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汽车行人保护支架的原材料结构与性能的研究

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  摘 要:汽车碰撞安全性能越来越受到重视,其中对行人的保护性能要求也越来越高。文章介绍了用于汽车行人保护支架的长玻纤增强聚丙烯(简称LGFPP)结构与性能的研究。文章主要采用自主研发的挤出口模,通过单螺杆挤出机包覆挤出得到LGFPP,同时通过添加三种不同的增容剂EAA、EVA、GPP,研究不同增容剂对LGFPP性能的影响。
  关键词:行人保护支架;长玻纤增强;聚丙烯;增容剂
  1 前言
   随着全球消费升级,消费者对汽车安全性能越来越重视,汽车碰撞安全星级的高低在一定程度上决定了汽车销量。多数情况下,当汽车与行人发生碰撞时,首先是行人的小腿或者膝关节与汽车前保险杠下端发生撞击,然后是行人大腿与汽车前保险杠上端或者汽车发动机罩的前缘接触。最为常见的现象是股骨骨折、胫骨骨折、关节韧带损伤等。
   随着汽车行人保护法规的颁布,各汽车厂为了满足法规,设计了各种各样的行人保护结构。主要有金属支架和塑料支架,本文介绍的行人保护支架,其原材料就是工程塑料,即长玻纤增强聚丙烯(简称LGFPP)。
   LGFPP复合材料具有优异的力学性能,加工过程无污染,可重复加工和再利用,很多应用领域被用来替代金属材料,且在汽车领域得到了广泛的使用。本文主要通过添加三种不同的增容剂EAA、EVA、GPP,研究不同增容剂对LGFPP性能的影响,并分析玻纤在基体树脂中的排布,及其产生的影响。
  2 实验部分
   原料:PP1(牌号F401)、PP2(牌号T30S)、玻璃纤维(工业级)、增容剂EAA(牌号6098)、EVA(牌号2820)和GPP(工业级)
   实验流程:包括挤出包覆LGF、模压制样和测试性能。挤出包覆LGF流程如下:
   将PP与EAA、EVA、GPP分别按比例200:16进行均匀混合,将混合料加入单螺杆挤出机中,同时将连续玻纤分3股喂入机头,使挤出的熔体均匀的涂覆在玻纤表面,然后进行冷却造粒。
   将玻纤长度恒定为3mm,编号P-3表示PP总质量为160g,其中玻纤含量为15%;P-5表示PP总质量为160g,其中玻纤含量为30%;AP代表PP/EAA混合物总质量为160g,VP代表PP/EVA混合物总质量为160g,GP代表PP/GPP混合物总质量为160g;并按此编号、配料进行模压制备样件。
  3 增容剂对长玻纤增强聚丙烯材料冲击性能的影响
   表1显示EAA,GPP,EVA对增容PP1的冲击强度依次降低,说明增容效果最好的为EAA,最差的为GPP。还可以观察到当玻纤含量为15%时,GPP和EVA增容的PP1的冲击强度比没增容的PP1的冲击强度还要低,而当玻纤含量变化到30%时,又恰恰相反,说明在低玻纤含量下,GPP和EVA的增容没有起到增强LGFPP的作用。这可能是因为这两者在低浓度玻纤时对PP1结晶度的影响导致的冲击强度下降较增容起到的增强作用要大,而增容增强PP1的主要目的是为了使玻纤与基体之间的结合更加紧密,形成界面结合层,该结合层需要有一定的厚度才能起到增强作用。
   从表2可以看出,玻纤低浓度时,这三种增容剂对PP2的效果都不明显,其中GPP增容后其冲击强度下降很明显,说明其对PP2没有起到良好的增容效果。在玻纤高浓度时,只有GPP没有起到增加LGFPP冲击强度的效果,说明其对PP2是无效的反而会引起冲击强度的下降。而比较表1可以看出,EAA對PP1不管在低浓度还是高浓度都有良好的增容效果,明显增强了LGFPP的冲击强度。这三者中效果最好的是EAA,而最差的是GPP。因为EAA为乙烯丙烯酸共聚物,含有大量的羧基能与玻纤表面的碱性基团结合形成牢固的化学键,还带有大量的氢键,使其本身的韧性很大,所以EAA增容玻纤增强的PP能在玻纤与基体树脂间形成理想的结合界面,而EVA为乙烯-醋酸乙烯共聚物,跟EAA类似,EVA上也有大量的羧基酸性基团,易于跟玻纤表面碱性基团结合,但相比较两者对基体树脂的影响,EAA更容易于PP混合均匀,而因为EVA的熔点大大低于PP,在混合过程中会造成其部分分解,也导致其混合的不均匀,故对基体树脂的结合没有EAA强,造成其增容效果没有EAA理想。而GPP为接枝聚丙烯,其与玻纤的结合为物理的分子缠绕作用,没有上述两者的化学键牢固,虽然与PP的相容性较前面两者的要好,但总体增容效果远远低于EAA和EVA。
  4 结论
   通过制备不同增容剂和不同玻纤含量的LGFPP复合材料,研究了不同牌号的增容剂、不同含量的玻纤对LGFPP复合材料冲击性能的影响。我们发现,不同增容剂对LGFPP的冲击性能有显著的影响,实验中的EAA对两种不同树脂基体的LGFPP都有很好的增容作用,从而提高其耐冲击性能。而GPP的增容作用对PP2呈现负面的影响,这是实际生产中应该避免的,所以合理选择增容剂非常重要。
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