发泡剂母粒对微发泡PP材料泡孔结构与力学性能的影响

2019-03-23张涵

上海塑料 2019年4期

张涵

(上汽大众汽车有限公司，上海 201805)

0 前言

近年来，聚丙烯(PP)发泡材料由于具有优异的力学性能、突出的耐高温稳定性、耐环境应力开裂性和良好的耐降解性而引起人们广泛的关注；尤其在轻量化、节能环保趋势的汽车领域更受青睐。注塑级微发泡材料技术以其独有的芯层发泡、表层致密的三明治结构，可以在尽可能减少性能损耗的前提下，显著减轻制件的质量，缩短注塑周期，减少材料用量，降低生产成本[1-4]。

汽车内饰由于气味、挥发性有机物(VOC)等要求，目前车用微发泡材料的发泡剂基本是碳酸氢钠类无机发泡剂。使用该发泡剂后，采用化学法注塑微发泡技术生产出来的制件普遍存在表面缺陷，如大量气痕、表面分层、表面发花等，制约PP微发泡材料应用的拓展。许多学者对表面缺陷的形成机理进行了研究。ZHANG L等[5]认为在高射速下泡孔向表面扩散，从而与模具表面出现剪切破裂，造成了表面缺陷，且破裂所处的界面不同会造成表面缺陷形貌不同。CHEN S C等[6-7]研究了气体反压对聚苯乙烯发泡材料表面质量的影响，结果表明：气体反压压力升高有助于消除微发泡材料表面气痕等问题，但是过高的压力会抑制发泡的进行。虽然目前关于发泡材料表面质量和力学性能的研究有一定进展，但是针对发泡剂对发泡材料的表面质量、泡孔形态和性能研究的报道比较少。

笔者通过化学注塑微发泡方法，研究不同发泡剂特性对PP材料发泡后表观、泡孔形态和力学性能的影响规律，为改善化学注塑发泡制件的表面质量提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

改性PP材料，熔融指数为40 g/min(230 ℃、2.16 kg)，密度为1.05 g/cm3；

碳酸氢钠发泡剂母粒A，主要成分是NaHCO3，发气量为110 mL/g，载体树脂为低密度聚乙烯(上海杰上杰化学有限公司)；

碳酸氢钠发泡剂母粒B，主要成分是NaHCO3，发气量为90 mL/g，载体树脂为低密度聚乙烯(上海杰上杰化学有限公司);

碳酸氢钠发泡剂母粒C，主要成分是NaHCO3，发气量为70 mL/g，载体树脂为低密度聚乙烯(上海杰上杰化学有限公司)。

1.2 实验设备

塑料注塑设备(SA2500/1000V)，宁波海天塑机集团有限公司；

光学电子显微镜(Leica M125),徕卡显微系统；

电子万能试验机(Zwick/Roell Z010)，Zwick/Roell集团；

摆锤冲击试验机(Zwick/Roell Hit5.5P)，Zwick/Roell集团。

1.3 样品制备

将碳酸氢钠发泡剂母粒A、B、C分别与PP材料均匀混合，在二次开模条件下制备微发泡PP复合材料，其注塑温度为175 ℃、190 ℃、200 ℃、180 ℃，注塑压力为0.5 MPa，注射速度为90%最大注射速度。

1.4 测试与表征

1.4.1 泡孔结构

将使用不同发泡剂母粒发泡后的PP样条在低温下迅速冲断，断口在光学电子显微镜下观察并拍照。泡孔尺寸及泡孔数目采用LAS V4.7图像处理软件对泡孔结构的光学电子显微镜照片进行统计计算。

1.4.2 密度

采用梅特勒-托利多XS电子天平按ISO 1183-1—2012 《塑料材料密度的测定方法》测试。

1.4.3 力学性能

拉伸强度按ISO 527-2—2012 《塑料拉伸性能测试方法》测试，样条尺寸为5A,测试速度为50 mm/min。

弯曲强度按ISO 178—2010 《塑料弯曲性能的测试》测试，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm,跨距为64 mm，测试速度为2 mm/min。

缺口冲击强度按ISO179-1/1eA—2010 《塑料简支梁冲击强度的测试》测试，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

2 结果与讨论

2.1 不同发泡剂对微发泡PP复合材料泡孔形态的影响

图1为不同发泡剂种类在添加质量分数为2%下的微发泡PP材料泡孔形态图片。由图1可以看出：PP材料中添加不同发泡剂母粒进行发泡，其发泡质量有明显差异。PP材料中添加质量分数为2%的发泡剂母粒B以后，发泡质量最好，泡孔平均直径最小(124 μm)，单位面积内可观察到743个泡孔，泡孔数目最多，泡孔尺寸分布相对较均匀。

图1 不同发泡剂对微发泡PP材料泡孔结构的影响

由图1(a)可以看出：相同添加量下，发泡剂母粒B的发气量介于发泡剂母粒A和发泡剂母粒C之间。使用发泡剂母粒A的PP材料发泡后泡孔平均直径增大至159 μm，同时泡孔数量降低至393，有并泡现象发生，泡孔尺寸分布不均匀。分析其主要原因，可能是由于PP材料添加发泡剂母粒A，发泡剂母粒A发气量比较大，但在基体材料中分散性较差从而导致发泡质量不佳，出现并泡现象[7]。

由图1(c)可以看出：使用发泡剂母粒C的PP材料发泡后泡孔平均直径为171 μm，单位面积内可观察到330个泡孔，泡孔稀疏。分析其主要原因，可能是发泡剂母粒C发气量不足，且产生的气核无法均匀分散在熔体中。若相邻泡孔尺寸相似，在界面张力的作用下泡孔会趋于合并；若尺寸相差较大，则由于泡孔内气体压力的不同，泡孔间的熔体薄膜破裂，泡孔合并[8-9]，进而导致发泡质量较差。

2.2 不同发泡剂对微发泡PP材料表面质量影响

图2为不同发泡剂种类在添加质量分数为2%下的微发泡PP材料表面质量的图片。由图2可以看出：PP材料中添加不同发泡剂母粒进行发泡，表面质量有明显的差异。PP材料中加入发泡剂母粒A后，表面出现明显的气痕，尤其在光板区域放射状的气痕非常明显。

图2 不同发泡剂对微发泡PP材料表面质量的影响

当加入发泡剂母粒B、C后，微发泡PP材料的表面基本无明显气痕，表面质量好。分析其主要原因，可能是由于PP材料添加发泡剂母粒A，发泡剂母粒A发气量较大，且初期形成的气核不能均匀分散在PP材料中，从而在泡孔生长时，大量泡孔扩散至表面，与模具表面剪切，从而形成大量气痕。当发气量适当降低时，气核产生数量相对较低，能相对较稳定地分散在PP材料中，不易扩散至表面形成气痕[10-11]，所以发泡剂母粒B、C发泡后表面质量更好。

2.3 不同发泡剂对微发泡PP材料力学性能的影响

图3为不同发泡剂种类在添加质量分数为2%下的微发泡PP材料力学性能图。由图3可以看出：相对未发泡PP材料，发泡后的PP材料拉伸强度、弯曲模量和冲击强度均有一定程度的降低。由于注塑微发泡PP中的泡孔作为应力集中缺陷分布在PP基体中，泡孔的存在对于力学强度有不利的影响，因此发泡后PP材料力学强度具有一定程度的降低[12-13]。使用不同发泡剂母粒的PP材料降低幅度会出现较大差异。在添加质量分数为2%下，发泡剂母粒B的力学性能(拉伸强度、弯曲模量和缺口冲击强度)降低幅度最小，其中弯曲模量与未发泡PP材料相比，无明显变化。这是因为使用发泡剂母粒B后可获得相对较为均一的泡孔结构，而使用发泡剂母粒A或C后泡孔大小不均一，大泡孔受力时容易最先破裂从而成为缺陷，导致力学性能损失较大。

图3 不同发泡剂对微发泡PP材料力学性能的影响

比强度为材料单位面积所受的力与其密度之比，该参数是衡量材料是否轻质高强的重要指标[16]。图4为不同发泡剂种类在添加质量分数为2%下的微发泡PP材料比强度的对比图。由图4可以看出：相比未发泡PP材料，发泡后的PP材料的比弯曲强度均有增加，使用不同的发泡剂母粒，比拉伸强度和比冲击强度变化趋势略有不同。注塑发泡过程中，泡孔壁周围的PP分子链和链段受到显著的拉伸形变作用而形成取向的晶体。同时，由于模具温度较低，PP分子链及链段来不及完全松弛就被冻结，取向的晶体作为增强相包裹在泡孔周围，可大大降低微发泡PP的比强度损失[15-16]。使用发泡剂母粒A或C后，发泡材料的比拉伸强度和比冲击强度明显低于未发泡PP材料，而使用发泡剂母粒B后，发泡材料的比拉伸强度和比冲击强度基本与未发泡PP材料相当，这得益于使用发泡剂母粒B后可获得相对较为均一的泡孔结构。