超轻聚烯烃复合材料研发及创新性分析

高金岗

摘  要：本文对于一种超轻聚烯烃复合材料研发进行分析说明，首先简要叙述了项目研发目的，然后介绍了研发实施阶段的技术应用情况，包括绿色硫化TPO阻燃改性工艺、多层TPE复合材料构筑技术、纳米POSS/CaCO3/TPO高性能复合体系技术等，最后探讨了研发技术中的创新之处，取得了符合预期目标的研发成果，希望通过下文的综合性阐述，能够为同类型项目的开展提供技术参考与宝贵的研发经验。

关键词：聚烯烃复合材料;研发;创新性;技术应用

随着时代的发展，汽车内饰装饰重要性日益凸显，该方面因素愈发受到大多数汽车消费者的重视;而在实际的装饰材料应用中，主要集中于PVC、PU、TPU、TPO人造革材料方面，其中以PVC材料的应用量最为庞大。结合PVC材料的性质来看，是一种重金属、DOP合成物，涉及散发性能超标、污染、危害人体健康等负面影响。为此，研发一种绿色环保的装饰复合材料具有重要的现实意义。

1 项目概况

本文研究对象为纳米改性安全环保型高性能超轻聚烯烃复合材料的研发及产业化项目。在研发生产阶段，由国内外企业共同合作研发而成，中方单位负责TPO增容接枝复合技术、绿色硫化TPO阻燃改性工艺、多层TPE复合材料构筑技术、纳米POSS/CaCO3/TPO高性能复合体系技术的研究;外方单位负责功能化POSS基纳米添加剂的制备、表征功能化POSS与TPO/TPU的相容性研究、功能化POSS与TPO/TPU的相容性研究、纳米POSS/CaCO3/TPO高性能复合体系技术的研究。

2 主要研发内容

在项目研发过程中设计并制备了低密度聚乙烯超支化双亲分子，并将其用于TPO与TPU接枝共混制备TPE复合层，免除了表面电晕处理，彻底杜绝臭氧污染。研发绿色TPO硫化改性工艺，无需添加阻燃剂即可达到阻燃要求，耐热耐候性明显提升。构筑TPE/TPO微纳泡沫/PPF为核心的多层复合体系，相较于PVC材料，其密度下降50%以上，无弱化线时，气囊爆破撕裂耗时缩短至0.4 ms，同时TVOC浓度降低。開发出双层共挤一次成型复合技术及相关配套设备，克服了传统多层热压贴合导致的黏胶、结合不均、起泡等缺陷问题，最终成品率可达90%。然后将预先制备的聚倍半硅氧烷（POSS）纳米增强剂，通过挤出工艺与TPE复合材料共混，进一步提高复合材料的阻燃性及热稳定性等性能。对纳米CaCO3/TPO高性能复合体系进行合理设计，实现改善TPO基材的阻燃性能、力学性能、低VTOC含量及气味等方面的性能目标。最终研发设计功能化聚倍半硅氧烷（POSS）纳米增强剂，实现纳米改性安全环保型高性能超轻聚烯烃复合材料。

3 研发过程中的技术路线

项目研发过程中，技术路线可主要分为三个部分。第一步：以超支化聚酯单元与马来酸酐和低密度聚乙烯反应，合成具备末端丰富碳氢长链及活性羧酸基团的双亲增容分子，并将其用于TPO和TPU的双螺杆挤出熔融共混，促进TPO微晶细化程度增大，充分改善TPO/TPU复合体系的力学性能、热性能和流变行为。第二步：在TPE复合体系中，引入硫化TPO链段，其分子活性端修饰长链α-烯烃有机硅改性分子，不仅可利用有机硅功能团特有的凝聚相阻燃作用，形成无机隔氧绝热层，无需额外添加阻燃剂即可达到阻燃要求，而且有效地提高了分子内交联密度，耐热耐候性得以明显提升。第三步：利用TPE复合材料低挥发性及TPO微纳泡沫和PPF的超轻质高柔韧性特点，设计以双螺杆挤出和红外热贴合装置为基础的共挤复合装置，将熔融TPO发泡体和TPE依次复合于PPF表面，构建了TPE/TPO微纳泡沫/PPF为功能核心的多层复合体系[1]。

研发工艺流程依次为“配料挤出表处成检”四个环节。其中，挤出是将原材料进行加工并且使其熔化，将熔化后的材料直接与聚丙烯泡沫复合，此加工过程无需再次加热，同时采用的是全封闭式加工方式，可实现连续性生产;与此同时，加工后的熔体是从压辊剥离，相对而言更为容易处理，无需再添加任何润滑剂，进而提升了加工阶段的综合效率，节约能源，降低了研发与生产成本。

4 研发流程及技术应用

4.1 功能化POSS基纳米添加剂的制备与表征研发（外方）

研究过程中，预先进行水解，有机结合水解制备出聚倍半硅氧烷（POSS），制备出功能化聚倍半硅氧烷，促使复合TPE材料具有良好的阻燃性、热稳定性，改性后体系综合性能表现更为优异，同时完善工艺形成分散性能好的纳米材料，运用先进物理化学表征手段，通过材料测试优化POSS基纳米添加剂的制备。

4.2 功能化POSS与TPO/TPU的相容性研究（外方）

将制备好的功能化聚倍半硅氧烷（POSS）与TPE复合材料通过挤出机进行共混改性，在实验阶段确定出合适的添加比例，在不改变复合材料加工性能的同时，使得POSS基纳米增强剂具备较好阻燃性能，同时赋予改性TPE复合材料优良的热稳定性能。

4.3 功能化POSS改性碳酸钙提高聚合物的稳定性（外方）

结合POSS的应用，将CaCO3作为TPU/TPO的共混填充剂，使其分散填充于TPO/TPU复合体系中，达到提高材料的相容性、力学性能和阻燃性能的目的。

4.4 TPO增容接枝复合技术的研发（中方）

从TPO与TPU的特点来看，存在相容性差的问题，将两者进行直接混合，呈现出的力学性能不符合预期，容易发生分离现象。为了解决该问题，以超支化聚酯单元与马来酸酐和低密度聚乙烯反应合成具备末端丰富碳氢长链及活性羧酸基团的双亲增容分子，并将其用于TPO和TPU的双螺杆挤出熔融共混，促进TPO微晶细化程度增大，改善了TPE复合体系的力学性能、热性能和流变行为。增容分子的自聚集效应，赋予了复合层表面极大反应活性，可满足其表面功能改性要求，免除了表面电晕处理，彻底杜绝臭氧污染。

4.5 绿色硫化TPO阻燃改性工艺研发（中方）

结合TPE复合体系，从该系统中引入硫化TPO链段，在其分子活性端修饰长链α-烯烃有机硅改性分子，不仅可利用有机硅功能团特有的凝聚相阻燃作用，形成无机隔氧绝热层，此过程中，无需额外添加阻燃剂，即可达到阻燃要求，有效提高了分子内交联密度，耐热耐候性明显提升。

4.6 多层TPE复合材料构筑技术研发（中方）

根据现代汽车内饰使用特点，呈现出内饰轻量化、安全、环保的发展趋势，对此利用TPE复合材料低挥发性及TPO微纳泡沫和PPF的超轻质高柔韧性特点，构建了TPE/TPO微纳泡沫/PPF为功能核心的多层复合体系。对比其它PVC基复合材料，其密度可以降低40%以上，密度为0.19kg/m³，硬度可降至35A以下且TVOC大幅下降。此外，在不需要额外内嵌弱化线情况下，响应安全气囊爆破撕裂时间缩短至0.4 ms。

4.7 纳米POSS/CaCO3/TPO高性能复合体系技术研发（中外合作）

将纳米POSS/CaCO3/TPO以共混的形式，添加于TPO基材内形成高性能复合体系，同时将其作为添加助剂，经过挤出机高温高压高剪切力的作用，与TPO基材进行共混，利用纳米POSS/CaCO3/TPO与基体树脂高的界面结合力，能够有效传递剪切力，提高复合材料塑化效果。纳米POSS/CaCO3/TPO材料符合刚性粒子增韧，与TPO基材形成的增韧网络具有协同作用，易形成“剪切屈服”和“银纹化”，提高复合材料的综合力学性能;除此之外，还可促进TPO基材熔体塑化均一，填充聚合物内部空洞，增加制品密实度，提高复合材料的界面粘接力。

5 技术突破分析

5.1 TPE增容接枝复合技术

基于TPO与TPU相容性差现象，为了使其呈现出交互的力学性能，决定以超支化聚酯单元与马来酸酐和低密度聚乙烯反应，合成具备末端丰富碳氢长链及活性羧酸基团的双亲增容分子，并将其用于TPO和TPU的双螺杆挤出熔融共混，促进TPO微晶细化程度增大，这样可改善TPE复合体系的力学性能、热性能和流变行为，进而达到功能改性的要求，无需再进行电晕处理，有效解决了臭氧污染问题，具有较好的环保性能[2]。

5.2 绿色硫化TPO阻燃改性工艺

通过在TPE复合体系中引入硫化TPO链段，在其分子活性端修饰长链α-烯烃有机硅改性分子，不仅可利用有机硅功能团特有的凝聚相阻燃作用，形成无机隔氧绝热层，无需额外添加阻燃剂即可达到阻燃要求，而且有效地提高了分子内交联密度，耐热耐候性明显提升，同时具有绿色环保的特点。

5.3 多层TPE复合材料构筑技术

利用TPE复合材料低挥发性及TPO微纳泡沫和PPF的超轻质高柔韧性的特点，构建了TPE/TPO微纳泡沫/PPF为功能核心的多层复合体系。与目前同类PVC基复合材料相比，其密度可降低40%以上，达到0.19kg/m³，硬度可降至35A以下，TVOC大幅下降[3]。

5.4 双层共挤一次成型复合技术

为了充分匹配TPE复合材料结构的层次性，设计了以双螺杆挤出和红外热贴合装置为基础的共挤复合装置，将熔融TPO发泡体和TPE依次复合于PPF表面。通过调节黏度比以及挤出温度，弱化其层间界面剪切应力，降低由粘弹性不均而导致的层间变形，提升产品成品率。

5.5 POSS基纳米添加剂改性TPE复合材料

纳米材料经挤出机高温、高压、剪切力的作用，均匀地分散于TPE复合材料基体中，提高了纳米添加剂与TPE复合材料的界面相容性，将POSS基纳米材料优异的阻燃性能和热稳定性能赋予到TPE复合材料体系之中[4]。

6 研发产品创新性分析

针对TPE复合层的有机硅改性技术，在无阻燃剂情况下，确保产品燃烧速度低于75.0 mm/min。该项目研发基于高压气体的TPO微孔连续挤出发泡工艺，发泡孔径50～100μm且均一性高，发泡倍率稳定可控，厚度精度±100μm。开发了高耐高透无溶劑型聚氨酯表层精密涂覆工艺，提升产品柔韧性、耐高低温、防水透气等性能。成功研制规模化TPE双层共挤复合装置，调节原料粘度比及挤出温度，避免共挤产生的“锯齿”和“波纹”等现象。通过POSS基纳米增强材料改性TPE技术，能有效提升TPE复合材料的阻燃性能、热稳定性能及加工性能[5]。

7 项目研发成果

产品研发成功后经过测试，完全满足研发初期阶段的设计要求，其技术规格为：密度≤0.19 kg/m³，拉伸强度≥2.6 MPa，撕裂强度≥15N/mm，硬度≤35A，雾化≤0.4 mg，TVOC≤4000 μg/m³，燃烧速度≤75mm/min。产品的产业化过程涉及到材料、化学、环境、机械制造等多个学科交叉融合，产品研发与产业化不仅涉及新型超支化增容分子、热塑性弹性体等基础原料的高端化开发，还需要通过计算机仿真与模拟研究设计并加工精密挤出模具，产业化过程还需要开发大型双螺杆挤出设备、阳模压花生产设备及品质监控系统，从而实现生产高效化、精密化与自动化。项目产业化将促进技术进步与创新升级，极大满足下游新能源汽车市场对轻量化、高安全可靠性、绿色环保等方面的严苛要求，提升国产新能源汽车的国际影响力与竞争力。

8 结语

对于现阶段而言，我国汽车内饰中的材料主要为PVC塑料和织物，相关材料的综合性较差，不符合新能源汽车研发应用标准，研发新型装饰材料具有较强的必要性。对此，成功研发了超轻聚烯烃复合材料，可采用常规方式进行加工，并且呈现出的综合性能较高，比如密度小、弯曲弹性模量高、温度冲击性能好、流动性好等特性，具有较高的实际应用价值。与此同时，这对于推动我国新能源汽车行业的进一步发展也具有积极作用，值得有关单位加强对于相关研发工艺的深入了解与研究。

参考文献：

[1] 范俊， 蒋健美， 王立军，等. 纳米纤维素在聚烯烃复合材料中的应用研究[J]. 杭州化工， 2020， 50（2）：5.

[2] 黄信智. 一种导电环状聚烯烃复合材料及其制备方法：， CN112210180A[P]. 2021.

[3] 杨桂生， 赵鑫， 朱敏. 一种形状记忆聚烯烃复合材料及其制备方法：， CN111484659A[P]. 2020.

[4] 赵洪， 栗松， 郑昌佶，等. 聚丙烯/聚烯烃弹性体复合材料物理机械性能及交流电性能[J]. 电机与控制学报， 2020， 24（3）：10.

[5] 宋尚德， 王硕， 曹亮，等. 聚烯烃复合材料，其制备方法及其应用：， CN110684257A[P]. 2020.