汽车散热器格栅聚丙烯专用料的研制(论文20120502).doc

汽车散热器格栅聚丙烯专用料的研制
(辽阳石化分公司研究院，辽宁 辽阳 111003)

摘要：本文重点介绍了聚丙烯汽车散热器格栅专用料的研制。采用双螺杆挤出加工工艺，分析了PP基体树脂和各种改性成份，如增韧剂、填充矿物等对材料综合性能的影响，并研究了生产工艺对材料性能的影响，确定了最佳工艺参数和配方。使用这种PP改性专用料制成的导流板完全满足性能要求，并已经成功地应用在汽车上。
关键词：聚丙烯 汽车 格栅 熔体流动速率

Study on modified PP used for Radiator Grid on car
（Research Institute of Liaoyang Petrochemical Fiber Company of CNPC, Liaoyang，111003，China）
Abstract: The study on modified PP used for radiator grid on car was emphasized on this article. The modified PP was produced in the process of twins screw extruder. The analysis was carried out that how pp resin, several kinds of additives, such as toughness modifier, mineral fillers, etc and the process effect on integrated characteristics of modified PP. The optimized process and material composition were confirmed. The flow board made by the modified PP fulfils performance thoroughly, and successfully applied on car.
Keywords: polypropylene，car，radiator grid，melting flow index

一、前言
聚丙烯（PP）是国内外产量大、应用领域广泛的通用塑料，与其它通用热塑性塑料相比，PP具有密度小、刚性好、强度高、耐翘曲以及高于100℃的耐热性和良好的耐化学药品性等优点，在汽车、家电、机械、包装等领域得到广泛应用。但PP也存在低温耐冲击性差、易老化、成型收缩率大等缺点。以汽车散热器格栅为例，散热器格栅系发动机冷却通风用的格子状部件。发动机在燃料工作时，通过散热器向周围排放大量热量，以维持其正常工作。而这些热量又必须及时被移走散发到空气中。散热器格栅就起到了透过空气，保护散热器的作用，同时也提供装饰功能。因此，对材料的要求是强度高、刚性和韧性好、耐热、耐候、抗震、抗低温冲击等。同时由于散热器格栅尺寸较大，且为注塑成型，还要求材料具有较高的熔体流动速率，普通PP难以达到其综合要求。因此，对PP改性，扩大在汽车领域的应用是完全必要的。
本文通过在PP中，添加增韧剂、填充矿物、聚乙烯，通过不同的配比，制得了满足汽车散热器格栅性能要求的PP专用料。
1、试验部分
1.1 原材料及设备
共聚型PP：K7726，燕山石化公司；均聚型PP：70318、5004，辽阳石化分公司；高密度聚乙烯：5000S，大庆石化公司；增韧剂：乙烯-辛烯共聚物（POE），美国EXXON公司；滑石粒：1250目，河北鹿泉滑石粒厂；碳酸钙：1250目，内蒙古蒙西高新材料有限公司；抗氧剂、紫外光吸收剂、润滑剂等：市售。
熔融指数仪：SRZ-400C，长春智能仪器设备有限公司；万能试验机：CMT5204， 深圳新三思计量技术有限公司；冲击试验机：XJU-5.5，承德金建检测仪器有限公司；注塑机：CWI—120D，上海纪威机械工业有限公司；双螺杆挤出机：SHJ58—Ⅱ，南京航空航天大学信立塑机厂。
1.2 加工工艺
挤出温度：200--240℃；螺杆转速：200-300r/min；注塑温度：190--210℃。
1.3 性能测试
拉伸性能：按GB/T1040-92测试；悬臂梁冲击强度：按GB/T1843-96测试；熔体流动速率：按GB3682-83测试；弯曲性能：按GB/T9341-2000测试。
2 结果及讨论
2.1 聚丙烯品种的选定
PP分为均聚料和共聚料两种。均聚PP的拉伸、弯曲强度高一些，冲击强度较低；而共聚PP的冲击强度较均聚PP高，但拉伸、弯曲强度要低于均聚PP。共聚型PP为丙烯与少量乙烯的嵌段共聚物，由于乙烯的存在对PP的结晶过程起阻碍作用，减低了材料的结晶度及结晶完整性，使分子链段的运动能力增强，因而材料的塑性和韧性提高而强度下降；另一方面，结晶能力的下降降低了基体材料结晶时对其它组份的排斥作用，因此提高了PP与增韧剂的相容性，体现在随共聚型PP含量的增加，材料的断裂伸长率及缺口冲击强度显著提高，拉伸强度明显下降。
因此，PP改性配方设计均考虑以均聚PP和共聚PP组合使用，以同时满足专用料对刚性和韧性的要求。根据散热器格栅的性能特点，本实验选定了辽化70318作为均聚PP树脂，燕化7726作为共聚PP树脂。
2.2 增韧剂对PP力学性能的影响
聚丙烯（PP）是高等规度、大球晶聚合物，表现为耐寒性差、低温易脆断，改善PP的低温脆性是所有PP改性的关键问题。我们选用乙烯-辛烯共聚物（POE）为增韧剂，研究了其增韧效果以及对拉伸、弯曲性能的影响，见图1，POE添加量分别为5%、10%、15%、20%。

图1 POE质量份数对PP冲击强度、拉伸强度的影响
Fig 1 Effect of POE mass on impact strength and tensile strength of PP
由图1可知，POE对PP增韧效果明显，随着POE含量的增加，缺口冲击强度也逐步增加，其增韧机理符合银纹-剪切带机理：脆性基体内加入弹性体后，在外来冲击力作用下，弹性体可引发大量银纹，而基体则产生剪切屈服，主要靠银纹、剪切带吸收能量[1]。同时大量裂纹之间互相干扰，阻止裂纹的进一步发展，从而改善了PP的韧性。但同时对拉伸强度有一定的负面影响，基本上随着POE的增加而同比例下降，因此，还需考虑填充矿物，用来增强PP，弥补POE对PP刚性的影响。
2、PP的填充增强
从设备条件以及成本上考虑，我们主要研究了普通矿物滑石粉以及碳酸钙（均为1250目）对PP的增强作用，见图2。

由图2可知，滑石粉填充PP的增强效果略好于碳酸钙，这是因为滑石粉具有层状结构，在加工时沿PP流动方向基本上呈片状排列，因而对材料刚性的提高是明显的，同时还有提高材料耐热性、抗蠕变性的特点，这些性能对导流板的应用是有利的。而碳酸钙为不定型非晶型矿物，对材料刚性的提高逊于滑石粉[2]。
但滑石粉的堆密度小，加工困难，粉尘大，一般仅限于低档塑料改性。近期市场出现了无载体滑石粒，对改善滑石粉的加工性是一种突破。我们在同一配方的基础上（添加20%滑石粉或滑石粒，POE为15%）对滑石粉和滑石粒进行了性能对比，如表2所示。由表2可以看出，滑石粉或滑石粒填充PP的各项性能基本相同，只是后者比前者的流动性略差（这可能与两种材料加工处理过程不同有关）。因此，从环保、人身安全考虑，我们采用滑石粒作为改性PP的填充增强材料。
表2 滑石粉和滑石粒填充PP性能对比
序号
检验项目
单位
滑石粉填充
滑石粒填充
1
拉伸强度
MPa
25.33
25.62
2
拉伸弹性模量
MPa
913.8
980.7
3
断裂伸长率
％
67.58
66.67
4
弯曲强度
MPa
31.53
31.09
5
弯曲弹性模量
MPa
1798.3
1850.3
6
悬臂梁缺口冲击
kJ/m2
13.56
13.31
7
熔体流动速率
g/10min
4.23
4.15
8
注射成型收缩率
%
0.97
1.02
3、加工工艺参数对材料性能影响的探讨
加工工艺对改性材料性能的影响也是不可忽略的，如加工温度、喂料量、螺杆转速等。在PP加工的正常范围内，加工温度高对材料的韧性有好处，对刚性不利；螺杆机转数对材料性能的影响与挤出温度类似；螺杆机喂料量也是影响材料性能的一大因素，喂料量过低不仅存在生产效率问题，而且造成螺杆处于饥饿状态，影响混炼效果，喂料量过高则停留时间短，各种组份混炼不均，都会导致材料整体性能下降[3]。但是，改性材料的性能与喂料量、螺杆转数及加工温度等工艺参数的关系是较复杂的，是综合作用的结果，设定工艺参数要全面考虑。
此外，螺杆机的长径比、螺槽深度、捏合块组合都对熔融共混材料的性能有一定影响[4]。
4、最佳工艺参数、配方及产品性能
根据以上研究，我们确定了改性PP专用料的最佳工艺参数及配方。
配方：PP（5004）40%；PP（8303）20%；POE 15%；滑石粉20%；抗氧剂及其他助剂5%。
工艺参数：螺杆转数200-250rpm；螺杆各区温度190-210℃；喂料量及其他参数因设备不同而调整。
在上述工艺参数及配方规定下生产的改性PP专用料的产品性能完全符合要求，见表3：
表3 改性PP专用料的性能要求及实际性能对比
序号
分析检验项目
指标要求
实际性能
1
拉伸强度，MPa
≥25
26.36
2
弯曲强度，MPa
≥29
30.97
3
弯曲模量，MPa
≥1600
1702.2
4
冲击强度，KJ/m2
≥30
32.18
5
熔体流动速率，g/10min
≤5
4.75

四、PP改性专用料在中华汽车导流板上的应用
我们研制PP改性专用料加工成汽车导流板后，经过制品性能检测，也符合中华汽车应用要求，其典型性能见表4。该导流板目前已经成功应用在中华汽车上。
表4 导流板的典型性能
序号
项目
典型性能
1
耐热性
（装配状态90℃/24hr）
外观无松动、变形、变色现象
2
耐寒性
（装配状态-40℃/24hr）
外观无松动、变形、变色现象
3
耐寒性
（装配状态-40℃/24hr）
落球冲击（高度500mm）无裂痕
4
耐化学药品性
外观无溶解、膨胀、变色、裂纹

五、结论
在优化工艺参数的前提下，以均聚料辽化5004和共聚料燕化8303作为
基体树脂，选定乙烯-辛烯共聚物（POE）为增韧剂、滑石粉（滑石粒）为填充增强材料，并通过POE的熔融指数调节作用以及基体树脂的优化组合确保改性材料的挤出稳定性，综合性能满足中华汽车导流板专用料的应用要求。
参考文献：
1、 夏琳，邱桂学，吴波震。POE的性能及在聚丙烯中的应用。上海塑料2007，137（1）：33-36
2、 刘英俊，刘伯元。塑料填充改性。中国轻工业出版社，1998.5
3、 耿孝正。《双螺杆挤出机及其应用》，中国轻工业出版社，2003.1
4、 [美]David B.Todd.《塑料混合工艺及设备》，化学工业出版社，2002.8

摘要：本文重点介绍了中华汽车导流板PP改性专用料的研制。采用双螺杆挤出加工工艺，分析了PP基体树脂和各种改性成份，如增韧剂、填充矿物等对材料综合性能的影响，并研究了生产工艺对材料性能的影响。辽化5004熔体流动速率低，刚性好，因此均聚料选定辽化5004；共聚料中，燕化8303韧性和刚性的平衡最好，而且熔体流动速率较低，选定燕化8303作为共聚料基体树脂。POE对PP增韧效果明显，随着POE含量的增加，缺口冲击强度也逐步增加，其增韧机理符合银纹-剪切带机理：脆性基体内加入弹性体后，在外来冲击力作用下，弹性体可引发大量银纹，而基体则产生剪切屈服，主要靠银纹、剪切带吸收能量[1]。同时大量裂纹之间互相干扰，阻止裂纹的进一步发展，从而改善了PP的韧性。滑石粉填充PP的增强效果略好于碳酸钙，这是因为滑石粉具有层状结构，在加工时沿PP流动方向基本上呈片状排列，因而对材料刚性的提高是明显的，同时还有提高材料耐热性、抗蠕变性的特点，这些性能对导流板的应用是有利的。而碳酸钙为不定型非晶型矿物，对材料刚性的提高逊于滑石粉。从环保、人身安全考虑，我们采用滑石粒作为改性PP的填充增强材料。在PP加工的正常范围内，加工温度高对材料的韧性有好处，对刚性不利；螺杆机转数对材料性能的影响与挤出温度类似；螺杆机喂料量也是影响材料性能的一大因素，喂料量过低不仅存在生产效率问题，而且造成螺杆处于饥饿状态，影响混炼效果，喂料量过高则停留时间短，各种组份混炼不均，都会导致材料整体性能下降。在优化工艺参数的前提下，以均聚料辽化5004和共聚料燕化8303作为基体树脂，选定乙烯-辛烯共聚物（POE）为增韧剂、滑石粉（滑石粒）为填充增强材料，并通过过氧化物的熔融指数调节作用以及基体树脂的优化组合确保改性材料的高流动性，综合性能满足中华汽车导流板专用料的应用要求。