车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究进展

张 姣,陈桂宏,李建辉，蔡 雄

(1.广东东软学院科研管理部，广东 佛山 528225；2.广东圆融新材料有限公司，广东 佛山 528322)

车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究进展

张 姣1,陈桂宏1,李建辉1，蔡 雄2

(1.广东东软学院科研管理部，广东 佛山 528225；2.广东圆融新材料有限公司，广东 佛山 528322)

综述了基体材料、填料、耐刮擦剂等对车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影响，介绍了耐刮擦性能的测试方法以及国内常用的耐刮擦剂，并对车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的研究趋势进行了展望。

车用改性聚丙烯材料；耐刮擦性能；填料；基体材料；耐刮擦剂

汽车工业正处于高速发展阶段，对其轻量性、高度舒适性、安全性以及车用材料的美观性、耐用性、环保节能性等也提出了更高要求。塑料及其复合材料是汽车材料不可缺少的组成部分，受到汽车厂商的重视和青睐，一辆车约使用300 kg塑料，约占汽车总质量的20%[1-2]。作为当今最轻的通用塑料之一，聚丙烯材料因低密度和低成本特性在众多车用塑料中脱颖而出，成为目前使用量最大且成长最迅速的车用塑料，其在车辆上的广泛应用得益于优异的耐热性、较强的刚性、耐腐蚀性和良好的加工性[3-7]。

车用塑料对美观性和耐用性有较高的要求，聚丙烯材料较低的表面硬度导致其表面易被划伤留下刮痕，不仅影响美观，还使材料产生应力集中现象，不能完全满足汽车对材料性能的要求[8-9]，很大程度上限制了聚丙烯材料作为车用塑料的应用。因此，聚丙烯材料耐刮擦性能的提升已成为该领域的研究重点[10-11]。

鉴于此，作者综述了基体材料、填料、耐刮擦剂等对车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的影响，介绍了耐刮擦性能的测试方法以及国内常用的耐刮擦剂，以期为车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能的提升提供帮助。

1 耐刮擦性能的影响因素

1.1 基体材料

目前，我国聚丙烯年产量已达到100万t[12-13]。不同牌号的聚丙烯材料的形貌、结构和性能都有所差异，其中结晶度对耐刮擦性能起决定性作用[14]。

李延垒等[15]研究了不同结晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能，发现聚丙烯材料的耐刮擦性能与结晶度密切相关，耐刮擦性能随着结晶度的提高有明显的改善，结晶度为75%的聚丙烯材料的耐刮擦性能明显优于结晶度为65%、70%的聚丙烯材料。

范潇潇等[16]对不同结晶度的聚丙烯材料的耐刮擦性能进行了测试，结果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能与结晶度成正比。原因可能是，聚丙烯材料的结晶度高，分子链较短，链的柔顺性好；随着结晶度的提高，聚丙烯材料分子间作用力增强，模量和硬度也会随之增大。

此外，聚丙烯材料的耐刮擦性能与其晶体组成有很大关系，短分子链形成的聚丙烯球状晶体具有更好的抗形变性能，其耐刮擦性能也更好。

1.2 填料

填充合适的填料粒子对聚丙烯材料的机械性能(如模量、硬度、抗拉强度和断裂伸长率等)及耐刮擦性能有较大的改善作用[17]。

傅轶等[18]在研究耐刮擦、软触感聚丙烯材料的制备过程时发现，选用玻璃纤维作为填料可以使聚丙烯材料的尺寸稳定性显著增强；增加玻璃纤维的含量可以有效提高聚丙烯材料的耐刮擦性能；与滑石粉填料体系进行比较，加入玻璃纤维的聚丙烯材料具有较大的硬度，刮擦时不易变形；在玻璃纤维表面涂覆的硅烷类偶联剂能够与相容剂反应，增强玻璃纤维与基体材料的界面作用，刮擦时不易与基体分离。

黄晓明等[19]分别选用不同目数的滑石粉及硅灰石作为填料加到聚丙烯材料中，对其耐刮擦性能进行比较研究。结果表明，聚丙烯材料的耐刮擦性能与滑石粉的粒径成反比，即采用大目数的滑石粉填充聚丙烯会获得更耐刮擦的聚丙烯材料；滑石粉的粒径直接影响聚丙烯基体的结晶形态，平均粒径更小的填料在聚丙烯基体中起到了更好的异相成核作用，从而带来更高的结晶度，减轻聚丙烯材料表面的划痕深度，提升聚丙烯材料的耐刮擦性能；而选用相同粒径的硅灰石作为填料时，聚丙烯材料的耐刮擦性能更优。这是因为，硅灰石是3个硅四面体分子重复扭转而成的针状结构，而滑石粉是2个硅四面体分子中间夹着氢氧化镁八面体分子的层状结构，层间以弱范德华力连接。因此，硅灰石填充对材料强度的提高更加明显，即硅灰石填充改善材料耐刮擦性能优于滑石粉填充[15,20]。

1.3 耐刮擦剂

除了硬度等因素外，表面摩擦系数、粗糙程度也会对聚丙烯材料的耐刮擦性能产生巨大影响。所以提升材料表面的光滑度和减小表面摩擦系数也能提升聚丙烯材料的耐刮擦性能。由于润滑剂分子具有非常小的表面张力，在聚丙烯材料成型过程中会迁移到材料表面形成一个高度润滑的层状结构，使得聚丙烯材料表面摩擦系数大幅减小，从而提升其耐刮擦性能[21]。

余林华[22]将赢创德固赛(中国)投资有限公司生产的耐刮擦剂V-Si 4042加到聚丙烯材料中，在聚丙烯材料成型过程中，V-Si 4042迁移到了聚丙烯材料表面形成一个高度润滑的层状结构，由于V-Si 4042的分子量较大，能与聚丙烯大分子链形成互相缠绕的状态，V-Si 4042分子两端则嵌入到聚丙烯材料表面，此时聚丙烯材料表面就会牢固地贴合上V-Si 4042高度润滑的层状结构，从而达到大幅提升聚丙烯材料耐刮擦性能的目的。

季孟渊等[23]将美国道康宁公司生产的耐刮擦剂MB50-001加到聚乙烯材料中，发现聚乙烯复合材料的耐刮擦性能明显改善。其原因是，MB50-001属于硅酮类耐刮擦剂，在高温条件下与聚乙烯表面的活性基团进行交联，交联后成为聚乙烯复合材料的一部分，可增大聚乙烯复合材料的硬度，减小表面摩擦系数。

黄晓明等[19]研究发现，耐刮擦剂AS100能有效改善聚丙烯复合材料体系的耐刮擦性能。AS100的主要化学成分为线性的高分子量聚二甲基硅氧烷，在聚丙烯材料的成型过程中，AS100在聚丙烯材料表面形成一层润滑层，能有效减小材料的表面摩擦系数，达到提升耐刮擦性能的目的。

2 耐刮擦性能的测试方法[24]

2.1 五指刮擦测试方法

五指刮擦测试方法是在不同的载荷下，用5个外形类似于手指的金属刮擦头划过材料表面，在材料表面形成刮痕，目视刮痕深度。此法具有仪器简易、操作便捷、结果直观的优点。但此法不能进行定量评价，不便于科学研究。目前国内有部分研究者[25]借助激光共聚焦显微镜对刮痕深度等指标进行定量描述，但还未被认同。

2.2 硬度试验笔刮擦测试方法

硬度试验笔刮擦测试方法是将满足测试条件的刮擦头和弹簧组合安装成测试笔，根据不同的测试要求来调节测试压力，使测试笔与材料表面垂直，测试人员将刮擦头压入到测试材料中指定的深度，目视材料的表面刮痕[26]。该法可以依据对应的标准评价刮痕，且仪器更为简易，测试时不受时间和地点的限制。但测试过程需要手动操作，存在较大的人为因素，施加刮擦作用的过程速度难以保持统一。

2.3 网格刮擦测试方法

网格刮擦测试方法是用固定的载荷及间隔距离在材料表面划网格，然后记录并评价刮痕的颜色变化，通过刮痕的发白程度来表征材料表面的耐刮擦性能。采用仪力信十字形切口试验机划网格，通过测色仪测试刮擦前后的L值(反映颜色的深浅)，计算ΔL，ΔL值越大说明刮擦后颜色发白越明显，材料的耐刮擦性能越差[25,27]。该方法表征结果和测试步骤较为科学，客观性较强。

3 国内常用耐刮擦剂

(1)硅酮母粒MB50

硅酮母粒MB50是道康宁公司生产的，其外观形貌为白色颗粒。硅酮母料MB50可以提高塑料产品的流动性，减小工程塑料制品的表面摩擦系数，改善玻纤及无机填料的均匀分散性能，提升光滑度和耐刮擦性能，具有良好的稳定性和非迁移性，被广泛应用于交通、包装、日用品等行业及齿轮、耐摩擦件等制品的生产。

(2)Javachem®HG-600

Javachem®HG-600是佳华精化公司生产的，其外观形貌为淡白色颗粒。Javachem®HG-600是以聚丙烯为载体的有机基团改性超高分子量聚硅氧烷，可以提升大部分聚烯烃的加工性和表面耐刮擦性能，能高度相容于聚烯烃体系，并能更好地提升有机硅制品的耐刮擦性能，同时几乎不会增加制品的应力发白现象。较高的热稳定性和抗老化能力保证了其较长的使用寿命，可作为食品用塑料制品的添加剂。

(3)Tegomer V-Si 4042

Tegomer V-Si 4042是赢创德固赛(中国)投资有限公司生产的，其外观形貌为白色液体，是一种有机硅塑料添加剂，可作为相容的分散润滑剂使用。有机改性的基团增加了硅酮与高分子树脂的相容性，不迁移，不析出，保留了硅酮表面活性的特点，同时克服了其相容性差的缺点。其在聚丙烯滑石粉体系中主要应用在汽车内饰材料，能降低网格刮擦测试方法的ΔL值和刮痕的深度，提高矿物填料的分散性，允许更高的填充量。

(4)Irgasurf®SR100

Irgasurf®SR100是汽巴精化公司生产的，其外观形貌为白色半透性颗粒，在PP/TPO等原料中的使用频率非常高，且能够很好地提升原料的耐刮擦性能。其作用主要是提升材料表面的润滑性，同时还能增大材料的弹性，使刮痕的中心和深处较为平滑，肩脊更低。所以较大程度上削弱了刮擦对材料表面的损害，减轻应力集中现象的同时较好地保证了材料的美观性，被国内众多汽车材料厂家广泛使用。

4 展望

国内在车用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能改善方面已经开展了很多研究，但随着汽车行业的飞速发展，对车用聚丙烯材料的要求也越来越高。目前国内大多数车用改性聚丙烯材料的耐刮擦性能还达不到要求或者是性能不够稳定。未来的研究不仅要适应耐刮擦的要求，同时要满足汽车行业环保节能的新要求；进一步摸索材料加工工艺，使得材料性能更加稳定；制定出合理的耐刮擦性能的测试方法行业标准，进行定性定量评价。

[1] 唐尧.改性塑料行业发展特征及其在汽车行业中的应用[J].国外塑料,2011,29(1):43-45.

[2] 刘西文.塑料在“轻量化”汽车中的应用及发展趋势[J].中国塑料,2010(12):8-13.

[3] 李应平,郑化安,王小宪,等.车用聚丙烯改性材料气味控制技术进展[J].工程塑料应用,2016,44(6):124-127.

[4] 王斌,戴芳,张振英.汽车用塑料的研究进展[J].工程塑料应用,2006,34(4):76-80.

[5] 陶永亮.改性聚丙烯材料在汽车上的应用分析[J].汽车工程师,2012(3):58-61.

[6] BOONCHOO T,THARAJAK J.Effect of welding on hardness and deformation behavior of polypropylene by scratch test[J].Applied Mechanics & Materials,2016,848:27-30.

[7] YARI H,MOHSENI M,MESSORI M.A scratch resistant yet healable automotive clearcoat containing hyperbranched polymer and POSS nanostructures[J].RSC Advances,2016,6(79):76028-76041.

[8] HAMDI M,PUOPOLO M,PHAM H,et al.Experimental and FEM analysis of scratch behavior on polypropylene thin films:effect of film orientation and ethylene monomer content[J].Tribology International,2016,103:412-422.

[9] 白启荣.改性超细硅灰石材料在聚丙烯塑料中的应用研究[C]//2011改性塑料热点技术及产品论坛,2011.

[10] 李平,韩琛,汪家宝.汽车用聚丙烯材料研究进展及应用[J].塑料工业,2011,39(S1):26-29.

[11] SOBHANI H,KHORASANI M M.Optimization of scratch resistance and mechanical properties in wollastonite-reinforced polypropylene copolymers[J].Polymers for Advanced Technologies,2016,27(6):765-773.

[12] 安芳成.聚丙烯行业发展现状及市场分析[J].化工进展,2012,31(1):246-251.

[13] 孙凯,徐东东,娄小安,等.阻燃聚丙烯在家电行业中的应用和发展[J].塑料工业,2013,41(6):5-9.

[14] 何颖,宋洁,郭建兵,等.PP复合材料耐刮擦性能的研究[J].广东化工,2014,41(14):22-24.

[15] 李延垒,张虽栓.车用高分子材料耐刮擦性能研究与改善[J].价值工程,2014,33(13):311-312.

[16] 范潇潇,项军,孟成铭,等.汽车内饰件用低气味耐刮擦聚丙烯的研制[J].塑料工业,2010,38(1):80-82.

[17] 庞承焕.抗析出耐划伤车用聚丙烯材料的制备与表征[D].广州:华南理工大学,2014.

[18] 傅轶,唐昌伟,彭志宏,等.耐刮擦、软触感聚丙烯的制备与表征[J].合成材料老化与应用,2015，44(4):22-25.

[19] 黄晓明,孟成铭,范潇潇,等.耐刮擦聚丙烯共混物的制备和性能研究[J].塑料工业,2011,39(11):101-103.

[20] 王茜.汽车内饰用改性聚丙烯复合材料耐刮擦性和散发特性研究[D].上海:复旦大学,2011.

[21] 道康宁公司.润滑剂在汽车塑料零件中的作用[J].塑料制造,2006(8):22-25.

[22] 余林华.低散发耐刮擦汽车内饰用聚丙烯复合材料的研制[J].工程塑料应用,2012,40(9):9-12.

[23] 季孟渊,程健,刘凯.一种耐刮擦、低气味、低VOC聚乙烯复合材料的研究[J].汽车零部件,2016(11):60-62.

[24] 程前.高分子材料刮擦实验设备设计与实验应用[D].成都:西南交通大学,2016.

[25] 林洁龙,杨波,丁正亚,等.免喷涂外观美学树脂的应用[J].工程塑料应用,2016,44(10):36-40.

[26] 张立娟,戴婷,张超,等.车用塑料耐刮擦测试方法概述[J].广州化学,2014,39(3):68-72.

[27] 林秀玲.乘用车注塑外观塑料零件刮擦性能研究[J].合成材料老化与应用,2012,41(3):40-44.

ResearchProgressinScratch-ResistantPropertyofAutomotiveModifiedPolypropyleneMaterials

ZHANG Jiao1,CHEN Gui-hong1,LI Jian-hui1,CAI Xiong2

(1.DepartmentofScientificResearchManagement,GuangdongNeusoftInstitute,Foshan528225,China; 2.GuangdongYuanrongNewMaterialsCo.,Ltd.,Foshan528322,China)

We review the effects of matrix materials,fillers,and scratch-resistant agents on the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials,introduce testing methods of scratch-resistant property and domestic common scratch-resistant agents,and put forward prospect and research trend of the scratch-resistant property of automotive modified polypropylene materials.

automotive modified polypropylene material;scratch-resistant property;filler;matrix material;scratch-resistant agent

张姣，陈桂宏,李建辉,等.车用改性聚丙烯材料耐刮擦性能研究进展[J].化学与生物工程，2017，34(12)：1-3，9.

广东省高校重大科研平台和科研项目——2016年青年创新人才项目(2016KQNCX192)，佛山市科技计划项目(2016AG100652)

2017-07-22

张姣(1990-)，女，湖北人，硕士，主要从事改性塑料研究及科技管理工作，E-mail:775688988@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.001

TQ325.14 TB324

A

1672-5425(2017)12-0001-03