汽车内饰用再生聚丙烯树脂的制备与性能

袁善美 杨伟伟

(1. 上海出版印刷高等专科学校印刷包装工程系,上海,200093;2. 上海理工大学材料与化学学院,上海,200093)

聚丙烯(PP)力学性能优异,且具有良好的耐热性、耐化学性、电绝缘性、加工性,应用非常广泛[1-2]。随着生活水平的提升,报废家用产品中产生的废旧PP越来越多,对环境造成的压力和威胁越来越明显。如何将废旧PP进行高效规范回收再利用,是有待解决的环境和社会问题[3-5]。目前,主要采用焚烧、填埋、低效降级使用等传统方式对废旧塑料进行处理。相较于传统处理方式,将废旧PP回收再生利用,不仅能减少环境污染,还能够有效降低成本、提高资源使用价值,从而推动可持续化发展。

随着国家“碳达峰”和“碳中和”战略的颁布,汽车生态设计及再生原料的使用受到越来越多的关注,尤其在欧洲主机厂相关车型中,采用再生聚丙烯(RPP)树脂替代部分PP新料应用到相关汽车零部件中,成为行业新趋势和基本要求[6-7]。汽车用RPP主要为回收渠道明确、性能良好且稳定的材料,如报废汽车、废旧家电等。报废的产品经过拆解、分选、粉碎、清洗等处理流程后,通过改性技术手段以及挤出造粒再用于生产制造。另外,也可与同类PP材料共混加工再利用,降低零部件产品成本的同时,提高产品的绿色环保属性,具有广阔的开发和应用前景[8-9]。我国是家电产品的生产和消费大国,塑料在家电中的使用量仅次于金属材料。因此,针对废旧家电塑料的回收再利用,不但能降低产品生产成本,而且可以实现绿色环保的目的。洗衣机内外桶的生产材料较多采用的是PP材料。因此,对洗衣机内桶的废弃材料进行回收处理,并应用于车用再生复合PP材料,对可持续发展有着重要的意义。

下面通过共混改性技术,将一种消费塑料回收聚丙烯(PCR-PP)加入PP新料中,制备了RPP树脂,研究了RPP树脂的力学性能、气味、挥发性有机化合物(VOC)和热老化性能。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PCR-PP,回收源为波轮洗衣机内桶,格林循环有限公司;PP新料,EP548R,万华化学集团股份有限公司;三元乙丙橡胶(EPDM),乙烯-辛烯共聚物(POE),875L,均为韩国SK集团;滑石粉,辽宁艾海滑石有限公司。

双螺杆挤出机,STS-35,南京科倍隆机械有限公司;注塑机,MA1600III,宁波海天塑机集团有限公司;熔体流动速率仪(MFR),Mflow,万能试验机,Z020KN,摆锤冲击试验机,HIT25p,均为ZwickRoell(德国)集团;密度计,瑞士梅特勒-托利多集团;换气老化箱,CH-1000,日本爱斯佩克株式会社;高混机,SHR-50,张家港市日新机电有限公司;VOC异味处理设备,VOC干燥罐,300 L,广东恩必信智能装备有限公司。

1.2 样品制备

将PCR-PP、PP新料、抗氧剂1010、抗氧剂168、硬脂酸钙按照一定质量比加入高混机中,混合均匀,经过双螺杆挤出机挤出造粒,双螺杆挤出机各段温度分别为40,80,210,210,210,210,210,210,210,205,205 ℃(机头),螺杆转速为450 r/min。冷却干燥后得到RPP树脂颗粒,将PCR-PP质量分数为0,10%,30%,50%的RPP分别记为RPP-0,RPP-10,RPP-30,RPP-50。

对RPP树脂颗粒进行气味处理,温度为120 ℃,时间为8 h,然后采用注塑机制备标准样条,温度为220 ℃,压力为6.5 MPa。

1.3 测试与表征

密度测试按照ISO 1183—1—2019进行;灰分测试按照GB/T 9345.1—2008进行;弯曲性能测试按照ISO 178—2019进行;冲击性能测试按照ISO 179—1—2010进行;气味分析按照SMTC 5 400 012—2015进行;VOC分析按照SMTC 5 400 018—2015进行;MFR分析按照ISO 1133—1—2022进行。

拉伸强度测试按照ISO 527—2—2012进行,样条为1A型。

热老化试验按照SMTC 5 310 014—PP.06 SMTC 5 310 014 3.3.13进行,温度为100 ℃,时间为1 000 h。

2 结果与讨论

2.1 密度和灰分分析

样品的密度和灰分如表1所示。

表1 PP树脂的密度和灰分

由表1可以看出:与PP新料相比,RPP树脂的密度和灰分均有所上升。这是因为PCR-PP由于工艺等原因无法避免地混入色粉、填充物等杂质[10]。部分汽车主机厂要求材料的密度为(1.050±0.020)g/cm3,灰分为(20.0±2.0)%,4个样品均满足使用要求。

2.2 力学性能分析

表2为样品的力学性能。

表2 样品的力学性能

由表2可以看出:随着PCR-PP含量的增加,RPP树脂的力学性能总体呈下降趋势。

与PP新料相比,RPP-10,RPP-30拉伸性能和弯曲性能的保持率均超过95%,且23 ℃时和-30 ℃时的冲击强度变化均较小;RPP-50的拉伸强度保持率降至约85%,且23 ℃和-30 ℃下的冲击强度变化均较大,在实际应用中,容易出现产品失效的情况。这主要是因为PCR-PP的性能和稳定性较PP新料均有所下降,当PCR-PP质量分数为50%时,RPP树脂的性能出现了明显的变化。

2.3 热老化性能分析

汽车零部件的长周期热氧老化是考察材料及其制件耐久性的重要指标。由于PP容易发生热氧降解,因此,考察材料的热老化性能非常重要。通过材料的外观变化(颜色、变形等)、力学性能变化(拉伸性能、冲击性能等)等指标评价其热老化性能。样品的热老化性能如表3所示。

表3 4个样品的热老化性能

由表3可以看出:经过热老化处理后,RPP-0,RPP-10,RPP-30材料外观无变化,力学性能均变化很小;但RPP-50的拉伸强度和冲击强度均出现明显变化,说明部分分子链发生明显热氧反应降解。PCR-PP无论在使用环节还是再回收中清洗、除杂等处理过程中,均会发生部分老化和性能衰减,当PCR-PP含量较低时,RPP树脂的热老化性能变化较小,当PCR-PP质量分数达到50%时,RPP树脂的热老化性能明显下降。

2.4 气味和VOC分析

针对汽车内饰材料严格的气味和散发管控要求,对4个样品进行了气味和VOC评价,如表4所示。

表4 样品的气味和VOC分析结果

由表4可以看出:当PCR-PP质量分数分别为10%和30%时,RPP树脂的气味和VOC与PP新料相差较小,即散发性能变化很小;当PCR-PP质量分数达到 50%时,RPP树脂的气味和VOC明显升高,不满足汽车内饰材料气味和VOC管控要求。

2.5 实际应用分析

综合成本和性能考虑,选取RPP-30为某门板材料进行生产,将某批次产品的性能与标准要求进行对比,如表5所示。

表5 某批次产品性能与标准要求对比

由表5可以看出,该批次产品的性能完全满足要求,同时,PCR-PP的质量分数达到30%,符合可持续材料使用和降低碳排放要求。

3 结论

a) 当PCR-PP质量分数不超过30%时,与新料PP相比,RPP树脂拉伸性能和弯曲性能的保持率均不低于95%,23 ℃和-30 ℃下的冲击强度变化均较小。

b) 当PCR-PP质量分数为30%时,RPP树脂的综合性能较好,满足汽车内饰材料的性能要求。