中國“強制使用再生塑料”時代第1展

2025年9月2日·浙江寧波，點擊上圖報名ChinaReplas大會

在汽車輕量化與塑料循環(huán)利用趨勢日益增強的背景下，比亞迪團隊針對車用聚丙烯（PP）復合材料在長期使用中易出現(xiàn)的“發(fā)白條紋”問題進行了系統(tǒng)研究。通過氙燈加速老化試驗，成功復現(xiàn)了保險杠等外飾件在紫外老化后的失效現(xiàn)象，并深入揭示了由彈性體拉伸取向光老化開裂滑石粉外露共同引發(fā)的表面退化機制。研究還指出，再生料的使用比例及模具澆口位置對該現(xiàn)象有顯著影響，為今后再生PP的應用設計與模具優(yōu)化提供了可操作的技術參考。本文對于提升汽車塑料部件的耐候性能、促進高性能再生料在車用領域的可持續(xù)應用具有重要價值。

摘要：汽車塑料件在長期使用過程中易出現(xiàn)耐候性失效問題，尤其是輪眉、保險杠等外飾表面常見交替發(fā)白條紋，嚴重影響外觀質(zhì)量。為解決該問題，采用氙燈加速老化試驗在滑石粉填充聚丙烯（PP）注塑樣板上成功重現(xiàn)了條紋發(fā)白現(xiàn)象，并探討了其形成機理。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)白主要源于表面光老化引起的開裂及滑石粉暴露，出現(xiàn)發(fā)白區(qū)域的O、Mg和Si元素含量明顯升高；表面彈性體拉伸取向程度高的區(qū)域更易在光照后發(fā)生開裂，由于取向不均，還會在光照后呈現(xiàn)黑白相間的條紋。進一步研究發(fā)現(xiàn)，PP材料發(fā)白條紋的形成與兩個因素密切相關：其一，材料本身的基材特性，使用再生料會加速老化分解，從而加劇發(fā)白；其二，注塑過程中遠離澆口的位置因流動性不足，易導致彈性體取向增強，進而提升光照后開裂的風險。為減緩發(fā)白現(xiàn)象對外觀的影響，可通過優(yōu)化PP基材的耐候性、減少再生料用量，以及在模具設計中降低流長比等方式進行改進。

關鍵詞：外飾件；聚丙烯；發(fā)白條紋；耐候性；再生料

聚丙烯（PP）因其密度低、成本低、性能優(yōu)良，在汽車內(nèi)外飾件中被廣泛應用。目前，保險杠、輪眉、側(cè)裙板等汽車外飾件多采用PP基復合材料。為滿足性能需求，常在PP中加入改性劑：如添加滑石粉提升剛性并降低收縮率，添加聚烯烴彈性體（POE）或三元乙丙橡膠（EPDM）增強韌性，添加耐熱耐光助劑提升長期穩(wěn)定性。目前常見的外飾材料包括30%滑石粉填充的PP/EPDM（PP+EPDM-T30）和20%滑石粉填充的PP/EPDM（PP+EPDM-T20）等。

然而，PP制品耐老化性能有限，長期使用后易出現(xiàn)發(fā)白等表觀缺陷，尤其在未噴漆的保險杠與輪眉上，常見黑白相間條紋，嚴重影響外觀和品質(zhì)。因此，迫切需要研究該現(xiàn)象的成因并尋求解決方案。發(fā)白條紋的出現(xiàn)通常與材料老化退化相關，外部因素包括溫度、濕度、紫外光照等，內(nèi)部因素涉及內(nèi)應力分布及彈性體的粒徑與分布等。

Hirano 等研究指出，條紋與PP材料中彈性體的取向與拉伸有關，同時與材料長期服役過程中的降解密切相關。王偉健通過自然曝曬老化實驗證實，保險杠發(fā)白源于材料表面微裂紋，但該方法周期長，難以快速獲取耐候數(shù)據(jù)。覃家祥等人采用太陽聚光加速老化試驗快速復現(xiàn)了發(fā)白條紋，并確認其主要由光照誘發(fā)。

雖然已有研究初步揭示光照發(fā)白的機理，但對其影響因素與優(yōu)化策略的系統(tǒng)研究仍較少，相關設計指導亦不完善。本文通過氙燈加速老化方法重現(xiàn)PP復合材料光照發(fā)白現(xiàn)象，并在機理分析基礎上，重點探討了兩類關鍵因素：不同PP基材特性以及注塑過程中模具澆口遠近位置對發(fā)白表現(xiàn)的影響。研究成果有助于優(yōu)化PP復合材料設計，延長使用壽命，并減少服役期內(nèi)表觀缺陷的發(fā)生。

實驗部分

1.1 主要原料

滑石粉采用遼寧北海實業(yè)集團有限公司生產(chǎn)的T0214型號；POE為韓國LG化學的LC565；再生PP（rPP）由江西格林循環(huán)產(chǎn)業(yè)股份有限公司提供，熔體流動速率（MFR）為28?g/10?min（230?℃，2.16?kg）；新料PP選用三個型號：廣州石化的K7227（MFR 27?g/10?min）、北歐化工的BJ368MO（MFR 70?g/10?min）及廣州石化的K8003（MFR 2.5?g/10?min），測試條件與rPP一致；抗氧劑使用天津利安隆新材料股份有限公司提供的RIANOX 1010和RIANOX 168；炭黑為美國卡博特公司生產(chǎn)的REGAL 660R。

1.2 試樣制備

將PP樹脂、滑石粉、POE、抗氧劑和炭黑色粉按設定質(zhì)量比例加入高速混合機中攪拌3–5分鐘，隨后經(jīng)雙螺桿擠出機主料口進料。混合物在190–230?℃下熔融混煉，擠出、水冷、切粒并干燥，制得改性PP復合材料顆粒。擠出過程轉(zhuǎn)速為400?r/min，真空度控制在0.07–0.09?MPa。

所得顆粒經(jīng)注塑加工制成測試樣板，注塑溫度設為200?℃。如圖1所示，樣板兩端根據(jù)與模具澆口的距離劃分為近澆口側(cè)與遠澆口側(cè)，用于光照試驗對比分析。

圖1 注塑光照試驗樣板示意圖

1.3 性能測試與結(jié)構表征

MFR按ISO 1133-1：2022測試，條件為溫度230 ℃，載荷2.16 kg；

密度按ISO 1183-1：2019測試；

氙燈加速老化試驗按照Q/BYDQ-A1901.800-2021規(guī)定的方法進行，輻照度為(0.55±0.02) W/m2，監(jiān)測點波長為340 nm；

色差值采用色差儀進行測試；

表面微觀形貌分析：參考JY/T 0584-2020，采用SEM對樣板表面微觀形貌進行分析；

表面元素含量分析：參考GB/T 17359-2023，采用微束分析能譜法對樣板的表面元素進行定量分析。

結(jié)果與討論

2.1 不同PP基材對光照發(fā)白現(xiàn)象的影響

PP復合材料在設計時會根據(jù)產(chǎn)品性能需求選用不同類型的PP基材。例如，為提升缺口沖擊強度，可選用彈性體含量較高的基材；而對流動性要求高的產(chǎn)品，則采用高熔指（MFR）基材。近年來，受環(huán)保趨勢推動，再生塑料在PP復合材料中的應用逐漸增多。

為研究不同PP基材對光照發(fā)白條紋現(xiàn)象的影響，設計了3種對比配方（見表1）：配方1#使用中等流動性的回收料，配方2#為中等流動性新料，配方3#則采用高流動性新料。為排除抗紫外線助劑對實驗結(jié)果的干擾，三組配方均未添加該類助劑，以加快發(fā)白條紋的出現(xiàn)，便于現(xiàn)象觀察與分析。

表1 不同PP基材的對比試驗配方(質(zhì)量份)

在注塑過程中，材料流動性與彈性體拉伸共同作用，易導致制件表面形成明暗相間的虎皮紋。圖2展示了不同PP基材注塑樣板在光照前的表面狀態(tài)。可見，在近澆口側(cè)，三種配方均未出現(xiàn)虎皮紋；而在遠澆口側(cè)，配方1#與2#出現(xiàn)了明顯紋路，配方3#則未見此現(xiàn)象。

產(chǎn)生差異的原因在于，配方1#和2#均含POE，遠澆口側(cè)材料流動不穩(wěn)定，彈性體拉伸取向交替，易形成虎皮紋。此外，兩者流動性接近（MFR分別為18.6?g/10?min和19.3?g/10?min），因此表面紋路表現(xiàn)相似。相比之下，配方3#的MFR為28.1?g/10?min，流動性更高，使材料在遠澆口區(qū)域保持穩(wěn)定流動，從而減少虎皮紋的出現(xiàn)。三種配方的MFR與密度見表2。

圖2 光照前樣板表面狀態(tài)

表2 3種配方材料的MFR和密度

將3種配方樣板同時置于氙燈加速老化箱中進行測試，并通過目視法評估其表面狀態(tài)，結(jié)果見表3。由表中可見，配方1#在1?584?kJ（1?200?h）輻照后，近澆口側(cè)與遠澆口側(cè)均出現(xiàn)明顯發(fā)白條紋；而配方2#和3#即使在2?376?kJ（1?800?h）輻照后，樣板表面依然未出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象。產(chǎn)生差異的主要原因在于，配方1#所用基材為再生PP，其在前期使用中已發(fā)生部分降解，殘留的易受紫外線攻擊的官能團（如C=O、C=C）加劇了老化過程，導致表面提前出現(xiàn)發(fā)白條紋。

表3 不同PP基材的樣板光照測試結(jié)果

為了進一步驗證再生料添加量對材料光照發(fā)白條紋的影響，設計了4組對比試驗(表4)，并同時采用近澆口側(cè)的樣板進行氙燈加速老化測試，結(jié)果如圖3所示。

表4 不同再生料添加量的對比試驗配方(質(zhì)量份)

圖3 樣板近澆口側(cè)光照后的表面狀態(tài)

從圖3可以看出，再生料添加量較小時(配方4#和配方5#中再生料添加量分別占整個PP基材質(zhì)量的20%和40%)，樣板經(jīng)光照后表面并未產(chǎn)生發(fā)白條紋；而再生料添加量較多時，樣板經(jīng)光照后表面均產(chǎn)生發(fā)白條紋。再生料添加量越高，材料表面越容易受紫外線攻擊而產(chǎn)生老化。

2.2 樣板距離澆口位置對光照發(fā)白現(xiàn)象的影響

配方1#在注塑過程中產(chǎn)生了虎皮紋，且由于距離澆口不同位置流動性的差異，虎皮紋均產(chǎn)生于遠澆口側(cè)。有研究表明，虎皮紋的產(chǎn)生主要是因為材料中彈性體相發(fā)生了不同程度的拉伸取向，亮區(qū)彈性體拉伸取向更大，暗區(qū)拉伸取向程度較小。為了驗證注塑過程中產(chǎn)生的虎皮紋對光照后發(fā)白條紋的影響，將配方1#中近澆口側(cè)和遠澆口側(cè)光照前后的樣板表面狀態(tài)進行了對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 配方1#樣板光照前后的表面狀態(tài)

圖4顯示，遠澆口側(cè)光照后的白色條紋形狀與光照前的虎皮紋完全一致，表明彈性體在不同區(qū)域存在差異化拉伸取向，是發(fā)白條紋形成的根本原因。盡管近澆口側(cè)光照前未出現(xiàn)可見虎皮紋，但光照后仍產(chǎn)生黑白相間條紋，這是由于彈性體雖有輕微取向，肉眼難以識別，但在光照老化作用下不同取向區(qū)域老化程度不同，從而顯現(xiàn)出明顯的發(fā)白條紋。

表5對配方1#樣板不同位置光照后的發(fā)白程度進行了對比。結(jié)果顯示，無論近澆口側(cè)還是遠澆口側(cè)，黑色與白色區(qū)域的明度差（?L）均顯著。白色區(qū)域的?L值分別為5.6和9.0，均高于相鄰黑色區(qū)域，黑白對比清晰。遠澆口側(cè)的?L差值更大，說明該區(qū)域因流動性較差、缺陷較多，老化更為嚴重，從而導致更明顯的發(fā)白現(xiàn)象。

表5 配方1#樣板不同位置光照后發(fā)白程度對比

2.3 光照發(fā)白的機理研究

為進一步探究光照后樣板表面黑白條紋的形成機理，采用SEM對配方1#樣板表面進行分析，結(jié)果如圖5所示。圖中可見，光照老化使樣板表面4個區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的微裂紋，尤其是遠澆口側(cè)的白區(qū)（見圖5b箭頭所示），微裂紋最為明顯。原因可能在于該區(qū)域彈性體取向程度較大，受光照后更易破裂，進而產(chǎn)生微裂紋。黑白相鄰區(qū)域裂紋數(shù)量存在差異，白區(qū)裂紋較多，黑區(qū)較少，這與彈性體交替拉伸取向密切相關，說明取向更強的區(qū)域老化程度更高。

圖5 配方1#樣板光照后的表面微觀形貌

進一步通過SEM對光照后樣板表面元素含量進行分析，見表6。結(jié)果顯示，C元素含量降低，而O、Mg、Si元素顯著上升。O元素增加既源于表面氧化反應，也可能因滑石粉在裂紋暴露后富集所致；Mg和Si的上升則來自于滑石粉外露。此外，遠澆口側(cè)的O、Mg、Si含量普遍高于近澆口側(cè)，黑白相間區(qū)域的差異也更顯著，進一步驗證了遠澆口側(cè)更易發(fā)生老化與開裂。

表6 配方1#樣板光照后表面元素含量(質(zhì)量分數(shù))

圖6展示了樣板表面O元素含量與?L值之間的關系。可以看出，O元素含量越高，?L值越大，表面發(fā)白越明顯。其原因是氧化越嚴重時，裂紋與滑石粉暴露程度越高，導致反光性增強，從而加劇表觀發(fā)白。

圖6 氧元素含量與樣板表面?L值的關系

綜上，PP復合材料樣板光照后產(chǎn)生發(fā)白條紋的機理可總結(jié)如下：

1. 注塑過程中，彈性體在不同區(qū)域形成交替取向，明顯時形成虎皮紋；

2. 光照引起材料降解，取向較強區(qū)域因應力集中更易開裂；

3. 微裂紋產(chǎn)生使滑石粉暴露，二者共同導致表面?L值升高，形成發(fā)白現(xiàn)象；

4. 由于取向交替，發(fā)白嚴重程度在表面也呈條紋分布，黑白對比明顯，形成視覺上的發(fā)白條紋。

結(jié)論

本研究探討了滑石粉填充PP復合材料在長時間光照下產(chǎn)生發(fā)白條紋的成因及機理，重點分析了PP基材類型與樣板在模具中的位置對該現(xiàn)象的影響。

(1) 關于PP基材，結(jié)果表明，使用再生料時，近、遠澆口側(cè)均出現(xiàn)發(fā)白條紋，而新料在相同光照條件下，即使存在虎皮紋，也未發(fā)生發(fā)白現(xiàn)象。這主要由于再生料中存在已老化的敏感官能團，易受紫外線誘導降解。進一步對比發(fā)現(xiàn)，再生料添加比例越高，材料越易發(fā)白，為再生料使用提供了設計依據(jù)。

(2) 關于樣板在模具中的位置，研究顯示，遠離澆口的區(qū)域更易出現(xiàn)發(fā)白。這可能與該區(qū)域熔體流動性降低、彈性體取向增強有關，同時老化后微裂紋更明顯，對注塑產(chǎn)品流長比設計具有參考價值。

(3) 對發(fā)白機理的分析表明，該現(xiàn)象主要由表面老化引起的微裂紋及滑石粉外露造成。彈性體取向程度高的區(qū)域更易因光照而開裂，交替取向則導致黑白條紋的形成，構成典型的發(fā)白條紋特征。

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