長玻纖增強聚丙烯在汽車儀表板輕量化上的應用

摘要:長玻纖增強聚丙烯材料（PP-LGF）作為一種輕質高強的復合材料滞造，在滿足汽車零部件性能的同時续室，對零部件減重具有明顯貢獻，目前在汽車零部件應用上備受青睞谒养。文章主要介紹了PP-LGF在汽車儀表板輕量化方面的應用和發(fā)展現(xiàn)狀挺狰，詳細介紹了薄壁注塑、物理發(fā)泡买窟、化學發(fā)泡三種成型工藝實現(xiàn)儀表板輕量化的技術概況她渴，并展望了PP-LGF在儀表板上的應用前景。

近年來蔑祟，隨著我國經濟的不斷發(fā)展趁耗，汽車工業(yè)也得到了快速發(fā)展。然而疆虚，由此引發(fā)的環(huán)境問題也日益嚴重苛败，通過汽車輕量化來降低油耗從而降低環(huán)境污染，已經成為汽車行業(yè)的研究熱點径簿，其中罢屈，使用質量更輕的非金屬材料替代傳統(tǒng)金屬材料的研究在近年來也取得了較大進展[1]。運用復合材料來部分取代車身結構件及內篇亭、外飾裝飾件是汽車輕量化的一種行之有效的方法缠捌。在眾多的復合材料中，長玻纖增強聚丙烯材料（PP-LGF）以其低廉的價格译蒂、優(yōu)良的力學性能和環(huán)境友好性而獲得更多的青睞曼月。與短玻纖增強聚丙烯材料（PP-SGF）相比，PPLGF在強度柔昼、剛度哑芹、翹曲度、耐疲勞捕透、缺口沖擊強度和尺寸穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢聪姿，因此碴萧，使用PP-LGF生產的汽車零部件可進一步實現(xiàn)重量及成本的降低。

1 長玻纖增強聚丙烯材料性能特點

長玻纖增強聚丙烯材料的制備工藝主要分為5種末购，即熔融浸漬破喻、溶液浸漬、粉末浸漬盟榴、纖維混編工藝以及薄膜疊層工藝[2]曹质，而在汽車零部件領域主要應用的為熔融浸漬法。熔融浸漬法生產的PP-LGF粒子的長度一般為8mm～15mm曹货，其中玻纖的含量可達20%～60%咆繁，粒子中玻纖的保留長度可達1mm～3mm,如圖1所示讳推，相較于玻纖保留長度僅為0.2mm～0.4mm的PP-SGF材料顶籽，PPLGF因其內部纖維構成的三維網(wǎng)絡結構，可保證產品具有更優(yōu)的力學性能银觅、抗沖擊性能礼饱、耐蠕變性能等特點，更加適合應用于汽車領域對結構性能要求較高的零部件究驴。

此外镊绪，如表1所示，隨著纖維含量的增加洒忧，PP-LGF的性能也隨之提高蝴韭。

圖1 PP-LGF（左）和PP-SGF（右）中玻纖分布情況

Fig. 1 Distribution of glass fiber in PP-LGF (left)and PP-LGF (right)

表1 不同玻纖含量PP-LGF材料和PP-SGF材料性能對比

Table 1 Comparison of properties of PP-LGF and PP-SGF with different glass fiber content

2 長玻纖增強聚丙烯材料在儀表板上的應用

儀表板是汽車內飾中的重要部件，為提升汽車內飾的感知質量熙侍，中榄鉴、高檔車型普遍會采用軟質儀表板，即在儀表板骨架表面增加軟質表皮層蛉抓。儀表板骨架作為儀表板系統(tǒng)的主體部件庆尘，同時也是電器件和其他功能件的承載結構，因此要求其具有高強度及高剛性巷送，目前在儀表板骨架上使用最為廣泛的為PP材料驶忌，采用相同密度的PP-LGF材料替代傳統(tǒng)PP材料，在滿足相關性能的同時笑跛，可提升儀表板吸能性能付魔，同時可將現(xiàn)有儀表板骨架的設計厚度由3mm～3.5mm降低到1.8mm～2.5mm，從而降低儀表板骨架重量飞蹂，推動汽車內飾輕量化抒抬。

以下將從PP-LGF應用于儀表板上的薄壁注塑、物理發(fā)泡晤柄、化學發(fā)泡三種成型工藝方面擦剑，介紹PP-LGF在儀表板輕量化方面的應用妖胀。

2.1 薄壁注塑

薄壁注塑工藝是直接將產品壁厚減薄，在模具中進行加工的一種成型方法惠勒，與傳統(tǒng)PP材料注塑的3mm～3.5mm壁厚的儀表板骨架相比赚抡，PP-LGF材料運用薄壁注塑工藝制造的儀表板骨架產品壁厚一般為2.5mm左右，整體減重可達約25%纠屋。該工藝的投入成本較低涂臣，重量優(yōu)勢明顯。目前售担，該工藝在國內和國外合資品牌中赁遗，如吉利、大眾族铆、上汽岩四、福特等均有應用，一般選擇PPLGF20材料哥攘，設計的產品壁厚一般為2.2mm～2.5mm剖煌。

然而，薄壁注塑工藝也存在兩點問題逝淹，首先是該工藝的模具成本較高耕姊，使用薄壁注塑，成型模具需要采用熱流道設計栅葡，熱流道模具的成本要比普通注塑工藝的模具成本高茉兰。其次，注塑工藝管控和注塑精度要求高欣簇，因為PP-LGF中長玻纖分布的各向異性[3]规脸，采用PP-LGF材料的薄壁注塑產品翹曲變形較為嚴重，尺寸穩(wěn)定性較差醉蚁。

2.2 物理發(fā)泡

物理發(fā)泡工藝又稱為MuCell 工藝燃辖，它是以熱塑性材料為基體，通過將超臨界流體（二氧化碳或氮氣） 溶解到熱熔膠中形成單相溶體网棍，并保持在高壓力下黔龟，然后，通過開關式射嘴射進溫度和壓力較低的模具型腔滥玷，由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性從而在產品內部形成從十到幾十微米不等的封閉氣泡微孔[4-5]氏身，該項技術早期由麻省理工學院發(fā)明，1995年由美國Trexel公司將技術實現(xiàn)全球商品化惑畴。

MuCell 工藝優(yōu)勢為成型周期短蛋欣、產品尺寸穩(wěn)定性好、翹曲低如贷、產品輕量化和工藝適用性廣陷虎。MuCell工藝使用超臨界流體到踏，可有效降低PP-LGF材料黏度, 提高熔體流動性。泡孔成長壓力代替?zhèn)鹘y(tǒng)注塑中的保壓階段尚猿，縮短成型周期窝稿，同時，可使壓力分布均勻凿掂，有效降低PPLGF產品內應力伴榔，降低因長玻纖各項異性導致的產品翹曲，增加產品的尺寸穩(wěn)定性庄萎。另外踪少，泡孔填充可有效避免產品表面縮痕，微孔結構擴充糠涛，降低材料密度援奢，產品重量減輕，較同材質實體脱羡，重量可降低5%～10%萝究。目前免都，福特新蒙迪歐在儀表板骨架上應用了該工藝锉罐，骨架產品設計壁厚2.4mm，相較于實心材料重量降低了10%绕娘，此外脓规，長城和大眾也有應用于此項技術。

MuCell 工藝的缺點是一次性投入高险领，工藝難度大侨舆，同時相關研究表明，使用該工藝對儀表板減重比控制在3%～8%時绢陌，產品性能會下降10%左右挨下，基本滿足性能要求，減重超過8%脐湾，機械性能和耐熱老化性能急劇下降臭笆，不能滿足要求。若使用MuCell 工藝推薦減重比為3%～5%秤掌。

2.3 化學發(fā)泡

化學發(fā)泡工藝包括模內發(fā)泡工藝和二次開模發(fā)泡工藝（core-back）（如圖2所示）愁铺，二者均是在注塑過程中，利用塑料粒子中加入的碳酸氫鈉和碳酸銨類的無機發(fā)泡劑闻鉴，受熱分解產生的二氧化碳等氣體茵乱，使產品形成微孔發(fā)泡結構，以降低材料密度孟岛，減輕產品重量[6]瓶竭。

其中督勺，core-back工藝因使用了二次開模，相較于模內化學發(fā)泡斤贰，發(fā)泡的倍率更高玷氏，產品中形成的泡孔數(shù)量更多，產品的減重比更大腋舌。一般來說盏触，模內化學發(fā)泡的減重比相比于實心材料在5%～8%左右，而core-back工藝可高達30%～50%块饺，具體根據(jù)退模行程決定赞辩。同物理發(fā)泡工藝一樣，化學發(fā)泡工藝可在PP-LGF材料應用減重的同時授艰，減少產品翹曲變形辨嗽，提升產品穩(wěn)定性，而且二次開模發(fā)泡工藝能夠適用于做外觀件淮腾。目前糟需，寶馬5系已在儀表板骨架上應用了PP-LGF的core-back工藝，產品壁厚由初始1.8mm左右發(fā)泡到3.8mm谷朝，重量降低了約40%洲押，此外大眾的部分車型也已使用模內化學發(fā)泡工藝。

core-back工藝的缺點是發(fā)泡劑較貴圆凰，開模的周期較長杈帐，模具成本也比模內發(fā)泡模具高，而且該工藝的技術難度較高专钉，后期調試周期較長挑童，產品的綜合成本較高。模內發(fā)泡工藝的缺點是發(fā)泡劑較貴跃须，產品的減重效果不是特別明顯站叼，減重效果低于薄壁注塑工藝，物理發(fā)泡工藝和core-back工藝菇民。

圖2 二次開模發(fā)泡示意

Fig. 2 Schematic diagram of secondary mold opening foaming

3 PP-LGF在儀表板輕量化上應用展望

輕質高強復合材料在汽車零部件上的應用已經成為汽車輕量化技術的應用焦點尽楔，PP-LGF憑借其優(yōu)異的材料特性和減重效果，已成為汽車儀表板輕量化的重要途徑玉雾，具有良好的實用價值翔试。目前PP-LGF材料已經在國內外眾多車型上成功應用。在滿足儀表板性能要求的基礎上复旬，采用PP-LGF的儀表板可以大幅度減重垦缅，同時也具有結構強度更好的優(yōu)勢，產品綜合成本上也與傳統(tǒng)材料相當驹碍，因此壁涎，PP-LGF材料在未來汽車儀表板的輕量化中必將有更加廣泛的應用凡恍。