汽车保险杠的高分子材料选择与加工

汽车保险杠的高分子材料选择与加工魏伊伦(湖北汽车工业学院)摘要：高分子材料是现代高新技术发展的重要材料，是21世纪重点开发和应用的新型材料。

其在汽车上的应用也是显而易见的。

本文主要比较了PC，PET，PP材料的主要性能以及汽车保险杠的选材，介绍了国内PP汽车保险杠及专用料的发展状况,以及汽车保险杠的成型方法和回收利用。

关键词：PC PET PP 汽车保险杠;专用料;成型方法;回收Abstract :Polymer materials is a modern high-tech development and pilot basis, the focus is the development and application of 21 new materials. Its application in the car is obvious.The development s of PP bumper and special purpose raw materials at home and abroad ,as well as the molding methods and recycling of the bumpers are int roduced.1 前言汽车保险杠是吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。

对汽车或驾驶员在冲撞受力的时候，产生缓冲的作用。

保险杠材料失效的现象比较复杂，但强度不足引起的失效现象主要还是屈服和断裂两种现象，对于保险杠系统通常以屈服形式失效。

保险杠在设计时主要考虑车辆行驶冲撞时防止车辆损坏。

在选用材料是，需要流动性好，耐热，耐化学药品性能好，表面硬度高，耐老化性能，耐磨性能好。

2 保险杠的选材比较在选择材料时，根据保险杠性能要求，提供PC，PBT，改性PP材料作为主要选择对象。

2.1 PC材料PC材料为聚碳酸酯，聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。

由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。

综合性能优异，尤其具有突出的抗冲击性、透明性和尺寸稳定性，优良的机械强度和电绝缘性，较宽的适用温度范围（-60——120℃）。

PC材料性能：冲击性能：PC的冲击强度在通用工程塑料乃至所有热塑性塑料中都是很突出的。

平均分子量为（2.8——3.0）×104时冲击强度最大。

耐蠕变性：PC的耐蠕变性在热塑性工程塑料中是相当好的，优于尼龙和聚甲醛。

因吸水而引起的尺寸变化很小。

尺寸稳定性优良。

疲劳强度：PC抵抗周期性应力循环往复作用的能力很差。

应力开裂：PC制品的残留应力和应力开裂现象是个较为突出的问题。

耐碱性差：氨、胺或其10%水溶液即可使它迅速皂化降解。

摩擦磨耗：摩擦系数较大，耐磨性较差。

热性能：长期使用温度范围是-60——120℃。

电性能：电绝缘性能非常好，接近PET。

吸水性：吸水性低。

2.2 PBT材料PBT材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯，英文名polybutylene terephthalate（简称PBT），属于聚酯系列，是由1.4-pbt丁二醇(1.4-Butylene glycol)与对苯二甲酸(PTA)或者对苯二甲酸酯(DMT)聚缩合而成，并经由混炼程序制成的乳白色半透明到不透明、结晶型热塑性聚酯树脂。

与PET一起统称为热塑性聚酯，或饱和聚酯。

PBT是最坚韧的工程热塑材料之一，它是半结晶材料，有非常好的化学稳定性、机械强度、电绝缘特性和热稳定性。

这些材料在很广的环境条件下都有很好的稳定性。

PBT吸湿特性很弱。

非增强型PBT的张力强度为50MPa，玻璃添加剂型的PBT张力强度为170MPa。

玻璃添加剂过多将导致材料变脆。

PBT的；结晶很迅速，这将导致因冷却不均匀而造成弯曲变形。

对于有玻璃添加剂类型的材料，流程方向的收缩率可以减小，但与流程垂直方向的收缩率基本上和普通材料没有区别。

一般材料收缩率在1.5%~2.8%之间。

含30%玻璃添加剂的材料收缩0.3%~1.6%之间。

熔点（225℃）和高温变形温度都比PET材料要低。

维卡软化温度大约为170℃。

玻璃化转换温度（glass trasitio temperature）在22℃到43℃之间。

由于PBT的结晶速度很高，因此它的粘性很低，塑件加工的周期时间一般也较低。

PBT材料性能：优良的机械性能：机械强度高、耐疲劳性和尺寸稳定性好，蠕变也小，这些性能在高温条件下也极少有变化。

生产PBT和PET所消耗的能量是工程塑料中最低的。

耐热老化性优异，户外长期老化性好。

易于阻燃。

阻燃产品在电子电气工业得到广泛应用。

长期使用温度高，增强后的UL温度指数达120——140℃，易于加工，流动性好，具有突出的动态力学性能。

增强PBT在23℃和100 ℃均具有优异的耐蠕变性。

增强PET在负荷3MPa以下时，几乎不随受力时间加长而发生蠕变。

增强PET的耐疲劳特性优于增强PA和增强PC.缺点：PBT遇水易分解，在高温、高湿环境下使用需谨慎玻纤增强PET工程塑料出具有以上特点外，还有以下特点：.热变形温度（240 ℃左右）和长期使用温度（140 ℃）是热塑性通用工程塑料中最高的。

.因为耐热高，增强PET在250 ℃的焊锡浴中浸渍10s几乎不变形也不变色，特别适合制备需锡焊的电子、电器零件。

.弯曲强度200MPa,弹性模量4000MPa,耐蠕变及疲劳性好，表面硬度高，机械性能与热固性塑料相近，价格低，结晶难，加工周期长。

2.3 PP材料PP材料为改性聚丙烯，聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能。

聚丙烯力学性能的绝对值高于聚乙烯，但在塑料材料中仍属于偏低的品种，其拉伸强度仅可达到30 MPa或稍高的水平。

等规指数较大的聚丙烯具有较高的拉伸强度，但随等规指数的提高，材料的冲击强度有所下降，但下降至某一数值后不再变化。

温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。

当温度高于玻璃化温度时，冲击破坏呈韧性断裂，低于玻璃化温度呈脆性断裂，且冲击强度值大幅度下降。

提高加载速率，可使韧性断裂向脆性断裂转变的温度上升。

聚丙烯具有优异的抗弯曲疲劳性，其制品在常温下可弯折106次而不损坏。

但在室温和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以冲击强度较差。

聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，俗称百折胶。

[（1）物理性能：PP为无毒、无味的乳白色高结晶的聚合物，是目前所有塑料中最最轻的品种之一，对水特别稳定，在水中14h的吸水率仅为0.01%。

分子量约8~15万之间，成型性好。

但因收缩率大，原壁制品易凹陷，制品表面光泽好，易于着色。

（2）力学性能：PP的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能，其强度和硬度、弹性都比高密度PE(HDPE)高。

突出特点是抗弯曲疲劳性（7×10^7）次开闭的折选弯曲而无损坏痕迹，干摩擦系数与尼龙相似，但在油润滑下不如尼龙。

（3）热性能：PP 具有良好的耐热性，熔点在164~170℃，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌。

在不受外力的作用下，150℃也不变形。

脆化为-35℃，在低于-35℃会发生脆化，耐热性不如PE。

（4）化学稳定性：PP具有良好的化学稳定性，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其他各种化学试剂都比较稳定，但低分子量的脂肪烃、芳香烃等能使PP软化和溶胀，化学稳定性随结晶度的增加还有所提高。

所以，PP适合制作俄中化工管道和配件，防腐蚀效果良好。

（5）电性能：聚丙烯的高频绝缘性能优良，由于它几乎不吸水，故绝缘性能不受湿度的影响，有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电气绝缘制品，击穿电压也很高，适用作电器配件等。

抗电压、耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。

（6）耐候性：聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌硫代丙酸二月桂脂，炭黑式类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。

2.4 三种材料的比较及最终确定根据三者材料的使用性能，均具有良好的抗冲击性能，这是在为保险杠选材时首先考虑的。

在考虑PBT材料时，其优良的机械性能并且在高温时也不易发生变化。

在生产PBT和PET所消耗的能量是工程塑料中最低的。

但是PBT材料有一明显的缺点，就是PBT遇水易分解，这使得车辆在下雨天行驶的时候变得危险，若选择其为保险杠材料，则雨天行驶的汽车安全性无法保证。

在考虑PC材料时，作为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料，PC 材料如今的应用应该来讲最为广泛，其最好的冲击强度也是其他材料无法比拟的，但是PC制品的残留应力和应力开裂现象是个较为突出的问题。

由于长时间或反复施加低于塑料力学性能的应力而引起塑件外部或内部产生裂纹。

这使得PC材料的使用寿命不能得到保证，一旦汽车长时间使用后，保险杠开裂的话会对汽车直接造成损坏。

对于改性PP材料，抗冲击能力不如上述材料，但是其具有优异的抗弯曲疲劳性，也是最轻的高分子材料之一，这在汽车轻量化尤其重要的今天显得至关重要。

有较好的化学稳定性，PP材料来源广泛，价格低廉，属于通用型塑料树脂，可循环再用的特点也是很重要的一点。

最终汽车保险杠最适合的材料是改性PP材料。

首先改性PP材料价格低廉，其最为轻便的性能也是汽车行业发展的新方向。

在今天，各行各业对于环保的要求越来越高，而PP材料的可循环性也正好切合了这一点。

综合各方面性能，选择改性PP材料作为汽车保险杠的最终选材。

3 聚丙烯汽车保险杠专用料根据汽车行业对保险杠的要求,以及保险杠材料构成上的差异,PP 汽车保险杠专用料可以分成以下几个基本类型。

3. 1 聚丙烯与弹性体共混料聚丙烯共混改性是用增容剂、增强剂、填充剂、偶联剂、交联剂、熔体指数调节剂以及抗老化剂等与聚丙烯基料共混,使聚丙烯改性,大幅度提高其性能。

采用各种合成橡胶和PP 进行共混改善PP 的低温韧性,是生产PP 保险杠专用料的传统工艺。

大部分保险杠专用料采用EPDM 增韧。

目前国外还有用SBS、SEBS(苯乙烯2乙烯2丁二烯2苯乙烯共聚物) 、氢化SBS 等增韧,或EPDM 与SEBS、EPDM 与PE 并用等。

我国保险杠专用料则主要采用PP/ EPDM 共混改性。

影响共混料性能的主要因素有:基础树脂的平均分子量、分子量分布、共混料中各组分的比例和特征,以及对橡胶的交联处理等。

随着基础树脂平均分子量的提高,韧性将得以改善,但流动性会明显下降,从而给加工带来困难。

解决途径有两个: (1) 过氧化物热降解技术目前认为比较理想的方法是采用过氧化物热降解技术,由分子量较高的基础树脂来制取所需的高流动性材料。

用此技术生产的树脂,与具有相同熔体指数的直接聚合技术合成的树脂相比,分子量分布窄、加工性能好(不易翘曲) 、刚性和低温耐冲击性能均较高。