汽车保险杠专用复合材料及其成型工艺研究进展

黄 凯，廖秋慧，陈 杰

（上海工程技术大学材料工程学院，上海市 201620）

汽车保险杠专用复合材料及其成型工艺研究进展

黄 凯，廖秋慧*，陈 杰

（上海工程技术大学材料工程学院，上海市 201620）

综述了汽车保险杠专用聚丙烯（PP）增强增韧复合材料，重点阐述了PP/橡胶复合材料、PP/热塑性弹性体复合材料及PP/玻璃纤维复合材料的改性机理和国内外发展现状，分析了汽车保险杠新材料——聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯的性能及特点。最后，介绍了汽车保险杠常用的成型工艺，分析了不同工艺的优缺点及适用范围。

聚丙烯 汽车保险杠 复合材料 成型工艺

汽车保险杠的质量是汽车安全问题中重要的一环。汽车在发生轻微碰撞后，保险杠可以吸收碰撞能量，即使汽车发生严重碰撞，冲击力也会通过保险杠系统合理地分配给整个车身，避免造成过大的局部变形，从而保护乘客的安全，因此，汽车保险杠对于材料的要求十分严格。

20世纪60年代，汽车塑料保险杠就已逐渐形成了商品化规模，当时，主要采用聚氨酯（PU）和聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金材料。20世纪80年代前，汽车的前后保险杠主要以金属材料通过钢板冲压成型制备的，然后再与车架纵梁焊接或铆接在一起，但是与车身会有一段很大的距离［1］，影响汽车的美观，并且质量较大。1976年，意大利菲亚特公司采用德国赫斯特公司生产的聚丙烯（PP）与乙丙共聚物混合制备了世界上第一副塑料保险杠，并且将其应用于FIAT126型轿车。从此之后，性能优异、价格低廉的PP作为一种通用塑料被广泛应用于汽车领域。20世纪90年代，欧洲约85%的保险杠由三元乙丙橡胶（EPDM）等改性的PP制备，日本约80%的保险杠是用改性PP制造的，世界上较早使用注射模塑法生产保险杠的汽车是日本本田公司生产的CR-X型汽车，三菱油化公司和日产汽车公司也相继研究出高刚性、抗损伤、高耐冲击性、涂装性能良好的汽车保险杠。我国汽车塑料保险杠起步较晚，始于20世纪80年代的奥迪和桑塔纳轿车，圴采用PP/EPDM材料［2］。目前，减轻车身质量、降低成本以及节能减排是汽车行业发展的主要目标之一，同时，随着汽车普及率的不断提高，塑料汽车保险杠材料正在不断的改进。本文综述了汽车保险杠专用PP增强增韧复合材料，分析了PC/聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）这一保险杠新材料的性能及特点，最后介绍了汽车保险杠常用的成型工艺。

1 汽车保险杠专用材料

汽车保险杠按照软硬程度可分为软质保险杠和硬质保险杠，其中，软质保险杠一般以PU通过反应注塑成型制备，其具有良好的吸收冲击性能，但是价格昂贵，只适用于高档汽车。硬质保险杠主要采用改性PP注射成型制备，国外也以PC，PC/PBT合金注射成型制备保险杠，主要适用于中、低档汽车［3］。

PP具有密度低、耐化学药品腐蚀、易加工、价格低等特点，已成为汽车保险杠的主流材料［4-5］；但PP的耐低温冲击性能较差，收缩率较大，不耐磨且易老化，可通过增强、增韧或填充的方法，满足汽车保险杠对弯曲强度和冲击强度的要求［6］。目前，汽车保险杠是以PP为主要原料，并加入一定比例的橡胶或弹性体材料，再与无机填料、色母粒和添加剂共混制备。

1.1 PP复合材料

1.1.1 PP/橡胶复合材料

早期，橡胶就被用于塑料增韧体系。橡胶通过改变PP的结晶形状，使其球晶细化，从而达到增韧的目的［7］。常用的橡胶增韧剂有EPDM、乙丙橡胶（EPR）、天然橡胶、丁基橡胶等，其中，EPDM对PP的增韧效果最佳，也是用量最多的。

EPDM与PP的混合工艺分为两种：第一种技术为动态硫化，PP与EPDM熔融共混时，加入交联剂使EPDM硫化，通过密炼机、螺杆机等提供剪切力，得到分散在PP基体中的交联硫化的微小EPDM粒子，所制弹性体的耐老化性能、耐压缩变形性能等都得到明显改善，甚至达到了氯丁橡胶的水平，所以又称之为热塑性硫化橡胶；第二种技术为不经过动态硫化，即由软链段的EPDM与硬链段的PP混合而成，制备的弹性体触感温和，耐化学药品腐蚀性好，力学性能佳，目前，帕萨特、马自达6等车型的保险杠都采用这种工艺［7-8］。

传统的汽车保险杠材料主要由PP与EPDM制备。李海东等［9］将PP（5004型）和EPDM（4045型）共混，研究了温度和EPDM用量对PP/EPDM共混物力学性能的影响。发现升高温度或增加EPDM用量，都能使PP/EPDM共混物的韧性增加，而且，随着EPDM用量的增加，共混物的断裂伸长率增加，但拉伸强度降低，当w（EPDM）为14%时，共混物的断裂伸长率达到最大值。郑明嘉等［10］通过加入超细改性刚性无机粒子来提高EPDM的硬度，比较了PP与不同硬度EPDM的共混物的性能差异，结果表明，随着EPDM硬度的增加，共混物的模量和屈服强度都有一定程度的增加。除了基体参数以外，分散相的分布及特性等也影响共混物的断裂韧性。于建等［11］通过向PP/CaCO3/EPDM复合体系中加入表面处理剂烷基羧酸盐，改善了体系的相容性，制备了具有高冲击韧性的PP汽车保险杠。此外，以PP为基体树脂、EPDM为增韧剂，加入少量聚乙烯和定量刚性无机填料，通过交联改性，可以制备超高强度的保险杠。

1.1.2 PP/热塑性弹性体复合材料

20世纪80年代，以热塑性弹性体为增韧剂的塑料弹性体增韧体系得到广泛应用。常用的热塑性弹性体有聚烯烃弹性体（POE）、聚异丁烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）等。

POE是由美国杜邦陶氏弹性体化学公司采用Insite TM技术开发，采用“限制几何构型”的茂金属催化剂，制得短支链分布圴匀和相对分子质量分布较窄的热塑性弹性体［12］。POE是乙烯与1-辛烯共聚物，通常1-辛烯单体质量分数大于20%，在共聚物中，聚乙烯链结晶区（树脂相）起物理交联作用，加入定量1-辛烯后，降低了聚乙烯链段的结晶度，形成了表现出橡胶弹性的无定形区（橡胶相）。刘西文等［13］研究了POE、共聚PP（EPS30R）用量和滑石粉对共混物性能的影响，发现随POE用量的增加，PP（F401）/POE共混物的拉伸强度、弯曲强度圴减小，当F401，EPS30R，POE，滑石粉的质量比为60∶20∶15∶5时，共混物的性能满足汽车保险杠的使用要求。钟明强［14］发现，F401，共聚PP，POE，滑石粉的质量比为30∶35∶15∶20时，可满足汽车保险杠的使用要求。与传统增韧剂EPDM相比，POE在价格、加工、改性方面都更好。从加工性能来说，因为目前商品化的EPDM多为块状，而POE为粒状，较易与粒状的PP共混。与EPDM相比，POE的分子链中没有双键，更加稳定，同时POE具有长支链，能提高在PP中的分散性。王少君等［15］采用国产原料，研究了不同增韧剂（如EPDM，POE）对汽车保险杠性能的影响，发现POE的增韧效果优于EPDM。唐忠兴等［16］比较了EPDM与POE的优缺点，发现POE可有效增韧PP，在冲击强度、流动性方面圴优于EPDM。究其原因，虽然加入EPDM可以提高共混物的冲击强度，但存在一些问题，特别是由于EPDM黏度高于PP，会引起分散问题和不稳定的挤出过程。所以作为PP改性剂，POE被认为是EPDM的替代品［17］。

1.1.3 PP/玻璃纤维复合材料

虽然PP中加入弹性体会改善共混物的抗冲击性能，但是弹性体不可避免地会使材料的刚性和强度降低，而且当基体中有较多弹性体时，无法通过添加无机填料来改善材料刚性，而使用纤维却能大幅提高复合材料的刚性和强度［18］。纤维作为一种增强PP的材料，主要可分为玻璃纤维、碳纤维等，其中PP/玻璃纤维复合材料被大量应用于工程领域，得到广泛研究。

按照玻璃纤维长度可以分为长玻璃纤维增强PP复合材料和短玻璃纤维增强PP复合材料。一般来说，PP/玻璃纤维复合材料是将PP与玻璃纤维按比例混合，然后经过双螺杆挤出机挤出造粒得到，最后将复合材料加入注塑机中注塑成型［19］。研究发现：PP/玻璃纤维复合材料的力学性能受纤维强度、含量、直径以及长度的影响，并符合式（1）～式（2）［20-21］。

式中：Tc表征PP/玻璃纤维复合材料的力学性能，Vf为玻璃纤维的体积分数，Tf为玻璃纤维的拉伸强度，L为玻璃纤维的长度，D为玻璃纤维的直径，Lc为玻璃纤维的临界长度，Vm为树脂的体积分数，Tm为树脂的拉伸强度，A为界面黏结系数。

Thomason［22］研究发现，PP/玻璃纤维复合材料的拉伸强度随着玻璃纤维含量的增加而增加，但是当玻璃纤维质量分数达到40%～50%时，复合材料的拉伸强度达到最大值，之后开始逐渐下降。同时，玻璃纤维含量的增加还会引起流动性下降，导致成型困难。因此，在生产PP/玻璃纤维复合材料时，玻璃纤维的质量分数控制在30%～40%［23］。

当玻璃纤维长度小于临界长度时，PP/玻璃纤维复合材料的力学性能增强不明显，若受到一定载荷，纤维很容易被拔出［24］。崔峰波等［25］研究发现，在相同温度、相同玻璃纤维含量下，长玻璃纤维增强PP复合材料的弯曲性能和热性能优于短玻璃纤维增强PP复合材料。张宁等［26］研究了玻璃纤维长度和用量对长玻璃纤维增强PP复合材料力学性能的影响，结果表明，玻璃纤维用量高、长度长，材料的力学性能好，但是过高的用量及长度会使纤维在加工过程中发生断裂，使材料性能下降。

由于玻璃纤维含量、长径比都有一定的限度，为提高PP/玻璃纤维复合材料的性能，界面黏结强度起到尤为重要的作用。如果界面黏结强度太大，会导致材料的抗冲击性能下降；如果界面黏结强度太小，玻璃纤维则起不到增强的作用。目前，常用的改善玻璃纤维与PP界面结合的方法有：增加PP的活性基团以及玻璃纤维的表面处理。宋河海等［27］向PP中添加马来酸酐接枝PP（PP-g-MAH），引入了活性基团，明显提高了玻璃纤维与PP间的界面黏结强度，使PP/玻璃纤维复合材料的力学性能极大增强。这是因为PP-g-MAH中含有羧基，能与纤维发生酯化反应，从而起到交联的作用。靳志森［28］分别选用硅烷偶联剂KH570，KH550对玻璃纤维进行改性处理后，再与PP共混，发现PP/玻璃纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及弯曲弹性模量都有一定程度的提升，而且经KH570处理过后的复合材料的性能较KH550的好。

1.2 PC/PBT复合材料

PC由于具有良好的抗冲击性能、耐热性能、耐蠕变性以及良好的尺寸稳定性，是用途广泛的工程塑料，但PC熔体黏度大、流动性以及耐化学药品腐蚀性较差，限制了其在工业中的应用。PBT是一种热塑性工程塑料，具有结晶速率快，易高速成型，耐溶性和流动性好等特点，但其玻璃化转变温度较低（约45 ℃），冲击强度和高温条件下的刚性较低。如果将两者共混，既能够克服PBT耐热性和力学性能差的缺点，又能弥补PC流动性和耐化学药品腐蚀性差的不足，理论上可以得到综合性能优异的PC/PBT合金，但实际上，PC是非晶聚合物，而PBT为结晶聚合物，导致两者界面黏结强度低。目前，国内主要采用共混改性的方法来改善PC/PBT的性能［29］。

钱志国等［30］研究了不同增韧剂以及不同配比的PC/PBT合金对共混物性能的影响。结果表明，加入含有甲基丙烯酸缩水甘油酯的增韧剂时，共混物的韧性和冲击强度增加，但熔体流动速率降低，而随着甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物增韧剂含量的增加，共混物冲击强度提高，但拉伸强度、弯曲强度以及负荷变形温度降低。当m（PC）∶m（PBT）为60∶40时，能够得到综合性能较好的合金。

2 成型技术

2.1 注射成型

注射成型（又称注塑成型）是目前汽车保险杠应用最广泛的成型方法，其主要优点是制件精度、生产效率和自动化程度高，设计自由度大，但制件容易发生翘曲变形。用于生产汽车保险杠的注射成型技术有气体辅助注射成型和反应注塑成型。气体辅助注射成型可分为4个阶段，即熔体预充填、气体注射、气体保压、气体排出顶出制件，这种成型方法既可以节省材料用量、减少注射压力，又可以一定程度地提高制件质量，但由于在模具设计时要增加气辅设备以及考虑气道位置，给工艺设计增加了难度，成本较高。反应注塑成型是通过将多种具有反应活性的材料混合注入模具型腔中进行交联固化反应的一种成型方式，可在成型过程中对树脂进行增韧、增强，在其模具中要设有良好的排气通道，以避免制件产生气泡。

2.2 压制成型

压制成型又称压缩成型，是用于制备塑料制品最早的成型方式。通常片状模塑料、玻璃纤维增强热塑性塑料等片状或板状复合材料都可通过将材料层叠放置型腔中，然后进行加热加压制备所需产品，其工艺流程见图1。

图1 压制成型工艺流程Fig.1 Process flow of press molding

近年来，压制成型技术已广泛应用于玻璃纤维增强塑料的制造，如奔驰S系列、宝马系列保险杠圴采用压制成型工艺生产［31］。而碳纤维质量较轻，性能优异，成为汽车行业的热门材料之一，荷兰帝斯曼公司已将其作为增强材料取代玻璃纤维，引入到片状模塑料组分中，成功应用于汽车零部件中［32］。与注射成型工艺相比，采用压制成型工艺制备的制品具有收缩率小、不易变形等特点，但是压制成型模具设计制造较为复杂，只适用于制造中小型的塑料制品。注塑成型虽然生产效率高，但是对于汽车保险杠等大型复杂塑件，需要具有较高的注塑工艺要求，否则塑件会出现很多熔接痕，会发生翘曲变形等问题。

3 结语

PP复合材料具有优良的力学性能和性价比、良好的成型性，并且易于加工，是目前常用的汽车保险杠材料，但是随着新材料的不断涌现，PC/PBT、片状模塑料、玻璃纤维增强PP、碳纤维增强材料等由于其良好的性能成为保险杠制造的选择，同时，除了传统的注塑成型外，许多新型汽车保险杠成型技术也处于不断发展的阶段。

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Development of composite materials for automobile bumper and molding process

Huang Kai， Liao Qiuhui， Chen Jie
（School of Materials Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

This paper reviews the reinforcing and toughening polypropylene（PP）composites for automobile bumpers，it focuses on the modification mechanism and development of PP/rubber，PP/thermoplastic elastomer，and PP/glass fiber. The properties of a new material of polycarbonate/polytetramethylene terephthalate for bumpers are introduced. The common molding processes of the automobile bumper are described with respect to the comparison to different processes and applicable ranges.

polypropylene； automobile bumper； composite material； molding process

TQ 325.1+4

A

1002-1396（2017）05-0087-05

2017-04-27；

2017-07-06。

黄凯，男，1995年生，本科，研究方向为高分子材料成型及改性。

上海工程技术大学本科生国家级科研创新资助项目（201510856018）。

*通信联系人。E-mail：lqh_sues@sina.com。