汽车保险杠用PP/GF/POE复合材料的制备及性能研究

Study on Preparation and Properties of PP/GF/POE Composites for Automotive Bumper Applications

摘要

研究以均聚聚丙烯（PP）为基体，采用熔融共混法制备聚丙烯/玻璃纤维/乙烯-辛烯共聚物（PP/GF/POE）复合材料，系统考察乙烯-辛烯共聚物（POE）含量对材料综合性能的影响。结果表明：POE的加入可有效改善复合材料的断裂伸长率和抗冲击性能。随着POE含量的增加，复合材料的拉伸模量和屈服强度略有下降，但冲击韧性显著提升。其中，POE质量分数为15%的样品在保持弯曲模量（5.8 GPa）和维卡软化点（142.8 ℃）的同时，室温和低温冲击强度分别较对照组提高约222%和302%，实现了刚性与韧性的最佳平衡。熔体流动速率和小振幅振荡流变结果表明，POE的引入改善了熔体流动性，增强了能量耗散能力，有利于复杂结构件的成型。热空气老化实验进一步表明，POE质量分数为15%的样品拉伸强度和冲击强度保持率分别达到81.3%和72.9%，显著优于对照组。因此，PP/GF/POE复合体系在POE质量分数为15%时表现出优异的综合性能，具备作为汽车保险杠结构材料的应用潜力。

Abstract

In the study, isotactic polypropylene (PP) was used as the matrix to prepare polypropylene/glass fiber/ethylene-octene copolymer (PP/GF/POE) composites via melt blending. The effect of ethylene-octene copolymer (POE) content on the comprehensive properties of the composites were systematically investigated. The results show that the addition of POE effectively improves the elongation at break and impact resistance of the composites. As the POE content increases, the tensile modulus and yield strength of the composites decrease slightly, while the impact toughness is significantly enhanced. Notably, the sample with a POE mass fraction of 15% exhibits a flexural modulus of 5.8 GPa and a Vicat softening point of 142.8 ℃, while its impact strength at room temperature and low temperature increases by approximately 222% and 302%, respectively, compared to the control group, achieving an optimal balance between rigidity and toughness. Melt flow rate and small-amplitude oscillatory rheology results indicate that the introduction of POE improves melt processability and enhances energy dissipation capacity, facilitating the molding of complex structural parts. Hot air aging tests further demonstrate that the sample with a 15% POE mass fraction retains 81.3% of its tensile strength and 72.9% of its impact strength, which are significantly better than those of the control group. Therefore, the PP/GF/POE composite system exhibits excellent overall performance at a POE mass fraction of 15%, showing great potential for application as a structural material in automotive bumpers.

Graphical abstract

关键词

聚丙烯 / 玻璃纤维 / 乙烯-辛烯共聚物 / 力学性能 / 汽车保险杠

Key words

Polypropylene / Glass fiber / Ethylene-octene copolymer / Mechanical properties / Automotive bumper

聚丙烯(PP)因其密度低、成本低廉和易加工而被广泛应用于汽车内外饰件中，是目前汽车轻量化的重要候选材料之一^[1-3]。然而，PP本身的低冲击韧性和耐低温性能不足^[4]，难以满足汽车保险杠等关键部件对高安全性和高可靠性的要求^[5]。为了提升其综合性能，玻璃纤维(GF)常作为增强相引入。GF可显著提高PP的刚性和热尺寸稳定性，使其满足大型外覆盖件在使用过程中的结构强度和尺寸精度需求^[6]。但由于GF的脆性及其与PP基体界面相容性有限，GF增强体系往往存在韧性不足的问题^[7-8]。

乙烯-辛烯共聚物(POE)作为新一代烯烃类弹性体，具有优良的柔韧性和相容性，能够在聚合物基体中形成细小分散相，在外力作用下通过银纹化、剪切屈服及能量耗散机制显著提高复合体系的抗冲击性能^[9-10]。杨兴成等^[11]研究表明，在PP基体中合理引入POE可显著改善其低温冲击韧性，同时保持良好的加工性能，使其在汽车轻量化和高安全性方面具有广阔应用前景。然而，过量POE会导致复合体系的模量和热性能下降，从而影响材料的结构稳定性^[12-13]。因此，在GF增强与POE增韧之间实现刚性与韧性的平衡是开发高性能PP基复合材料的关键。

因此，本研究以均聚PP为基体，采用熔融共混法制备聚丙烯/玻璃纤维/乙烯-辛烯共聚物(PP/GF/POE)复合材料，系统考察POE含量对力学性能、热性能、尺寸稳定性、流变行为和热空气老化特性的影响。与以往主要关注力学和阻燃性能的研究不同，本研究在性能评价体系上通过维卡软化点(VST)和线膨胀系数(CTE)测试揭示了PP/GF/POE复合材料在结构稳定性方面的优势，通过流变学表征揭示了POE含量对能量耗散机制的调控作用，结合热空气老化实验系统评价了复合材料的长期服役性能。本文提出POE含量调控下PP/GF复合体系实现“刚性-韧性-稳定性”平衡的机制，并进一步明确最优配方，为汽车保险杠等结构件的材料选择与性能优化提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

均聚PP颗粒，熔体流动速率(MFR) 8~12 g/10 min，中国石化扬子石油化工有限公司；乙烯-辛烯共聚物(POE)，Engage®系列，美国陶氏化学公司；短切GF，长度约3 mm，重庆玻纤研究设计院有限公司；抗氧化剂1010，质量分数\ge98%，德国巴斯夫(BASF)公司；硬脂酸钙、乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机，SHJ-25，南京科亚化工成套装备有限公司；注塑机，MA100I，宁波海天塑机集团有限公司；万能材料试验机，Instron 5567，美国英斯特朗公司；缺口冲击试验机，ZBC-50，济南一诺世纪试验仪器有限公司；低温试验箱，DW-40，上海一恒科学仪器有限公司；热变形/维卡软化点测试仪，XRW-300D，深圳三思纵横科技股份有限公司；流变仪，MCR 302，德国Anton Paar公司；鼓风干燥箱，DGF-6050，上海一恒科学仪器有限公司；电子天平，ME104E，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；热机械分析仪，梅特勒-托利多国际公司。

1.3 样品制备

以均聚PP为基体，采用熔融共混法制备PP/GF/POE复合材料。表1为PP/GF/POE复合材料的配方。增强相选用长度约3 mm的短切GF，添加量固定为30%；增韧剂为POE，设定不同添加质量分数，分别为0、5%、10%、15%和20%；其余部分为PP。实验前，PP和POE于80 ℃真空干燥8 h，以去除吸附水分；GF在100 ℃烘箱中干燥4 h，以避免加工过程中产生气孔。各组分按照配比精确称量后，在高速混合机中以1 000 r/min预混5 min，使其初步均匀分散。随后将混合料投入双螺杆挤出机(温度区间190~220 ℃，螺杆转速150 r/min)中进行熔融共混挤出，得到复合颗粒。所得颗粒经80 ℃真空干燥6 h，然后利用注塑机(料筒温度 200~220 ℃，模具温度50 ℃，注射压力80 MPa)制备标准哑铃形和矩形试样。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：依据ISO 527—1/—2:2019E进行测试，采用1A型哑铃形试样，标距50 mm。试验机配10 kN传感器，初始夹具间距115 mm。弹性模量采用引伸计在1 mm/min速率下测定，屈服、断裂阶段的位移速率50 mm/min。记录拉伸模量、屈服强度和断裂伸长率。

弯曲性能测试：依据ISO 178:2019进行测试，样条尺寸约为80 mm×10 mm×4 mm，支距为样条厚度的16倍(默认为64 mm)。跨中加载，模量段速度2 mm/min，强度段10 mm/min。记录弯曲模量与弯曲强度。

冲击性能测试：依据ISO 180:2023进行测试，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，V缺口(2.54 mm，缺口半径为0.25 mm)，摆锤容量按冲击能量选取。测试温度为23 ℃与-30 ℃。

VST测试：依据ISO 306:2022中方法 B50测试，载荷50 N，升温速率50 ℃/h。样条厚度4 mm，记录软化温度(针入1 mm时的温度)。

CTE测试：参考ASTM E831—19标准，采用热机械分析仪进行测定。样条尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，测试温度范围为30~150 ℃，升温速率为5 ℃/min，氮气保护。记录样品在升温过程中的长度变化，并计算材料的CTE。

小振幅振荡流变(SAOS)测试：采用平行板流变仪(上、下板直径25 mm)进行测试，测试温度190 ℃。先进行应变扫描(0.1%~10.0%)确定线性黏弹区(LVE)，本研究选用1.0%应变。随后进行频率扫描0.1~100.0 rad/s，记录储能模量(G')、损耗模量(G'')、复数黏度(η*)与损耗因子(tan δ=G''/G')。每个频点平衡30 s后采集，避免热降解影响(氮气保护)。

热空气老化测试：将样条置于鼓风干燥箱150 ℃老化，总时长500 h，分别于0、100、200、300、500 h取出冷却至室温24 h，然后按上述方法测试相应拉伸性能和冲击性能，计算性能保持率。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

表2为PP/GF/POE复合材料的力学性能。从表2可以看出，CK具有最高的拉伸模量(6.2 GPa)和屈服强度(125 MPa)，但断裂伸长率仅为2.6%，缺口冲击强度在室温下为10.5 kJ/m²，低温(-30 ℃)条件下仅为6.1 kJ/m²，表现出显著的脆性特征。随着POE含量的增加，材料的模量和强度略有下降，但冲击韧性和延展性显著提升。当POE质量分数为15%时，断裂伸长率提高至8.3%，室温和低温冲击强度分别提升至33.8 kJ/m²和24.5 kJ/m²，分别比CK增加约222%和302%。这表明适量POE的引入在保持基本刚度的同时，显著改善了复合材料的低温抗冲击性能。这种性能变化规律与已有研究结果一致。POE分散相在PP基体中能够形成橡胶粒子，在外力作用下通过诱导银纹、剪切屈服和能量耗散机制提高材料的韧性，而GF则通过增强效应维持复合体系的刚度和强度^[14]。此外，增韧相的过量引入会导致基体连续相比例降低，纤维与基体界面结合强度下降，从而造成模量和强度进一步下降^[15]。

2.2 VST分析

图1为PP/GF/POE复合材料的VST。从图1可以看出，PP/GF/POE复合材料的VST随着POE含量的增加逐渐下降。CK的VST为151.3 ℃，在POE质量分数为15%时下降至142.8 ℃，仍高于140.0 ℃。这表明虽然POE的引入削弱了基体的热形变阻力，但由于体系中含有质量分数30%的GF增强相，相比纯PP(VST一般仅为110~120 ℃)，PP/GF/POE体系仍表现出较高的热尺寸稳定性。已有研究指出，GF的增强作用可有效限制PP链段的热运动，从而显著提高热形变温度^[16-17]。因此，在保证冲击韧性显著提升的同时，该体系的热性能仍能满足汽车保险杠在高温环境下的使用需求。

2.3 CTE分析

图2为PP/GF/POE复合材料的CTE。从图2可以看出，沿流动方向(LD)的CTE显著低于沿横向方向(TD)的CTE。CK沿LD和TD的CTE分别为38.2×10^-6 K^-1与98.5×10^-6 K^-1。这种明显的各向异性来源于注塑过程中GF在流动方向的取向，其低热膨胀特性有效抑制了基体PP的链段热运动，从而降低LD方向的线膨胀系数；而在TD方向，由于纤维分布较少，表现出更接近PP基体的热膨胀水平。随着POE含量的增加，复合材料的CTE在两个方向上均呈现缓慢上升趋势。其中，P15沿LD和TD的CTE分别为45.6×10^-6 K^-1和109.7×10^-6 K^-1，较CK增加约19%和11%；P20沿LD和TD的CTE进一步升高至48.8×10^-6 K^-1与113.9×10^-6 K^-1。这表明POE的引入增强了基体链段的自由体积和热运动，从而导致CTE上升^[18]。尽管如此，GF的增强作用在体系中仍然占据主导地位。即使POE含量最高的P20，其CTE仍远低于纯PP^[17]，显示出良好的尺寸稳定性。此外，结合前文力学性能和热性能的结果，P15在保持较低CTE的同时实现了冲击韧性的提升和可接受的模量水平，体现出其在尺寸稳定和抗冲击性能之间的最佳平衡。

2.4 MFR分析

图3为PP/GF/POE复合材料的MFR。从图3可以看出，PP/GF/POE复合材料的MFR随着POE含量的增加呈逐步上升趋势。CK的MFR为8.2 g/10 min。随着POE质量分数从5%增加至20%，MFR分别提升至8.6~10.5 g/10 min。其中，P15的MFR达到9.8 g/10 min，较CK增加约19.5%。这种趋势主要与POE的低黏度特性和其在熔融态下对体系流动性的改善有关^[19]。POE的引入在基体中形成分散相，降低了整体熔体黏度，从而提高了体系的流动性。另一方面，质量分数30% GF的固定加入在体系中仍然起到黏度阻碍作用，因此整体MFR保持在8~11 g/10 min的中等范围，既保证加工过程中较好的流动性，又避免过高流动性导致的力学性能损失。同时，周琦等^[20]研究表明，PP/GF复合材料的MFR通常低于纯PP，而POE的增韧作用在一定程度上可弥补GF带来的流动性下降。

2.5 SAOS分析

表3为PP/GF/POE复合材料的线性黏弹参数。从表3可以看出，CK样品的G'为2.1×10⁴ Pa，G''为3.8×10⁴ Pa，η*为4.2×10³ Pa·s，tan δ为1.81。随着POE质量分数增加至15%，P15样品的G'和G''分别下降至1.4×10⁴ Pa与3.1×10⁴ Pa，η*降至3.3×10³ Pa·s，tan δ提升至2.21，表明体系黏弹行为中能量耗散能力增强。出现这种现象的原因在于：一方面，POE的引入形成较低黏度的增韧相，使熔体整体结构更易变形与流动，从而降低黏弹模量，同时提升黏性响应^[21]；另一方面，即便POE增多，质量分数30%的GF增强相仍然提供显著支撑，使G'和G''即使下降也维持在相对较高水平，体现出流变性能与刚性之间的协同平衡。此外，在实际成型工艺中，复杂模腔对熔体流动性的要求非常高。P15表现出的中等η*与增强的能量耗散(高tan δ)表明，它可以在保证加工易性的同时提供优良的冲击韧性。SHIRVANIMOGHADDAM等^[22]研究也指出，POE分散相的高耗能特性有助于提高PP/POE混合体系的冲击强度。

2.6 热空气老化分析

图4为PP/GF/POE复合材料的热空气老化性能。从图4可以看出，PP/GF/POE复合材料的力学性能在高温环境下随老化时间延长逐渐衰减。CK在150 ℃热空气中老化500 h后，拉伸强度保持率为72.4%，缺口冲击强度保持率仅为54.3%，显示出较为明显的性能劣化。随着POE含量的增加，材料的性能保持率整体有所提升，其中P15的拉伸强度保持率和冲击强度保持率分别达到81.3%和72.9%，明显优于CK。这说明适量POE的引入不仅改善了材料的初始韧性，而且在老化过程中通过其柔性链段的能量耗散与裂纹钝化作用减缓了因热氧作用导致的裂纹扩展与性能衰减。同时，GF在体系中提供了稳定的骨架结构，在老化过程中对PP基体的热氧降解起到一定的抑制作用^[23-25]。然而，当POE质量分数进一步增加至20%时，保持率反而出现下降。这可能与POE过量导致相界面增多、易于氧化降解相关^[26]。

3 结论

本研究采用熔融共混法制备PP/GF/POE复合材料，系统考察不同POE含量对材料力学性能、热性能、流变行为、尺寸稳定性及热空气老化特性的影响。结果表明：POE的引入显著改善了复合材料的断裂伸长率和低温冲击性能，其中添加质量分数15% POE的P15样品在保持较高弯曲模量和VST的同时，冲击强度提升最为显著，实现了刚性与韧性的最佳平衡。此外，质量分数30% GF的增强作用有效维持体系的热尺寸稳定性与较低线膨胀系数，使材料在热空气老化条件下仍表现出较高的性能保持率。综合分析表明，P15样品中实现了力学性能、热稳定性与加工性能的协同优化，具有作为汽车保险杠结构材料的应用潜力。

参考文献

[1] 刘坚. 聚丙烯塑料在汽车内外饰中的应用[J]. 汽车画刊, 2025(2): 53-55.

[2] 罗文, 郭晓帅, 腾娜, 等. 车用抗冲聚丙烯分子结构对流变行为影响[J]. 石油化工, 2025, 54(10): 1439-1444.

[3] 姜思维, 廖龙凤, 龙雪彬, 等. 回收聚丙烯在车用复合改性材料领域的应用[J]. 塑料科技, 2025, 53(7): 70-75.

[4] NIE H J, ZHANG Y J, YANG Y R, et al. Investigation on impact performance and dimensional stability of polypropylene composites in cryogenic environment[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2021, 138(31): 50743.

[5] 马镜涵. 玻纤增强聚丙烯汽车保险杠注塑成型分析及多目标优化[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2024.

[6] 徐晓达, 陈动, 许庆, 等. 玻璃纤维增强塑料筋混凝土框架抗震性能的试验研究[J]. 济南大学学报(自然科学版), 2023, 37(6): 703-710.

[7] 梅园, 李振, 徐禄波, 等. 玻璃纤维增强再生PET/PCTG合金的高性能化研究[J]. 塑料工业, 2023, 51(4): 52-57.

[8] 黄云刚, 黄维龙, 洪浩群, 等. 界面改性对聚丙烯-玻璃纤维复合材料力学性能影响[J]. 复合材料学报, 2022, 39(7): 3156-3166.

[9] 冉凌, 郭熙桃, 严玉蓉. 乙烯-辛烯接枝聚合物改性沥青的性能研究[J]. 石化技术, 2020, 27(7): 6-9.

[10] 刘明, 杨小俊, 陈风涛, 等. 长链支化聚烯烃弹性体的合成、结构与性能研究[J]. 高分子学报, 2025, 56(9): 1480-1492.

[11] 杨兴成, 王溢, 陈婕. POE对改性聚丙烯力学性能以及内饰油漆附着力的影响[J]. 塑料科技, 2024, 52(7): 33-37.

[12] 李振, 谢永健, 马辰宇, 等. POE链结构对PP/POE共混复合材料结构与性能的影响[J]. 塑料科技, 2024, 52(1): 44-47.

[13] 蒋毅恺, 徐曼, 王若霏, 等. 电缆绝缘用聚丙烯/弹性体复合材料的高温介电性能[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 99-109.

[14] 杨烃. 玻璃纤维织物增强混凝土夹芯板的弯曲力学行为研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2023.

[15] XIE Y J, HILL C A S, XIAO Z F, et al. Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites: A review[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41(7): 806-819.

[16] KARIMZADEH M, SABET A R, BEHESHTY M H. Effect of nanoclay particles on mold-filling performance in composites made via resin infusion process[J]. Polymer Composites, 2012, 33(5): 745-752.

[17] FENG J J, ZHANG R F, GONG L L, et al. Development of porous fly ash-based geopolymer with low thermal conductivity[J]. Materials & Design (1980-2015), 2015, 65: 529-533.

[18] MARQUES D S, DORIN R M, WIESNER U, et al. Time-resolved GISAXS and cryo-microscopy characterization of block copolymer membrane formation[J]. Polymer, 2014, 55(6): 1327-1332.

[19] KIM D S, MACOSKO C W. Reaction injection molding process of glass fiber reinforced polyurethane composites[J]. Polymer Engineering & Science, 2000, 40(10): 2205-2216.

[20] 周琦, 王勇, 邱桂学. POE的性能及在聚烯烃树脂改性中的应用[J]. 特种橡胶制品, 2007, 28(4): 26-29.

[21] ZHU F C, YASIN S, HUSSAIN M. Viscoelastic rheological behaviors of polypropylene and LMPP blends[J]. Polymers, 2021, 13(20): 3485.

[22] SHIRVANIMOGHADDAM K, BALAJI K V, YADAV R, et al. Balancing the toughness and strength in polypropylene composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2021, 223: 109121.

[23] 邬成秒. 玻璃纤维表面阻燃改性及其在聚丙烯中的应用研究[D]. 郑州: 河南大学, 2024.

[24] 魏程, 王威力, 李刚, 等. 环氧树脂/玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理研究[J]. 纤维复合材料, 2023, 40(2): 58-62.

[25] 李习习, 王涛, 侯锐钢. 玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的热老化机理[J]. 热固性树脂, 2020, 35(1): 49-53.

[26] 彭新龙, 雷彩红, 徐睿杰, 等. 交联POE紫外老化行为研究[J]. 广州化工, 2013, 41(5): 116-118.