全面解析汽车轻量化材料“新宠儿”——长玻纤增强聚丙烯复合材料

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21世纪以来，由于燃料和原材料的价格上涨以及环保法规对尾气排放的限制日趋严格，使得汽车工业轻量化进程的必要性和紧迫性受到广泛关注。复合材料以其质轻的优势逐渐成为实现汽车轻量化的主要途径之一，长玻纤增强聚丙烯复合材料顺应了汽车轻量化趋势，近年来受到各大汽车主机厂及改性塑料行业的高度关注及广泛应用。

图1 长玻纤增强聚丙烯产品示例

一、玻纤增强聚丙烯复合材料在汽车轻量化浪潮中如何发挥其优势？

长玻纤增强聚丙烯复合材料是以热塑性聚丙烯树脂为基体，以长玻璃纤维为骨架的增强材料，其众多优势如下：

• 与金属材料相比，长玻纤增强聚丙烯复合材料具有高刚度、高强度、高耐热性、抗蠕变性、尺寸稳定性和使用寿命长、较低的密度、低成本及可循环使用等优点。

• 产品具有设计自由度高，可根据不同的要求设计出复杂的汽车制件，正在取代汽车仪表板、汽车车身和底盘零件中金属或工程塑料制件，在汽车窗饰、仪表盘、前端支架、车身底架以及座椅、电池托架、备用胎舱等零部件具有广泛的应用。

  表1 不同含量的长玻纤性能对比

二、如何保障长玻纤增强聚丙烯材料的性能发挥？

长玻纤增强聚丙烯材料性能和玻纤含量、玻纤长度、玻纤分散性及分布均匀性等因素相关。材料注塑制件后的玻璃纤维在聚丙烯基体中形成三维网络结构，玻璃纤维会发生缠结形成骨架结构，以承担较大的应力和载荷，能有效吸收能量，从而具有更优异的力学性能。

合肥会通长玻纤增加聚丙烯材料采用自主研发的模头技术、特殊的浸渍工艺，使得连续纤维在聚丙烯中定向排列，纤维在基体中分散充分，每根玻纤能得到充分的浸润，保证产品的力学性能，外观良好（其分散性见下图2、图3）。

图2 浸润型长玻纤增强聚丙烯粒子

 图3 50含量的长玻璃纤维分散性

三、长玻纤增强聚丙烯为啥会这么容易外露，如何破解？

由于聚丙烯与长玻纤不相容，复合过程中难以形成很好的界面粘结强度，并且基体与玻纤密度和流动性的差异，导致相容性较差，纤维在基体中分散差，熔体在模具内流动时，长玻纤容易脱离基体，滞留在制件表面，造成制件表观不良（如图4所示）。

图4  纤维增强聚丙烯注塑方向上纤维分布

解决方案：

为了有效解决玻纤增强材料的界面相容性，合肥会通自主研发的纤维表面接枝活性处理技术的处理后，纤维表面接枝活性基团，能极大地改善长玻纤与树脂基体的相容性，配以分散剂、润滑剂、抗玻纤外露剂等加工助剂，提高树脂对每根纤维的包覆能力，加强玻纤的流动性，增强玻纤与树脂的结合能力，让纤维与基体之间形成一个界面层，增强了纤维与树脂的粘合强度，形成稳定的结构，实现两者的相容性，保证在基体中纤维分散均匀，同时形成良好的表观，防止制件表面纤维外露和浮纤严重（如图5所示）。

图5  50%GF长玻纤粒子注塑圆片玻纤分散以及浮纤状态

四、长玻纤增强聚丙烯材料翘曲变形，如何破解？

长玻纤的加入能明显降低聚丙烯的成型收缩率，但是玻纤在基体中易产生取向不均，增大材料各向的收缩差异，导致在熔胶流动方向上的收缩率和垂直方向收缩率差异大，产生产品翘曲变形，导致制件无法装配（如图6所示）。

图6  长玻纤增强聚丙烯与常规长玻纤增强聚丙烯翘曲度对比

解决方案：

通过改善纤维与基体相容性，增强两者粘合强度，提高纤维与基体的界面结合力，在注塑过程中大大改善纤维取向的均匀性，降低材料的翘曲变形度。少量的矿物填充，例如云母、玻璃微珠也能改善纤维取向，降低材料的翘曲程度，但会导致某些机械性能的损失。

五、长玻纤增强聚丙烯材料与微发泡技术的“联姻”

聚丙烯微发泡具有独特的“三明治”结构，包含致密的表层和泡孔细腻而均匀的芯层，能显著降低制件重量，实现轻量化。研究发现，玻璃纤维具有很大的长径比，大的表面积，能够成为泡孔成核点，是一种理想的泡孔成核剂，赋予聚丙烯细腻与均匀的泡孔。

解决方案：

合肥会通成功开发的微发泡长玻纤增强聚丙烯复合材料，将微发泡技术和长玻纤技术实现完美的结合，泡孔细腻、均一，泡孔直径在70um左右（如图7所示），开发的微发泡长玻纤增强聚丙烯复合材料即能满足聚丙烯微发泡轻量化要求，又能大幅度提高材料的机械强度、抗冲击性能、耐热性，均匀的微孔能消除材料内部残余的应力，改善玻纤制件的翘曲变形，制备出更平、更直和尺寸精度更高的制品，可以广泛用于汽车仪表盘、前端支架、车身底架以及座椅等汽车内外塑料制件（如图8所示）。

图7  合肥会通微发泡长玻纤增强聚丙烯复合材料

图8  微发泡长玻纤增强聚丙烯应用于某汽车门内板

六、长玻纤增强聚丙烯轻量化的应用实例

虽然长玻纤在汽车轻量化的应用优势很大，但如果玻纤含量把握不好，或者是玻纤分散不好、分布不均匀，极可能引起玻纤外露或翘曲等问题。合肥会通将微发泡技术和长玻纤技术实现完美结合，开发出微发泡长玻纤增强聚丙烯复合材料，较好地解决了上述问题，有效推进了汽车轻量化进程。

应用案例：

长玻纤增强聚丙烯的仪表板骨架  

汽车安全气囊盒

      后视镜转轴

   天窗框       排挡盒底座   

发动机底护板  

对合肥会通长玻纤增强聚丙烯复合材料感兴趣或者想进一步技术交流的朋友，可以联系合肥会通新材料有限公司技术工程师周先生。

电话：[phone]

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