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Research & Development
收稿日期:2020-10-14
作者简介：赵福(1989 )，男，本科，工程师，主要从事车用非金属零件与整车气味㊁VOC 管控和提升工作㊂E-mail:afford_zf@163㊂
DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.04.010
赵福，乔兵，任明辉，郭秋彦，马秋
(吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江宁波315336)
摘要：由于长玻纤增强聚丙烯材料与其他聚丙烯改性材料相比有明显的气味劣势，针对此情况，重点从长玻纤增强聚丙烯材料的基体聚丙烯树脂㊁偶联剂㊁相容剂㊁造粒工艺等角度对长玻纤增强聚丙烯复合材料
的气味影响因素进行了详细分析，并提出改善措施㊂
关键词：聚丙烯；长玻纤；偶联剂；相容剂；温度；气味中图分类号:TQ325.14
Analysis on the Factors Affecting the Odor of Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene
ZHAO Fu,QIAO Bing,REN Minghui,GUO Qiuyan,MA Qiu
(Geely Automotive Research Institute (Ningbo)Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315336,China)
Abstract :The long glass fiber reinforced polypropylene materials has obvious disadvantage of odor compared with other modified polypro-pylene materials.In view of this situation,the factors influencing the odor of long glass fiber reinforced polypropylene composites were ana-lyzed in detail from the aspects of matrix polypropylene resin,coupling agent,compatibilizer and granulation process et al,and the improve-ment measures were put forward.
Keywords :Polypropylene;Long glass fiber reinforced;Coupling agent;Compatilizer;Temperature;Odor
0㊀引言
当前汽车材料技术发展方向主要是轻量化和环保化，由于塑料材料具有低密度㊁低成本等优势，促使其在汽车制造中广泛应用㊂现如今塑料制零件数量已经超过整车零件数量的10%[1]㊂在汽车诸多塑料品种中，聚丙烯因其低成本㊁低密度㊁加工便利等优势，是汽车行业中最重要的材料之一㊂但聚丙烯材料本身存在一些缺陷，如耐候性差㊁韧性不足㊁尺寸收缩率大㊁制品易翘曲等[2-3]㊂因此，实际应用中需对聚丙烯材料进行改性加工，使得聚丙烯材料可以满足汽车不同零件的应用㊂改性聚丙烯材料在内外饰零件(仪表板㊁门板㊁保险杠)，热管理零件(空调系统㊁冷却系统)等不同零件中得到广泛应用㊂
聚丙烯常规的增强改性添加物主要有三类:(1)EPDM ㊁POE 等弹性体;(2)滑石粉㊁碳酸钙等矿物;(3)木纤维㊁玻璃纤维等纤维材料㊂采用弹性体改性，可以提升聚丙烯抗冲击和低温性能；采用矿物填充，可以改善材料的刚性和耐温性能；而纤维增强改性聚丙烯材料中当前以玻纤增强的应用较为成熟，玻纤增强的聚丙烯材料是聚丙烯塑料中强度最高㊁耐热性及尺寸稳定性最好的品种，是未来车用聚丙烯材料重点发展方向㊂
在玻纤增强聚丙烯材料中主要选择长玻纤作为载体，这是由于长玻纤经注塑成型后可形成有效的三维结
构，能弥补短玻纤增强材料的翘曲变形㊁低温韧性差㊁耐疲劳性一般等缺点㊂长玻纤增强聚丙烯材料中因玻纤保留较长，具有比强度高㊁抗冲击性强㊁尺寸稳定以及翘曲度低等显著特点[4-5]㊂特别是仪表板和副仪表板骨架等结构件的应用，能够起到薄壁和轻量化作用㊂但是长玻纤对比常规橡胶㊁滑石粉增强
的聚丙烯材料，由于其原材料㊁加工工艺等特殊要求，有明显的气味劣势，导致零部件注塑后易产生酸臭味和焦糊味㊂因此，对长玻纤增强聚丙烯材料气味的研究日益受到重视㊂
1㊀长玻纤主要原材料组成和加工工艺
长玻纤增强聚丙烯材料(LGFPP )，主要有基体聚丙烯(PP )树脂㊁长玻纤(LGF )㊁马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH )㊁抗氧剂㊁偶联剂㊁润滑剂㊁稳定剂以及助剂母粒等材料组成㊂其中长玻纤是增强相,PP-g-MAH 是相容剂，不仅起连接基体聚丙烯和增强相长玻纤作用，更有资料报道对改性后材料性能起关键作用㊂
长玻纤增强的聚丙烯材料的生产过程如图1所示㊂长玻纤材料为了保留长玻纤的有效长度[6]，与其他改性如滑石粉增强等加工的造粒方式不同㊂在加工造粒的过程中长玻纤需要经过特殊模头梳理，保证生产过程中不能出现玻纤大量断裂或绕曲的问题㊂
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基材PP 树脂对气味的影响
长玻纤增强聚丙烯材料生产中，对基料PP 有两大1)高流动性，即高熔指(MFR )，若熔指偏低，聚丙烯的熔体黏度高，长玻纤在模头挤出时，聚丙烯不能充分地浸润长玻纤纤维，甚至会对长玻纤进行拉扯，易产生断丝，导致有效的纤维长度减短，影响制品质从而影响材料性能;(2)分子量集中，聚丙烯的分子量分布越集中，低分子量的链段较少，有利于聚丙烯气味的控制㊂在窄分子量分布的前提下减少聚丙烯的平均分子量也能提高聚丙烯流动性，剪切速率对熔体黏度的敏感性越低，在高剪切速率时黏度的波动较小，有利于保持长玻纤纤维的保留率㊂
目前产业中满足上述要求的聚丙烯树脂生产方法主要有两种㊂传统工艺是过氧化物降解法㊂该方法是通过添加过氧化物阻断聚合，调节和控制聚丙烯分子量㊂该方法工艺简便，可操作性强，但该方法降解度不易控制，相对分子量分布范围较宽，熔体流动速率不够稳定，有氧化物残余及气味㊂新工艺是氢调法㊂通过反应中氢气浓度来调节相对分子质量及其分布，调节和控制
长玻纤是无机物量钠㊁纤的形态是个透明光滑的圆柱体为玻纤的表面平整聚丙烯树脂属于非极性体系了使长玻纤和聚丙烯树脂之间能形成有效的界面结合对玻纤材料进行前处理采用的表面改性方法就是增加偶联剂极性基团可以与长玻纤的表面结合团可以与聚丙烯链段结合烯基材之间的界面状态联剂主要有硅烷偶联剂联剂等㊂目前长玻纤增强材料中应用最广泛的为硅烷偶联剂，其常规的型号有KH550㊁KH560㊁KH570㊂
偶联剂一般作为长玻纤的表面处理剂，对长玻纤和聚丙烯树脂界面结合有一定的改善，但仅仅通过偶联剂的作用，仍不能形成牢固的化学和机械结合㊂现行的长玻纤增强聚丙烯材料中，需要在聚丙烯基材中增加相容
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接枝的相容剂㊂相容剂的接枝率推荐使用1.1%~1.5%㊂
2.4㊀造粒加工温度对气味的影响
针对浸润法生产的长玻纤材料，为了保证玻纤与聚丙烯材料的混合相容效果，需要通过较高的熔融温度，降低聚丙烯的黏度，增加聚丙烯的流动性㊂聚丙烯在长
况与聚丙烯相似㊂但是由于长玻纤增强纤维的引入，导致长玻纤零件在注塑过程中需要较高的注塑温度保证聚丙烯材料充分熔融，减少供料㊁注塑过程中长玻纤成分的断裂，因此，长玻纤零件在注塑过程中温度的风险较大㊂同时，长玻纤材料在注塑过程中需要避免过大的剪切，否则也会引起长玻纤成分的断裂，故长玻纤材料在
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注塑过程中压力(剪切)的风险较低㊂
长玻纤的气味状态随着注塑温度的提高而逐渐恶化㊂特别是注塑温度在240ħ以上的话已经超过聚丙烯材料的分解温度，该工艺注塑的长玻纤样品气味已经较差㊂综合以上聚丙烯材料分解的特性，和长玻纤增强材料在注塑过程中的限制，建议长玻纤材料在注塑过程中，尽量将注塑温度控制在230ħ以下㊂
2.6㊀供货方式对气味的影响
现有长玻纤供货有直接供货法和间接混合法两种㊂以PP +LGF20为例㊂直接法是指供货时提供20%质量比的长玻纤的粒子㊂间接法是指提供40%长玻纤含量的粒子+对应质量的常规聚丙烯粒子，在注塑前混合成20%长玻纤含量的粒子㊂从长玻纤增强聚丙烯造粒过程中分析，直接法供货的优势是玻纤含量较低，可以使用较低的相容剂含量和模头挤出温度；间接法供货的优势是对应组分的聚丙烯是常规造粒生产，未经过较高的模头挤出温度，聚丙烯自身气味较好㊂但通过粒子的气味结果分析，直接法供货和间接法供货无明显气味差异㊂但由于间接法供货，需要在注塑厂家进行混料，成品质量与混料效果直接相关，而部分规模较小的注塑厂，无法有效地保证混料效果，故建议在长玻纤材料供货中选用直接法㊂
2.7㊀后处理方案对气味的影响
以上章节是针对长玻纤材料生产加工过程中的气味来源分析和气味提升建议，通过这些改善，长玻纤材料的气味已有一定的提升㊂后处理方案，因条件易于操作实现，是目前气味性能提升过程中厂家通选的方案之一㊂
长玻纤材料的后处理可以是粒子的烘烤除味㊂气味的来源主要是原材料中自带的小分子，或者在生产加工过程中经过复杂的化学反应产生的小分子，同时，小分子成分亦是容易散发的组分㊂因此，采用烘烤除味可以排出塑料粒子中的异味分子，使其随烘烤气流的散发而逸出㊂针对塑料粒子的烘烤后处理，主流的方式是在原有粒子的冷却罐，增加一个烘料罐㊂烘料罐采用鼓风的设备，让粒子在烘料罐中充分运动，热风能在粒子间流动，带出异味小分子㊂
目前主流长玻纤增强改性聚丙烯厂家一般采用100ħ以上㊁4h 以上的烘烤后处理工艺，可以显著提升长玻纤粒子的气味状态㊂但是采用烘烤是否能完全使其粒子中的小分子充分散发仍在研究中㊂在烘烤过程中，粒子实际形成核壳结构，粒子表层小分子可以随烘烤散发，但越靠近核心层的部分小分子的散发能力逐渐减弱㊂由表可知，在烘烤8h 以上后，塑料粒子的气味状态已无明显提升，说明在烘烤一定时间后，核心层的小分子阻力较大，已无法
对粒子的气味状态提升产生贡献㊂
3㊀结束语
长玻纤增强聚丙烯材料，是聚丙烯改性材料中的重要发展类型㊂长玻纤增强聚丙烯材料与常规聚丙烯材料改性相比，提高了冲击强度㊁低温韧性㊁耐疲劳等性能，为零部件结构增强㊁提高模量㊁降低质量建立了基础，满足了一些汽车内饰件的特殊要求㊂但长玻纤在原材料㊁助剂㊁加工工艺等方面的限制，导
致其气味状态明显差于常规聚丙烯改性材料㊂文中的研究表明，选用氢调法的基材聚丙烯树脂气味优于氧化降解法；不同接枝率马来酸酐接枝聚丙烯，气味存在差异，需要优选固相接枝法制备的相容剂；降低造粒加工温度，注塑温度可以改善长玻纤材料中聚丙烯的分解㊂原料配方材料的优选基础上，生产工艺的调节以及后处理工艺等措施对复合材料的气味都有进一步的提升㊂
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Analysis on the Factors Affecting the Odor of Long Glass Fiber
Reinforced Polypropylene
长玻纤增强聚丙烯材料气味影响因素分析
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