汽车UDB(试样制备差异对车用聚丙烯线性膨胀系数（CLTE）测试结果的影响)

现有汽车工业，要求不同材料部件之间的装配间隙尽量小，并且尺寸稳定性高，这就要求所用材料的线性膨胀系数较低。静态热机械分析（TMA）是指在程序控温下测量物质在非振动负荷下的形变和温度制件关系的技术，然而影响TMA测试材料线性膨胀系数（CLTE）的因素众多，目前已有的研究主要集中在改性增强、配方开发等研发角度，对于材料的TMA测试CLTE的影响因素没有相关研究。

为了探究TMA测试影响因素，国高材分析测试中心针对PP材料进行研究，对材料样品制备因素如注塑工艺、样条类型、热历史、改性填充和裁样位置进行了深入研究，对未来新材料开发优化有重要指导意义。

01

试样制备

按一定质量比例称取配方原料进行混合均匀，隋鸥加入挤出机进行造粒，最后通过注塑机注塑对应样条；裁样前标准环境下调节24h；在对应样条特定位置裁样支撑10mmX10mmX4mm的小样块，随后进行打磨和退火处理。

国高材全自动注塑机

国高材静态热机械分析仪（TMA）

02

影响因素探讨

2.1 注塑工艺对CLTE的影响

按表1 中四种主要注塑工艺参数将PP材料注塑成ISO拉伸样条，对应工艺下CLTE测试结果见图1。

表1 注塑工艺主要参数

表1 和图1可知，其他条件不变情况下，不同注塑工艺对PP材料CLTE结果有明显影响，其中流动方向的差异明显高于垂直流动方向。以常规C0工艺CLTE结果为基准，上述四种工艺中流动方向最大偏差为-12%，垂直方向最大偏差为-5.2%。因此选择特定的注塑工艺参数有助于降低材料的CLTE值，保证相同的注塑工艺参数有助于准确筛选低CLTE材料配方。

图1 不同注塑工艺CLTE测试结果

2.2 样条类型对CLTE的影响

选用GFPP-50玻纤增强材料，分别注塑成拉伸样条、弯曲样条、大方板、小方板和燃烧板，如图2所示，对应CLTE测试结果如图3所示，处理温度区间-30~100℃。

由图2和图3可知，其他条件不变，不同类型注塑样条CLTE值差异较大。其一是五种样条类型的流动方向CLTE值均小于垂直流动方向；其二是长宽比越大两方向CLTE值差异也越大，这主要受流体流向取向和边缘效应影响。因此选择注塑与制件实际工况最接近的样条类型来进行低CLTE值材料配方的筛选不仅更符合实际，而且可达到事半功倍的效果。

图3 不同样条类型CLTE测试结果

图4 热历史对CLTE的影响

2.3 热历史和退火方式度CLTE的影响

材料热历史的存在会影响CLTE结果，通常需要退火以消除热历史。退火有两种方式：

1） 制样后使用TMA设备以相同的升温速率升至特定温度；

2） 制样后放在特定温度的烘箱中平衡至少2h。

热历史对PP和PBT两种材料CLTE的影响如图4所示，热历史以及退火方式对材料CLTE结果汇总如表2所示。

表2 热历史和退火方式CLTE测试结果

由图4和表2可知，两种材料均存在热历史/残余应力对CLTE值有不同程度的影响。以退火后结果为基准，低CLTE值的PBT G30材料不退火时CLTE结果偏差为-17.2%，高CLTE值的PP K9017材料偏差为-3.3%。二退火方式（仪器退火或烘箱退火）对两种材料的CLTE结果影响较小。因此在使用TMA测试材料CLTE之前，有必要执行退火处理消除材料的热历史/残余应力，二退火方式影响较小。

2.4 改性填充对CLTE的影响

表3和表4分别为PP材料不同玻纤含量和不同滑石粉含量的CLTE测试结果。

表3 不同玻纤含量CLTE测试结果

表4 不同滑石粉含量CLTE测试结果

表3和表4可知，PP材料随玻纤含量或滑石粉含量增加，两方向上的CLTE值均有明显减小，且流动方向CLTE值的减小成都明显高于垂直流动方向。这是由于一方面具有高稳定性填充玻纤或滑石粉的存在能够有效抑制聚合物分子的热运动，另一方面CLTE结果受流体取向和填充含量的影响，两者综合表现出较低的线性膨胀系数。因此，选择适量的填充可明显降低CLTE，有效提高材料的尺寸稳定性。

2.5 样条裁样位置对CLTE的影响

图5为PP材料常规ISO拉伸样条裁样位置示意图，表5为对应位置CLTE测试结果。

图5 拉伸样条不同位置

表5 拉伸样条不同位置CLTE测试结果

由图5和表5可知，拉伸样条中间位置（位置3）的CLTE值最小，且流动方向CLTE值整体小于垂直流动方向。这主要和注塑过程相关：熔体流入模具型腔时，处于粘流状态的高分子链段由于流向发生链段取向，即树脂在流向面上分子排列相对有序，表现为流动方向和中间位置CLTE低。因此，选择合适的裁样位置有利于得到较低的CLTE值，对于拉伸样条裁样位置应尽量居中。

03

结论

注塑工艺对CLTE结果有明显影响，且对流动方向的影响明显高于垂直流动方向；不同类型注塑样条之间CLTE值差异较大，且两方向上的CLTE结果差异随样条长宽比增大而增大；材料热历史/残余应力对CLTE结果的影响程度因材料种类而不同，测试前有必要进行退火处理，而退火方式影响不大；改性填充可明显降低CLTE，且流动方向CLTE减小程度明显高于垂直流动方向；不同样条应选择合适的裁样位置，对于拉伸样条应尽量居中。

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