探究发泡剂对聚丙烯材料性能的影响

2021-03-30邓善治

现代盐化工 2021年2期

邓善治

（潍坊化学股份有限公司，山东潍坊 261031）

现如今，我国环境保护工作已经提上日程，在各个行业领域都有十分直观的体现。如燃油汽车厂商在产品生产、研发等方面的油耗降低指标也面临一定压力。在这一环境下，实现整车材料轻量化成为非常重要的目标。整车材料中包括改性塑料，尽管这一材料占比较小，但实际上也是非常必要的结构、装饰零件。塑料材料轻量化需要采用薄壁材料、低密度材料、微发泡材料，其中，微发泡材料需要掺加物理、化学发泡剂，提高材料表层质量和里层泡孔结构均匀性。经过生产实践探究发现，发泡剂会对聚丙烯材料性能产生直接影响。

1 基于轻量化的发泡剂与聚丙烯材料

微发泡材料属于泡孔材料，材料结构内部有较多微孔，降低了材料密度。注塑环节可以抑制内应力提高，使产品尺寸参数更加稳定。个别微发泡材料有利于优化原树脂冲击性、刚度，是现阶段研究聚合物材料非常重要的着手点，在汽车制造行业也有十分广泛的应用[1]。

基于汽车行业实现轻量化的目标，研究发泡剂对聚丙烯材料性能的影响，需要了解汽车轻量化的着手点，包含3个方面：（1）材料方面。采用麻纤维材料，或是直接在材料中掺入低密度填充剂，即可改善材料性能，达到轻量化目的；（2）工艺方面。利用微发泡、薄壁注塑工艺实现轻量化目标；（3）结构方面。改善结构，实现轻量化，需要尽可能地减少零件数量，实现零件集成。

微发泡的基体是热塑性材料，选择的加工工艺比较特殊，产品内密布直径不统一的气泡，采用封闭气泡微孔技术，在确保产品性能的同时，也可以减轻产品重量，直接减少缩印。另外，改性聚丙烯（PP）在我国汽车领域有十分广泛的应用，作为热塑性材料也有较大体量，采用轻量化技术直接减轻汽车自重、减少油耗，也可以满足环境保护要求。

2 聚丙烯材料微化学发泡

在微发泡材料成型这一层面，一般会采用注塑微发泡、挤出微发泡和釜压微发泡等方法。注塑微发泡可以保证持续性生产，确保设计与模具形状一致，突破限制条件的影响，也是汽车零部件制造中比较常用的方法。

注塑微发泡有两种形式，即物理发泡、化学发泡。采用物理发泡需要在设备环节投入大量成本，工艺方面以MUCELL工艺技术为主[2]。采用化学发泡工艺，在改性树脂内掺加化学发泡剂，注塑流程不会发泡，当注塑至模腔之后，模具后退卸压发泡会有显著的减重效果，有利于节省设备成本[3]。另外，塑料发泡有气体产生之后，可以总结产生气体的方法，其一是加热处理塑料内的化学发泡剂，随着温度升高便可以分解释放气体导致发泡：其二可以通过不同塑料组分的化学反应，释放气体导致发泡。化学发泡一般有闭模发泡（Chemical Foaming Agent，CFA）、开模发泡（Expanded Injection PP，EIPP）两种。这两种类型具有相似的优势，体现在产品减重、优化表面缩印、减少生产节拍等方面，但EIPP涉及微开模发泡工艺流程，CFA发泡却是闭模发泡，采用的模具无需后退动作。CFA注塑期间，模具一般会先合模，再通过短射的方式填充树脂。如果填充马上结束，确定螺杆控制转变成压力控制，便可以直接取消保压，处在高温条件下，发泡剂经过分解会产生气泡，促使树脂膨胀，将型腔填满。模具随之切换到冷却阶段，当冷却结束后可以开模取件。

一般闭模发泡会直接影响塑料材料的力学性能，当材料处于温度、湿度、介质环境不同的条件下，外加载荷会促使其产生不同的力学特征。总结塑料材料常规力学性能，包括拉伸、冲击、弯曲，如果塑料材料发泡，处于密闭环境的气泡在材料基体内均匀分布，使得材料原本的连续分布状态被破坏，力传递方式也出现变化，此时材料应力减小，力学性能发生变化。材料基体内的发泡剂在温度升高之后分解，随之生成气体、膨胀，这一微观过程被称为发泡过程，采用的发泡剂量与生成气体量有直接关系，气体量也是材料基体内部分布状态的直接影响因素。

3 发泡剂影响聚丙烯材料性能的几个方面

经过生产实践发现，发泡剂会对聚丙烯材料性能产生直接影响。为了更加直观地了解具体影响，采用ADX-5301C聚丙烯（PP/PE-M15）、MA600注塑机展开探究与分析。样条标准以ISO 527—2012《塑料—拉伸性能的测定》为准，设定为1B型，拉伸速率设定为1 mm/min，标距长度则以50 mm为准。

在干燥箱内放置聚丙烯材料，干燥箱提前设定温度为80 ℃，干燥处理时间超过4 h。干燥处理结束后，粒子放置于储料斗内进行冷却。待完全冷却，发泡剂分别按照不同的比例加入聚丙烯粒子中，均匀混合。共划分为4组，前4组梯度逐次递增1%，第5组梯度递增2%，即0%、1%、2%、3%、5%，观察发泡剂比例增加之后聚丙烯材料性能是否发生改变。一般塑料制品厚度以3 mm为主，所以样板模具壁厚也设定为3 mm，长和宽分别是350 mm、100 mm。

在机台上方按照顺序安装模具、油路、水路、气路，待全部安装结束，便可以开始生产样板。所有产品状态必须一致，只是对各个发泡剂比例下的聚丙烯材料性能状态进行对比，通过相同工艺参数展开制作，参数如下：（1）料筒与射嘴温度：220 ℃；（2）模具温度：40 ℃；（3）储料位置：89 mm；（4）终止位置：22 mm；（5）背压：7 MPa；（6）注塑速度：150 mm/s；（7）注塑压力：122 MPa；（8）保压时间：0 s；（9）保压压力：0 MPa；（10）冷却时间：32 s。根据以上数据分析，注塑结束之后，保压压力是0 MPa，在没有任何保压的条件下，产品即刻进入冷却状态。采用碳酸氢钠类发泡剂，树脂结束注塑，此时模具内的发泡剂受到周围的高温作用会产生化学反应，随即分解出CO2，使得聚丙烯基材内有大量气体填充，进而成为微孔结构。如果发泡剂的质量分数为1%，此时正面皮层发泡层和反面皮层发泡层之间有大量密布气泡形成，气泡不具备均匀性，大小也不完全相同，会对聚丙烯材料力学性能造成影响[4]。

发泡剂所有混合比例全部粒子注塑，随后按照发泡剂比例逐一编号，放置在室温环境下冷却、称重。按照相应的标准要求，将样板冲切为样条，分组获取样件，要求每组样件数量在5件以上，经过常温缺口冲击强度实验、低温缺口冲击强度实验、拉伸强度实验、弯曲强度实验，可以获得平均值。实际参数如下：（1）在23 ℃条件下使用精密天平称取质量，按照发泡剂比例从小到大的顺序得出数据，分别为108.32、95.22、96.17、96.04、96.58 g；（2）在50 mm/min条件下展开拉伸强度实验，按照发泡剂比例从小到大的顺序得出数据，分别为26.21、21.10、19.33、18.99、19.01 MPa；（3）在2 mm/min条件下展开弯曲强度实验，按照发泡剂比例从小到大的顺序得出数据，分别为44.20、40.56、38.46、37.83、35.17 MPa；（4）在2 J条件下展开常温缺口冲击强度实验，按照发泡剂比例从小到大的顺序得出数据，分别为10.01、10.32、10.56、16.11、16.23 MPa；（5）在1 J、-30 ℃条件下展开低温缺口冲击强度实验，按照发泡剂比例从小到大的顺序得出数据，分别为2.52、1.88、2.11、1.95、2.12 MPa。根据以上数据分析，当发泡剂比例为1%时，样件质量下降。随着发泡剂比例的增加，质量没有发生明显改变。当发泡剂比例为5%时，质量虽然降低，但是也并不明显[5]。由此可见，样件质量与注塑入模具材料有直接关系，即使发泡剂比例提高，也不会导致产品质量明显改变。

在拉伸强度实验、弯曲强度实验中，当发泡剂比例不断增加时，实验数值反而降低。分析之后确定是掺加发泡剂之后，泡孔强度减小，降低了抗拉伸、弯曲性能。掺加1%发泡剂，拉伸强度、弯曲强度均明显降低。即使发泡剂的比例提升，弯曲强度和拉伸强度的变化也不是非常显著。发泡剂从1%逐渐增加至5%，拉伸强度的降低幅度不是非常明显，代表发泡剂用量增多，并不会使材料性能快速改变。即使发泡剂比例有所增加，正反面皮层、发泡层厚度也不会发生显著改变[6]。与此同时，正反面皮层厚度集中在700～800 μm，而发泡层厚度则集中在1 600～1 700 μm。因为发泡之后的抵抗拉伸是以非发泡区分子力为依据，若正反皮层厚度接近，即便泡孔大小和分布均存在差异，产品性能也不会有显著的波动。

如果发泡剂比例为0%、1%、2%，此时组织常温缺口冲击实验，发现变形不是非常明显；如果比例为3%，此时在实验中得到的常温缺口冲击强度值也会有所增加。确定发泡剂比例为5%，此时组织常温缺口冲击强度实验，发现数值变化并不明显，代表在发泡剂比例为3%这一条件下，常温缺口冲击强度有明显变化，发泡层中有大量气体填充，使抗冲击性能得到优化。然而，低温缺口冲击强度与强度趋势不完全相同，当发泡剂比例为1%时有所降低。后期随着发泡剂比例增加，冲击强度并没有明显波动，可见处于低温条件下，基材内部气泡数量增多，聚丙烯材料抗冲击性不会受到直接影响。