一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法

摘要

一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，属于汽车发动机部件技术领域。它由聚丙烯、弹性体、超细SiO2、有机硅偶联剂、无碱短玻璃纤维、β成核剂、抗氧剂CA、硫代二丙酸二月桂酯及紫外线吸收剂，经二次挤出、冷却、切粒、熔融注塑、冷却定型、脱模、检验，得到冷却风扇叶片。本发明由聚丙烯为基本树脂，以β成核剂对聚丙烯结晶控制，用有机硅偶联剂改性无碱短玻璃纤维为增强材料，用弹性体POE和SiO2复合增韧，耐热性提高到145-150℃，承受高温750-1000小时后不老化、不龟裂，显著提高了冲击韧性和应力开裂性，增强了风扇的机械性能、耐热性和抗老化、提高了环境适应性，且制造成本、噪声、功耗低，叶片不易变形断裂。

说明书

技术领域

本发明属于汽车发动机部件技术领域，具体涉及一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法。

背景技术

客车柴油发动机冷却风扇的工作条件较为恶劣，一般需要在-40-100℃、干寒、湿热和风流环境，高速运转下长期工作，对风扇叶材质的要求较为苛刻，不仅需具有高强度、高刚性，还应具有优异的高低温冲击韧性、耐热性和耐热氧老化性，以防止风扇变形、龟裂。早期的风扇叶多使用金属材料，由于钢质风扇叶易腐蚀、锈蚀后强度低，且不易于加工，现趋向于使用高分子材料和复合材料，其重量轻、易于加工制造，且成本相对较低。目前多用工程塑料尼龙材料或改性聚丙烯材料，但尼龙风扇叶原料成本较高，材料力学强度不够，其加工收缩变形量大、干燥或低温时易脆裂。因此不宜在寒冷地区、极干旱地区使用，改性聚丙烯材料一般采用玻纤增强改性聚丙烯，玻纤增强聚丙烯是生产技术较为成熟的一种聚丙烯改性材料。它除具有聚丙烯原有的耐化学腐蚀、电绝缘性等优良性能外，其强度、硬度和刚性、耐候性大大提高，但低温脆性和耐热氧老化性能仍未解决，限制了其使用，国内综合性能优良的汽车塑料风扇专用料的技术尚未完全过关，极待解决。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）所述的原料包括如下重量份数的组份：聚丙烯70-90份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 5-15份， 超细SiO2 0.1-0.5份，有机硅偶联剂0.2-0.6份，无碱短玻璃纤维15-30份，β成核剂0.5-1.3份，抗氧剂CA 0.1-0.5份，硫代二丙酸二月桂酯0.1-0.5份，紫外线吸收剂0.5-1.0份；

2）将重量份数为7-11份聚丙烯、0.1-0.5份超细SiO2、0.5-1.3份β成核剂、0.1-0.5份抗氧剂CA、0.1-0.5份硫代二丙酸二月桂酯及0.5-1.0份紫外线吸收剂加于高速混合机中搅拌混合7-15分钟，混合均匀后加于双螺杆挤出机，进行分段式控温挤出、冷却、切粒，制得改性聚丙烯PP母料；

3）将步骤2）得到的改性聚丙烯PP母料、5-15份乙烯-辛烯共聚弹性体POE、余量的聚丙烯、0.2-0.6份有机硅偶联剂及15-30份无碱璃纤维混合加入双螺杆挤出机，进行分段式控温挤出、冷却、经切粒机切粒，得到专用增强PP改性粒料；

4）将步骤3）得到的专用增强PP改性粒料在烘箱中干燥至湿度小于0.04%，再依次经熔融注塑、冷却定型，脱模、检验，得到冷却风扇扇叶片。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于包括如下重量份数的组份：聚丙烯75-85份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 8-12份，超细SiO2 0.2-0.4份，有机硅偶联剂0.3-0.5份，无碱短玻璃纤维20-25份，β成核剂0.8-1.1份，抗氧剂CA 0.2-0.4份，硫代二丙酸二月桂酯0.1-0.3份，紫外线吸收剂0.6-0.8份。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于包括如下重量份数的组份：聚丙烯80份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 10份，超细SiO2 0.3份，有机硅偶联剂0.4份，无碱短玻璃纤维23份，β成核剂0.9份，抗氧剂CA 0.3份，硫代二丙酸二月桂酯0.2份，紫外线吸收剂0.7份。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于所述的紫外线吸收剂为UV-531，即2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于超细SiO2的粒度大小为38nm-42nm。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于步骤2）中的分段式控温分6段控温，温度分别为：区段一温度为165-167℃，区段二温度为 157-159℃，区段三温度为153-156℃，区段四温度为154-157℃，区段五合流区温度为147-151℃，区段六机头温度为 145-148℃。

所述的一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，其特征在于步骤3）中的分段式控温为分5段控温，温度分别为：加热段#1段174-178℃，加热段#2段173-176℃，加热段#3段175-179℃，加热段#4段174-179℃，加料段#5段165-169℃。

本发明的β成核剂通过晶型控制技术对聚丙烯改性结晶形态，对聚丙烯结晶形态改性，聚丙烯是一种典型的半晶聚合物，随结晶条件不同，分子链的排列或堆砌方式不同，α、β、γ等晶型。与α晶型PP相比，β晶型PP的室温和低温抗冲击性能好，热变形温度高，在高速拉伸下表现出高韧性和延展性，但β晶型属于在热力学上准稳定，动力学上不易于生成的一种晶型，只有在特殊条件下可得到β晶型。添加β晶成核剂是制备高β晶含量PP的有效方法，芳酰胺类化合物可作为β晶成核剂制备高β晶含量的PP，提高了PP树脂的低温韧性和耐热性。

本发明以有机硅偶联剂改性处理无碱短玻纤，得到的改性无碱短玻纤为增强材料，用乙烯-辛烯共聚弹性体POE、超细SiO2进行复合增韧，本发明的弹性体POE有优异的韧性和良好的加工性,分子量分布窄,没有不饱和双键,耐候性优于含不饱和双键的SBS、NBR等其他弹性体。由于乙烯-辛烯共聚弹性体POE具有较小的内聚能,较高的剪切敏感性,加工时与聚丙烯的相容性好,其表观切变粘度对温度的依赖性与聚丙烯接近,用它增韧聚丙烯容易得到更小的分散相粒径和更窄的粒径分布,因而对聚丙烯的增韧效果明显。

本发明步骤3）中的挤出工艺采取母料法二段共混挤出工艺复配加工，先采用反应增容共混法制备聚丙烯增韧母粒,再将得到的聚丙烯增韧母粒混合乙烯-辛烯共聚弹性体POE、余量聚丙烯、经有机硅偶联剂处理的无碱璃纤维，通过双螺杆挤出机进行二次造粒，得到专用增强聚丙烯改性粒料。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明的汽车发动机冷却风扇叶片的材料采用聚丙烯为基体树脂、β成核剂、有机硅偶联剂改性的无碱玻离纤维、乙烯-辛烯共聚弹性体POE、超细SO₂、并添加复合抗氧剂和紫外线吸收剂等助剂，采用晶型控制技术、弹性体和固相粒子复合增韧技术、偶联剂改性玻纤增强技术、复合抗光氧化技术协同对聚丙烯基体树脂进行母粒法二段共混改性而成，增强了风扇的综合机械性能、抗氧化、抗老化性能，显著提高了环境适应性；

2）本发明通过晶型控制技术，即用β成核剂对聚丙烯结晶形态改性，提高聚丙烯的冲击强度，简支梁冲击强度从空白试样的8.4 KJ/m²上升到20.6KJ/m²，提高了两倍多，悬臂梁冲击强度从空白试样的24J/m上升到91.3J/m，提高了4倍左右；

3）本发明通过乙烯-辛烯共聚弹性体POE和纳米级超细SiO₂对聚丙烯进行复合增韧，由于乙烯-辛烯共聚弹性体POE有优异的韧性和良好的加工性,分子量分布窄,没有不饱和双键,耐候性优于含不饱和双键的SBS、NBR等其他弹性体，具有较小的内聚能,较高的剪切敏感性,加工时与聚丙烯的相容性好,其表观切变粘度对温度的依赖性与聚丙烯接近,用它增韧聚丙烯容易得到更小的分散相粒径和更窄的粒径分布,对聚丙烯的增韧效果明显，具有较好的加工流变性能，冲击强度相比纯PP提高约2.8倍，而横向拉伸强度下降25%左右,纵向拉伸强度增加30%左右；

4）本发明通过共混方法将SiO₂刚性粒子填充到PP基体中，当受外力冲击时，由于粒子的存在产生了应力集中效应，引发周围PP树脂产生微裂纹，同时，粒子间的基体也产生了塑性变形，吸收冲击能，从而达到增韧效果，使聚合物的增强、增韧和耐热性能同时得到改善；

5）本发明以有机硅偶联剂改性无碱玻纤为增强材料，由于玻璃纤维与聚丙烯的亲和性较差，当聚丙烯发生断裂时不能很好地将承受的应力传递到玻纤上，用硅烷偶联剂对玻纤表面进行处理,可以提高玻纤与聚丙烯树脂的界面粘合力，硅烷偶联剂与聚丙烯和玻纤都有一定程度的亲和性，即其分子的一端(亲水基)为可水解基团，水解后的硅羟基可与玻纤表面的硅羟基发生缩合反应,与玻纤表面形成化学键,实现良好的界面结合；而另一端(亲油基)与PP形成物理结合，从而使两者界面的粘接力增强，,提高了玻纤增强PP的力学性能。

6）本发明通过用聚丙烯为基本树脂，以β成核剂对聚丙烯进行结晶控制，用有机硅偶联剂改性的无碱短玻璃纤维为增强材料，用弹性体POE和SiO2进行复合增韧，并添加复合抗氧剂和紫外线吸收剂等助剂，采用两次挤出造粒工艺溶融混杂共混复配而成，防止风扇老化、龟裂，大幅度提高了冲击韧性和应力开裂性，并使在长时间持续应力作用下的叶片的耐应力龟裂性能大大提高，耐热性可由80℃提高到145-150℃，并能承受高温750-1000小时后不老化，不龟裂。与传统高分子材料相比，增强了风扇的综合机械性能、耐热性和抗老化性能，显著提高了环境适应性。通过本发明制得的风扇具有制造成本低、噪声低、功耗低、风扇叶片不易变形断裂等特点。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述：

一种汽车发动机冷却风扇叶片的制备方法，包括如下步骤：

1）所述的原料包括如下重量份数的组份：聚丙烯70-90份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 5-15份， 超细SiO2 0.1-0.5份，有机硅偶联剂0.2-0.6份，无碱短玻璃纤维15-30份，β成核剂0.5-1.3份，抗氧剂CA 0.1-0.5份，硫代二丙酸二月桂酯0.1-0.5份，紫外线吸收剂0.5-1.0份；优选重量份数及组份为聚丙烯75-85份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 8-12份，超细SiO2 0.2-0.4份，有机硅偶联剂0.3-0.5份，无碱短玻璃纤维20-25份，β成核剂0.8-1.1份，抗氧剂CA 0.2-0.4份，硫代二丙酸二月桂酯0.1-0.3份，紫外线吸收剂0.6-0.8份，最优为聚丙烯80份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 10份，超细SiO2 0.3份，有机硅偶联剂0.4份，无碱短玻璃纤维23份，β成核剂0.9份，抗氧剂CA 0.3份，硫代二丙酸二月桂酯0.2份，紫外线吸收剂0.7份；所述的紫外线吸收剂为UV-531，即2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮，所述的超细SiO2粒度大小为38nm-42nm；

2）将重量份数为7-11份聚丙烯、0.1-0.5份超细SiO2、0.5-1.3份β成核剂、0.1-0.5份抗氧剂CA、0.1-0.5份硫代二丙酸二月桂酯及0.5-1.0份紫外线吸收剂加于高速混合机中搅拌混合7-15分钟，混合均匀后加于双螺杆挤出机，进行分段式控温挤出、冷却、切粒，制得改性聚丙烯PP母料；所述的分段式控温分6段控温，温度分别为：区段一温度为165-167℃，区段二温度为 157-159℃，区段三温度为153-156℃，区段四温度为154-157℃，区段五合流区温度为147-151℃，区段六机头温度为 145-148℃；

3）将步骤2）得到的改性聚丙烯PP母料、5-15份乙烯-辛烯共聚弹性体POE、余量的聚丙烯、0.2-0.6份有机硅偶联剂及15-30份无碱璃纤维混合加入双螺杆挤出机，进行分段式控温挤出、冷却、经切粒机切粒，得到专用增强PP改性粒料；所述的分段式控温为分5段控温，温度分别为：加热段#1段174-178℃，加热段#2段173-176℃，加热段#3段175-179℃，加热段#4段174-179℃，加料段#5段165-169℃；

4）将步骤3）得到的专用增强PP改性粒料在烘箱中干燥至湿度小于0.04%，再依次经熔融注塑、冷却定型，脱模、检验，得到冷却风扇扇叶片。

实施例1：

本发明的汽车发动机冷却风扇叶片由原材料按重量份数比投料，经过上述制备工艺微利得到，所述的组份及重量份数如下：

聚丙烯70份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 5份， 超细SiO2 0.1份，有机硅偶联剂0.2份，无碱短玻璃纤维15份，β成核剂0.5份，抗氧剂CA 0.1份，硫代二丙酸二月桂酯0.1份，紫外线吸收剂0.5份。

实施例2：

本发明的汽车发动机冷却风扇叶片由原材料按重量份数比投料，经过上述制备工艺微利得到，所述的组份及重量份数如下：

聚丙烯90份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE15份， 超细SiO2 0.5份，有机硅偶联剂0.6份，无碱短玻璃纤维30份，β成核剂1.3份，抗氧剂CA 0.5份，硫代二丙酸二月桂酯0.5份，紫外线吸收剂1.0份。

实施例3：

本发明的汽车发动机冷却风扇叶片由原材料按重量份数比投料，经过上述制备工艺微利得到，所述的组份及重量份数如下：

聚丙烯75份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE8份， 超细SiO2 0.2份，有机硅偶联剂0.3份，无碱短玻璃纤维20份，β成核剂0.8份，抗氧剂CA 0.2份，硫代二丙酸二月桂酯0.1份，紫外线吸收剂0.6份。

实施例4：

本发明的汽车发动机冷却风扇叶片由原材料按重量份数比投料，经过上述制备工艺微利得到，所述的组份及重量份数如下：

聚丙烯85份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 12份，超细SiO2 0.4份，有机硅偶联剂0.5份，无碱短玻璃纤维25份，β成核剂1.1份，抗氧剂CA 0.4份，硫代二丙酸二月桂酯0.3份，紫外线吸收剂0.8份。

实施例4：

本发明的汽车发动机冷却风扇叶片由原材料按重量份数比投料，经过上述制备工艺微利得到，所述的组份及重量份数如下：

聚丙烯80份，乙烯-辛烯共聚弹性体POE 10份，超细SiO2 0.3份，有机硅偶联剂0.4份，无碱短玻璃纤维23份，β成核剂0.9份，抗氧剂CA 0.3份，硫代二丙酸二月桂酯0.2份，紫外线吸收剂0.7份。

上述实施例1-5中，所述的紫外线吸收剂为UV-531，即2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮。

使用本项目新材料制备的汽车发动机冷却风扇叶片具有优势如下：

1)通过在聚丙烯中加入一定量的乙烯-辛烯共聚弹性体(POE)、超细SiO₂进行复合增韧、用β成核剂对聚丙烯改变结晶形态，由于POE具有较小的内聚能,较高的剪切敏感性,加工时与聚烯烃的相容性好,其表观切变粘度对温度的依赖性与PP接近,用它增韧PP容易得到更小的分散相粒径和更窄的粒径分布，因而对PP的增韧效果明显。采取结晶控制和复合增韧技术改进了风扇机械强度、韧性，克服了风扇的叶片容易断裂问题，提高了风扇的使用寿命；

2) 通过有机硅偶联剂将无碱短玻纤改性为增强材料，并添加抗氧剂和紫外线吸收剂等助剂联合使用，增加该冷却风扇的抗氧化、抗老化性；

3）通过母料法二段共混挤出工艺制备专用改性聚丙烯基复合材料,通过制备功能母粒，保证了功能助剂和超细SiO₂粒子在PP中的均匀分散，显著提高了使用效率。提高挤出温度,PP树脂的流动性增强,将会增大玻纤平均长度;提高螺杆转速,熔体在料筒中受到的剪切力增大,玻璃纤维与料筒和螺杆的摩擦力增加,导致大量纤维被螺杆剪断,纤维的平均长度变小。在注塑制品时,注射速率对最终制品的性能影响较大。PP熔体在高速流动时,分子链会沿流动方向取向。当分子链的取向状态不能恢复时,制品就会产生较大的内应力;除了PP的分子链取向,玻璃纤维也会取向。当玻璃纤维发生取向时,材料的横向拉伸强度降低;随着注射速率的增加,玻璃纤维的取向程度增加,制品的横向拉伸强度下降,纵向拉伸强度增加。通过工艺方法和工艺条件优化，达到风扇性能和生产效率的最佳化。     

本发明的风扇叶片性能参数如下：拉伸强度≥32MPa，弯曲强度≥30MPa，屈服强度≥22MPa，悬臂梁冲击强度≥420J/ m-1，热变形温度为125 (146 MPa)/ ℃以上，抗老化性(150℃) ≥700h，球压痕硬度≥85MPa，简支梁无缺口冲击强度≥33KJ/ m-1。