刘 茜 （上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200000）
聚丙烯材料由于其较好的耐冲击性能、机械性能，优良的耐各种溶剂性能，抗光照老化性能，以及较低的成本，而广泛应用在汽车内外饰零件上。近年来，随着汽车销量的提升，节能环保越来越受到消费者的关注，轻量化已成为业内炙手可热的话题。聚丙烯材料作为整车用量最大的塑料材料，轻量化的改性材料具有广阔的应用前景。
空心玻璃微珠的密度一般只有0.3～0.5 g/cm3，是一种轻量化的填料。采用空心玻璃微珠改性聚丙烯材料，并通过长玻纤增强，可以获得与滑石粉改性聚丙烯性能相当的轻量化材料，将其应用于汽车内饰零件，可以达到良好的减重效果。
1.1 试验原材料
聚丙烯（BX3800），韩国SK；
空心玻璃微珠（VS5500，承压2 495 kg和IM16K，承压7 257 kg），美国3M；
玻纤（GF 508A），巨石；
耐刮擦剂（MB50-001），道康宁；
除味剂（JH-200A），嘉和化工；
抗浮纤剂（Tegomer H-Si 6441P），德固赛；
分散剂（EBFF），花王；
相容剂（Bondyram 100CN），Polyram。
1.2 试验设备
双螺杆挤出机（科倍隆ZSK-58），德国；
注塑机（HTFS30X1），海天；
电动划格仪（430P-I），ERICHSEN；
高低温交变湿热试验箱（EEXTH400U），安吉拉通力增达；
恒温恒湿试验机（KSON KTHC-415THS），中国台湾庆声。
1.3 制样过程
1.3.1 材料粒子制备
树脂和各种助剂经过高速混匀后，从主喂料加入；
采用双侧喂的方式将空心玻璃微珠和玻纤加入双（或单）螺杆挤出机进行熔融挤出，再经造粒机切粒即可得空心玻璃微珠改性聚丙烯材料。挤出温度为200～240 ℃，螺杆转速300～600 r/min。生成的粒料在80 ℃烘箱中干燥4 h后，注塑成样条，测试其物理性能。
1.3.2 样件制备
采用空心玻璃微珠改性的材料，利用现有普通门饰板的模具，注塑零件。提高料温至250 ℃，增加材料的流动性，有利于获得更好的零件表面质量；
增加注塑压力至9 MPa，减少材料在螺杆中的时间，减少空心玻璃微珠的破碎，以获得更好的减重效果。
1.4 性能测试
所有注塑成型的样品及零件在成型后立即封入标准气压下［温度（23±3）℃，相对湿度50 %］的除湿箱中至少24 h，然后再按照要求进行各项试验。
2.1 玻璃微珠牌号选择对材料性能的影响
选 择VS5500、IM16K和7040S 3种 牌 号 的 空 心玻璃微珠，其基本性能见表1。由表1可知，VS5500的密度最小，IM16K的密度最大，承压性能也最好，7040S的承压性能最差。
表1 空心玻璃微珠的性能参数Table 1 Performance parameters of hollow glass beads
采用上述3种牌号的空心玻璃微珠制备样条，进行材料级试验，结果如表2所示。
表2 空心玻璃微珠改性PP材料的性能Table 2 Properties of PP materials modified by hollow glass beads
由 表2可 见，经VS5500和IM16K改 性 后 的PP材料的拉伸强度和弯曲模量符合T20材料标准，由于空心玻璃微珠的加入，材料密度下降明显，冲击强度明显下降。经7040S改性后的材料性能更接近PP-GF10，推测由于采用的微珠抗压性较低，玻璃微珠在制备过程中大量碎裂，未能起到轻量化的效果。以轻量化为导向，后续试验采用轻量化效果最佳的IM16K继续进行。
2.2 不同配方的性能对比
选择IM16K型玻璃微珠作为填料，并添加一定比例的玻璃纤维增强聚丙烯（PP）材料，玻璃微珠（GB）的质量分数分别为10 %、20 %、25 %，玻璃纤维（GF）的质量分数分别为5 %、10 %、15 %，试验结果与整车内饰常用材料PP-T20（聚丙烯添加20 %滑石粉材料）的对比如表3所示。
表3 不同配方的改性材料性能Table 3 Properties of modified materials with different formulations
2.2.1 密度变化
在相同玻璃纤维含量的材料中，空心玻璃微珠的含量和材料密度存在线性关系，随着空心玻璃微珠含量的增加，材料的密度降低。说明加入空心玻璃微珠可以起到较好的减重效果。
2.2.2 强度变化
在相同玻璃纤维含量的材料中，空心玻璃微珠含量和材料的弯曲模量存在线性关系，随着空心玻璃微珠含量的增加，材料的弯曲模量降低。原因是空心玻璃微珠的中空结构会成为材料中较为薄弱的环节，如果微珠破裂，也易产生孔洞，对材料强度造成不利影响，导致弯曲强度下降。
2.2.3 韧性变化
在相同的空心玻璃微珠的材料中，玻璃纤维含量和材料的冲击强度存在线性关系，随着玻璃纤维含量的增加，材料的冲击强度增加，玻璃纤维起到了补强增韧的效果。但随着空心玻璃微珠含量的增加，玻璃纤维增韧的效果减弱，这可能是由于随着空心玻璃微珠含量的增加，微珠及玻璃纤维混合碎裂的可能性增大，影响了玻璃纤维的增韧效果。
2.3 样件的性能分析
内饰材料的冲击强度应≥4 kJ/m2，因此选择10 %空心玻璃微珠，15 %玻璃纤维增强的聚丙烯材料，应用改性后的PP-GB10GF15和改性前的PP-T20材料制备门饰板，分别命名为“改性PP门饰板”和“普通PP门饰板”，并且进行相关试验。
2.3.1 质量对比
普通PP门饰板质量为207.1 g，改性PP门饰板质量为181.7 g，减重了12.3 %，效果比较明显。改性PP门饰板和普通PP门饰板零件外观差别不大，在零件缩痕等方面还略有改善。
2.3.2 性能检测结果
改性PP门饰板零件性能测试结果如表4所示，均符合试验要求，这说明改性PP门饰板可以满足内饰零件的基本要求。
表4 改性PP门饰板零件性能测试结果Table 4 Performance test results of modified PP door trim parts
本项目研究空心玻璃微珠改性聚丙烯材料，替代常规的滑石粉增强聚丙烯材料，取得以下成果：
（1） 筛选原材料，选取抗压强度较高的美国3M IM16K空心玻璃微珠为原料；
（2） 调整配方和选材比例，改性聚丙烯材料的最优配比为10 %空心玻璃微珠、15 %玻璃纤维和75 %的聚丙烯；
（3） 通过小批量配方研制、试制样件，无需修模，较高的料温和较大的注塑压力，有利于减少原材料在螺杆中的时间，获得轻量化的试样，相比20 %滑石粉增强聚丙烯材料减重12.4 %；
（4） 零件经过试验后，尺寸、外观和性能都满足零件要求。
本项目研究了空心玻璃微珠改性聚丙烯材料的最优选材配方和最佳配比，以及生产工艺的注意事项，为开发轻量化的空心玻璃微珠改性聚丙烯材料打下了基础。
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