新材料与工艺手册

[轻量化材料] 聚丙烯玻纤板的轻量化进展

1
回复
194
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-9-30 14:44:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
汽车轻量化在线】聚丙烯玻纤板的轻量化进展

郭焕祥 李海帆 王国淑 韦明 王克强
(烟台正海合泰科技股份有限公司;山东省汽车内饰材料工程技术研究中心)
摘要:聚丙烯(PP)玻纤板因具有低气味、低VOC、可回收等优点,在汽车内饰上的应用日益广泛。轻量化技术使聚丙烯玻纤板的竞争力进一步提高。介绍了PP 玻纤板的传统干法和湿法生产技术,结合我国普遍采用干法工艺的实际,描述了添加发泡微球的干法轻量化PP 玻纤板技术进展——浸渍法和撒粉法以及改进的撒粉法。从工艺和设备的复杂性以及产品质量角度考虑,改进型撒粉法能耗低、设备简单、工艺合理,具有一定的优势。
关键词:PP 玻纤板;轻质GMT;轻量化;干法;撒粉法

随着国家对节能和环保的日益重视,对汽车轻量化的要求也日益提高,在传统的干法和湿法工艺的基础上,PP 玻纤板的轻量化技术也取得了一些新的进展,主要特征是在保证产品刚性的前提下通过引入发泡微球来进一步降低材料质量。国外的湿法厂家直接在粉料中增加微球,国内的干法厂家则采用浸渍法和撒粉法引入发泡微球来实现干法技术的升级。文章结合行业信息、文献资料以及实际研发工作,简要介绍了PP 玻纤板的轻量化技术的最新进展。

1 PP玻纤板材质介绍
PP 玻纤板,通常也被称为轻质GMT 材料,是一种轻量化的复合材料,广泛应用于汽车内饰顶棚、衣帽架等产品上。GMT(玻璃纤维毡增强热塑性板材)结构较密实,体积质量因玻纤含量的不同而有差异,但是都在1 g/m3 左右。作为轻质GMT 的PP 玻纤板结构蓬松,质量为1 000 g/m2 的片材厚度一般在3~4 mm,体积质量大概为0.3 g/m3。
相对于汽车内饰顶棚常用的PU 泡沫夹心板材,PP 玻纤板因为不采用热固性的PU 泡沫,消除了PU 泡沫中不可避免的催化剂、表面活性剂等小分子物质,气味和VOC 有很大改善,而且PP 玻纤板属于热塑性复合材料,具有可再生利用的优点。

2 PP玻纤板生产技术
PP 玻纤板的主要成分是聚丙烯和玻璃纤维(简称玻纤),生产方法主要有干法和湿法2 种。国内的PP 玻纤板几乎全部采用干法工艺[1]。
2.1 湿法工艺
PP 玻纤板的湿法工艺类似于造纸工艺,以PP 粉末和玻璃纤维为原料,将原料和表面活性剂加入水中,借助表面活性剂和搅拌的作用,形成含有很多小气泡的泡沫,把玻璃纤维和PP 粉末均匀地分散在泡沫中,再通过流浆箱分布到抄纸网上,脱泡后得到纤维和粉末的堆积物,之后经过加热和冷压制成板材[2]。湿法工艺采用的玻璃纤维比较短,长度在6~25 mm,典型尺寸是12 mm。
湿法工艺的设备投资较大,工艺复杂,但是板材均匀性较好,加热后膨胀高度大,顶棚基材质量可以做到900 g/m2,甚至可以更低。
2.2 干法工艺
PP 玻纤板的干法工艺与针刺无纺布的生产工艺类似,以PP 纤维和玻璃纤维为原料,通过混合、开松、梳理、铺网、层叠、针刺等工艺制成热熔毡,加热后冷压制成板材。干法工艺采用的玻璃纤维比较长,一般在50~75 mm。
干法工艺的PP 玻纤板生产设备简单,投资小,生产的板材均匀性较差,加热后膨胀高度略小,目前顶棚用的基材质量一般在1 000 g/m2 左右。
2.3 流化床工艺
文献[3]中开发了搅拌-喷动流化床工艺,以空气为流化分质,在流化床中通过流化和搅拌实现聚合物基体与纤维的充分混合,并将纤维束分散为吸附了聚合物基体的单丝,既可以解决通常热塑性复合材料制备中在浸渍上的难题,又可避免湿法中经常出现的废水污染环境的缺陷。该工艺目前仅见于文章,尚未有产品面市。

3 轻量化技术的新进展
PP 玻纤板的轻量化技术在不断进步,其相关专利有很多,但是市面上能够见到的产品主要出自韩国韩华、日本K- 普拉希特株式会社,以及国内的华江科技公司。传统的PP 玻纤板顶棚用基材质量在1 000 g/m2左右,轻量化的PP 玻纤板基材质量低于800 g/m2,甚至低于600 g/m2。
轻量化的PP 玻纤板的主要特征是其中含有发泡微球。发泡微球为核壳结构,表面的壳在高温下有一定的延伸性,里面的核在高温下体积急剧膨胀,所以在高温下发泡微球的体积会增加几十倍,从而增加板材的膨胀高度,改善成型特性,实现轻量化。
轻量化的PP 玻纤板的生产工艺也分为干法和湿法,但是湿法工艺更成熟。干法的轻量化产品还很少见,主要原因是:湿法工艺本来的原料中就含有粉末状的PP,再增加一种粉末状的发泡微球,工艺上没有革命性的变化;而干法工艺本来的原料全是纤维,增加粉料后需要对工艺和设备做大幅度的调整。
因此,文章不再详细介绍湿法PP 玻纤板的轻量化工艺,着重介绍干法工艺的轻量化技术。根据文献[4-5],目前国内的干法工艺主要有浸渍法和撒粉法2 种方案。
3.1 浸渍法
浸渍法首先要用PP 纤维和玻璃纤维制成针刺毡,然后把针刺毡浸渍在分散有发泡微球的水分散体系中,使发泡微球渗透到PP 玻璃针刺毡中,液体去除后,发泡微球就残留在PP 玻纤针刺毡中,最后通过加热、加压和冷却,制成含有发泡微球的PP 玻纤板。
这种工艺与传统的干法工艺非常接近,设备不需要做大的调整,只是增加了通过浸渍渗入发泡微球的过程。不过,PP 玻纤针刺毡是非常蓬松的材料,浸渍后会吸收大量的水分,水分的除去非常困难,需要单独的除水装置,大部分水分最后只能通过加热除去,需要在加热设备上充分考虑除水的负荷。由于水的蒸发潜热消耗大量的能源,浸渍法的能耗大、成本高;另外发泡微球的渗透力有限,而且在除水的过程中,会有大量的发泡微球流失和迁移,发泡微球在PP 玻纤针刺毡中的分布均匀性较差,所以产品质量和经济性较差。
3.2 撒粉法
撒粉法是通过撒粉方式在多层纤网形成之前让发泡微球在其中均匀分布,然后通过针刺加固形成带有发泡微球的PP 玻纤针刺毡,再压制成板材。
与浸渍法相比,由于发泡微球的分布在纤网层叠之前完成,其分布均匀性有很大改善,而且撒粉的方式不需要以水为介质,所以不存在除水的问题,能耗大大降低,产品质量也有所提高。在设备方面,撒粉法与传统的干法仍然非常相似,仅在纤网层叠之前增加了撒粉装置。不利之处在于,撒粉之后的针刺加固过程中,发泡微球很容易在PP 玻纤针刺毡中沉降甚至脱落出来,影响发泡微球的分布均匀性。
3.3 改进型撒粉法
针对针刺过程导致微球沉降和脱落的问题,文献[6-7]提出不用针刺的干法撒粉工艺。
针刺过程本来是干法工艺的主要特征,但是针刺工艺会导致粉末的脱落,不利于PP 粉末、发泡微球与玻璃纤维的均匀分布,而且针刺过程中的纤维缠结会限制PP 玻纤板的加热膨胀高度,所以最好能够避免该工艺过程。但是,针刺工艺使纤维缠结,使网状物形成有一定拉伸强度的毡,从而才能够在后面的工序通过拉幅烘箱来加热。所以,取消针刺工艺后,设备必须做出适应性的调整,不再采用拉幅烘箱,改用承托式的特氟龙带或者特氟龙网来传送材料。
从产品结构上来看,这种改进的撒粉法工艺由于没有针刺过程,没有纤维穿插缠绕的情况,纤维的状态与湿法工艺类似,具有更好的加热膨胀效果。也是得益于针刺工艺的取消,干法工艺也可以使用PP 粉末,不再使用PP 纤维,使PP 树脂的选择范围更大了。相对于湿法工艺来说,这种改进的撒粉法设备简单,前半部分工序仍然是开松、梳理和铺网,撒粉之后不用针刺直接进行加热、加压和冷却,能耗低,工艺合理,成本和质量上都有一定的优势。

4 结论
随着汽车轻量化的不断发展,PP 玻纤板的轻量化技术也在不断进步。我国的PP 玻纤板轻量化技术发展之路必须结合我国普遍采用干法工艺的国情。与浸渍法相比,低能耗的撒粉法更有优势。而改进的撒粉法利用了干法成熟的工艺设备实现湿法工艺的产品质量,具有较好的发展前景。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线