轻质GMT复合材料在汽车后隔板上的应用

谢德钰，黄江玲，付丹，刘丹丹，石腾龙

(东风汽车公司技术中心，武汉430058)

轻质GMT复合材料在汽车后隔板上的应用

谢德钰，黄江玲，付丹，刘丹丹，石腾龙

(东风汽车公司技术中心，武汉430058)

热塑性复合材料在汽车上发挥着重要作用，轻质玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GMT)和PP(聚丙烯)木粉板复合材料也逐渐应用到汽车的很多方面。通过对比轻质GMT和PP木粉板板材以及两种基材的后隔板性能，结果显示:轻质GMT后隔板在比PP木粉板后隔板质量低的情况下，其大部分性能仍相当。并且2种基材后隔板的零部件挥发性有机物(VOC)显示PP木粉板后隔板的苯系物和醛酮挥发量比轻质GMT后隔板的高约6～8倍。轻质GMT在汽车轻量化和环境友好性上更有优势。

轻质GMT;PP木粉板;后隔板;VOC

1　引言

汽车后隔板一般是由树脂基材和表面装饰材料(包括无纺布、人造革等)通过热压复合工艺成型的内饰件。对于汽车后隔板，影响其性能最主要的部分是基材性能。早期用于后隔板基材比较广泛的是PP木粉板等。PP木粉板是由聚丙烯粉和木粉通过挤出工艺制备而成［1-2］，它具有原材料木粉来源广、价格低等优点，但由于制备过程中各种助剂的添加，其环保性一直限制着它的广泛应用。

随着人们对汽车能耗、环境等认识的深入，汽车轻量化和环境友好逐渐成为人们的关注重点。轻质GMT作为一种具有潜在轻量化价值的环保材料，受到了广泛关注［3］。轻质GMT是一种由连续玻璃纤维毡增强热塑性树脂的复合材料，具有密度低、强度高、导热系数低、制品设计自由度高、可回收再利用等优点［4］。自20世纪末被AZDEL公司开发以来，它以其优异的性能在汽车、航空等各个领域上有着大量的应用［5］。它在汽车上早期主要用于卡车的顶棚、侧围，之后在乘用车顶棚、后隔板、护板等部位也有着应用。因此，基于轻质GMT在汽车后隔板上的应用，重点介绍了汽车常用的基材PP木粉板和轻质GMT应用在汽车后隔板上的力学性能、环境友好性、轻量化等方面的性能优劣。

2　轻质GMT材料介绍

2.1轻质GMT制备工艺

轻质GMT的制备工艺与PP木粉板不同。主要分为湿法工艺、干法工艺，以及后来在此基础上改进的和新开发的工艺，如气动法制备工艺［6］等。目前国内采用较多的是干法工艺。

湿法工艺是由Arjomari和Wiggins Teaper公司最先开发出来的［7］。它是将6～25 mm的短切玻纤、树脂粉末、玻纤表面处理剂等辅助剂一起加入水中混合，形成悬浮液，利用机械搅拌絮化玻纤，絮化的玻纤与悬浮液分离形成湿毡，之后经过脱水、烘干、复合定型等步骤形成轻质GMT板材。其优点是树脂对玻纤的浸渍效果好，但该方法所需设备成本高、能耗大，生产过程中大量的助剂易对环境造成污染。

干法工艺是基于无纺布的生产工艺形成的，主要工艺过程包括:玻纤和丙纶的称重混合、开松、梳理、铺网、针刺、胶膜和表面无纺布复合、加热滚压、冷却、裁切［8-9］。其优点是梳理的玻纤长度更长，无废气、废水排放，但板材具有一定的取向性。

2.2轻质GMT的加工工艺

轻质GMT和PP木粉板表面都贴有热熔胶膜，制备成品时可直接通过表面胶膜与无纺布等面料粘结来装饰外观。轻质GMT与PP木粉板用于汽车内饰件都是通过模压工艺实现，一般流程是先将板材预热软化状态，之后快速移入铺好面料的模具内保压，开模修边即得成品［10］，生产工艺较为简单。

3　轻质GMT与PP木粉板板材性能对比

为了更好的比较轻质GMT与PP木粉板用于后隔板基材的性能差异，以及比较高克重的PP木粉板与低克重的轻质GMT板材性能差异，选取了轻质GMT克重1 800 g/m2，厚度5 mm，PP木粉板克重2 300 g/m2，厚度为3 mm的2种板材。并对板材进行了常态和高低温气候循环老化状态下的抗冲击性能、弯曲性能试验。

根据GB/T 1843《塑料悬臂梁冲击强度测定》标准对两种材料在常态和高低温气候循环老化后进行了冲击强度测试，结果如图1所示。高低温气候循环老化条件:40℃/95%湿度(16 h)→-20℃(3 h)→100℃(6 h)，经此一个过程为1个循环，共进行4个循环。结果表明老化前轻质GMT冲击强度为16 kJ/m2和老化后轻质GMT的冲击强度为15.9 kJ/ m2，远远高于PP木粉板，并且轻质GMT断裂形式是不完全断裂，PP木粉板的断裂形式为完全断裂，因此轻质GMT抗冲击性能更好。

根据GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》标准对2种板材在常态和高低温气候循环老化后进行了弯曲性能测试。由于2种板材厚度不同，测试样条尺寸不同，而弯曲模量与测试样条尺寸有关，因此根据弯曲性能测试力-位移曲线，比较了在20 N相同作用力下，2种材料在力作用方向上位移变化，如图2所示。由图2可以看出，在20 N力作用下，轻质GMT的位移比PP木粉板略大，这是由于轻质GMT是疏松结构材料，而PP木粉板是密实结构材料。且由冲击强度试验可以看出，轻质GMT材料有连续的玻纤，具有一定韧性，裁成样条后玻纤受到破坏，影响弯曲测试结果，而PP木粉板是由木粉和PP粉挤出制备而成，木粉本身具有不可塑性，制备的板材呈脆性。因此PP木粉板弯曲性能略优于轻质GMT。

图1　轻质GMT和PP木粉板常态和气候老化后冲击强度对比图

图2　轻质GMT和PP木粉板在20N力作用下位移对比图

4　轻质GMT在汽车后隔板上的应用

4.1轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板制备

为了比较2种基材的后隔板零件性能差异，采用1 800 g/m2轻质GMT和2 300 g/m2PP木粉板制备成汽车后隔板，其中2种后隔板的表面无纺布、垫块都完全相同，成型后零件厚度均为3.5 mm。

4.2轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能对比

由表1可以看出，轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能大部分试验结果相当，但轻质GMT的燃烧特性和添加剂挥发性测试结果优于PP木粉板，这与PP木粉板的原材料以及制备过程中添加的助剂有很大关系。另外2种零件质量结果显示，轻质GMT后隔板比PP木粉板后隔板质量低。

表1　轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板基本性能对比

4.3轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板刚性试验对比

刚性试验是后隔板性能的一个重要指标。其测试原理是在零件某个位置施加一定大小负荷，测量零件在水平面X、Y方向上的变形量，变形量越小则刚性越好。由此，在两种基材后隔板零件相同的位置，分别施加相同大小的力，测得PP木粉板后隔板和轻质GMT后隔板的变形量。由表2可以看出，2种后隔板在X、Y方向上的变形量相当，刚性性能相当，满足使用要求，但轻质GMT后隔板零件质量低于PP木粉板后隔板。因此，在满足相同刚性的要求下，轻质GMT更有潜在的汽车轻量化应用价值。

表2　PP木粉板后隔板和轻质GMT后隔板刚性试验对比

4.4轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板VOC试验对比

对于汽车内饰件，环境友好性要求越来越高。为了比较不同基材后隔板的环境友好性，对PP木粉板后隔板零件和轻质GMT后隔板零件采用2 000 L袋式法进行了零部件VOC测试，测试结果如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出，PP木粉板后隔板总成和轻质GMT后隔板总成的挥发性物质丙烯醛均未检出，且轻质GMT后隔板总成的挥发性物质苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯未检出。2种基材的后隔板零部件VOC结果相比，PP木粉板后隔板总成的甲醛和乙醛挥发量，以及苯系物挥发量均明显高于轻质GMT后隔板。其醛酮和苯系物挥发量比轻质GMT后隔板高约6～8倍。同时PP木粉板材散发出的气味也比轻质GMT大。在环境友好性方面，轻质GMT后隔板明显优于PP木粉板后隔板。

图3　轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板苯系物挥发对比图

图4　轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板醛酮挥发对比图

4.5轻质GMT后隔板和PP木粉板后隔板成本对比

轻质GMT与PP木粉板由于成型工艺相同，工艺成本相当，但由于PP木粉板原材料来源广泛，价格低廉，轻质GMT的原材料价格比PP木粉板高，从而轻质GMT后隔板比PP木粉板后隔板零件成本略高。

5　结语

随着汽车行业的发展，用户对汽车舒适性要求不断提高，同时伴随着VOC法规即将出台，乘用车汽车轻量化和乘客舱内部环境友好性将成为必然趋势。2种基材相比，PP木粉板后隔板醛酮和苯系物挥发量比轻质GMT后隔板高约6～8倍，轻质GMT材料的环境友好性明显优于PP木粉板，且轻质GMT材料在质量比PP木粉板降低10%的情况下，可与PP木粉板性能相当，对汽车轻量化有较大贡献。因此，轻质GMT材料在汽车内饰应用中更有优势。

［1］聂恒凯，柳峰，徐冬梅，等.回收聚丙烯/木粉复合材料性能研究［J］.工程塑料应用，2010，38(5):25-27.

［2］张国立，苑志伟.木粉高填充改性聚丙烯再生料的研究［J］.中国塑料，2000，14(9):58-61.

［3］孙卫健，周晓东.汽车用热塑性复合材料(GMT)的开发及应用［J］.轻型汽车技术，2001(3):23-27.

［4］张伟，董升顺，蒋建云，等.轻质GMT板材制备技术与发展现状［J］.塑料工业，2011，39(S1):50-52.

［5］戴干策，朱永全，王清国.车用GMT材料应用现状与发展预测［J］.汽车技术，1999(7):25-27.

［6］戴宏亮，蒋豪杰.气动法制备轻质GMT片材的新方法［C］//第17届全国复合材料学术会议(复合材料应用及产业化分论坛)论文集.2012.

［7］刘学习，戴干策.玻璃纤维增强热塑性复合材料的研究进展［J］.纤维复合材料，2004，21(4):55-58.

［8］戴干策，孙斌.轻质热塑性复合片材的制备技术与应用［J］.纤维复合材料，2007，24(2):3-6.

［9］蒋建云，黄云清，黄亦赛.一种梳理机的喂入和梳理系统［P］.中国:1990919A［P］.2007–07-0 4.

［10］刘校梅.木纤维复合材料和PP木粉板在汽车内饰件上的应用［J］.科技信息，2007(5):36.

The Application of Lightweight GMT in Car Rear Bulkhead

XIEDeyu，HUANG Jiangling，FU Dan，LIU Dandan，SHI Tenglong
(Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058，China)

Thermoplastic composite materials play an important role in automobile.The Light-weight GMT and Polypropylene wood flour are gradually applied to many aspects of the car.By comparing the performance of Light-weight GMT and Polypropylene wood flour in Substrate and rear bulkhead.The results show that the performance of Light-weight GMT rear bulkhead is nearly the same with Polypropylene wood flour rear bulkhead in lower weight，and the VOC experiment also shows that benzene and aldehydes volatilization of Polypropylene wood flour rear is almost 6～8 times higher than Lightweight GMT rear bulkhead.So The Light-weight GMT has better performance in lightweight and environmentally friendly of the car.

light-weight GMT;polypropylene wood flour;rear bulkhead;VOC

2015-12-30)

谢德钰(1987-)，女，湖北人，硕士，工程师。研究方向:复合材料应用技术。E-mail:xiedy@ dfmc.com.