

在這一結論的指導下，國內(nèi)的某款車型在門飾板的大基板上應用了由新型發(fā)泡材料加工的化學微發(fā)泡注塑技術，并在2015年年初量產(chǎn)上市，取得了良好的市場反響。1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚的零件實現(xiàn)23%的減重，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

6 結論

文章針對化學微發(fā)泡注塑工藝，從項目應用的角度出發(fā)，通過20%的減重目標確定初始注塑厚度為1.8 mm。以剛度和材料彎曲模量為研究對象，雖然3.2 mm厚發(fā)泡零件似乎更加合適，但綜合考慮減重目標、泡孔狀態(tài)的穩(wěn)定性，以及零件的性能后，設定1.8 mm厚注塑發(fā)泡到2.8 mm厚為最終方案。并通過試驗結果和理論推導，確定出新型發(fā)泡材料的彎曲模量需為1 800 MPa，最終使方案的零件剛度達到了2.5 mm厚實體注塑的相同水平。

通過對化學微發(fā)泡注塑工藝和材料的研究，實現(xiàn)了在汽車門內(nèi)飾板的量產(chǎn)應用，取得了23%的減重效果，獲得顯著經(jīng)濟和社會效益，為這一輕量化技術在汽車工業(yè)中大規(guī)模應用打開了大門。隨著技術的不斷完善，相信化學微發(fā)泡注塑技術也會展現(xiàn)出更大的減重潛力，贏得更加廣闊的應用前景。