CN107889496A - 聚烯烃树脂、其制备方法及使用其的车辆后保险杠梁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚烯烃、其制备方法及使用其的车辆后保险杠梁，并提供了：由热塑性树脂复合材料形成的聚烯烃树脂，该热塑性树脂复合材料包括含有多分散性指数为2‑10的丙烯均聚物和着色剂的聚合物基体，和具有5‑20mm的长度并浸渍到聚合物基体中的纤维增强试剂，其中聚烯烃树脂表现出改善的机械性质和高冲击强度，同时由于在聚烯烃树脂的基础上包含10‑50wt％的纤维增强试剂而保持低比重；制备其的方法；和能够通过使用聚烯烃树脂来注射模制的车辆后保险杠梁，从而最小化制造成本，以及保证尺寸和性能稳定性，从而满足低速碰撞规定性能。

Description

聚烯烃树脂、其制备方法及使用其的车辆后保险杠梁
技术领域
本发明涉及聚烯烃树脂、其制备方法及使用其的车辆后保险杠梁。
背景技术
通常，要求车辆保险杠梁通过法律上规定的低速碰撞测试和准法定财产保险组织(RCAR，IIHS)测试。此处，财产保险组织所要求的标准比法律所要求的那些更严格，并且根据区域，要求两种测试或仅要求法律规定的低速碰撞测试。因此，当要求满足财产保险组织规定的测试时，最终完成的车辆制造商采用高强度的保险杠梁，但是在仅要求法律规定的低速碰撞测试的区域，采用低成本的保险杠梁，从而实现车辆的价格竞争能力。
通常通过注射模制来制造设计为通过法律规定的低速碰撞测试的保险杠梁，因此就材料而言，可以使用各种可注射模制的材料。然而，必要的是在各种季节和使用条件下，保险杠梁表现出满足低速碰撞性能要求的相同性能，从而实现尺寸稳定性，使得不存在装配和修理方面的问题。因此，由PP类材料和PC和PBT材料制造的注射模制的保险杠梁通常用于低季节和温度变化的区域。
然而，将上述的那些材料应用于经历温暖的温度和低温的区域或研发可以在温和区域和低温区域中使用的单一保险杠梁是困难的，因此，与上述的那些材料相比，想要在各种区域使用单一保险杠梁的车辆制造商更优选含玻璃纤维的复合塑料材料。
根据纤维长度可以压缩模制或注射模制包含玻璃纤维的复合塑料材料，并且尽管就保险杠梁强度而言有利，但是较长的玻璃纤维要求压缩模制，其涉及比注射模制高的生产成本。因此，相对于降低生产成本，注射模制有利，但是缩短了玻璃纤维的长度，当经受法律规定的低速碰撞测试时，注射模制的保险杆遭受更多的损坏，并导致车身损坏。因此，存在不能满足法律要求的限制。即，目前，由于为了满足对使用含玻璃纤维的复合塑料材料的保险杠量的法律上的性能要求而采用压缩模制是必要的，所以降低生产成本是困难的。
为了克服这种局限，连续不断地研究了通过混合和搅拌聚烯烃树脂与玻璃纤维来强化聚烯烃树脂的机械性质的测量，聚烯烃树脂是容易模制的常用塑料。然而，在这种方法中，在辊磨/混合设备中大部分的玻璃纤维明显损坏，使得极短的玻璃纤维与聚烯烃树脂混合。因此，产品中的强度改善受限。
因此，需要发展新型的树脂组合物，其是用长纤维形式的玻璃纤维增强的并因此能够保持低比重，同时表现出至少期望的机械性质水平，具体是高冲击强度。
对于参考文献，参见韩国专利号10-0917651、10-1457995和10-1365057，其中公开了本发明的背景技术。
发明内容
技术问题
本发明设想克服上述的常规技术的局限性，以及本发明的目的是提供具有高冲击强度并在碰撞时表现出优异的冲击吸收性能的聚烯烃树脂及其制备方法。
此外，本发明的另一个目的是提供车辆后保险杠梁，其中碰撞能量吸收性能改善使得可以使用包含玻璃纤维的复合塑料材料注射模制保险杠梁，且其中结果是加工成本降低使得产品成本可以最小化，以及在室温和低温环境下实现了尺寸和性能稳定性，从而使可以满足低速碰撞性能要求。
技术方案
作为解决上述技术问题的手段，本发明提供了聚烯烃树脂，其特征在于由包含以下各项的热塑性树脂复合材料组成：包括含有分子量分布为2至10的聚丙烯均聚物和着色剂的聚合物基体；和浸渍到聚合物基体中并具有5至20mm的长度的纤维增强材料，其中相对于聚烯烃树脂包含10至50wt％的纤维增强材料。
此处，聚烯烃树脂的冲击强度(ASTM D256)可以是至少200J/m。
此处，纤维增强材料和丙烯均聚物之间的重量比可以是1:1.5至1:10。
此处，着色剂和纤维增强材料之间的重量比可以是1:1至1:50。
此处，聚合物基体可以进一步包含选自由以下各项组成的组的一种或多种添加剂：抗冲改性剂、无机填料、UV阻挡剂、抗氧化剂、润滑剂、抗静电剂、增容剂和微粒。
此处，抗冲改性剂可以包括烯烃嵌段共聚物，该烯烃嵌段共聚物包含乙烯类重复单元和具有4至30个碳的α-烯烃类重复单元。
此处，烯烃嵌段共聚物可以具有2至50g/10min的熔体流动指数(ASTM D1238，230？，在2.16kg负荷下测量)。
此处，聚烯烃树脂可以是具有1至500mm的长度和0.1至50mm的截面直径的粒料形式(pellet form，颗粒形式)。
此外，本发明提供了制备聚烯烃树脂的方法，方法的特征在于通过用具有5至20mm的长度的纤维增强材料浸渍包含聚丙烯均聚物和着色剂的熔融混合物形成热塑性树脂复合材料，聚丙烯均聚物具有2至10的分子量分布。
此外，本发明提供了使用聚烯烃树脂注射模制的车辆后保险杠梁，车辆后保险杠梁的特征在于包括支撑部件，该支撑部件具有由彼此平行布置的两个竖直板和连接两个竖直板的水平板组成的H形截面结构，支撑部件的一端安装至车辆；和形成在支撑部件的相对端上的能量吸收部件。
有益效果
根据本发明，提供了聚烯烃树脂及其制备方法，该聚烯烃树脂包含聚合物基体，该聚合物基体包含具有预定分子量分布的聚丙烯均聚物和着色剂；以及浸渍到聚合物基体中并具有预定长度的纤维增强材料，因此能够保持低比重，同时达到至少某种水平的机械性质和高冲击强度。
此外，提供了车辆后保险杠梁，其中由于即使当使用长纤维状态的纤维增强材料时可以利用注射模制，因此不仅通过显著降低加工成本可以最小化产品成本，而且在室温和低温环境下实现了尺寸和性能稳定性，从而使可以满足法律要求的低速碰撞性能。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施方式的车辆后保险杠梁的分解透视图。
图2是图1所示的车辆后保险杠梁的平面图。
图3是沿着图2的A-A的截面图。
图4示出了图3所示的车辆后保险杠梁的能量吸收部件的变形的实例的图。
图5示出了这样的图，该图示出了在将LFT材料用于注射模制的保险杠梁的情况下的碰撞结构分析结果。
图6示出了这样的图，该图示出了在将LFT材料用于压缩模制的保险杠梁的情况下的碰撞结构分析结果。
图7示出了这样的图，该图示出了在将LFT材料用于根据本发明的注射模制的保险杠梁的情况下的碰撞结构分析结果。
具体实施方式
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的实施方式，使得本领域普通技术人员可以容易地执行本发明。然而，可以以各种不同的形式实施本发明，且不限于本文中所描述的实施方式。此外，在附图中，为了清楚描述，不包括与描述无关的部件。在整个说明书中，通过分配类似的参考数字来描述类似的元件。
在本说明书中，‘(均)聚合物’表示使用乙烯、丙烯和α-烯烃中的仅一种单体聚合的聚合物，以及‘(烯烃)嵌段共聚物’表示通过共聚乙烯或丙烯α-烯烃得到的共聚物，共聚物包含多个重复单元或片段，其在聚合物中可以彼此不同，这是由于具有不同的物理或化学性质值，物理或化学性质是例如分别源自乙烯或丙烯和α-烯烃的重复单元的含量(摩尔分数)、结晶度、密度或熔点等中的一种或多种。
本发明的聚烯烃树脂由包含聚合物基体和浸渍到这种聚合物基体中并具有5至20mm的长度的纤维增强材料的热塑性树脂复合材料组成，聚合物基体包含具有2至10的分子量分布的丙烯均聚物和着色剂。
可以使用以下方法形成热塑性树脂复合材料，其中，例如将具有5至20mm长度的纤维增强材料浸渍到包含具有2至10的分子量分布的丙烯均聚物和着色剂的熔融混合物中。可以将由使用这种方法形成的热塑性树脂复合材料组成的聚烯烃树脂制造为具有1至500mm的长度和0.1至50mm的截面直径的粒料形式，从而用于注射模制车辆后保险杠梁。以这种方式形成的聚烯烃树脂可以具有优异的强度，根据ASTM D256使用注射模制的样品测量的冲击强度为至少200J/m。
丙烯均聚物具有2至10的分子量分布(MWD)，这是适用于注射模制如下所述的车辆后保险杠梁的分子量分布，并可以期望地具有4至6的分子量分布。当分子量分布小于2时，由于存在长的纤维组分，注射模制可加工性可能退化，并且当分子量分布超过10时，强度可以降低。
根据车辆后保险杠梁的使用情况及其类型，添加着色剂以显示颜色，尽管不受特别的限制，但是着色剂可以包括例如炭黑、钛黑、铬氧化物、苯胺(analine)黑、铁氧化物、锰氧化物、石墨或通过混合它们中的两种或更多种得到的化合物。
纤维增强材料用于赋予至少某水平的冲击强度，同时保持低比重。在本发明中，使用具有5至20mm长度的长纤维类型的纤维增强材料，并且考虑到注射成型性，可能期望使用具有9至13mm的长度的纤维增强材料。
此外，纤维增强材料的直径期望地是100μm或更小，并且更期望地，可以使用具有1至50μm的直径的纤维细丝。在这种情况下，纤维增强材料可以进一步在表面上包含官能团。官能团不受特别的限制，但是可以使用例如环氧基团、尿烷基团、硅烷基团、丙烯酸基团或通过混合它们中的两种或更多种得到的化合物。通过包含这种官能团，在混合过程中，纤维增强材料可以表现出与丙烯均聚物的改善的相容性。
同时，纤维增强材料不受特别的限制，但是可以使用例如玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、芳基化物纤维或聚醚酮纤维等，并且期望地，可以使用玻璃纤维或碳纤维。
期望地，相对于聚烯烃树脂，可以包含10至50wt％的这种纤维增强材料。更期望地，包含10至30wt％、以及最期望地15至25wt％。当纤维增强材料的含量低于10wt％时，冲击强度的改善可以是不令人满意的，以及当超过50wt％时，冲击强度的改善相对于纤维增强材料的含量的效能不良，且注射模制可加工性可以受到不利影响。
在本发明中，呈现了形成聚烯烃树脂的组分的含量的最佳比值，使得当将上述聚烯烃树脂应用于如下所述的车辆后保险杠梁时，即使当使用长纤维状态的纤维增强材料时，可以优化聚烯烃树脂用于注射模制。以下详细地描述了所述最佳比值。
首先，纤维增强材料和丙烯均聚物之间的重量比期望地是1:1.5至1:10、更期望地1:2至1:6、以及最期望地1:3至1:5。此外，着色剂和纤维增强材料之间的重量比期望地是1:1至1:50、更期望地1:5至1:30、以及最期望地1:10至1:20。
同时，在本发明中，根据具体的使用情况，热塑性树脂复合材料可以进一步包含添加剂，且相对于100重量份的热塑性树脂复合材料，可以包含例如0.1至10重量份的含量的抗冲改性剂、无机填料、UV阻挡剂、抗氧化剂、润滑剂、抗静电剂、微粒或它们中的两种或更多种的混合物。
在这种情况下，可能期望将烯烃嵌段共聚物用作抗冲改性剂，所述烯烃嵌段共聚物包含乙烯类重复单元(ethylene-based repeating unit，基于乙烯的重复单元)和具有4至30个碳的α-烯烃类重复单元，以及更期望地，可以使用具有2至50g/10min的熔体流动指数的烯烃嵌段共聚物(ASTM D1238，230℃，在2.16kg的负荷下测量)。
以上已经描述了根据本发明的聚烯烃树脂及其制备方法。根据本发明的聚烯烃树脂是包含纤维增强材料诸如玻璃纤维等的复合塑料材料(长玻璃纤维增强的热塑性材料，LFT)，并可以用于注射模制车辆后保险杠梁。在下文中，将描述根据本发明的车辆后保险杠梁。
为了将玻璃纤维复合塑料材料应用至注射模制技术，玻璃纤维复合塑料材料必须吸收足够的碰撞能量以防止出现断裂。为了使保险杠梁不发生断裂，必须提高材料的伸长率或断裂强度，但是由于材料的特征，提高伸长率降低材料强度，同时提高材料强度降低伸长率。因此，从材料角度，难以增加碰撞能量吸收。
如描述的，提高玻璃纤维复合塑料材料的伸长率是困难的，因此通常通过提高材料强度来使碰撞能量吸收变得可能。然而，由于提高玻璃纤维的长度来增加材料的强度使得注射模制困难，所以开发了使用压缩技术来大规模生产目前的玻璃纤维复合塑料材料保险杠梁，压缩技术具有高加工成本。
因此，如果使用注射模制技术的保险杠梁可以满足低速碰撞性能，则可以实现成本竞争力。当在吸收充分的能量后，形成保险杠梁的材料通过整体充分变形而断裂时，保险杠梁充分吸收碰撞能。然而，如果保险杠梁断裂，则剪切面损害车身，从而使得实现法律要求的性能不可能。因此，在重复研究与开发允许保险杠梁在不断裂的情况下尽可能多地吸收碰撞能的结构之后，本发明人能够得出当使用聚烯烃树脂注射模制时可以实现这种性能的保险杠梁结构。
图1是根据本发明的一个示例性实施方式的车辆后保险杠梁的分解透视图，图2是图1所示的车辆后保险杠梁的平面图，图3是沿着图2的A-A的截面图，以及图4示出了图3所示的车辆后保险杠梁的能量吸收部件的变形的实例的图。
参照图1至4，根据本发明的一个示例性实施方式的车辆后保险杠梁(100)包括支撑部件(110)和能量吸收部件(120)。
用于在碰撞的情况下支撑能量吸收部件(120)的支撑部件(110)包括彼此平行布置的两个竖直板(111)和(112)和连接两个竖直板(111)和(112)的水平板(113)，因此整体具有H形截面结构。使用设置在两端后面的固定构件(115)将支撑部件(110)安装至车辆(图中未示出)。
这种支撑部件(110)必须具有充分的强度和刚性以允许能量吸收部件(120)在碰撞的情况下变得压缩和断裂。因此，考虑强度、刚性和可加工性，竖直板(111)和(112)及水平板(113)的厚度期望地是约3-6mm。这是因为当板(111)、(112)和(113)的厚度小于3mm时，在低速碰撞时支撑能力不足，以及当超过6mm时，由于在注射模制期间由冷却产生的下沉，要求的强度和刚性难以实现。
此外，由于支撑部件(110)的支撑能力随着竖直板(111)和(112)的曲度增加而改善，所以考虑装配的容易等，将曲度最小化在1500-5000mm的范围内，以及由于固定保险杠梁的车辆构件的两端之间的距离根据车辆变化，即车辆是小车辆还是大车辆，所以考虑车辆确定曲度。
在这种情况下，竖直板(111)和(112)之间的距离期望地是30-40mm。这是因为当竖直板(111)和(112)之间的距离小于30mm时，在低速碰撞的情况下支撑能力是不充分的，以及当超过40mm时，竖直板(111)和(112)接近于车身面板，从而碰撞之后保险杠梁的变形可以引起面板变形出现。同时，可以在竖直板(111)和(112)之间形成用于吸收碰撞能量的肋(116)。
另外，有利的是将1-3度的脱模斜度(draft)应用于竖直板(111)和(112)以促进本发明的注射模制期间模制产品的释放。这是因为当竖直板(111)和(112)的脱模斜度小于1度时，模制产品的释放是困难的，以及当超过3度时，尽管模制产品的释放容易，但是模制产品的重量和成本增加。
同时，在由支撑部件(110)的竖直板(111)和(112)以及水平板(113)限定的空间中，沿着宽度方向以某种间隔形成了X形肋(114)。这种X形肋(114)防止在碰撞的情况下保险杠梁的整体竖直扭转，以及最小化注射模制之后的变形，从而发挥保证尺寸稳定性的作用。
用于在碰撞的情况下通过压缩和断裂吸收碰撞能的能量吸收部件(120)由从支撑部件(110)的竖直板(112)水平延伸的第一板(121)、以及从第一板(121)向上或向下延伸的第二板(122)组成。
在这种情况下，如图3所示，根据保险杠盖(图中未示出)的形状，作为与冲击目标接触的第一部件的第二板(122)可以形成在第一板(121)上面和下面，或如图4所示，仅第二板(122)中的一个可以形成在第一板(121)上方或下方。在本发明中，第二板(122)的厚度是1.5-2mm，以及当考虑生产过程时，期望1-3度的脱模斜度。这是因为当第二板(122)的厚度小于1.5mm时，不处理产品部分，因此碰撞性能和外观质量是不良的，以及当超过2mm时，在碰撞的情况下压缩和变形没有发生，从而充分的能量吸收没有出现。
此外，尽管不受特别的限制，但是确定第二板(122)的形状使得在保险杠梁和保险杠盖之间存在约3-5mm的间隙。这是因为当保险杠梁和保险杠盖之间的间隙小于3mm时，保险杠梁的变形和尺寸公差引起保险杠盖的外部缺陷，以及当超过5mm时，不仅保险杠盖晃荡(rattle around)，而且由于车辆运行期间组件之间的振动性接触产生噪声，并且当间隙过大时，难以满足碰撞法律。
同时，可以在第一板(121)和第二板(122)之间形成肋(123)。当冲击目标进入时，肋(123)发挥吸收能量的作用，至多达肋(123)崩塌时材料的可容许的断裂强度，以及在正常时间，具有支撑第二板(122)的功能，从而保持保险杠晃荡或形状。如在第二板(122)的情况下，考虑到压缩和崩塌，这种肋(123)具有1.5-2mm的厚度，以及考虑到生产过程，应用1-3度的脱模斜度是理想的。
根据上述的肋(123)的长度即支撑部件(110)的竖直板(112)与能量吸收部件(120)的第二板(122)的距离确定能量吸收部件(120)的能量吸收量，且在本发明中，考虑到冲击能量，是在10-100mm的范围内。竖直板(112)具有某种曲度，以及形成竖直板(112)的曲度以留出与保险杠盖的预定间隙。因此，即使当中心部中的板的距离是10mm时，所述距离增加远离中心部的移动。此处，如果中心部的距离小于10mm，则碰撞能量不能被充分吸收，从而保险杠梁的中心部的断裂出现。相反，如果竖直板(112)和第二板(122)之间的距离超过100mm以实现充分的能量吸收，则第一板(121)及竖直板(112)和第二板(122)之间的肋(123)的尺寸增加，使得保险杠梁的重量和成本上升，以及由于车身面板和保险杠梁变得闭合，所以在碰撞之后车身面板可能损坏。
如上所述，通过作为双重保险杠梁配置根据本发明的车辆后保险杠梁来增强碰撞性能，可以将LFT材料应用于注射模制过程。进行碰撞结构分析来评估本发明的性能，并且方法及其结果如以下所述。
具体地，通过应用通过以下方法制备的约2.3kg的LFT材料至满足低速碰撞法律的塑料后保险杠梁的形状进行中心摆动测试(CENTER PENDULUM TEST)，中心摆动测试是法律规定的低速碰撞测试，并且图5至7示出了其结果。
[制备LFT材料的方法]
用纤维增强材料(玻璃纤维，长度：9-13mm，在表面上包含环氧基团)浸渍丙烯均聚物(分子量分布：5)、着色剂(炭黑)和抗冲改性剂(烯烃嵌段共聚物，包含乙烯类重复单元和丁烯类重复单元，熔体流动指数(ASTM D1238，230℃，在2.16kg负荷下测量)：10g/10min)的熔融混合物，以及将已知的方法用于制备具有10-30mm的长度和1-5mm的截面直径的粒料形式的LFT。丙烯均聚物：纤维增强材料：着色剂：抗冲改性剂的最终组成比值按重量计是60:15:1:1。
图5是将LFT材料添加到注射模制的保险杠梁的情况下的碰撞结构分析结果，并且可以看出保险杠梁发生断裂。由此，预期车辆损坏以及无法满足法律要求。图6示出了将LFT材料应用于压缩模制的保险杠梁的情况，并且如同在注射模制的情况中一样，保险杠梁发生断裂，从而预期车辆损坏以及无法满足法律要求。图7示出了将LFT材料应用于根据本发明的具有改善的结构的注射模制的保险杠梁的情况，并且与其他保险杠梁的结构分析结果不同，断裂没有出现以及保险杠梁的前部即能量吸收部件吸收碰撞能量，同时崩塌和被压缩，从而观察到满足法律规定的性能。
以上，已经参照附图详细描述了本发明的示例性实施方式。本发明的描述仅是示例性的，以及应当理解本领域普通技术人员将容易地将本发明更改为不同的具体形式，而不改变本发明的技术构思或本质性质。
因此，本发明的范围不由详细描述限定，而是由公开的权利要求限定。将源自权利要求的含义、范围和等价物构思的所有修改或修改形式解释为在本发明的范围内。
*附图中的参考数字的描述
100：车辆后保险杠梁，110：支撑部件
111，112：竖直板，113：水平板
114：X形肋，115：固定构件
116：肋，120：能量吸收部件
121：第一板，122：第二板
123：肋。

Claims (10)

1.一种聚烯烃树脂，其特征在于由包含以下各项的热塑性树脂复合材料组成：包含聚丙烯均聚物和着色剂的聚合物基体，所述聚丙烯均聚物具有2至10的分子量分布；以及浸渍到所述聚合物基体中并具有5至20mm的长度的纤维增强材料，其中，相对于所述聚烯烃树脂，包含10至50wt％的所述纤维增强材料。
2.根据权利要求1所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述聚烯烃树脂的冲击强度(ASTMD256)是至少200J/m。
3.根据权利要求1所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述纤维增强材料与丙烯均聚物之间的重量比是1:1.5至1:10。
4.根据权利要求1所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述着色剂与所述纤维增强材料之间的重量比是1:1至1:50。
5.根据权利要求1所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述聚合物基体进一步包含选自由以下各项组成的组的一种或多种添加剂：抗冲改性剂、无机填料、UV阻挡剂、抗氧化剂、润滑剂、抗静电剂、增容剂和微粒。
6.根据权利要求5所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述抗冲改性剂包括烯烃嵌段共聚物，所述烯烃嵌段共聚物包含乙烯类重复单元和具有4至30个碳的α-烯烃类重复单元。
7.根据权利要求6所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述烯烃嵌段共聚物具有2至50g/10min的熔体流动指数(ASTM D1238，230℃，在2.16kg负荷下测量)。
8.根据权利要求1所述的聚烯烃树脂，其特征在于所述聚烯烃树脂是具有1至500mm的长度和0.1至50mm的截面直径的粒料形式。
9.一种用于制备聚烯烃树脂的方法，所述方法的特征在于通过用具有5至20mm的长度的纤维增强材料浸渍包含聚丙烯均聚物和着色剂的熔融混合物来形成热塑性树脂复合材料，所述聚丙烯均聚物具有2至10的分子量分布。
10.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的聚烯烃树脂注射模制的车辆后保险杠梁，所述车辆后保险杠梁的特征在于包括：
支撑部件，所述支撑部件具有由两个彼此平行设置的竖直板和连接这两个竖直板的水平板组成的H形截面结构，所述支撑部件的一端安装到所述车辆上；和
形成在所述支撑部件的相对端上的能量吸收部件。
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