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汽车内饰抗菌聚丙烯材料热老化行为研究

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：张楠

[导读] 近年来，抗菌聚丙烯材料迅速发展成为汽车内饰材料，因为抗菌聚丙烯材料具有优良的加工性能和机械性能，在汽车装饰应用方面具有很强的优势。抗菌聚丙烯材料的应用不仅可以减轻汽车内饰材料的重量，而且凭借聚丙烯优异的热性能和成型效果，有助于缩短成型时间，降低生产能耗，因此最适合汽车内饰材料。

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摘要：近年来，抗菌聚丙烯材料迅速发展成为汽车内饰材料，因为抗菌聚丙烯材料具有优良的加工性能和机械性能，在汽车装饰应用方面具有很强的优势。抗菌聚丙烯材料的应用不仅可以减轻汽车内饰材料的重量，而且凭借聚丙烯优异的热性能和成型效果，有助于缩短成型时间，降低生产能耗，因此最适合汽车内饰材料。虽然抗菌聚丙烯材料的应用优势明显，但抗菌聚丙烯材料在高温环境下会挥发有机物VOC，对人体健康有害，成为抗菌聚丙烯材料的发展障碍，作为汽车内饰材料，必须具有良好的耐老化性。本文主要从几个方面分析汽车内饰抗菌聚丙烯材料热老化行为。
关键词：汽车内饰；抗菌聚丙烯材料；热老化行为；研究
        引言：从化学和材料合成的角度来看，聚丙烯在实际生产和生活中有着非常广泛的应用，特别是在塑料制造和合成方面，具有密度低、机械性能强、制造成本低等优点。其制造工艺具有抗应力强、外观整洁、美观等优点，是聚丙烯在汽车生产制造中广泛应用的关键，本文主要结合汽车内饰抗菌聚丙烯材料的应用现状，研究聚丙烯材料的热老化行为，分析在汽车内饰中的应用和发展前景。FT-IR测试结果表明，聚丙烯片材在老化过程中存在诱导期，初始能量积累较快老化，老化明显。超深显微镜显示聚丙烯片材表面形貌缺陷较大，老化过程中表面结构遭到破坏。
        一、汽车内饰抗菌聚丙烯材料的概述
        抗菌聚丙烯材料长期以来一直用于汽车内饰，自其发展之初已有大约50 年的历史。在汽车内饰应用中，优势在于耐用、美观、科技和轻量化、安全性能高等优势，对高流动低气味聚丙烯材料的研究和应用，将弥补塑料气味安全性的不足。聚丙烯材料作为汽车内饰材料应用的安全性再次得到提高，从而带来更好的汽车内饰质量。据统计，迄今为止，以聚丙烯相容材料为基础的汽车塑料件有60多种，其中聚丙烯材料占汽车内饰材料的50%以上，为了增加聚丙烯作为汽车内饰材料的安全性，我国对聚丙烯材料进行了大量改性。仅2016一年内，聚丙烯改性材料用于汽车内饰材料的用量就达到150万吨。
        汽车内饰处于相对封闭的环境中，是细菌和病毒的温床。灰尘、人体汗液、皮脂、油、烟等物质和外部灰尘很容易附着在内部材料上。皮肤低脂肪酸（如壬酸、癸酸）和细菌和异物作用产生的挥发性化合物会产生异味。近来，汽车内饰材料的抗菌性越来越受到关注，可以将抗菌剂引入内饰材料或表面以抑制细菌的产生或繁殖并防止异味的发生，具有良好的抗菌性能。各种除臭剂、增强剂的应用对聚丙烯材料的改性有重要影响，LDV1040、BX3900、engage8407等除味剂等除味效果较好，应用对engage8150、engage8200、engage8407等增韧剂的增韧效果较好。因此，可以参考上述除臭剂、增强剂和基础原料，用来改进抗菌聚丙烯材料汽车内饰材料的制造。
        用于汽车密封条的聚丙烯复合材料体系中含有滑石粉/玻璃纤维等填料和其他添加剂，会加速PP材料的老化、脆化和开裂，从而降低使用寿命。汽车内饰材料一般都有热氧化老化要求。例如，吉利汽车必须将内饰聚丙烯材料在150℃下放置400-1000小时而不会变质，而长安汽车必须将内饰聚丙烯材料保持在140℃条件下保持400小时不粉化，抗拉强度、冲击强度等机械性能保持率达75%以上。然而，无机金属离子类抗菌剂由于金属离子的存在，会引起聚丙烯材料的热老化，从而显著缩短聚丙烯的使用寿命。
        二、热老化对抗菌聚丙烯材料的影响
        使用超深度显微镜观察热老化对聚丙烯材料形态的影响，观察聚丙烯材料在不同老化时间后放大2000倍的表面形貌，可以看出老化后的样品表面可以看到直径约10m的圆形突起，可以看出聚丙烯片材的表面结构在老化过程中被破坏，样品表面的孔隙逐渐增多。

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原因是聚丙烯片材在成型过程中，在熔融过程中聚丙烯颗粒的间隙会产生气泡。如果没有完全排出到表面，在冷却过程中会浸入聚丙烯片材内部，导致尺寸变小。在老化过程中，聚丙烯板材在高温下变软，密度低，导致气泡上升到表面，导致表面出现大量圆形凸起。当老化时间达到60d时，表面的凹凸使板材出现粗糙的坑状区域。
        原聚丙烯纤维滤料呈黄色，经紫外线照射后逐渐脱落，72小时后完全清空。紫外线使滤光材料的颜色逐渐消失，这主要是由于分子色链的破坏和发色团的破坏，使材料的颜色消失。因此，紫外线对材料形态和力学性能的影响，聚丙烯纤维滤料由聚丙烯纤维的上下过滤层和聚丙烯纤维的平均熔体层组成，纤维表面光滑，不易碎。当滤料接收到的紫外线强度为每平方米50瓦时，中层纤维开始断裂，上下过滤层纤维保持不变。在168 小时时，熔岩层中的大部分纤维断裂，过滤层中的纤维也开始断裂。经过长时间（192小时）的紫外线老化后，过滤层和源层中的大部分纤维都会断裂。大多数过滤层纤维直径约为30um，熔岩层纤维直径约为10um，这是因为过滤层和熔岩层具有不同的纤维直径和不同的纤维强度，所以过滤层纤维的抗紫外线能力高于熔岩层纤维的抗紫外线能力。在与滤料接受的紫外线强度相同的条件下，聚酯纤维大多损坏，当紫外线达到336小时时，滤料损坏严重。
        三、聚丙烯的热老化行为分析
        含苯二胺长效热稳定剂的4-6#材料比含硫酯抗氧剂的1-3#材料具有更好的热老化性能。并且随着抗氧化剂含量的增加，热老化性能逐渐提高。一个可能的原因是硫酯类抗氧化剂会与抗菌剂和金属离子反应形成金属硫化物，降低了抗氧化剂的抗氧化效率。
        铜离子抗菌体系改性PP材料的热老化最差，456小时后表面开始变质变回。银离子抗菌体系高于锌粒子系抗菌剂，性能优异，银锌化合物系抗菌剂的热老化性能适中。铜离子抗菌剂体系的热老化最差，因为铜离子本身对聚丙烯的热老化劣化有催化作用，而锌离子对改性聚丙烯材料的热老化的不利影响比银离子大。锌离子活性更高，会与抗氧化剂发生一定程度的化学反应，从而影响抗氧化剂的有效性。具有不同抗菌体系的改性PP材料的拉伸强度和冲击强度也呈现出相同的趋势。
        在不同类型的抗菌剂中，铜离子抗菌剂对聚丙烯复合材料的热老化负面影响最大，锌离子比银离子更活跃。锌离子抗菌剂比银离子抗菌剂对聚丙烯热老化的负面影响更大。考虑到抗菌效率和热老化性，银锌复合抗菌剂是聚丙烯材料的理想抗菌剂。在多种长效热稳定剂中，硫酯类抗氧化剂与金属离子抗菌剂发生一定的化学反应，影响抗氧化效果。苯二胺抗氧化剂是用于抗菌聚丙烯复合材料的理想长效热稳定剂。汽车的内外饰件通常采用聚丙烯塑料，最常用的加工方式是增加韧性并与其他塑料材料结合，以达到汽车内饰的使用要求。聚丙烯在实际汽车生产制造过程中发挥着重要作用，如汽车座椅，都是由聚丙烯或聚丙烯制成，没有汽车装饰，汽车的生产制造就只有一个铁架空壳。
        结语：聚丙烯材料在汽车内饰中使用时，容易受到氧气、散热等因素的腐蚀，会影响材料的性能，影响材料的正常使用，因此有必要研究热老化机理，以便更好的在汽车内饰中应用这种材料。
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