李瑞生 李智 王磊 华晨汽车工程研究院
摘要：文章以不同含量玻璃微珠为填充剂的聚丙烯(PP)材料和在此基础上采用三元乙丙橡胶(EPDM)增韧的改性聚丙烯材料为主体,对比分析在车用手套箱外盖板上的轻量化应用研究.考察了玻璃微珠的填充量对PP复合材料力学性能的影响,并对比了不同填充量以及是否使用三元乙丙橡胶增韧的材料在手套箱外盖板上应用的轻量化效果.结果表明:玻璃微珠的填充量越小,其密度更低,制品的重量更轻,减重效果更好;而适量的三元乙丙橡胶能够降低制品的密度,制品重量更轻,减重效果更好.
关键词：聚丙烯 玻璃微珠 轻量化 手套箱 力学性能
1.前言
聚丙烯( PP) 具有良好的使用性能、加工性能和价格低廉等特点，是应用较为广泛的热塑性树脂之一，但PP 存在低温时韧性差以及机械性能较低等缺点，使其应用受到一定限制。因此，对PP 进行增强和增韧的改性研究已成为目前国内外研究的焦点［1-4］。
麦克劳林1954年首先提出了使用玻璃制造单孔中空微珠的技术。空心玻璃微珠（ES）是由钠硼硅酸盐材料经特殊工艺制成的薄壁、封闭的微小球体，球体内部包裹一定量的气体，它具有低密度、低导热、低吸油率、耐高低温、电绝缘强度高、热稳定性好、耐腐蚀、粒度及化学组成可控等优点 [5]。
当PP中填充滑石粉后，不但改进了PP的成型收缩率和低温易脆性以及刚性，还提高了PP原本就优良的其他性能，如电绝缘性，冲击强度等。同时滑石粉还具有与阻燃剂协同提高阻燃性的作用[6]。
滑石粉与玻璃微珠共同填充改性聚丙烯材料可以有效改善PP机械性能和低温的韧性，添加三元乙丙橡胶（EPDM）对PP材料的低温韧性将有很大提升。
随着汽车工业能源危机和环境污染的挑战日益加剧，节能减排已成为汽车工业可持续发展的重要使命，而轻量化技术已经成为降低整车油耗最为行之有效的方法之一[7]。
材料轻量化是汽车轻量化技术中的重要组成部分，目前欧美发达国家至2020年，汽车塑料使用量将达到单车500kg以上，聚丙烯( PP)材料作为汽车内外饰常用材料占有较大比例，本文使用新型的改性聚丙烯材料汽车手套箱外盖板上进行应用研究。
2. 玻璃微珠填充的聚丙烯材料
2.1 聚丙烯材料
表1 材料组成、牌号及生产厂家
2.2 材料性能
分别按照GB/T 1843-2008、GB/T 9341-2000和GB/T 1040-1992来进行材料的冲击、弯曲和拉伸性能测试，拉伸性能试样选取GB/T 1040.1中1A类型进行，所有样条尺寸和数量均满足国标中的要求。
3. 玻璃微珠填充的聚丙烯材料在汽车手套箱外盖板上的应用
3.1 材料性能
表2为滑石粉、玻璃微珠以及E/P填充到PP中的，从表中可以看出，随着玻璃微珠的添加量变化，HL345比HL125的熔融流动速率，断裂伸长率和弯曲弹性模量都更高，而强度基本没有变化，这是因为随着玻璃微珠的量增加，空心玻璃微珠的加入增加了聚丙烯的刚度，改善了延展性，提升了流动性和延伸率，同时在偶联剂的作用下，使玻璃微珠与PP相容更紧密，增加了粘结效果提升了材料强度和模量的增加。同时玻璃微珠的低表面积可以明显提升填充量，填充的微珠像滚珠一样分散在PP基体当中可以大幅提升材料熔体流动速率。
在玻璃微珠和滑石粉添加量一致的情况下，相比HL345比HL940， HL345的熔体流动速率和断裂伸长率明显高于HL940,尤其在悬臂梁缺口冲击强度上比HL940高约35%，但在拉伸强度，弯曲强度和弯曲模量上较HL940要低，这是因为HL345添加了EPDM(三元乙丙)，EPDM耐低温及耐候性都较好，是综合性能较优的合成橡胶，在以玻璃微珠和滑石粉填充改性的PP中加入了EPDM橡胶，减小了聚丙烯的刚度，提高了延展性． 在吸收相同的能量时，橡胶/聚丙烯材料所产生的应力响应最小，作为缓冲吸能材料可减少对外界物质的破坏程度。所以其抗缺口冲击性能也极佳，尤其是耐低温后的冲击性。添加玻璃微珠改性PP对比滑石粉改性PP的密度要明显下降，这是由于玻璃微珠的密度在（0.3-0.6）g/cm3，而滑石粉的密度在（2.7-2.8）g/cm3。
在改性PP材料中随着无机填充剂（滑石粉和玻璃微珠）含量的降低其比重也逐步降低，玻璃微珠的填充使其材料性能没有明显变化，同时其部分性能要优于仅使用滑石粉和EP填充的材料。使用EPDM改性的PP材料有更优的抗冲击性能。
表2材料性能
3.2手套箱外盖板
手套箱组件本身应具备一定的刚度与强度。当与乘客膝部发生碰撞时，既不能由于强度太弱发生碎裂而伤害乘客，也不能因刚度过强而无法在撞击时吸收冲击能量。因此，手套箱应采用合适的吸能材料，并且仪表板在手套箱背后会配备吸能结构或金属吸能支架。特殊的工作环境（经常日晒、震动、温差等）对手套箱表皮的老化性能（热老化和光老化）、热性能、拉伸性能、冲击性能等均提出了较高要求。
从表2中选择PP30530-C169、HL345、HL125材料，选用中国船舶重工集团公司汾西机械厂制造的塑料注射成型机型号JL6500,螺杆直径：90mm，注射容积：3020cm3采取注塑成型的工艺手套箱外盖板。
手套箱处于汽车驾驶室内手套箱外盖板常处于面向乘客的一侧，汽车内部凸出物应符合相应的法规，因其安装部位不同，各自的要求也不尽相同，一般要采用分区检查法。参考国家标准 GB 11552-1999“轿车内部凸出物”，手套箱组件处于前排座椅“H”点之前、仪表 板水平线以下的乘员舱内部构件分区。
相应的手套箱凸出物应满足下列要求：
a、 保证支架没有凸起的棱边；
b、 外观面高度应不小于25mm，表面边缘圆角半径不小于 3.2mm；应采用吸能材料覆盖或制成，并按照标准所述方法进行检验；
c、 外观面若不满足要求，则应符合标准规定的向前纵向水平力冲击实验要求；
d、 若手套箱安装在刚性支架上，且由低于肖氏硬度50度的软性材料制成，该刚性支架应满足标准规定的刚度要求。
手套箱外盖板还应满足以下要求：高低温存放、热老化、低温落球冲击、耐光性、耐刮擦、冷热交变、气味性等。手套箱总成还需满足开关耐久性试验，试验后手套箱总成不能出现任何功能及外观的损坏，如手套箱盖变形，手套箱锁机构失效，手套箱限位结构失效、变形等。手套箱冲击试验在三种环境温度(-40±5)℃，(+23±5)℃，(+90±5)℃下试验后手套箱总成不能出现任何功能及外，观的损坏，如手套箱盖变形，手套箱锁机构失效，手套箱限位结构失效、变形等。
图1 某小型SUV车型的手套箱
3.3 手套箱外盖板的轻量化效果
由图2可知使用PP30530-C169、HL345、HL125试制的手套箱外盖板的减重幅度达到6.8%-9.8%。玻璃微珠的添加明显降低了材料的密度降低了手套箱外盖板的重量，并随着填充量的变化而发生改变，相比传统的PP+E/P-TD20材料最大减重幅度接近10%。
图2 轻量化效果
4.结论
（1）使用玻璃微珠填充改性的PP材料与传统的PP+E/P-TD20材料有明显的减重，最大减重幅度接近10%，轻量化效果显著。
（2）添加玻璃微珠填充改性的PP材料，因玻璃微珠的低表面积可以明显提升填充量，有效防止因注塑时发生的扭曲现象。
（3）使用玻璃微珠填充改性的PP材料，填充的玻璃微珠像滚珠一样分散在PP基体当中可以大幅提升材料的熔体流动速率，可以在注塑压力减小以及相对低温的环境下成型。
（4）汽车用改性聚丙烯材料，使用玻璃微珠填充的悬臂梁缺口冲击强度和热变形温度明显优于传统的PP+E/P-TD20材料。
参考文献
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[3] Wu C L，Zhang M Q，Rong M Z，et al. Matrix ductility and particle species on mechanical performance of the compos［J］.Composites Science and Technology，2005，65: 635 ～ 645
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[5] 李鹏, 刘德安, 杨学忠. 微球复合泡沫材料的研究和应
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用[J]. 玻璃钢/ 复合材料, 2000, (4): 21-24. [6] .王经武. 聚丙烯改性技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004
[7]燕战秋，华润兰．论汽车轻量化[J]．汽车工程，1994，16(6)：375—383．
文章发表于《汽车使用技术》
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