謝正瑞

(1.上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司,上海 201714; 2.江蘇金發(fā)科技新材料有限公司,江蘇昆山 215333)

0 前言

目前,新能源汽車正快速發(fā)展。提高汽車動(dòng)力整體利用率最行之有效的方案是輕量化,改性塑料的進(jìn)一步使用是汽車輕量化的主要研究方向[1-3]。新能源汽車的冷卻管路輕量化也是目前的研究重點(diǎn)。在汽車熱管理系統(tǒng)中,水室的材料主要為玻纖增強(qiáng)聚酰胺66(PA66)材料,水室零件位于散熱器兩側(cè),并與散熱器連接,從而組成水箱。水室是新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)冷卻模塊的重要零部件,對(duì)于材料的力學(xué)性能要求較高。同時(shí),水室位于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊,工況環(huán)境長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài),因此對(duì)材料耐熱老化性能有較高的要求。水室長(zhǎng)期與冷卻液接觸,材料需要具備良好的耐冷卻液性能。

汽車水室材料早期采用玻纖增強(qiáng)PA66方案。方基永等[4]研究了玻纖增強(qiáng)PA66材料耐冷卻液的老化作用,杜邦和索爾維的PA66/30%GF經(jīng)1 008 h老化后,彎曲強(qiáng)度大于70 MPa,性能保持率超過(guò) 25%。張偉等[5]使用復(fù)合耐水解改性劑制備了耐水解(醇解)玻纖增強(qiáng)PA66材料,經(jīng)過(guò)耐水解性腐蝕試驗(yàn)后其彎曲強(qiáng)度達(dá)到108 MPa。有關(guān)不同材料(PA66/聚鄰苯二甲酰胺/聚苯醚等)影響耐冷卻液后力學(xué)性能和尺寸的研究較多[6-8],對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯的研究主要集中在材料的常規(guī)力學(xué)和結(jié)晶行為[9-10]。玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料具有質(zhì)輕、低碳環(huán)保的優(yōu)勢(shì),具有較高的研究?jī)r(jià)值。雖然玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料在常溫下具有較好耐冷卻液性能,但是對(duì)耐高溫冷卻液性能的影響研究較少。本文主要研究玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料耐高溫冷卻液后拉伸強(qiáng)度保持率的影響因素,初步考察了不同組分對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料耐高溫冷卻液老化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚丙烯1,HP500N,熔體流動(dòng)速率(MFR)為10 g/(10 min),中海殼牌石油化工有限公司;

聚丙烯2,M1200HS,MFR為 10 g/(10 min),上海石油化工股份有限公司;

聚丙烯3,PPH-Y26,MFR為30 g/(10 min),中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司;

玻纖,ECS13-4.5-T538D,直徑13 μm,泰山玻璃纖維有限公司;

馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯,CA100,阿科瑪高分子材料有限公司;

冷卻液,日產(chǎn)LLC溶液,市售;

抗氧劑1,1010,巴斯夫股份公司;

抗氧劑2,168,巴斯夫股份公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

雙螺桿擠出機(jī),SHJ-30型,南京瑞亞高聚物裝備有限公司;

單螺桿注塑機(jī),HTB80型,寧波海天機(jī)械有限公司;

鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)機(jī),DHG-9140A型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;

數(shù)顯卡尺,上海工具廠有限公司;

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),Z005型,德國(guó)Zwick公司;

電子天平,TP-214,丹佛儀器(北京)有限公司;

二次元影像測(cè)量?jī)x,YVM-3020CSPC,上海界限實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 樣品制備

按照配方比例將除玻纖外的各組分稱量后混合均勻,由雙螺桿擠出機(jī)的主喂料口喂入,玻纖由側(cè)喂料口或主喂料口喂入,物料經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混并擠出造粒,得到的粒子即為實(shí)驗(yàn)樣品。雙螺桿擠出機(jī)的螺筒溫度設(shè)置分別為80 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃、200 ℃、200 ℃、200 ℃、220 ℃、200 ℃、200 ℃。粒子在用于注塑樣條及樣板前采用100 ℃烘烤2 h的方法對(duì)粒子進(jìn)行烘干處理,力學(xué)樣條分別按照ISO標(biāo)準(zhǔn)尺寸注塑。

1.4 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度測(cè)試按照ISO 527—2012《塑料 拉伸性能測(cè)定》進(jìn)行,測(cè)試速度為10 mm/min,拉伸模量測(cè)試速度為1 mm/min。彎曲強(qiáng)度和模量測(cè)試按照ISO 178—2016《塑料 彎曲性能測(cè)定》進(jìn)行。耐冷卻液測(cè)試的溫度為140 ℃,樣條測(cè)試的老化時(shí)間為1 000 h。老化樣條浸泡在日產(chǎn)LLC溶液中并放入140 ℃老化箱中進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)后取出樣條擦拭干凈后靜置4 h后測(cè)試力學(xué)性能,并計(jì)算性能保持率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同聚丙烯基體樹(shù)脂對(duì)耐冷卻液性能的影響

冷卻液由水、防凍劑和各種添加劑組成。水的比熱容較大并且熱傳導(dǎo)系數(shù)高,被水吸收的熱量容易散發(fā),因此水作為冷卻液使用具有很多優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使用日產(chǎn)專用冷卻液LLC,冰點(diǎn)溫度為-35 ℃。

玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的主要成分為聚丙烯樹(shù)脂和短切玻纖。其中基體樹(shù)脂的性能是玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料性能的主要影響因素之一,所以實(shí)驗(yàn)中選擇不同流動(dòng)速率和結(jié)晶度的聚丙烯樹(shù)脂。實(shí)驗(yàn)配方見(jiàn)表1。

表1 玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料中不同聚丙烯樹(shù)脂實(shí)驗(yàn)配方

具有不同聚丙烯基體樹(shù)脂的玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料老化前數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,老化后拉伸性能保持率見(jiàn)圖1。由表2可以看出: 雖然配方1#和配方2#的聚丙烯樹(shù)脂MFR相同,但是由于基體樹(shù)脂聚丙烯2(M1200HS)是高結(jié)晶聚丙烯,所以配方2#的常溫拉伸強(qiáng)度由104 MPa提高至114MPa,彎曲強(qiáng)度和模量由147 MPa和6 450 MPa提升到157 MPa和7 060 MPa。在材料耐冷卻液性能保持率方面,樹(shù)脂流動(dòng)性對(duì)耐冷卻液老化性能的影響不明顯。由圖1可以看出:高結(jié)晶樹(shù)脂(配方2#)的耐冷卻液老化后性能保持率較高,保持率為84%。配方3#相比于配方1#的老化后性能保持率較高。

圖1 不同聚丙烯基體樹(shù)脂的玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料老化后的拉伸性能保持率

表2 不同聚丙烯基體樹(shù)脂的玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料老化前數(shù)據(jù)

2.2 不同接枝物含量對(duì)耐冷卻液性能的影響

玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料中主要成分為聚丙烯樹(shù)脂和短切玻纖,但玻纖和聚丙烯樹(shù)脂間之間的界面必須使用馬來(lái)酸酐接枝物作為相容劑提升材料的力學(xué)性能,所以接枝物也是性能影響的主要因素之一。開(kāi)展了不同接枝物含量對(duì)材料初始力學(xué)性能和冷卻液老化后性能保持率實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)配方見(jiàn)表3。表4是不同含量接枝聚丙烯下材料的力學(xué)性能的測(cè)試數(shù)據(jù),圖2是不同接枝物含量下材料的老化性能保持率。

圖2 不同接枝物含量的玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料老化后拉伸性能保持率

表3 玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料不同接枝物含量實(shí)驗(yàn)配方

表4 玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料不同接枝物含量對(duì)性能的影響

由表3可以看出:在無(wú)接枝物情況下拉伸強(qiáng)度為61.4 MPa,隨著馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯的添加拉伸強(qiáng)度提高至114 MPa,彎曲強(qiáng)度由96.4 MPa提高至157 MPa。接枝物的添加改善了基體與玻纖的界面結(jié)合效果,提升了材料的力學(xué)性能。

由圖2可以看出:隨著接枝物含量的增加,材料的耐冷卻液性能保持率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),良好的界面結(jié)合可以提升耐冷卻液老化性能保持率,但極性馬來(lái)酸酐接枝物含量過(guò)高會(huì)引起復(fù)合材料的耐冷卻液老化性能的下降。

2.3 不同玻纖保留長(zhǎng)度及含量對(duì)耐冷卻液性能的影響

短玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料在不同的玻纖含量下表現(xiàn)出不同力學(xué)性能,從材料的力學(xué)性能來(lái)看,玻纖含量的增加可以提升材料的力學(xué)性能。通過(guò)玻纖喂料方式的變化實(shí)現(xiàn)玻纖保留長(zhǎng)度的變化,考察不同的玻纖含量及不同玻纖保留長(zhǎng)度對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料耐冷卻液性能保持率的影響,實(shí)驗(yàn)的配方見(jiàn)表5,其中,配方12#即配方2#。表6為不同工藝下材料的拉伸強(qiáng)度和玻纖保留長(zhǎng)度。

表5 玻纖增強(qiáng)聚丙烯中不同玻纖含量和保留長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)配方

表6 玻纖增強(qiáng)聚丙烯中不同玻纖含量和保留長(zhǎng)度

由表6可以看出:隨著玻纖含量的增加,材料的拉伸強(qiáng)度明顯呈增加的趨勢(shì),10%玻纖增強(qiáng)聚丙烯的拉伸強(qiáng)度為66.4 MPa,30%玻纖增強(qiáng)聚丙烯拉伸強(qiáng)度達(dá)到114 MPa;采用不同的玻纖喂料方式,玻纖的保留長(zhǎng)度明顯發(fā)生變化,側(cè)喂玻纖后玻纖保留長(zhǎng)度為535 μm左右,使用主喂玻纖工藝后玻纖保留長(zhǎng)度下降至380μm;材料的拉伸強(qiáng)度也隨著玻纖保留長(zhǎng)度的降低而降低,全部主喂玻纖的配方15#拉伸強(qiáng)度降低至67.1 MPa。

不同玻纖含量的玻纖增強(qiáng)聚丙烯老化后性能保持率見(jiàn)圖3。由圖3可以看出:聚丙烯樹(shù)脂在不添加玻纖狀態(tài)下,老化后性能基本不變,隨著玻纖含量的增加性能保持率呈現(xiàn)降低現(xiàn)象;玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),性能保持率下降至96%;當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%后,性能保持率繼續(xù)下降至94%。不同玻纖保留長(zhǎng)度下玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料耐冷卻液性能保持率見(jiàn)圖4。由圖4可以看出:隨著玻纖保留長(zhǎng)度的降低,材料的耐冷卻液性能保持率有所提高。配方12#～15#樣條表面二次元圖像見(jiàn)圖5。由圖5可以看出:配方12#樣品表面有明顯浮纖發(fā)白,主喂玻纖材料(配方15#樣品)表面浮纖較少;推測(cè)主要原因?yàn)椴＠w保留長(zhǎng)度低時(shí)聚丙烯樹(shù)脂可以很好地浸潤(rùn)纖維表面,材料表界面保護(hù)更好,實(shí)現(xiàn)了性能保持率的提升。

圖3 不同玻纖含量的玻纖增強(qiáng)聚丙烯老化后性能保持率

圖4 不同玻纖保留長(zhǎng)度的玻纖增強(qiáng)聚丙烯老化后性能保持率

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料中不同聚丙烯樹(shù)脂對(duì)耐高溫冷卻液性能保持率有所影響,不同流動(dòng)性的聚丙烯樹(shù)脂影響不大,M1200HS基體的玻纖增強(qiáng)材料耐冷卻液性能保持率較高。

(2) 接枝物含量對(duì)材料耐冷卻液性能保持率的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),合適的界面結(jié)合有利于耐冷卻液性能的保持。

(3)玻纖含量的增加不利于耐冷卻液性能保持率的提升,而降低玻纖保留長(zhǎng)度有利于提升耐冷卻液性能保持率。