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一文搞懂长玻纤增强PP塑件的异味产生原因及解决方法

作者:小编2022-07-27 16:01:06

长玻纤增强聚丙烯(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene.简称LGFPP)是倍受人们关注的新品种之一。作为汽车模块载体材料,该材料不仅能有效地提高制品的刚性、抗冲击强度、抗蠕变性能和尺寸稳定性,而且可以做出复杂的汽车模块制品。

由于金属不适合成型复杂的形状,限制了它在很多零件中的应用,这也阻碍了成本的下降。与此相反,采用长玻纤增强塑料注射成型则可以克服上述诸多弊病。然而,玻璃纤维在注射成型的过程中可能被损坏而得不到所需的强度。

长玻纤增强聚丙烯(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene.简称LGFPP)是倍受人们关注的新品种之一。作为汽车模块载体材料,该材料不仅能有效地提高制品的刚性、抗冲击强度、抗蠕变性能和尺寸稳定性,而且可以做出复杂的汽车模块制品。

为了使玻璃纤维在塑料中很好地起到作用,必须使玻璃纤维长度大于其临界长度Lo。有关资料表明,当纤维长度小于此临界长度的纤维增强塑料受到一定载荷时,纤维会被拔出,纤维的强度不能得到充分发挥。临界长度Lo与具体的塑料品种有关,玻纤增强聚丙烯而言,其Lo为3.1mm,而普通短纤维增强塑料的玻纤长度一般只有0.2~0.6mm。

普通的短玻纤增强PP,由于含有的玻纤短,易翘曲,冲击强度低,受热容易变形,长玻纤能够克服短玻纤的上述缺陷,且制品具有较好的表面、较高的使用温度、较高的冲击强度,可应用于冰箱以及耐热性比较高的厨用电器等。长玻纤增强聚丙烯材料中因玻纤保留较长,具有比强度高、抗冲击性强、尺寸稳定以及翘曲度低等显著特点。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。但是长玻纤对比常规橡胶、滑石粉增强的聚丙烯材料,由于其原材料、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。因此,对长玻纤增强聚丙烯材料气味的研究日益受到重视。

一、长玻纤增强PP的组成

长玻纤增强聚丙烯材料 ( LGFPP) ,主要有基体聚丙烯 ( PP) 树脂、长玻纤 ( LGF) 、马来酸酐接枝聚丙烯 ( PP-g-MAH) 、抗氧剂、偶联剂、润滑剂、稳定剂以及助剂母粒等材料组成。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。长玻纤与聚丙烯之间的混合有两种形式,即电缆法和浸润法。

二、长玻纤增强PP塑件的异味来源

一般而言,长玻纤增强PP的异味来源主要包括基材 PP 树脂、长玻纤表面处理剂偶联剂、相容剂和注塑加工温度几个方面。

长玻纤增强聚丙烯材料生产中需要基材PP树脂具有高流动性和分子量集中的特点,目前产业中满足上述要求的聚丙烯树脂生产方法主要为过氧化物降解法和氢调法。过氧化物降解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。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。氢调法通过反应中氢气浓度来调节相对分子质量及其分布,调节和控制树脂分子量。该方法需要氢敏催化剂和氢气的加入,工艺较为复杂。但氢调法生产的聚丙烯熔体流动速率稳定,且无残留及气味,品质更为优良。

由于聚丙烯基材是非极性体系,而玻璃纤维是极性体系。在偶联剂基础上,需要增加相容剂进行进一步的改性,提升玻纤和聚丙烯的界面结合。目前聚丙烯相容剂主要有马来酸酐及酯类 ( 如 PP-g-MAH) 、丙烯酸及酯类 ( 如 PP-g-AA) 、甲基丙烯酸及其酯 ( 如 PP-g-GMA)等。马来酸酐接枝聚丙烯是其中效果应用广泛的相容剂类型。一方面其中马来酸酐的极性基团与玻璃纤维结合。另一方面其中聚丙烯成分与聚丙烯基材形成分子间力。该相容剂能有效地连接聚丙烯和玻璃纤维。但若采用马来酸酐生产相容剂,在生产加工后有未反应的马来酸酐遗留。而马来酸酐有明显刺激性异味,是长玻纤增强聚丙烯材料气味的主要因素。

在注塑加工中,聚丙烯材料经过注塑螺杆的剪切作用,和螺杆区域熔融聚丙烯的高温,会产生分解,形成大量小分子,导致异味的产生。一般而言,在注塑过程中的分解还与注塑机的加压方式、螺杆结构等多种因素相关,但这些因素相对复杂,且难以固化,故主流对聚丙烯材料气味的控制,仍集中于注塑压力和注塑温度。聚丙烯材料当注塑压力在 90 MPa 以上时开始分解,在120 MPa 以上时则加速分解; 当注塑温度在 180 ℃ 以上开始分解,在 210 ℃ 以上加速分解,在 230 ℃ 以上快速分解。聚丙烯材料开始受到较大的剪切和较高的温度,会导致其端链分解,产生醛类、酮类、小分子量烷烃等分解物,其中以醛类物质为主,特别是乙醛含量上升明显。

长玻纤的气味状态随着注塑温度的提高而逐渐恶化。特别是注塑温度在 240 ℃ 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。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 230 ℃ 以下。

三、结论

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。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、低温韧性、耐疲劳等性能,为零部件结构增强、提高模量、降低质量建立了基础,满足了一些汽车内饰件的特殊要求。但长玻纤在原材料、助剂、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。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。原料配方材料的基础上,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。