探究發(fā)泡劑對聚丙烯材料性能的影響

鄧善治

（濰坊化學股份有限公司，山東 濰坊 261031）

現(xiàn)如今，我國環(huán)境保護工作已經(jīng)提上日程，在各個行業(yè)領(lǐng)域都有十分直觀的體現(xiàn)。如燃油汽車廠商在產(chǎn)品生產(chǎn)、研發(fā)等方面的油耗降低指標也面臨一定壓力。在這一環(huán)境下，實現(xiàn)整車材料輕量化成為非常重要的目標。整車材料中包括改性塑料，盡管這一材料占比較小，但實際上也是非常必要的結(jié)構(gòu)、裝飾零件。塑料材料輕量化需要采用薄壁材料、低密度材料、微發(fā)泡材料，其中，微發(fā)泡材料需要摻加物理、化學發(fā)泡劑，提高材料表層質(zhì)量和里層泡孔結(jié)構(gòu)均勻性。經(jīng)過生產(chǎn)實踐探究發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡劑會對聚丙烯材料性能產(chǎn)生直接影響。

1 基于輕量化的發(fā)泡劑與聚丙烯材料

微發(fā)泡材料屬于泡孔材料，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部有較多微孔，降低了材料密度。注塑環(huán)節(jié)可以抑制內(nèi)應力提高，使產(chǎn)品尺寸參數(shù)更加穩(wěn)定。個別微發(fā)泡材料有利于優(yōu)化原樹脂沖擊性、剛度，是現(xiàn)階段研究聚合物材料非常重要的著手點，在汽車制造行業(yè)也有十分廣泛的應用[1]。

基于汽車行業(yè)實現(xiàn)輕量化的目標，研究發(fā)泡劑對聚丙烯材料性能的影響，需要了解汽車輕量化的著手點，包含3個方面：（1）材料方面。采用麻纖維材料，或是直接在材料中摻入低密度填充劑，即可改善材料性能，達到輕量化目的；（2）工藝方面。利用微發(fā)泡、薄壁注塑工藝實現(xiàn)輕量化目標；（3）結(jié)構(gòu)方面。改善結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕量化，需要盡可能地減少零件數(shù)量，實現(xiàn)零件集成。

微發(fā)泡的基體是熱塑性材料，選擇的加工工藝比較特殊，產(chǎn)品內(nèi)密布直徑不統(tǒng)一的氣泡，采用封閉氣泡微孔技術(shù)，在確保產(chǎn)品性能的同時，也可以減輕產(chǎn)品重量，直接減少縮印。另外，改性聚丙烯（PP）在我國汽車領(lǐng)域有十分廣泛的應用，作為熱塑性材料也有較大體量，采用輕量化技術(shù)直接減輕汽車自重、減少油耗，也可以滿足環(huán)境保護要求。

2 聚丙烯材料微化學發(fā)泡

在微發(fā)泡材料成型這一層面，一般會采用注塑微發(fā)泡、擠出微發(fā)泡和釜壓微發(fā)泡等方法。注塑微發(fā)泡可以保證持續(xù)性生產(chǎn)，確保設(shè)計與模具形狀一致，突破限制條件的影響，也是汽車零部件制造中比較常用的方法。

注塑微發(fā)泡有兩種形式，即物理發(fā)泡、化學發(fā)泡。采用物理發(fā)泡需要在設(shè)備環(huán)節(jié)投入大量成本，工藝方面以MUCELL工藝技術(shù)為主[2]。采用化學發(fā)泡工藝，在改性樹脂內(nèi)摻加化學發(fā)泡劑，注塑流程不會發(fā)泡，當注塑至模腔之后，模具后退卸壓發(fā)泡會有顯著的減重效果，有利于節(jié)省設(shè)備成本[3]。另外，塑料發(fā)泡有氣體產(chǎn)生之后，可以總結(jié)產(chǎn)生氣體的方法，其一是加熱處理塑料內(nèi)的化學發(fā)泡劑，隨著溫度升高便可以分解釋放氣體導致發(fā)泡：其二可以通過不同塑料組分的化學反應，釋放氣體導致發(fā)泡?；瘜W發(fā)泡一般有閉模發(fā)泡（Chemical Foaming Agent，CFA）、開模發(fā)泡（Expanded Injection PP，EIPP）兩種。這兩種類型具有相似的優(yōu)勢，體現(xiàn)在產(chǎn)品減重、優(yōu)化表面縮印、減少生產(chǎn)節(jié)拍等方面，但EIPP涉及微開模發(fā)泡工藝流程，CFA發(fā)泡卻是閉模發(fā)泡，采用的模具無需后退動作。CFA注塑期間，模具一般會先合模，再通過短射的方式填充樹脂。如果填充馬上結(jié)束，確定螺桿控制轉(zhuǎn)變成壓力控制，便可以直接取消保壓，處在高溫條件下，發(fā)泡劑經(jīng)過分解會產(chǎn)生氣泡，促使樹脂膨脹，將型腔填滿。模具隨之切換到冷卻階段，當冷卻結(jié)束后可以開模取件。

一般閉模發(fā)泡會直接影響塑料材料的力學性能，當材料處于溫度、濕度、介質(zhì)環(huán)境不同的條件下，外加載荷會促使其產(chǎn)生不同的力學特征?？偨Y(jié)塑料材料常規(guī)力學性能，包括拉伸、沖擊、彎曲，如果塑料材料發(fā)泡，處于密閉環(huán)境的氣泡在材料基體內(nèi)均勻分布，使得材料原本的連續(xù)分布狀態(tài)被破壞，力傳遞方式也出現(xiàn)變化，此時材料應力減小，力學性能發(fā)生變化。材料基體內(nèi)的發(fā)泡劑在溫度升高之后分解，隨之生成氣體、膨脹，這一微觀過程被稱為發(fā)泡過程，采用的發(fā)泡劑量與生成氣體量有直接關(guān)系，氣體量也是材料基體內(nèi)部分布狀態(tài)的直接影響因素。

3 發(fā)泡劑影響聚丙烯材料性能的幾個方面

經(jīng)過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡劑會對聚丙烯材料性能產(chǎn)生直接影響。為了更加直觀地了解具體影響，采用ADX-5301C聚丙烯（PP/PE-M15）、MA600注塑機展開探究與分析。樣條標準以ISO 527—2012《塑料—拉伸性能的測定》為準，設(shè)定為1B型，拉伸速率設(shè)定為1 mm/min，標距長度則以50 mm為準。

在干燥箱內(nèi)放置聚丙烯材料，干燥箱提前設(shè)定溫度為80 ℃，干燥處理時間超過4 h。干燥處理結(jié)束后，粒子放置于儲料斗內(nèi)進行冷卻。待完全冷卻，發(fā)泡劑分別按照不同的比例加入聚丙烯粒子中，均勻混合。共劃分為4組，前4組梯度逐次遞增1%，第5組梯度遞增2%，即0%、1%、2%、3%、5%，觀察發(fā)泡劑比例增加之后聚丙烯材料性能是否發(fā)生改變。一般塑料制品厚度以3 mm為主，所以樣板模具壁厚也設(shè)定為3 mm，長和寬分別是350 mm、100 mm。

在機臺上方按照順序安裝模具、油路、水路、氣路，待全部安裝結(jié)束，便可以開始生產(chǎn)樣板。所有產(chǎn)品狀態(tài)必須一致，只是對各個發(fā)泡劑比例下的聚丙烯材料性能狀態(tài)進行對比，通過相同工藝參數(shù)展開制作，參數(shù)如下：（1）料筒與射嘴溫度：220 ℃；（2）模具溫度：40 ℃；（3）儲料位置：89 mm；（4）終止位置：22 mm；（5）背壓：7 MPa；（6）注塑速度：150 mm/s；（7）注塑壓力：122 MPa；（8）保壓時間：0 s；（9）保壓壓力：0 MPa；（10）冷卻時間：32 s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，注塑結(jié)束之后，保壓壓力是0 MPa，在沒有任何保壓的條件下，產(chǎn)品即刻進入冷卻狀態(tài)。采用碳酸氫鈉類發(fā)泡劑，樹脂結(jié)束注塑，此時模具內(nèi)的發(fā)泡劑受到周圍的高溫作用會產(chǎn)生化學反應，隨即分解出CO2，使得聚丙烯基材內(nèi)有大量氣體填充，進而成為微孔結(jié)構(gòu)。如果發(fā)泡劑的質(zhì)量分數(shù)為1%，此時正面皮層發(fā)泡層和反面皮層發(fā)泡層之間有大量密布氣泡形成，氣泡不具備均勻性，大小也不完全相同，會對聚丙烯材料力學性能造成影響[4]。

發(fā)泡劑所有混合比例全部粒子注塑，隨后按照發(fā)泡劑比例逐一編號，放置在室溫環(huán)境下冷卻、稱重。按照相應的標準要求，將樣板沖切為樣條，分組獲取樣件，要求每組樣件數(shù)量在5件以上，經(jīng)過常溫缺口沖擊強度實驗、低溫缺口沖擊強度實驗、拉伸強度實驗、彎曲強度實驗，可以獲得平均值。實際參數(shù)如下：（1）在23 ℃條件下使用精密天平稱取質(zhì)量，按照發(fā)泡劑比例從小到大的順序得出數(shù)據(jù)，分別為108.32、95.22、96.17、96.04、96.58 g；（2）在50 mm/min條件下展開拉伸強度實驗，按照發(fā)泡劑比例從小到大的順序得出數(shù)據(jù)，分別為26.21、21.10、19.33、18.99、19.01 MPa；（3）在2 mm/min條件下展開彎曲強度實驗，按照發(fā)泡劑比例從小到大的順序得出數(shù)據(jù)，分別為44.20、40.56、38.46、37.83、35.17 MPa；（4）在2 J條件下展開常溫缺口沖擊強度實驗，按照發(fā)泡劑比例從小到大的順序得出數(shù)據(jù)，分別為10.01、10.32、10.56、16.11、16.23 MPa；（5）在1 J、-30 ℃條件下展開低溫缺口沖擊強度實驗，按照發(fā)泡劑比例從小到大的順序得出數(shù)據(jù)，分別為2.52、1.88、2.11、1.95、2.12 MPa。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，當發(fā)泡劑比例為1%時，樣件質(zhì)量下降。隨著發(fā)泡劑比例的增加，質(zhì)量沒有發(fā)生明顯改變。當發(fā)泡劑比例為5%時，質(zhì)量雖然降低，但是也并不明顯[5]。由此可見，樣件質(zhì)量與注塑入模具材料有直接關(guān)系，即使發(fā)泡劑比例提高，也不會導致產(chǎn)品質(zhì)量明顯改變。

在拉伸強度實驗、彎曲強度實驗中，當發(fā)泡劑比例不斷增加時，實驗數(shù)值反而降低。分析之后確定是摻加發(fā)泡劑之后，泡孔強度減小，降低了抗拉伸、彎曲性能。摻加1%發(fā)泡劑，拉伸強度、彎曲強度均明顯降低。即使發(fā)泡劑的比例提升，彎曲強度和拉伸強度的變化也不是非常顯著。發(fā)泡劑從1%逐漸增加至5%，拉伸強度的降低幅度不是非常明顯，代表發(fā)泡劑用量增多，并不會使材料性能快速改變。即使發(fā)泡劑比例有所增加，正反面皮層、發(fā)泡層厚度也不會發(fā)生顯著改變[6]。與此同時，正反面皮層厚度集中在700～800 μm，而發(fā)泡層厚度則集中在1 600～1 700 μm。因為發(fā)泡之后的抵抗拉伸是以非發(fā)泡區(qū)分子力為依據(jù)，若正反皮層厚度接近，即便泡孔大小和分布均存在差異，產(chǎn)品性能也不會有顯著的波動。

如果發(fā)泡劑比例為0%、1%、2%，此時組織常溫缺口沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)變形不是非常明顯；如果比例為3%，此時在實驗中得到的常溫缺口沖擊強度值也會有所增加。確定發(fā)泡劑比例為5%，此時組織常溫缺口沖擊強度實驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化并不明顯，代表在發(fā)泡劑比例為3%這一條件下，常溫缺口沖擊強度有明顯變化，發(fā)泡層中有大量氣體填充，使抗沖擊性能得到優(yōu)化。然而，低溫缺口沖擊強度與強度趨勢不完全相同，當發(fā)泡劑比例為1%時有所降低。后期隨著發(fā)泡劑比例增加，沖擊強度并沒有明顯波動，可見處于低溫條件下，基材內(nèi)部氣泡數(shù)量增多，聚丙烯材料抗沖擊性不會受到直接影響。

4 結(jié)語

發(fā)泡劑影響聚丙烯材料的力學性能，而彎曲強度、拉伸強度等不會有明顯變化，在輕量化目標下使用聚丙烯材料，需要綜合考慮發(fā)泡劑造成的影響，以免在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)期間，材料性能發(fā)生變化，降低整體質(zhì)量。