超輕聚烯烴復(fù)合材料研發(fā)及創(chuàng)新性分析

高金崗

摘 ?要：本文對于一種超輕聚烯烴復(fù)合材料研發(fā)進(jìn)行分析說明，首先簡要敘述了項(xiàng)目研發(fā)目的，然后介紹了研發(fā)實(shí)施階段的技術(shù)應(yīng)用情況，包括綠色硫化TPO阻燃改性工藝、多層TPE復(fù)合材料構(gòu)筑技術(shù)、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復(fù)合體系技術(shù)等，最后探討了研發(fā)技術(shù)中的創(chuàng)新之處，取得了符合預(yù)期目標(biāo)的研發(fā)成果，希望通過下文的綜合性闡述，能夠?yàn)橥愋晚?xiàng)目的開展提供技術(shù)參考與寶貴的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：聚烯烴復(fù)合材料;研發(fā);創(chuàng)新性;技術(shù)應(yīng)用

隨著時(shí)代的發(fā)展，汽車內(nèi)飾裝飾重要性日益凸顯，該方面因素愈發(fā)受到大多數(shù)汽車消費(fèi)者的重視;而在實(shí)際的裝飾材料應(yīng)用中，主要集中于PVC、PU、TPU、TPO人造革材料方面，其中以PVC材料的應(yīng)用量最為龐大。結(jié)合PVC材料的性質(zhì)來看，是一種重金屬、DOP合成物，涉及散發(fā)性能超標(biāo)、污染、危害人體健康等負(fù)面影響。為此，研發(fā)一種綠色環(huán)保的裝飾復(fù)合材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況

本文研究對象為納米改性安全環(huán)保型高性能超輕聚烯烴復(fù)合材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。在研發(fā)生產(chǎn)階段，由國內(nèi)外企業(yè)共同合作研發(fā)而成，中方單位負(fù)責(zé)TPO增容接枝復(fù)合技術(shù)、綠色硫化TPO阻燃改性工藝、多層TPE復(fù)合材料構(gòu)筑技術(shù)、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復(fù)合體系技術(shù)的研究;外方單位負(fù)責(zé)功能化POSS基納米添加劑的制備、表征功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究、功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究、納米POSS/CaCO3/TPO高性能復(fù)合體系技術(shù)的研究。

2 主要研發(fā)內(nèi)容

在項(xiàng)目研發(fā)過程中設(shè)計(jì)并制備了低密度聚乙烯超支化雙親分子，并將其用于TPO與TPU接枝共混制備TPE復(fù)合層，免除了表面電暈處理，徹底杜絕臭氧污染。研發(fā)綠色TPO硫化改性工藝，無需添加阻燃劑即可達(dá)到阻燃要求，耐熱耐候性明顯提升。構(gòu)筑TPE/TPO微納泡沫/PPF為核心的多層復(fù)合體系，相較于PVC材料，其密度下降50%以上，無弱化線時(shí)，氣囊爆破撕裂耗時(shí)縮短至0.4 ms，同時(shí)TVOC濃度降低。開發(fā)出雙層共擠一次成型復(fù)合技術(shù)及相關(guān)配套設(shè)備，克服了傳統(tǒng)多層熱壓貼合導(dǎo)致的黏膠、結(jié)合不均、起泡等缺陷問題，最終成品率可達(dá)90%。然后將預(yù)先制備的聚倍半硅氧烷（POSS）納米增強(qiáng)劑，通過擠出工藝與TPE復(fù)合材料共混，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的阻燃性及熱穩(wěn)定性等性能。對納米CaCO3/TPO高性能復(fù)合體系進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)改善TPO基材的阻燃性能、力學(xué)性能、低VTOC含量及氣味等方面的性能目標(biāo)。最終研發(fā)設(shè)計(jì)功能化聚倍半硅氧烷（POSS）納米增強(qiáng)劑，實(shí)現(xiàn)納米改性安全環(huán)保型高性能超輕聚烯烴復(fù)合材料。

3 研發(fā)過程中的技術(shù)路線

項(xiàng)目研發(fā)過程中，技術(shù)路線可主要分為三個(gè)部分。第一步：以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應(yīng)，合成具備末端豐富碳?xì)溟L鏈及活性羧酸基團(tuán)的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進(jìn)TPO微晶細(xì)化程度增大，充分改善TPO/TPU復(fù)合體系的力學(xué)性能、熱性能和流變行為。第二步：在TPE復(fù)合體系中，引入硫化TPO鏈段，其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機(jī)硅改性分子，不僅可利用有機(jī)硅功能團(tuán)特有的凝聚相阻燃作用，形成無機(jī)隔氧絕熱層，無需額外添加阻燃劑即可達(dá)到阻燃要求，而且有效地提高了分子內(nèi)交聯(lián)密度，耐熱耐候性得以明顯提升。第三步：利用TPE復(fù)合材料低揮發(fā)性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質(zhì)高柔韌性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以雙螺桿擠出和紅外熱貼合裝置為基礎(chǔ)的共擠復(fù)合裝置，將熔融TPO發(fā)泡體和TPE依次復(fù)合于PPF表面，構(gòu)建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復(fù)合體系[1]。

研發(fā)工藝流程依次為“配料擠出表處成檢”四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，擠出是將原材料進(jìn)行加工并且使其熔化，將熔化后的材料直接與聚丙烯泡沫復(fù)合，此加工過程無需再次加熱，同時(shí)采用的是全封閉式加工方式，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn);與此同時(shí)，加工后的熔體是從壓輥剝離，相對而言更為容易處理，無需再添加任何潤滑劑，進(jìn)而提升了加工階段的綜合效率，節(jié)約能源，降低了研發(fā)與生產(chǎn)成本。

4 研發(fā)流程及技術(shù)應(yīng)用

4.1 功能化POSS基納米添加劑的制備與表征研發(fā)（外方）

研究過程中，預(yù)先進(jìn)行水解，有機(jī)結(jié)合水解制備出聚倍半硅氧烷（POSS），制備出功能化聚倍半硅氧烷，促使復(fù)合TPE材料具有良好的阻燃性、熱穩(wěn)定性，改性后體系綜合性能表現(xiàn)更為優(yōu)異，同時(shí)完善工藝形成分散性能好的納米材料，運(yùn)用先進(jìn)物理化學(xué)表征手段，通過材料測試優(yōu)化POSS基納米添加劑的制備。

4.2 功能化POSS與TPO/TPU的相容性研究（外方）

將制備好的功能化聚倍半硅氧烷（POSS）與TPE復(fù)合材料通過擠出機(jī)進(jìn)行共混改性，在實(shí)驗(yàn)階段確定出合適的添加比例，在不改變復(fù)合材料加工性能的同時(shí)，使得POSS基納米增強(qiáng)劑具備較好阻燃性能，同時(shí)賦予改性TPE復(fù)合材料優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能。

4.3 功能化POSS改性碳酸鈣提高聚合物的穩(wěn)定性（外方）

結(jié)合POSS的應(yīng)用，將CaCO3作為TPU/TPO的共混填充劑，使其分散填充于TPO/TPU復(fù)合體系中，達(dá)到提高材料的相容性、力學(xué)性能和阻燃性能的目的。

4.4 TPO增容接枝復(fù)合技術(shù)的研發(fā)（中方）

從TPO與TPU的特點(diǎn)來看，存在相容性差的問題，將兩者進(jìn)行直接混合，呈現(xiàn)出的力學(xué)性能不符合預(yù)期，容易發(fā)生分離現(xiàn)象。為了解決該問題，以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應(yīng)合成具備末端豐富碳?xì)溟L鏈及活性羧酸基團(tuán)的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進(jìn)TPO微晶細(xì)化程度增大，改善了TPE復(fù)合體系的力學(xué)性能、熱性能和流變行為。增容分子的自聚集效應(yīng)，賦予了復(fù)合層表面極大反應(yīng)活性，可滿足其表面功能改性要求，免除了表面電暈處理，徹底杜絕臭氧污染。

4.5 綠色硫化TPO阻燃改性工藝研發(fā)（中方）

結(jié)合TPE復(fù)合體系，從該系統(tǒng)中引入硫化TPO鏈段，在其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機(jī)硅改性分子，不僅可利用有機(jī)硅功能團(tuán)特有的凝聚相阻燃作用，形成無機(jī)隔氧絕熱層，此過程中，無需額外添加阻燃劑，即可達(dá)到阻燃要求，有效提高了分子內(nèi)交聯(lián)密度，耐熱耐候性明顯提升。

4.6 多層TPE復(fù)合材料構(gòu)筑技術(shù)研發(fā)（中方）

根據(jù)現(xiàn)代汽車內(nèi)飾使用特點(diǎn)，呈現(xiàn)出內(nèi)飾輕量化、安全、環(huán)保的發(fā)展趨勢，對此利用TPE復(fù)合材料低揮發(fā)性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質(zhì)高柔韌性特點(diǎn)，構(gòu)建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復(fù)合體系。對比其它PVC基復(fù)合材料，其密度可以降低40%以上，密度為0.19kg/m3，硬度可降至35A以下且TVOC大幅下降。此外，在不需要額外內(nèi)嵌弱化線情況下，響應(yīng)安全氣囊爆破撕裂時(shí)間縮短至0.4 ms。

4.7 納米POSS/CaCO3/TPO高性能復(fù)合體系技術(shù)研發(fā)（中外合作）

將納米POSS/CaCO3/TPO以共混的形式，添加于TPO基材內(nèi)形成高性能復(fù)合體系，同時(shí)將其作為添加助劑，經(jīng)過擠出機(jī)高溫高壓高剪切力的作用，與TPO基材進(jìn)行共混，利用納米POSS/CaCO3/TPO與基體樹脂高的界面結(jié)合力，能夠有效傳遞剪切力，提高復(fù)合材料塑化效果。納米POSS/CaCO3/TPO材料符合剛性粒子增韌，與TPO基材形成的增韌網(wǎng)絡(luò)具有協(xié)同作用，易形成“剪切屈服”和“銀紋化”，提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能;除此之外，還可促進(jìn)TPO基材熔體塑化均一，填充聚合物內(nèi)部空洞，增加制品密實(shí)度，提高復(fù)合材料的界面粘接力。

5 技術(shù)突破分析

5.1 TPE增容接枝復(fù)合技術(shù)

基于TPO與TPU相容性差現(xiàn)象，為了使其呈現(xiàn)出交互的力學(xué)性能，決定以超支化聚酯單元與馬來酸酐和低密度聚乙烯反應(yīng)，合成具備末端豐富碳?xì)溟L鏈及活性羧酸基團(tuán)的雙親增容分子，并將其用于TPO和TPU的雙螺桿擠出熔融共混，促進(jìn)TPO微晶細(xì)化程度增大，這樣可改善TPE復(fù)合體系的力學(xué)性能、熱性能和流變行為，進(jìn)而達(dá)到功能改性的要求，無需再進(jìn)行電暈處理，有效解決了臭氧污染問題，具有較好的環(huán)保性能[2]。

5.2 綠色硫化TPO阻燃改性工藝

通過在TPE復(fù)合體系中引入硫化TPO鏈段，在其分子活性端修飾長鏈α-烯烴有機(jī)硅改性分子，不僅可利用有機(jī)硅功能團(tuán)特有的凝聚相阻燃作用，形成無機(jī)隔氧絕熱層，無需額外添加阻燃劑即可達(dá)到阻燃要求，而且有效地提高了分子內(nèi)交聯(lián)密度，耐熱耐候性明顯提升，同時(shí)具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

5.3 多層TPE復(fù)合材料構(gòu)筑技術(shù)

利用TPE復(fù)合材料低揮發(fā)性及TPO微納泡沫和PPF的超輕質(zhì)高柔韌性的特點(diǎn)，構(gòu)建了TPE/TPO微納泡沫/PPF為功能核心的多層復(fù)合體系。與目前同類PVC基復(fù)合材料相比，其密度可降低40%以上，達(dá)到0.19kg/m3，硬度可降至35A以下，TVOC大幅下降[3]。

5.4 雙層共擠一次成型復(fù)合技術(shù)

為了充分匹配TPE復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層次性，設(shè)計(jì)了以雙螺桿擠出和紅外熱貼合裝置為基礎(chǔ)的共擠復(fù)合裝置，將熔融TPO發(fā)泡體和TPE依次復(fù)合于PPF表面。通過調(diào)節(jié)黏度比以及擠出溫度，弱化其層間界面剪切應(yīng)力，降低由粘彈性不均而導(dǎo)致的層間變形，提升產(chǎn)品成品率。

5.5 POSS基納米添加劑改性TPE復(fù)合材料

納米材料經(jīng)擠出機(jī)高溫、高壓、剪切力的作用，均勻地分散于TPE復(fù)合材料基體中，提高了納米添加劑與TPE復(fù)合材料的界面相容性，將POSS基納米材料優(yōu)異的阻燃性能和熱穩(wěn)定性能賦予到TPE復(fù)合材料體系之中[4]。

6 研發(fā)產(chǎn)品創(chuàng)新性分析

針對TPE復(fù)合層的有機(jī)硅改性技術(shù)，在無阻燃劑情況下，確保產(chǎn)品燃燒速度低于75.0 mm/min。該項(xiàng)目研發(fā)基于高壓氣體的TPO微孔連續(xù)擠出發(fā)泡工藝，發(fā)泡孔徑50～100μm且均一性高，發(fā)泡倍率穩(wěn)定可控，厚度精度±100μm。開發(fā)了高耐高透無溶劑型聚氨酯表層精密涂覆工藝，提升產(chǎn)品柔韌性、耐高低溫、防水透氣等性能。成功研制規(guī)模化TPE雙層共擠復(fù)合裝置，調(diào)節(jié)原料粘度比及擠出溫度，避免共擠產(chǎn)生的“鋸齒”和“波紋”等現(xiàn)象。通過POSS基納米增強(qiáng)材料改性TPE技術(shù)，能有效提升TPE復(fù)合材料的阻燃性能、熱穩(wěn)定性能及加工性能[5]。

7 項(xiàng)目研發(fā)成果

產(chǎn)品研發(fā)成功后經(jīng)過測試，完全滿足研發(fā)初期階段的設(shè)計(jì)要求，其技術(shù)規(guī)格為：密度≤0.19 kg/m3，拉伸強(qiáng)度≥2.6 MPa，撕裂強(qiáng)度≥15N/mm，硬度≤35A，霧化≤0.4 mg，TVOC≤4000 μg/m3，燃燒速度≤75mm/min。產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化過程涉及到材料、化學(xué)、環(huán)境、機(jī)械制造等多個(gè)學(xué)科交叉融合，產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化不僅涉及新型超支化增容分子、熱塑性彈性體等基礎(chǔ)原料的高端化開發(fā)，還需要通過計(jì)算機(jī)仿真與模擬研究設(shè)計(jì)并加工精密擠出模具，產(chǎn)業(yè)化過程還需要開發(fā)大型雙螺桿擠出設(shè)備、陽模壓花生產(chǎn)設(shè)備及品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高效化、精密化與自動化。項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化將促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新升級，極大滿足下游新能源汽車市場對輕量化、高安全可靠性、綠色環(huán)保等方面的嚴(yán)苛要求，提升國產(chǎn)新能源汽車的國際影響力與競爭力。

8 結(jié)語

對于現(xiàn)階段而言，我國汽車內(nèi)飾中的材料主要為PVC塑料和織物，相關(guān)材料的綜合性較差，不符合新能源汽車研發(fā)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)新型裝飾材料具有較強(qiáng)的必要性。對此，成功研發(fā)了超輕聚烯烴復(fù)合材料，可采用常規(guī)方式進(jìn)行加工，并且呈現(xiàn)出的綜合性能較高，比如密度小、彎曲彈性模量高、溫度沖擊性能好、流動性好等特性，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí)，這對于推動我國新能源汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展也具有積極作用，值得有關(guān)單位加強(qiáng)對于相關(guān)研發(fā)工藝的深入了解與研究。

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