高流动、高刚性、抗冲击汽车保险杠专用料的研制
聚丙烯（PP）具有密度小、性能好、易加工、价格低、易回收等特点，是综合性能优良的通用塑料，已经得到了广泛推广和应用。在汽车用塑料中，PP的用量大，增长速度快。PP已经成为保险杠的主要原材料。由于汽车保险杠是一种表面积较大、形状复杂的薄壁大型结构部件，使用时会受到冲击等因素的影响，一般采用注塑成型，因此汽车保险杠料需要有较高的流动性、刚性、韧性、耐热性等，还要有良好的尺寸稳定性和防老化性能。
笔者通过大量试验，研制了高流动性、高刚性、抗冲击汽车保险杠专用料，原材料绝大部分选用国产料，从而为高性能汽车保险杠料的国产化奠定了基础。
1 实验部分
1.1 主要原料
共聚PP:CB5290，韩国大韩油化工业株式会社；
共聚PP:7760，石化北京燕化石油化工股份有限公司；
共聚PP:9035，石化北京燕化石油化工股份有限公司；
均聚PP: Z30，大连西太平洋石油化工有限公司；
接枝PP：市售；
聚烯烃弹性体（POE）：POE8150、POE8003、Du-Pont DOW Elastomers L.L.C；
POE: POEDF605，三井弹体塑胶新加坡有限公司；
三元乙丙橡胶（EPDM）：EPDM 3745P，DuPontDOW Elastomers L.L.C；
滑石粉、云母、碳酸钙：均约10μm（1250目），市售；
硫酸钡：约15μm（800目），市售。
1.2 主要设备与仪器
双螺杆挤出机：南京橡塑机械厂；
注塑机：SZ-160型，宁波东方塑料机械有限公司；
电子拉伸试验机：美国Instron公司；
智能数显冲击试验机：TAJD型，承德德胜试验机厂；
熔体流动速率（MFR）仪：μPTARZ-400C型，吉林大学科教仪器厂；
维卡热变形温度测试仪：TARW-300MA型，承德宝华电器有限公司；
氙灯老化仪:SH60B II型，四川银河实验仪器有限公司。
1.3 试样制备
按配比准确称量原辅材料，加入高速搅拌机，充分混合均匀后，利用双螺杆挤出机挤出、造粒。挤出温度为205～215℃，螺杆转速为240 r/min。将粒料置于80℃烘箱中烘干2h后，利用注塑机制备标准试样。注塑温度为190～200℃。
1.4 性能测试
MFR按GB/T 3682-2000测试；
拉伸性能按GB/T 1040-1992测试；
弯曲性能按GB/T 9341 -2000测试；
简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043-1993测试；
悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1843-1996测试；
热变形温度按GB/T 634-1989测试。
2 结果与讨论
2.1 材料组分的选择
（1）PP基料
PP自身的性能对汽车保险杠料的性能有着的非常重要的影响。由于汽车保险杠料对刚性、流动性的要求较高，所以我们选用几种MFR较高的PP做基料，其性能见表1。表2列出不同PP基料保险杠专用料的性能对比。
由表1可以看出，CB5290流动性高、弯曲弹性模量大，适宜用作高流动、高刚性保险杠料的基料。而7760的流动性、刚性、韧性等性能指标比较均衡。从表2可以看出，采用7760为基料的专用料的性能比较均衡，兼顾了流动性、韧性和刚性。虽然以CB5290和730为基料的专用料的拉伸强度和弯曲强度较高，但冲击强度较低。7760由于引入了乙烯单体，冲击强度较高，与POE的相容性较好，同时又可以降低POE的用量以降低成本，考虑货源国产化、供应、价格问题，故选用7760为基体树脂。
（2）增韧剂
分别向PP基料中加入20份不同增韧剂，考查不同增韧剂对专用料性能的影响，结果列于表3。表3可以看出，POE8003增韧所得的专用料的性能较佳，而EPDM 3745P增韧所得的专用料的性能较差。这是因为EPDM比PP的粘度大很多，不容易分散，需要较强的剪切。同时，EPDM的加入使材料的流动性能下降很大，若加入过氧化物调节流动性，则会发生众多形式的交联，歧化反应，对材料性能影响较大，且残存的过氧化物或共混过程中形成的不稳定结构会影响制品的耐侯性。而POE具有窄的分子量分布和一定的结晶度，且不含双键，与EP-DM相比，它有较小的内聚能，较高的剪切敏感性，加工时与聚烯烃相容性好。由于POE与PP的表观切变粘度对切变速率或温度的依赖性较相近，容易得到更小的分散相粒径和较窄的粒径分布，因而在PP基体中的相容性和分散性更好，其增韧效果往往优于EPDM。故选用POE8003作增韧剂。
图1、图2、图3示出POE8003用量对材料力学性能的影响。由图1、图2、图3可知，随POE8003用量的增加，材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量都呈下降趋势，缺口冲击强度逐渐提高，在用量为15～20份时，冲击性能有较大的飞跃，已经达到较好的增韧效果。这可以用Dr. Wu提出的基体剪切带屈服逾渗理论来解释，分布在基体树脂中的分散相粒子，粒间距或称为界面带厚度存在一个临界尺寸Lc，当L＜Lc时，粒子间的相互作用力可以引起基体的剪切屈服，从而吸收外部的冲击能量。这种剪切带屈服对外部能量的吸收占据了主导地位。因此，在固定的剪切分散条件下，材料的韧性随POE用量增加呈现一定的突变。
（3）填料
为增加材料的刚性，保证成型制品的尺寸稳定性，我们选取硫酸钡、滑石粉、云母和碳酸钙进行对比实验。硫酸钡和碳酸钙采用钛酸酯偶联剂处理（用量为填料质量的0.5%），云母采用硅烷偶联剂处理（用量为填料质量的0.5%），滑石粉经过特殊表面处理。表4列出采用不同填料制得的专用料性能对比。从表4可以看出，云母对PP弯曲弹性模量的贡献大，滑石粉次之。这是由于硫酸钡和碳酸钙都为圆形颗粒填料，对提高材料的模量贡献不大。而云母和滑石粉都为片状填料，其片层结构为材料提供了高的模量。综合考虑，采用特殊处理的滑石粉做填料，此时材料的综合性能好。
2.2 关键性能的改进
（1）流动性能
汽车保险杠属于大尺寸薄壁制品，要求物料在满足力学性能的前提下具有较高的流动性。国内汽车保险杠料的MFR大多在2～18g/10min，而国外料的MFR可达到28g/10min以上，同时还可以保持较高的刚性和冲击性能。为赋予材料更好的流动性，我们在选用高MFR PP基料的基础上又加入了一种新型分散润滑剂EB，它含有多种极性和非极性官能团，具有较好的内外润滑作用。图4、图5示出EB的用量对材料流动性能和缺口冲击性能的影响。
从图4、图5可以看出，分散润滑剂EB可明显改善材料的流动性，同时材料的冲击强度也有所提高。这是因为分散润滑剂EB中含有大量极性基团和非极性官能团，因此一方面它与PP相容性很好，另一方面，极性基团又使它对滑石粉颗粒有较牢固的结合性，起到了偶联剂的作用，因此提高了滑石粉在基体树脂中的分散性和结合强度，使冲击强度也得到提高。在EB质量分数为1.5%时，材料的MFR达到30g/10min，同时简支梁缺口冲击强度达到43kJ/m2，悬臂梁缺口冲击强度达到40kJ/m2。
（2）刚性
我们通过3条途径同时来提高材料的刚性：一是加入填料增强；二是加入高性能PP成核剂TA，通过提高PP结晶度来提高刚性；三是加入大分子偶联剂接枝PP,增强填料、成核剂的分散效果，提高填料与基体的结合牢度，充分发挥填料增强作用。
表5列出成核剂TA用量对材料弯曲弹性模量及其它性能的影响。由表5可以看出，成核剂TA的加入提高了材料的弯曲弹性模量、热变形温度、冲击强度。原因是成核剂使PP结晶度提高并细化了PP晶区尺寸。由表5可以看出，当成核剂TA质量分数为0.3%时，材料的综合性能好。
图6示出马米酸酐接枝PP用量对材料弯曲弹性模量的影响。由图6可见，马来酸酐接枝PP质量分数为3%时，材料的弯曲弹性模量已明显提高，此后提高比较缓慢。马来酸酐接枝PP的佳质量分数为3%。
3 产品应用
研制的保险杠专用料在富奥东洋公司经过注塑成型、喷涂后，被用于马自达6轿车的汽车保险杠外饰。应用结果表明，该保险杠专用料流动性良好，减少了产品成型压力和注塑温度，降低了加工能耗。同时，成型周期较一般产品要短，生产效率大大提高。材料性能波动较小，产品尺寸稳定。落锤冲击实验表明，该保险杠韧性优良，没用明显破坏现象。该保险杠安装尺寸稳定，刚性好，不易变形，装车紧固过程无应力发白现象。喷涂性能优良，保险杠与喷漆的结合牢度很好，完全能通过刻划剥离实验。表6列出笔者研制的汽车保险杠专用料与进口料的性能比较。由表6可以看出，研制的专用料的综合性能良好，完全达到进口材料性能。
4 结论
（1）以PP为基料、POE为增韧剂、滑石粉为填料制备的汽车保险杠专用料具有良好的成型加工比、高刚性及优良的抗冲击性能，可替代同类进口产品。
（2）新型分散润滑剂EB的加入大大改善了专用料的流动性能，同时也提高了材料的冲击性能。
（3）成核剂TA的加入能明显提高材料刚性，同时流动性和其它力学性能也有所提高，是一种高效的增刚、增韧功能助剂。在TA质量分数为0.3%时体系能达到较好的刚性和韧性的平衡。同时，缩短了保险杠成型周期，提高了产品生产效率，取得了良好的经济效益。
（4）马来酸酐接枝pp可以大幅提高材料的弯曲弹性模量、热变形温度和材料的喷涂性。
