汽车保险杠用PP/GF/POE复合材料的制备及性能研究

来源：市场资讯

（来源：聚烯烃人）

聚丙烯（PP）本身的冲击韧性与低温性能较差，难以满足汽车保险杠等关键部件对高安全性和高可靠性的要求；玻璃纤维（GF）可作为增强相引入提升PP 刚性与热尺寸稳定性，但易造成体系韧性不足。乙烯-辛烯共聚物（POE）弹性体可增韧PP、改善低温冲击，不过过量添加会降低复合体系的模量与热性能。在GF增强与POE增韧之间实现刚性与韧性的平衡是开发高性能PP基复合材料的核心。因此，本研究以均聚PP为基体，采用熔融共混法制备聚丙烯/玻璃纤维/乙烯-辛烯共聚物（PP/GF/POE）复合材料，系统考察POE含量对力学性能、热性能、尺寸稳定性、流变行为和热空气老化特性的影响。

样品制备

表1为PP/GF/POE复合材料的配方。增强相短切GF添加量固定为30%，增韧剂POE设定不同添加质量分数（0、5%、10%、15%和20%），其余部分为 PP。各组分按配比称量后高速预混实现初步分散，随后混合料经双螺杆挤出机熔融共混造粒，所得粒料干燥后通过注塑成型得到标准测试试样。

表1 PP/GF/POE复合材料的配方 单位：100%

力学性能分析

由表2可见，CK具有最高的拉伸模量（6.2GPa）和屈服强度（125MPa），但断裂伸长率仅为2.6%，缺口冲击强度在室温下为10.5 kJ/m2，低温（-30℃）条件下仅为6.1 kJ/m2，表现出显著的脆性特征。随着POE含量的增加，材料的模量和强度略有下降，但冲击韧性和延展性显著提升。当POE质量分数为15%时，断裂伸长率提高至8.3%，室温和低温冲击强度分别提升至33.8 kJ/m2和24.5 kJ/m2，分别比CK增加约222%和302%，表明适量POE的引入在保持基本刚度的同时，显著改善了复合材料的低温抗冲击性能。

表2 PP/GF/POE复合材料的力学性能

VST分析

由图1可见，PP/GF/POE 复合材料VST随POE含量升高逐步下降：CK的VST为151.3 ℃，POE质量分数15%时降至142.8 ℃，仍高于140.0 ℃。POE的引入会削弱基体的热形变阻力，但GF增强相可约束PP链段热运动、提升热变形温度，因此该体系相较纯 PP（VST一般仅110~120 ℃）仍具备优异热尺寸稳定性。材料在冲击韧性大幅提升的同时，热性能可满足汽车保险杠高温工况使用要求。

图1 PP/GF/POE复合材料的VST

CTE分析

由图2可见，沿流动方向（LD）的CTE显著低于沿横向方向（TD）；CK沿LD、TD的CTE分别为38.2×10-6 K-1、98.5×10-6 K-1，复合材料的CTE随POE含量增加在两个方向上均呈现缓慢上升趋势。其中，P15沿LD和TD的CTE分别为45.6×10-6 K-1和109.7×10-6 K-1，较CK增加约19%和11%；P20沿LD和TD的CTE 进一步升高至 48.8×10-6 K-1与113.9×10-6K-1。故POE的引入增强了基体链段的自由体积和热运动，从而导致CTE上升，但GF的增强作用在体系中仍起主导作用，即使POE含量最高的P20的CTE依旧显著低于纯PP，显示出良好的尺寸稳定性。综合来看，P15兼顾较低CTE、提升的冲击韧性与合格模量，实现尺寸稳定性与抗冲击性能最优平衡。

图2 PP/GF/POE复合材料的CTE

MFR分析

由图3可见，PP/GF/POE复合材料MFR随POE含量增加逐步上升：CK为8.2 g/10 min，POE质量分数5%~20%时MFR升至8.6~10.5 g/10 min，P15达9.8 g/10 min，较CK提升约19.5%，这主要与POE的低黏度特性和其在熔融态下对体系流动性的改善有关。30%GF的固定加入在体系中仍然起到黏度阻碍作用，令MFR稳定在8~11 g/10 min，兼顾加工流动性并规避力学性能劣化，同时POE能一定程度弥补GF引起的流动性下降。

图3 PP/GF/POE复合材料的MFR

SAOS分析

由表3可见，CK样品的G'为2.1×104 Pa，G''为3.8×104 Pa，η*为 4.2×103Pa·s，tan δ为1.81。当POE质量分数增加至15%时，P15样品的G'和G''分别降至1.4×104 Pa与3.1×104 Pa，η*降至3.3×103Pa·s，tan δ提升至2.21，表明体系黏弹行为中能量耗散能力增强。P15兼具中等η*与增强的能量耗散（高tan δ），可在保证加工易性的同时提供优良的冲击韧性。

表3 PP/GF/POE复合材料的线性黏弹参数

热空气老化分析

由图4可见，PP/GF/POE复合材料的力学性能在高温环境下随老化时间延长逐步衰减。CK在150 ℃热空气老化500 h后，拉伸强度保持率72.4%，缺口冲击强度保持率仅54.3%，性能明显劣化；随POE含量上升，性能保持率整体提高，其中P15拉伸强度与冲击强度保持率分别达81.3%、72.9%，优于CK。适量POE可借助柔性链段耗散能量、钝化裂纹，抑制热氧引发的性能衰减，同时GF骨架可缓解PP基体热氧降解；但POE增至20%时保持率回落，推测过量POE增多相界面，更易发生氧化降解。

图4 PP/GF/POE复合材料的热空气老化性能

总结

综合分析表明，PP/GF/POE复合体系在POE质量分数为15%时实现了力学性能、热稳定性与加工性能的协同优化，具有作为汽车保险杠结构材料的应用潜力。