比亚迪：汽车外饰用再生PP材料发白条纹机理解析与优化路径研究
中国“强制使用再生塑料”时代第1展
在汽车轻量化与塑料循环利用趋势日益增强的背景下，比亚迪团队针对车用聚丙烯（PP）复合材料在长期使用中易出现的“发白条纹”问题进行了系统研究。通过氙灯加速老化试验，成功复现了保险杠等外饰件在紫外老化后的失效现象，并深入揭示了由弹性体拉伸取向、光老化开裂及滑石粉外露共同引发的表面退化机制。研究还指出，再生料的使用比例及模具浇口位置对该现象有显著影响，为今后再生PP的应用设计与模具优化提供了可操作的技术参考。本文对于提升汽车塑料部件的耐候性能、促进高性能再生料在车用领域的可持续应用具有重要价值。
摘要：汽车塑料件在长期使用过程中易出现耐候性失效问题，尤其是轮眉、保险杠等外饰表面常见交替发白条纹，严重影响外观质量。为解决该问题，采用氙灯加速老化试验在滑石粉填充聚丙烯（PP）注塑样板上成功重现了条纹发白现象，并探讨了其形成机理。研究发现，发白主要源于表面光老化引起的开裂及滑石粉暴露，出现发白区域的O、Mg和Si元素含量明显升高；表面弹性体拉伸取向程度高的区域更易在光照后发生开裂，由于取向不均，还会在光照后呈现黑白相间的条纹。进一步研究发现，PP材料发白条纹的形成与两个因素密切相关：其一，材料本身的基材特性，使用再生料会加速老化分解，从而加剧发白；其二，注塑过程中远离浇口的位置因流动性不足，易导致弹性体取向增强，进而提升光照后开裂的风险。为减缓发白现象对外观的影响，可通过优化PP基材的耐候性、减少再生料用量，以及在模具设计中降低流长比等方式进行改进。
关键词：外饰件；聚丙烯；发白条纹；耐候性；再生料
聚丙烯（PP）因其密度低、成本低、性能优良，在汽车内外饰件中被广泛应用。目前，保险杠、轮眉、侧裙板等汽车外饰件多采用PP基复合材料。为满足性能需求，常在PP中加入改性剂：如添加滑石粉提升刚性并降低收缩率，添加聚烯烃弹性体（POE）或三元乙丙橡胶（EPDM）增强韧性，添加耐热耐光助剂提升长期稳定性。目前常见的外饰材料包括30%滑石粉填充的PP/EPDM（PP+EPDM-T30）和20%滑石粉填充的PP/EPDM（PP+EPDM-T20）等。
然而，PP制品耐老化性能有限，长期使用后易出现发白等表观缺陷，尤其在未喷漆的保险杠与轮眉上，常见黑白相间条纹，严重影响外观和品质。因此，迫切需要研究该现象的成因并寻求解决方案。发白条纹的出现通常与材料老化退化相关，外部因素包括温度、湿度、紫外光照等，内部因素涉及内应力分布及弹性体的粒径与分布等。
Hirano 等研究指出，条纹与PP材料中弹性体的取向与拉伸有关，同时与材料长期服役过程中的降解密切相关。王伟健通过自然曝晒老化实验证实，保险杠发白源于材料表面微裂纹，但该方法周期长，难以快速获取耐候数据。覃家祥等人采用太阳聚光加速老化试验快速复现了发白条纹，并确认其主要由光照诱发。
虽然已有研究初步揭示光照发白的机理，但对其影响因素与优化策略的系统研究仍较少，相关设计指导亦不完善。本文通过氙灯加速老化方法重现PP复合材料光照发白现象，并在机理分析基础上，重点探讨了两类关键因素：不同PP基材特性以及注塑过程中模具浇口远近位置对发白表现的影响。研究成果有助于优化PP复合材料设计，延长使用寿命，并减少服役期内表观缺陷的发生。
— 1—
实验部分
1.1 主要原料
1.2 试样制备
所得颗粒经注塑加工制成测试样板，注塑温度设为200 ℃。如图1所示，样板两端根据与模具浇口的距离划分为近浇口侧与远浇口侧，用于光照试验对比分析。
图1 注塑光照试验样板示意图
1.3 性能测试与结构表征
MFR按ISO 1133-1：2022测试，条件为温度230 ℃，载荷2.16 kg；
密度按ISO 1183-1：2019测试；
氙灯加速老化试验按照Q/BYDQ-A1901.800-2021规定的方法进行，辐照度为(0.55±0.02) W/m2，监测点波长为340 nm；
色差值采用色差仪进行测试；
表面微观形貌分析：参考JY/T 0584-2020，采用SEM对样板表面微观形貌进行分析；
— 2—
结果与讨论
2.1 不同PP基材对光照发白现象的影响
PP复合材料在设计时会根据产品性能需求选用不同类型的PP基材。例如，为提升缺口冲击强度，可选用弹性体含量较高的基材；而对流动性要求高的产品，则采用高熔指（MFR）基材。近年来，受环保趋势推动，再生塑料在PP复合材料中的应用逐渐增多。
为研究不同PP基材对光照发白条纹现象的影响，设计了3种对比配方（见表1）：配方1#使用中等流动性的回收料，配方2#为中等流动性新料，配方3#则采用高流动性新料。为排除抗紫外线助剂对实验结果的干扰，三组配方均未添加该类助剂，以加快发白条纹的出现，便于现象观察与分析。
表1 不同PP基材的对比试验配方(质量份)
在注塑过程中，材料流动性与弹性体拉伸共同作用，易导致制件表面形成明暗相间的虎皮纹。图2展示了不同PP基材注塑样板在光照前的表面状态。可见，在近浇口侧，三种配方均未出现虎皮纹；而在远浇口侧，配方1#与2#出现了明显纹路，配方3#则未见此现象。
产生差异的原因在于，配方1#和2#均含POE，远浇口侧材料流动不稳定，弹性体拉伸取向交替，易形成虎皮纹。此外，两者流动性接近（MFR分别为18.6 g/10 min和19.3 g/10 min），因此表面纹路表现相似。相比之下，配方3#的MFR为28.1 g/10 min，流动性更高，使材料在远浇口区域保持稳定流动，从而减少虎皮纹的出现。三种配方的MFR与密度见表2。
图2 光照前样板表面状态
表2 3种配方材料的MFR和密度
将3种配方样板同时置于氙灯加速老化箱中进行测试，并通过目视法评估其表面状态，结果见表3。由表中可见，配方1#在1 584 kJ（1 200 h）辐照后，近浇口侧与远浇口侧均出现明显发白条纹；而配方2#和3#即使在2 376 kJ（1 800 h）辐照后，样板表面依然未出现发白现象。产生差异的主要原因在于，配方1#所用基材为再生PP，其在前期使用中已发生部分降解，残留的易受紫外线攻击的官能团（如C=O、C=C）加剧了老化过程，导致表面提前出现发白条纹。
表4 不同再生料添加量的对比试验配方(质量份)
图3 样板近浇口侧光照后的表面状态
2.2 样板距离浇口位置对光照发白现象的影响
图4 配方1#样板光照前后的表面状态
图4显示，远浇口侧光照后的白色条纹形状与光照前的虎皮纹完全一致，表明弹性体在不同区域存在差异化拉伸取向，是发白条纹形成的根本原因。尽管近浇口侧光照前未出现可见虎皮纹，但光照后仍产生黑白相间条纹，这是由于弹性体虽有轻微取向，肉眼难以识别，但在光照老化作用下不同取向区域老化程度不同，从而显现出明显的发白条纹。
表5对配方1#样板不同位置光照后的发白程度进行了对比。结果显示，无论近浇口侧还是远浇口侧，黑色与白色区域的明度差（∆L）均显著。白色区域的∆L值分别为5.6和9.0，均高于相邻黑色区域，黑白对比清晰。远浇口侧的∆L差值更大，说明该区域因流动性较差、缺陷较多，老化更为严重，从而导致更明显的发白现象。
表5 配方1#样板不同位置光照后发白程度对比
2.3 光照发白的机理研究
为进一步探究光照后样板表面黑白条纹的形成机理，采用SEM对配方1#样板表面进行分析，结果如图5所示。图中可见，光照老化使样板表面4个区域均出现不同程度的微裂纹，尤其是远浇口侧的白区（见图5b箭头所示），微裂纹最为明显。原因可能在于该区域弹性体取向程度较大，受光照后更易破裂，进而产生微裂纹。黑白相邻区域裂纹数量存在差异，白区裂纹较多，黑区较少，这与弹性体交替拉伸取向密切相关，说明取向更强的区域老化程度更高。
表6 配方1#样板光照后表面元素含量(质量分数)
综上，PP复合材料样板光照后产生发白条纹的机理可总结如下：
注塑过程中，弹性体在不同区域形成交替取向，明显时形成虎皮纹；
光照引起材料降解，取向较强区域因应力集中更易开裂；
微裂纹产生使滑石粉暴露，二者共同导致表面∆L值升高，形成发白现象；
由于取向交替，发白严重程度在表面也呈条纹分布，黑白对比明显，形成视觉上的发白条纹。
— 3—
结论
本研究探讨了滑石粉填充PP复合材料在长时间光照下产生发白条纹的成因及机理，重点分析了PP基材类型与样板在模具中的位置对该现象的影响。
(1) 关于PP基材，结果表明，使用再生料时，近、远浇口侧均出现发白条纹，而新料在相同光照条件下，即使存在虎皮纹，也未发生发白现象。这主要由于再生料中存在已老化的敏感官能团，易受紫外线诱导降解。进一步对比发现，再生料添加比例越高，材料越易发白，为再生料使用提供了设计依据。
(2) 关于样板在模具中的位置，研究显示，远离浇口的区域更易出现发白。这可能与该区域熔体流动性降低、弹性体取向增强有关，同时老化后微裂纹更明显，对注塑产品流长比设计具有参考价值。
(3) 对发白机理的分析表明，该现象主要由表面老化引起的微裂纹及滑石粉外露造成。弹性体取向程度高的区域更易因光照而开裂，交替取向则导致黑白条纹的形成，构成典型的发白条纹特征。
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本篇文章来源于微信公众号:废塑料新观察
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