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發(fā)布時(shí)間:2024-12-27 00:53:29
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摘要:長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料(PP-LGF)作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料,在滿足汽車零部件性能的同時(shí),對零部件減重具有明顯貢獻(xiàn),目前在汽車零部件應(yīng)用上備受青睞。文章主要介紹了PP-LGF在汽車儀表板輕量化方面的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀,詳細(xì)介紹了薄壁注塑、物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡三種成型工藝實(shí)現(xiàn)儀表板輕量化的技術(shù)概況,并展望了PP-LGF在儀表板上的應(yīng)用前景。聚丙烯微孔發(fā)泡近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,汽車工業(yè)也得到了快速發(fā)展。然而,由此引發(fā)的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,通過汽車輕量化來降低油耗從而降低環(huán)境污染,已經(jīng)成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn),其中,使用質(zhì)量更輕的非金屬材料替代傳統(tǒng)金屬材料的研究在近年來也取得了較大進(jìn)展。運(yùn)用復(fù)合材料來部分取代車身結(jié)構(gòu)件及內(nèi)、外飾裝飾件是汽車輕量化的一種行之有效的方法。在眾多的復(fù)合材料中,長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料(PP-LGF)以其低廉的價(jià)格、優(yōu)良的力學(xué)性能和環(huán)境友好性而獲得更多的青睞。與短玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料(PP-SGF)相比,PPLGF在強(qiáng)度、剛度、翹曲度、耐疲勞、缺口沖擊強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等方面更具優(yōu)勢,因此,使用PP-LGF生產(chǎn)的汽車零部件可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重量及成本的降低。1 長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料性能特點(diǎn)長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的制備工藝主要分為5種,即熔融浸漬、溶液浸漬、粉末浸漬、纖維混編工藝以及薄膜疊層工藝,而在汽車零部件領(lǐng)域主要應(yīng)用的為熔融浸漬法。熔融浸漬法生產(chǎn)的PP-LGF粒子的長度一般為8mm~15mm,其中玻纖的含量可達(dá)20%~60%,粒子中玻纖的保留長度可達(dá)1mm~3mm,如圖1所示,相較于玻纖保留長度僅為0.2mm~0.4mm的PP-SGF材料,PPLGF因其內(nèi)部纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可保證產(chǎn)品具有更優(yōu)的力學(xué)性能、抗沖擊性能、耐蠕變性能等特點(diǎn),更加適合應(yīng)用于汽車領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)性能要求較高的零部件。此外,隨著纖維含量的增加,PP-LGF的性能也隨之提高。長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料在儀表板上的應(yīng)用儀表板是汽車內(nèi)飾中的重要部件,為提升汽車內(nèi)飾的感知質(zhì)量,中、高檔車型普遍會采用軟質(zhì)儀表板,即在儀表板骨架表面增加軟質(zhì)表皮層。儀表板骨架作為儀表板系統(tǒng)的主體部件,同時(shí)也是電器件和其他功能件的承載結(jié)構(gòu),因此要求其具有高強(qiáng)度及高剛性,目前在儀表板骨架上使用為廣泛的為PP材料,采用相同密度的PP-LGF材料替代傳統(tǒng)PP材料,在滿足相關(guān)性能的同時(shí),可提升儀表板吸能性能,同時(shí)可將現(xiàn)有儀表板骨架的設(shè)計(jì)厚度由3mm~3.5mm降低到1.8mm~2.5mm,從而降低儀表板骨架重量,推動汽車內(nèi)飾輕量化。以下將從PP-LGF應(yīng)用于儀表板上的薄壁注塑、物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡三種成型工藝方面,介紹PP-LGF在儀表板輕量化方面的應(yīng)用。 2.1 薄壁注塑薄壁注塑工藝是直接將產(chǎn)品壁厚減薄,在模具中進(jìn)行加工的一種成型方法,與傳統(tǒng)PP材料注塑的3mm~3.5mm壁厚的儀表板骨架相比,PP-LGF材料運(yùn)用薄壁注塑工藝制造的儀表板骨架產(chǎn)品壁厚一般為2.5mm左右,整體減重可達(dá)約25%。該工藝的投入成本較低,重量優(yōu)勢明顯。目前,該工藝在國內(nèi)和國外合資品牌中,如吉利、大眾、上汽、福特等均有應(yīng)用,一般選擇PPLGF20材料,設(shè)計(jì)的產(chǎn)品壁厚一般為2.2mm~2.5mm。然而,薄壁注塑工藝也存在兩點(diǎn)問題,首先是該工藝的模具成本較高,使用薄壁注塑,成型模具需要采用熱流道設(shè)計(jì),熱流道模具的成本要比普通注塑工藝的模具成本高。其次,注塑工藝管控和注塑精度要求高,因?yàn)镻P-LGF中長玻纖分布的各向異性,采用PP-LGF材料的薄壁注塑產(chǎn)品翹曲變形較為嚴(yán)重,尺寸穩(wěn)定性較差。2.2 物理發(fā)泡物理發(fā)泡工藝又稱為MuCell 工藝,它是以熱塑性材料為基體,通過將超臨界流體(二氧化碳或氮?dú)猓?溶解到熱熔膠中形成單相溶體,并保持在高壓力下,然后,通過開關(guān)式射嘴射進(jìn)溫度和壓力較低的模具型腔,由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性從而在產(chǎn)品內(nèi)部形成從十到幾十微米不等的封閉氣泡微孔[4-5],該項(xiàng)技術(shù)早期由麻省理工學(xué)院發(fā)明,1995年由美國Trexel公司將技術(shù)實(shí)現(xiàn)全球商品化。MuCell 工藝優(yōu)勢為成型周期短、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好、翹曲低、產(chǎn)品輕量化和工藝適用性廣。MuCell工藝使用超臨界流體,可有效降低PP-LGF材料黏度, 提高熔體流動性。泡孔成長壓力代替?zhèn)鹘y(tǒng)注塑中的保壓階段,縮短成型周期,同時(shí),可使壓力分布均勻,有效降低PPLGF產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力,降低因長玻纖各項(xiàng)異性導(dǎo)致的產(chǎn)品翹曲,增加產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。另外,泡孔填充可有效避免產(chǎn)品表面縮痕,微孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)充,降低材料密度,產(chǎn)品重量減輕,較同材質(zhì)實(shí)體,重量可降低5%~10%。目前,福特新蒙迪歐在儀表板骨架上應(yīng)用了該工藝,骨架產(chǎn)品設(shè)計(jì)壁厚2.4mm,相較于實(shí)心材料重量降低了10%,此外,長城和大眾也有應(yīng)用于此項(xiàng)技術(shù)。MuCell 工藝的缺點(diǎn)是一次性投入高,工藝難度大,同時(shí)相關(guān)研究表明,使用該工藝對儀表板減重比控制在3%~8%時(shí),產(chǎn)品性能會下降10%左右,基本滿足性能要求,減重超過8%,機(jī)械性能和耐熱老化性能急劇下降,不能滿足要求。若使用MuCell 工藝推薦減重比為3%~5%。2.3 化學(xué)發(fā)泡化學(xué)發(fā)泡工藝包括模內(nèi)發(fā)泡工藝和二次開模發(fā)泡工藝(core-back),二者均是在注塑過程中,利用塑料粒子中加入的碳酸氫鈉和碳酸銨類的無機(jī)發(fā)泡劑,受熱分解產(chǎn)生的二氧化碳等氣體,使產(chǎn)品形成微孔發(fā)泡結(jié)構(gòu),以降低材料密度,減輕產(chǎn)品重量。其中,core-back工藝因使用了二次開模,相較于模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡,發(fā)泡的倍率更高,產(chǎn)品中形成的泡孔數(shù)量更多,產(chǎn)品的減重比更大。一般來說,模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡的減重比相比于實(shí)心材料在5%~8%左右,而core-back工藝可高達(dá)30%~50%,具體根據(jù)退模行程決定。同物理發(fā)泡工藝一樣,化學(xué)發(fā)泡工藝可在PP-LGF材料應(yīng)用減重的同時(shí),減少產(chǎn)品翹曲變形,提升產(chǎn)品穩(wěn)定性,而且二次開模發(fā)泡工藝能夠適用于做外觀件。目前,寶馬5系已在儀表板骨架上應(yīng)用了PP-LGF的core-back工藝,產(chǎn)品壁厚由初始1.8mm左右發(fā)泡到3.8mm,重量降低了約40%,此外大眾的部分車型也已使用模內(nèi)化學(xué)發(fā)泡工藝。core-back工藝的缺點(diǎn)是發(fā)泡劑較貴,開模的周期較長,模具成本也比模內(nèi)發(fā)泡模具高,而且該工藝的技術(shù)難度較高,后期調(diào)試周期較長,產(chǎn)品的綜合成本較高。模內(nèi)發(fā)泡工藝的缺點(diǎn)是發(fā)泡劑較貴,產(chǎn)品的減重效果不是特別明顯,減重效果低于薄壁注塑工藝,物理發(fā)泡工藝和core-back工藝。

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核心技術(shù)優(yōu)勢:1、技術(shù)創(chuàng)新:·成套設(shè)備:自主研發(fā)的超臨界CO2微孔發(fā)泡成套裝備,將化學(xué)工程的技術(shù)手段應(yīng)用于聚合物加工。·適用性好:工藝適用于多種聚合物材料的微孔發(fā)泡(PP、PA、TPU、TPAE、PVDF…)。·控制確:通過宏觀工藝參數(shù)(溫度、壓力)的確控制,實(shí)現(xiàn)了對泡孔結(jié)構(gòu)的確控制。2、性能優(yōu)勢:·多類別:從彈性體到工程塑料的多種聚合物輕量化材料產(chǎn)品 。·高性能:充分發(fā)揮多孔結(jié)構(gòu)作用能并配合材料的功能化改性,實(shí)現(xiàn)材料的高性能化 。·輕量化:低密度(min) 30kg/m3 。重環(huán)保:純物理發(fā)泡,制程清潔環(huán)保,產(chǎn)品安全無毒。聚丙烯微孔發(fā)泡已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品種類:1、M-PP:聚丙烯微孔發(fā)泡板材2、M-PVDF:聚偏氟乙烯微孔發(fā)泡板材3、M-PA12:尼龍12微孔發(fā)泡板材4、M-TPU:熱塑性聚氨酯彈性體微孔發(fā)泡板材5、M-TPEE:熱塑性聚酯彈性體微孔發(fā)泡板材6、M-PEBA:熱塑性聚酰胺彈性體微孔發(fā)泡板材

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與傳統(tǒng)注塑制品相比,微孔發(fā)泡注塑制品具有質(zhì)量更輕、翹曲和內(nèi)部殘余應(yīng)力更少、尺寸穩(wěn)定性好、成型周期短等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前,欠注發(fā)泡成型是微孔注塑技術(shù)中應(yīng)用為廣泛的工藝之一,具有操作簡單、效率高、能夠生產(chǎn)復(fù)雜制件,且能耗少,符合節(jié)約材料,降低成本這一發(fā)展理念,滿足發(fā)泡產(chǎn)品市場化的需求。然而,欠注發(fā)泡成型工藝也存在發(fā)泡制品內(nèi)部泡孔易發(fā)生大量變形,泡孔尺寸分布不均勻,所得制品表面存在大量的氣痕、銀紋等缺陷,制約了其力學(xué)性能的提高和外觀視覺,阻礙了欠注發(fā)泡制品的進(jìn)一步應(yīng)用。國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心的何力團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的氣體反壓裝置,利用化學(xué)欠注發(fā)泡工藝研究氣體反壓(GCP)對微孔注塑過程中發(fā)泡行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),采用氣體反壓可以減少發(fā)泡注塑制品的泡孔變形以及不均勻等缺點(diǎn),改善了泡孔的形態(tài)。實(shí)驗(yàn)方法聚丙烯微孔發(fā)泡將PP、發(fā)泡劑(AC)、發(fā)泡助劑[Zn(St)2/ZnO]按照98.5∶1∶0.5的比例混合均勻后加入料筒中進(jìn)行塑化。然后打開氣體反壓裝置,在型腔中分別注入固定的GCP為0,0.2,0.4,0.6,0.8 MPa的氣體,隨后按照表1的工藝參數(shù)注射熔融樹脂進(jìn)行發(fā)泡,冷卻后,取出PP發(fā)泡樣品。GCP對充模過程中熔體壓力的影響熔體注射完后,熔體壓力瞬間達(dá)到值。隨著GCP從0增加至0.8 MPa,熔體內(nèi)部壓力從1.55 MPa增大到2.16 MPa,注射完成后,隨著氣體的排出,熔體壓力瞬間下降,隨著冷卻收縮,熔體壓力逐漸趨于0 MPa。由此可知,GCP可以明顯地提高熔體充模過程中的熔體壓力,改善欠注發(fā)泡過程中的熔體壓力環(huán)境。 GCP對泡孔質(zhì)量的影響在沒有施加氣體反壓時(shí),由于熔體流動速率遠(yuǎn)大于泡孔的膨脹速率,泡孔發(fā)生流動剪切變形,導(dǎo)致末端位置的泡孔在皮層區(qū)域受到剪切作用時(shí)間和作用力較大,在流動方向上出現(xiàn)很大的變形,泡孔發(fā)生撕裂合并現(xiàn)象,泡孔形貌極不規(guī)則,而中間區(qū)域的泡孔形態(tài)受到剪切力較小,呈現(xiàn)規(guī)整圓形形態(tài)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著GCP的增大,皮層附近撕裂變形的泡孔區(qū)域變小,熔體內(nèi)部芯層泡孔從橢圓形向規(guī)整圓形形態(tài)轉(zhuǎn)變,規(guī)則泡孔區(qū)域所占比例增大,泡孔之間呈現(xiàn)獨(dú)立分布。當(dāng)GCP達(dá)到0.8 MPa時(shí),皮層附近泡孔呈現(xiàn)出相對較好的圓形形態(tài),此時(shí)整體泡孔的變形較小。這是因?yàn)镚CP可以有效地降低泡孔在充模過程中受到的流動剪切作用,GCP值越大,泡孔在遷移過程中受到熔體壓力越大,泡孔受到熔體的約束力大,泡孔不易發(fā)生變形。GCP對泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響GCP對泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響如下圖所示。可知,在常壓下泡孔的非變形層(也就是規(guī)則泡孔區(qū))厚度僅占整個(gè)樣品厚度的10.9%;隨著GCP的增大,泡孔的非變形層所占比例逐漸升高,GCP為0.8 MPa時(shí),升高至26.7%。而泡孔變形層區(qū)域厚度所占比例隨著GCP的增大而大幅度下降,從63.7%下降到45.4%,這說明GCP可以減小泡孔變形層,增大規(guī)則泡孔區(qū)域范圍。對變形層的泡孔變形度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如下圖所示,泡孔的平均長度隨著GCP的增加,整體呈現(xiàn)減小的趨勢,泡孔的平均寬度隨著GCP的增加而逐漸增大,泡孔的變形度隨GCP的增大而減小,由常壓下0.530的泡孔變形度降低到GCP為0.8 MPa下的0.304泡孔變形度,即GCP可以減小泡孔長度與寬度的差距,使變形區(qū)的泡孔變形程度減小。對不同GCP下泡孔非變形層的泡孔直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖c,隨著GCP的增加,當(dāng)GCP為0.2 MPa時(shí)泡孔直徑略有減小,但隨著GCP的進(jìn)一步增大,泡孔直徑從36.09 μm增大到41.93 μm。這是因?yàn)镚CP的增大使得熔體的壓力也隨之增大,使得泡孔的成核臨界能壘升高,泡孔的成核速率下降,泡孔在充模過程中受到流動場的影響減弱,更多的氣體在卸壓階段促進(jìn)泡孔的生長,因此熔體壓力越大,泡孔直徑越大。GCP提高了充模時(shí)的熔體壓力,有效地降低了泡孔的變形,且隨著GCP的升高,泡孔直徑增大,泡孔密度下降,發(fā)泡材料的質(zhì)量減少整體趨于不變。結(jié)論隨著GCP從0增加至0.8 MPa,熔體內(nèi)部的壓力從1.55 MPa增大到2.16 MPa,使充模過程中受流動影響的泡孔數(shù)減小,減小了泡孔受到的流動剪切力。隨著GCP的增大,泡孔變形層區(qū)域厚度所占比例從63.7%下降到45.4%,變形層的泡孔的變形度從0.530下降到0.304,泡孔的平均長度增大。GCP的增加有效地改善了泡孔形貌,減小了泡孔變形層的CP增加了熔體流動時(shí)的阻力,提高了注塑充模階段的熔體壓力,使得臨界成核點(diǎn)后移,泡孔的成核長大在充模后進(jìn)行,進(jìn)而改善了制品泡孔的形貌。

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隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展,制造汽車的各種原材料也迅速發(fā)展和更新?lián)Q代,越來越多的汽車零部件開始采用改性塑料替代金屬制件。塑料在汽車上的應(yīng)用已有近50年的歷史,目前汽車用改性塑料的使用量已成為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志,塑料飾件的大量應(yīng)用,促進(jìn)了汽車的減重節(jié)能,提高了汽車的美觀舒適度。P以密度小、性價(jià)比高、具有優(yōu)異的耐熱性能、耐化學(xué)藥品腐蝕性、剛性、易于成型加工和回收利用等特性在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。近來更是有把汽車內(nèi)飾和外裝材料統(tǒng)一到PP系列材料的趨勢。由于高性能基礎(chǔ)樹脂的開發(fā)生產(chǎn)周期長、投資巨大、技術(shù)要求高,且需要高精尖的集成先進(jìn)綜合技術(shù),所以對現(xiàn)有PP樹脂需要進(jìn)行更廣泛、更有效、更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用的改性。聚丙烯微孔發(fā)泡微發(fā)泡(Microcellular Foaming)是指以熱塑性材料為基體,制品中間層密布尺寸從十到幾十微米的封閉微孔。微發(fā)泡注塑成型技術(shù)突破了傳統(tǒng)注塑的諸多局限,在基本保證制品性能的基礎(chǔ)上,可以明顯減輕重量和成型的周期,大大降低機(jī)臺的鎖模力,并具有內(nèi)應(yīng)力和翹曲小、平直度高,沒有縮水,尺寸穩(wěn)定,成型視窗大等特點(diǎn),特別是在生產(chǎn)高精密和材料較貴的制品上與常規(guī)注塑相比較獨(dú)具優(yōu)勢,成為近年來注塑技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。聚丙烯微發(fā)泡材料能夠滿足大型微發(fā)泡汽車注塑件。隨著汽車輕量化的發(fā)展,選用PP發(fā)泡材料已成為汽車減重的重要途徑,目前其在汽車內(nèi)飾上的應(yīng)用也越來越多,其中PP發(fā)泡材料在各種汽車上的使用占比為轎車占45%,卡車、工程機(jī)械車占20% ,客車、商務(wù)車占35% 。汽車用PP發(fā)泡材料主要為化學(xué)微發(fā)泡材料。普通微發(fā)泡PP制品的表觀質(zhì)量很不理想,僅適合于需要表面覆皮的高端車,不僅增加了制造成本,也限制了PP發(fā)泡材料的推廣和應(yīng)用;而化學(xué)微孔發(fā)泡是以熱塑性材料為基體,化學(xué)發(fā)泡劑為氣源,通過自鎖工藝使得氣體形成超臨界狀態(tài),注入模腔后氣體在擴(kuò)散內(nèi)壓的作用下,使制品中間分布著直徑從十幾到幾十微米的封閉微孔泡,且其理想的泡孔直徑應(yīng) <50μm ,但目前國內(nèi)行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的微發(fā)泡PP的微泡孔直徑約為80~350μm 。對于微孔發(fā)泡主要有注塑微發(fā)泡、吹塑微發(fā)泡和擠出微發(fā)泡等,注塑微發(fā)泡適用于各種汽車內(nèi)外飾件,如車身門板、尾門、風(fēng)道等;擠出微發(fā)泡適用于密封條、頂棚等;吹塑微發(fā)泡適用于汽車風(fēng)管等。利用微發(fā)泡技術(shù)可使PP制品的質(zhì)量減少約10%~20% ,較傳統(tǒng)材料在部件上可實(shí)現(xiàn)高50%的減重,注射壓力降低約30%~50% ,鎖模力降低約20% ,循環(huán)周期減少10%~15%,同時(shí)還能提高汽車的節(jié)能性,較傳統(tǒng)材料可實(shí)現(xiàn)高30%的節(jié)能,并且能改善制品的翹曲變形性,使產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)更靈活。輻射交聯(lián)PP高發(fā)泡片材具有良好的力學(xué)性能,作為汽車車頂,可降低汽車的質(zhì)量,同時(shí)其還可用于汽車的內(nèi)飾件,有利于汽車的輕量化。

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微發(fā)泡注塑,聚丙烯/橡膠/滑石粉復(fù)合材料,增強(qiáng)增韌聚丙烯微孔發(fā)泡聚丙烯作為一種經(jīng)濟(jì)高效的熱塑性聚合物,具有材料成本低、抗腐蝕性好、比強(qiáng)度高和易于成型加工等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于包裝工程、紡織、電子產(chǎn)品以及汽車工業(yè)。以汽車工業(yè)為例,聚丙烯的年均用量高達(dá)255.6百萬噸,研究表明汽車每減重10%就可以將燃料的利用率提高至少6%。因此,近年來為了節(jié)省材料和能源、減少環(huán)境污染進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的健康可持續(xù)發(fā)展,塑料制品的輕量化問題引起了廣大學(xué)者的研究興趣,而其中發(fā)泡注塑成型工藝被視為是一種非常有前途的輕量化實(shí)現(xiàn)方式。然而,由于聚丙烯的熔體強(qiáng)度低,導(dǎo)致其發(fā)泡能力非常差,常規(guī)微發(fā)泡注塑聚丙烯產(chǎn)品存在泡孔尺寸大且分布極其不均勻,嚴(yán)重降低了其力學(xué)性能,尤其是沖擊力學(xué)性能。針對上述問題,山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王桂龍和合作者提出了一種利用橡膠和滑石粉的耦合作用改性聚丙烯的新途徑,顯著提高了聚丙烯熔體強(qiáng)度和促進(jìn)了結(jié)晶,進(jìn)而改善了聚丙烯的發(fā)泡能力,終通過微發(fā)泡注塑制備了具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的微孔聚丙烯制品。