汽车PP保险杠注塑成型收缩及涂装后收缩的研究
中图分类号：U270.4+2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0058-05
Abstract： This paper researches on the control means of stabilizing the dimension and improving the assembly accuracy， by analyzing the shrinkage after injection molding and coating respectively， in allusion to the status quo of the dimensional stability of the automotive PP bumper. It is also elaborated that， we can get the hope dimension of the bumper by choosing appropriate varieties and controlling reasonable adding proportion of the elastomer， and by adjusting the right molding process.
1 引言
近十年来，我国的汽车工业发展迅猛，进入“十二?五”以来，汽车年产销总量已超过2 000 万辆，其中近1 500万辆是乘用车。对于乘用车而言，无论是轿车，还是MPV或SUV，其保险杠基本都是采用PP共混改性材料注塑成型，然后根据需要喷涂或套色喷涂成与车身同色的成品。多次拆车分析的结果表明，它们所使用的PP共混改性材料大部分为PP+E/P+T20类型。
然而，PP材料属于结晶性材料，温度对尺寸的影响较大，即注塑成型过程中，PP保险杠从模具型腔取出经空气冷却后，会发生较大收缩[1]。我们把冷却至室温48 h后的尺寸变化值，与模具型腔尺寸值的比值称为注塑成型收塑率。汽车前后保险杠均需要与车身配合，一旦尺寸发生超差，它与车身衔接处就会出现间隙或段差。
本文通过研究汽车PP保险杠的注塑成型收缩率及涂装后收缩率，寻找到了稳定保险杠尺寸和提高装配精度的控制手段。
2 PP材料注塑成型收缩的基本原理[1，2]
PP材料的注塑成型收缩主要来源于以下两个方面：
第一，是PP分子链的伸展与卷曲。PP由数百至数千个丙烯单体聚合而成，注塑前，PP分子链就如一根根卷曲的弹簧相互缠绕，进入料筒加热熔融后，分子链解缠，散开，并在注塑压力推动下伸展开来，沿着压力方向向前流动直至冷却固化。如图1所示：
冷却固化后，PP分子链在失去注塑压力推动的情况下，又会发生卷曲，这个分子链卷曲的现象反映到注塑件表观上，就是注塑件的收缩。因此，分子链伸展、卷曲的程度与速度体现了注塑件注塑成型后收缩率的大小与收缩速度的快慢。在PP中添加弹性体和滑石粉进行共混改性后，弹性体微粒分散在PP本体中形成海岛结构，滑石粉颗粒作为无机填料均匀分布，对PP分子链的伸展和卷曲均起到了阻碍作用。因此，该PP分子链的伸展、卷曲程度和速度都比纯PP要低得多，也就是说，共混改性后的PP的收缩率和收缩速度明显降低，表1即反映了这样的情况。
从表1还可以看出，弹性体和滑石粉的共同作用，对共混改性材料收缩率的影响要比其中任何一种材料单独作用时大得多。
导致PP注塑后收缩的第二个因素，是PP的结晶行为。PP是结晶性聚合物，其结晶部分在加热时吸热熔化，而在冷却时则又重新结晶并放出热量。在结晶状态时，PP分子结构堆砌得比较规整，因而体积会比熔融状态时小，反映到注塑件的表观，也是注塑件的收缩。显然，这个收缩的程度和速度与PP结晶的数量和速度有关。在加入弹性体和滑石粉后，PP的结晶受到了破坏，因而，在注塑成型时，共混改性后的PP的收缩率和收缩速度要比采用纯PP注塑时小得多。
3 保险杠注塑成型收缩率与收缩速度的影响因素
注塑成型收缩率以及收缩速度与多方面的因素相关。有的产品从型腔取出后，尺寸很快就可以收缩到位，4 h后收缩可以完成约80%，而有的产品收缩速度非常慢，即使48 h后产品还在继续收缩，最长甚至要72 h以上才能完成收缩。有的产品从型腔脱模到产品完全定型，尺寸变化率很小，而有的产品则变化率很大。根据不同的PP品种及共混改性的组份变化，产品从热状态到最终定型，尺寸变化率范围可以达到0.5%～1.8%。有研究表明[3]，配混料的收缩较聚合物材料下降50%。对于未经改性的PP原料，注塑收缩率为1.5%～1.8%。经添加弹性体和滑石粉改性后，注塑收缩率可以降低至0.8%～1.2%。而经过特殊组分混配的PP改性材料，注塑收缩率最低可达到0.5%。
通过对PP注塑成型收缩的原理分析可以推断出，PP，弹性体，滑石粉三者的品种和添加比例会对共混材料的注塑成型收缩率和收缩速度产生影响。其中，表2～表4是在保证材料类型为PP+E/P（12%）+TALC（20%）的前提下，分别只调整其中一种物质的品种得到的数据；表5～表6是在三种物质的品种都固定不变的前提下，分别再固定滑石粉添加比例为20%和弹性体的添加比例为12%得到的数据。
从表2可以看出，采用均聚PP作为共混改性材料的基材， 比采用共聚PP的注塑成型收缩率要略大，而收缩速度跟基材PP的品种关系不大。 从表3可以看出，弹性体的品种对共混改性材料的收缩率影响比较大，最大和最小值相差2.5个千分点，而收缩速度则影响不大。
从表4可以看出，滑石粉的品种对共混改性材料的收缩率和收缩速度的影响都比较小。
从表5可以看出，共混改性材料的收缩率与收缩速度，均随着弹性体的添加比例增加而降低，达到某一值后趋于稳定。
从表6可以看出，共混改性材料的收缩率随着滑石粉添加比例的增加而快速降低，而收缩速度变慢，但变化的幅度不是很大。
综合上述数据分析，可以得出结论：PP，弹性体，滑石粉都会对PP共混改性材料的收缩率和收缩速度产生影响。其中，弹性体和滑石粉的添加比例对收缩率和收缩速度产生较大影响。在三者混合比例固定的情况下，弹性体的品种对共混改性材料的收缩率影响最大。
除材料本身的组成变化对保险杠注塑成型的收缩率和收缩速度产生影响外，注塑成型的工艺对保险杠的尺寸和收缩速度也会有一定的影响[4，5]。根据PP注塑成型收缩的原理，可以推测，当成型工艺发生变化，比如说改变注塑的温度、材料推进的速度、注塑的压力、保压的压力和时间等，保险杠冷却到稳定状态时的尺寸和所需要的时间是不同的。同种材料在不同工艺下注塑保险杠，其成型后的尺寸和达到稳定尺寸所需要的时间见表7：
收缩率和收缩速度
根据上述实验数据可以看出，注塑成型工艺会对保险杠的收缩率产生影响，其中注塑速度影响较大：注塑越快，成型后的保险杠的收缩率就越大，尺寸也就越短。成型工艺对保险杠的收缩速度的影响程度则不明显。
在实际生产过程中，我们需要判断生产出的保险杠最终冷却后的定型尺寸是否符合要求，常需要采用强制冷却的方式来代替需要停线放置至少12 h的自然冷却，强制冷却的方式如下：将保险杠浸入水中30 min，测量其1 m线长度。为了验证这种方法的有效性，我们对保险杠用强制冷却和自然冷却两种方式冷却后的尺寸进行了比较，见表8：
从表8可以看出，这种强制冷却方法与实际自然冷却方法的结果比较接近，可以用作首件验证的一个手段。
4 保险杠涂装后收缩的影响因素
保险杠注塑成型后素材件的收缩一般称为一次收缩，涂装烘烤后的收缩称为二次收缩。关于保险杠涂装后二次收缩的成因目前通常有两种解释：第一是PP结晶部分在烘烤（一般约80℃@45 min）至再次冷却的过程中，发生再次结晶，使得分子结构的规整度进一步提高，从而保险杠尺寸发生进一步的收缩。第二是PP分子链在第一次注塑成型冷却过程被冻结，涂装受热状态下发生松弛，并在随后的冷却过程中继续回弹卷曲，反映到零件表观上就是进一步的收缩。
对保险杠注塑成型收缩情况的研究表明，保险杠注塑成型收缩的影响因素，同样也会对保险杠涂装烘烤的二次收缩产生影响，但影响的程度有所不同，下面以PP+E/P+T20类型材料为研究对象，研究各因素对保险杠涂装后收缩的影响，研究结果见图2：
（纵坐标均为1 m线长度）
根据统计结果分析，，保险杠涂装前后的尺寸变化，一般为2.0-2.5个千分点。但在不同弹性体品种的情况下，这个变化值相差比较大。在实际试验中，测得保险杠涂装前后的尺寸变化，最小值为0.5个千分点，并经多次重复试验得到验证。可见，弹性体的品种对于保险杠涂装后收缩的影响是比较大的。同种材料不同成型工艺对涂装后收缩的影响则列于表9：
5 结语
保险杠的尺寸稳定性问题一直困扰着主机厂和零部件厂。本文通过研究分析，确认保险杠的注塑成型收缩和涂装烘烤的后收缩，与保险杠材料的成分和注塑工艺密切相关。其中，弹性体的品种和添加量是十分关键的因素。通过对保险杠材料配方的设计，以及注塑工艺的控制，可以得到希望得到的保险杠尺寸。另外，在保险杠模具开模尺寸存在超差的情况下，我们可以通过材料和工艺进行弥补，使得在不更改模具的情况下，也能得到符合装车尺寸的保险杠。
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