不同发泡体系EPP 对性能的影响

时间：2024-07-28

郑广通，叶明，倪忠斌，施冬健（通信作者）

（1 无锡会通轻质材料股份有限公司江苏无锡 214000）

（ 2 江南大学化学与材料工程学院江苏无锡 214122）

0 引言

发泡聚丙烯以其优异的综合性能，目前已成为增长最快的轻量化材料之一，在乘用车领域应用较广，对于汽车工业节能减排目标作出了较大的贡献［1］。

发泡聚丙烯釜压发泡工艺一般采用高熔体强度的聚丙烯作为原料，进行螺杆改性后，通过超临界二氧化碳釜压发泡，制备出发泡聚丙烯珠粒［2-6］。发泡聚丙烯珠粒在专用模具中通过蒸汽加热成型出所需制件。因使用场景要求，部分制件需要有较高的机械性能，故需选用熔点更高、力学性能相对优异的二元共聚聚丙烯进行发泡研究；但是，当选用的聚丙烯自身熔点高，其发泡后所制备的珠粒在进行成型过程中所需要的蒸汽能耗随之升高。换言之，发泡聚丙烯制件的机械性能主要受原料聚丙烯自身的力学性能以及珠粒与珠粒间的黏接性能共同影响。当聚丙烯自身力学性能较优时，结晶度较高，成型压力也必然提高；而对于尺寸较大、结构较复杂的制件，成型过程中蒸汽穿透各珠粒间所需要的压力更大，由此可以看出其珠粒间的黏接性能将受到极大影响［7-12］。

基于此，开发出一款力学性能较优、成型能耗较低的发泡聚丙烯珠粒，将可以极大改善这一问题。因此，本文将首先采用二元共聚聚丙烯进行发泡工艺的研究，试图寻找最优的发泡工艺；其次通过引入三元共聚聚丙烯，在确保机械性能前提下，降低成型能耗，实现降低生产成本和节能减排。

1 实验部分

1.1 试剂及原料

二元共聚聚丙烯（PP）：W331，新加坡聚烯烃公司；三元共聚聚丙烯（PP）：E800E，中国石化（上海）金山实业公司；硼酸锌，工业级，昆山升恒化学材料有限公司；油酸酰胺：精制出口级，德国ZOTN 公司；抗氧剂：1010，常州新策高分子材料有限公司；高岭土：ASP200，巴斯夫股份公司；十二烷基磺酸钠，纯度≥97%，上海源叶生物科技有限公司；二氧化碳：食品级，林德二氧化碳有限公司；水：高纯，自制。

1.2 主要仪器和设备

电子天平：JB／T 5374-1991，瑞士Mettler Toledo 公司；高速混合机：SHR-511，张家港市亿利机械有限公司；小型双螺杆挤出机：AK22，南京科亚化工成套装备有限公司；发泡釜：0.5 m3，南通华兴高压釜有限公司；真空干燥箱：DZF-6050，无锡建仪实验器材有限公司；EPP 成型设备：FK-EPP1412，翡柯机械（福建）有限公司；万能拉力试验机：INSTRON-5967，英斯特朗试验设备贸易有限公司；差示扫描量热仪：DSC-8000，美国PE 公司。

1.3 发泡聚丙烯珠粒的制备

将500 ppm 的硼酸锌、2 000 ppm 的色母粒、600 ppm的油酸酰胺、3 000 ppm 的抗氧剂、聚丙烯颗粒，置于高速混合机搅拌中，均匀后，通过双螺杆挤出机进行熔融混炼、拉丝、切粒，得到聚丙烯发泡微粒。将聚丙烯发泡微粒、十二烷基磺酸钠、高岭土加入高压发泡釜中，在特定工艺参数下进行发泡，分别制得不同发泡体系和W331 发泡体系聚丙烯珠粒。

1.4 聚丙烯泡沫制品的制备

发泡聚丙烯珠粒成型工艺分为五个阶段，分别为充填阶段、穿透加热阶段、双面加热阶段、冷却阶段和烘干定型阶段，具体流程图如图1。

图1 发泡聚丙烯泡沫制品的制备

2 结果与讨论

2.1 不同发泡体系成型性能

两种发泡体系的成型工艺参数见表1。

表1 两种发泡体系的成型工艺参数

在保证熔接熟化率在100%的基础上，分析比较两种体系发泡聚丙烯的成型生产工艺参数和能耗，待工艺参数稳定后连续批量生产50 件，统计成品合格率。以上数据比较，低能耗发泡聚丙烯成型周期短、双面蒸汽压力低、蒸汽时间少，水冷时间少，比纯W331 发泡聚丙烯的成型周期减少14%，所用能耗减少较多。同时，通过比较批量生产时两种材料的成品合格率，本文中研究的低能耗发泡聚丙烯合格率有所提升，主要因素是纯W331 发泡聚丙烯消耗蒸汽大，易造成蒸汽热源不稳定，造成泡沫制品熔接不良。通过以上分析得出结论，低能耗发泡聚丙烯量时，在节能减排方面有显著的优势［13-14］。

2.2 不同发泡体系力学性能

不同比例的W331／E800E 的发泡聚丙烯材料的拉伸强度以及断裂伸长率如图2 所示。

图2 不同比例的W331／E800E 的发泡聚丙烯材料拉伸强度以及断裂伸长率

从图2 中可以看出，发泡聚丙烯材料的断裂伸长率随E800E 含量的增加而增加，拉伸强度随E800E 含量的增加而减小。未添加E800E 的发泡聚丙烯珠粒的拉伸强度为1 300 kPa，断裂伸长率为30%；当W331／E800E 的复配比例为85／15 时，发泡聚丙烯珠粒的断裂伸长率为53%，拉伸强度为1 100 kPa，由折线图可以看出在此比例下拉伸强度与断裂伸长率均衡性最佳。

2.3 不同发泡体系热学性能

图3 为不同复配比例的W331／E800E 所制备的发泡聚丙烯珠粒进行DSC 测试的熔融曲线。

图3 不同比例的W331／E800E 的发泡聚丙烯材料的DSC 分析

根据图3 所示，当E800E 占比增加时，受E800E 的低熔点影响，高温峰峰值温度与低温峰峰值温度均呈下降趋势。同时，E800E 为三元共聚聚丙烯，结晶度、结晶速率等均弱于二元共聚聚丙烯W331，故低温峰热焓值随着E800E 的增加呈现上升趋势，故W331 的加入会对成型压力工艺参数带来影响。

2.4 不同发泡体系承重性能

将两种发泡体系发泡聚丙烯利用重卡卧铺模具制备卧铺的左、中、右三个工制件，按照主机厂承重测试要求，依次对成型合格的两款EPP 卧铺工具箱进行承重分析。首先模拟车身装配位置，将其固定放置于抗压机平台的工装上，分别对卧铺工具箱左、中、右三个区域中心位置，静态加载力至2000 N，记录其位移变化，得到的数值如表2所示。

表2 不同区域的位移变化值

从表2 中可以看出，低能耗发泡聚丙烯珠粒和W331发泡聚丙烯珠粒模拟试验数据基本一样，证明两种材料性能接近。

利用UG NX 11.0 高级仿真分析软件，通过有限元法对40 mm 厚度EPP 卧铺工具箱的结构强度进行分析，结果如图4 所示。

图4 厚度40mm EPP 卧铺工具箱加载力和应变曲线

从图4 中可以看出，通过上图计算的Z 向应变数值分析，加载力在2 000 N 时，EPP 卧铺工具箱的每个区域在加载2 000 N 的情况下，各部位的位移变化均小于30 mm，且未出现开裂现象，满足主机厂对卧铺工具箱承重变形的使用要求［15］。