（材料加工工程专业论文）汽车方向盘专用聚丙烯舒适性预测研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 由于聚丙烯( p p ) 具有价格低，原材料丰富，力学均衡性好，耐化学腐蚀等特点，近 年来异军突起，成为最热门的汽车零部件材料之一。用p p 制作的汽车零部件品种较多， 汽车方向盘就是主要的零部件之一。 本文通过共混制备了改性聚丙烯材料，对其物理性能进行了测试，并按照材料制备 的配方将各材料制成方向盘模型，之后选用s d 法对1 4 个方向盘模型进行主观评定，得 出主观舒适性评分。再利用人工神经网络技术，对用改性p p 材料制得的方向盘模型的整 体舒适性进行预测。论文建立了以硬度，导热系数，弹性模量，最大载荷，抗压强度， 抗拉强度、断裂伸长率7 项物理参数为输入参数，以整体舒适性评分为输出参数的人工 神经网络模型。并利用m a t l a b 语言编程建立b p 人工神经网络，对网络进行训练，然后 对改性p p 材料制得的方向盘模型的整体舒适性进行预测。试验结果表明，对于检测样本， 舒适性整体评分的平均相对误差为1 3 1 ，最大相对误差为3 3 3 ，模型的预测结果比较 理想，这说明用b p 神经网络可以进行汽车方向盘舒适性预测。为了确定影响舒适性的丰 要因素，将输入节点依次轮流减少一项，即建立6 项物理参数为输入参数的b p 神经网络， 输出结果相对误差较小的便是舒适性影响较小的因素，可以去除，最后建立了以硬度， 弹性模量，最大载荷，抗压强度，抗拉强度5 项物理参数为输入参数，以整体舒适性评 分为输出参数的人工神经网络模型，并证明其在实际中切实可行。 最后以用户使用方便为目标，利用v b 调用m a t l a b 接口进行二次开发建立舒适性预 测系统。系统根据实际需要，将硬度、弹性模量、最大载荷、抗压强度、抗拉强度作为 舒适性预测模型的输入节点建立舒适性模型进行预测，即可得出预测值，界面功能直观， 使用方便。 关键词：聚丙烯，共混，改性，舒适性，预测，人工神经网络 a b s t r a c t 舢t h ep o l y p r o p y l e n e ( p p ) w i t hl o w p r i c e s ，a b u n d a n tr a wm a t e r i a l s ，m e c h a n i c a lb a l a n c e c o r r o s i o n r e s i s t a n tc h e m i c a l ，i th a sb e c o m et h em o s t p o p u l a rm a t e r i a lf o ra u t op a r t si nr c c e n t y e a r s p ph a sb e e nu s e dt ob ep r o d u c e dv a r i e t i e so fa u t op a r t s ，c a rs t e e r i n gw h e e l i so n eo ft h e m a j o rp a r t s i nt h i sp a p e r , m o d i f i e dp o l y p r o p y l e n ew a s g e tb yb l e n d i n g ，a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r c t e s t t h em o d e l so ft h es t e e r i n gw h e e lw e r em a d ea c c o r d i n gt om a t e r i a l sp r e p a r e d ，t h e nt h e y w e r ee v a l u a t e db ys e m a n t i cd i f f e r e n t i a l ，a n dw e r eg i v e nc o m f o r ts u b j e c t i v e s c o r c ，】哺e nb v u s i n gb pn e u r a ln e t w o r kt h ec o m f o r to f p o l y p r o p y l e n es t e e r i n gw h e e lw e r ep r e d i c t e d a n i f i c i a l n e u r a ln e t w o r km o d e lw e r es e tu p ，w h i c hu s eh a r d n e s s ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , e l a s t i cm o d u l u s m a x 姗u ml o a d c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l e s t r e n g t h ，e l o n g a t i o na tb r e a ka st h ei n p u t p a r a m e t e r sa n do v e r a l lc o m f o r ts c o r ea so u t p u tp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e rb pa r t i f i c i a ln e u r a l n e 咖r ki se s t a b l i s h e da n di tw a st r a i n e db ym a t i _ a bp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ，a n dt h e nt h e o v e r a l lc o m f o r to ft h em o d i f i e dp pm a t e r i a lu s e df o rt h es t e e r i n gw h e e lw a sp r e d i c t e d t e s t r e s u l t ss h o wt h a tf o rt h ec o m f o r to v e r a l ls c o r eo ft e s t i n gs a m p l e s ，t h ea v e r a g er e l a t i v e e r 】r o r i s l 31 ，t h eb i g g e s tr e l a t i v ee r r o ri s3 3 3 t h em o d e lf o rf o r e c a s ti ss a t i s f a c t o r y , i n d i c a t i n g b pn e u r a ln e t w o r kc a nb eu s e df o rc a rs t e e r i n gw h e e lc o m f o r t i no r d e r t od e t e r m i n et h em a i n f a c t o r sf o rc o m f o r t ，t h eb pn e u r a ln e t w o r k o f6p h y s i c a lp a r a m e t e r sa st h ei n p u tp a r a m e t e r si s e s t a b l i s h e d f i n a l l ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e lw a ss e tu p ，w h i c hu s eh a f d n e s s ，e j a s t i c m o d u l u s ，m a x i m u ml o a d ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t ho f5p h y s i c a lp a r a m e t e r sa st h e i n p u tp a r a m e t e r sa n do v e r a l lc o m f o r ts c o r ea so u t p u tp a r a m e t e r s ，a n di tw a s p r o v e dp o s s i b l ei n p r a c t i c a l f o rt h ef i n a lu s e r - f r i e n d l y , t h ep a p e rd e v e l o p e dc o m f o r tp r e d i c t i o ns y s t e mw i t hv b a n d m a t l a bi n t e r f a c e a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，t a k i n gh a r d n e s s ，e l a s t i c m o d u l u s ，m a x i m u ml o a d c o m p r e s s w es t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t ha si n p u tn o d e so fc o m f o r tp r e d i c t i o nm o d e l ，t h es y s t e m b u i l d sc o m f o r tm o d e lt op r e d i c tc o m f o r ta n do b t a i np r e d i c t i v ev a l u e t h ei n t e r f a c ef u n c t i o n s o f s y s t e ma r ei n t u i t i v ea n dt ob eu s e de a s i l y k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n e ，b l e n d i n g ，m o d i f i c a t i o n ，c o m f o r t ，f o r e c a s t i n g ，a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：采揿 日期：驯7 年午月弓e l 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保。 学位论文作者签名：粜妖 日期：加7 年彳月矽f t 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 日期：卅年争月多日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章序言 本章内容分为三个部分。第一部分介绍了聚丙烯的基本情况。聚丙烯近年在汽车上 的应用逐渐增加，而用于汽车当中的聚丙烯大都经过改性，其中最常用的方法就是共混 改性。第二部分阐述了目前感觉舒适性预测的研究背景，并介绍了一种舒适性预测的方 法神经网络，然后对相关的研究现状进行了总结。第三部分引出本课题，论述了课 题研究的意义，提出本文研究目标及内容。 1 1 改性聚丙烯在汽车上的应用 1 1 聚丙烯概述 聚丙烯( p p ) 具有密度小、力学均衡性好、耐化学腐蚀、易加工、热变形温度高、价 廉等突出特点。聚丙烯自1 9 5 7 年在意大利首次实现工业化以来，发展速度一直居于各种 塑料之首，1 9 7 8 年世界产量超过4 0 0 吨，仅次于聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯居第四位。 由于原料丰富，价格便宜，性能优良，用途广泛，目前发展速度仍然是热塑性塑料中最 快的。1 9 9 5 年聚丙烯的世界产量为1 9 1 0 万吨，超过了聚苯乙烯1 0 0 0 万吨位居第三。2 0 0 0 年聚丙烯的世界产量为2 8 2 0 万吨，超过了聚乙烯的2 6 0 0 万吨位居第二，2 0 0 3 年聚丙烯 世界产量突破4 0 0 0 万吨。 近年来聚丙烯在型材、片材、板材和薄膜市场的用途均不断扩大，另外纤维和丝的 加工技术改进加速了聚丙烯( p p ) 产品向地毯、外衣和泳装市场的渗透【。聚丙烯在汽车工 业【2 】、器械、家具方面的消费量也正快速增加。其具体应用主要有以下三种情况： ( 1 ) 注射成型制品：是聚丙烯最大的应用领域，制品有周转箱、容器、手提箱、汽车 部件( 汽车内饰件，如仪表盘、挡泥板、通风管、风扇、保险杠【3 】) 、家用电器部件、医 疗器械( 一次性针筒) 、器械( 洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机盖、冰箱 门衬垫等、日用消费品( 草坪和园艺设备如剪草机和喷水器等) 和家具。 ( 2 ) 挤出制品：制成聚丙烯纤维，也可制成聚丙烯薄膜，其中双向拉伸薄膜的强度和 透明度都大幅度提高，是重要的包装用高分子材料。 ( 3 ) 热成型制品：薄片经热成型加工制成薄壁制品，用作一次性使用的食品容器 饮水杯。 浙江理工大学硕士学位论文 p p 的主要缺点有低温脆性和收缩率大，着色性差、耐候性差，因而限制了其使用范 围。近年来，采用聚合改性、共混改性和两者兼而有之的技术以制取工程化聚丙烯新材 料的方法被广泛认同。其中共混改性这种方法投资少见效快，成为当前高分子材料科学 与工程中最活跃的领域之一。 1 1 2 聚丙烯的改性 聚丙烯( p p ) 的改性，根据其结构分化学改性和物理改性【4 】o 1 1 2 1 化学改性 化学改性是通过接枝、嵌段共聚，在聚丙烯( p p ) 大分子链中引入其他组分；或是通 过交联剂等进行交联；或是通过成核剂、发泡剂进行改性，由此赋予聚丙烯( p p ) 较高的 抗冲击性能，优良的耐热性和抗老化性。 ( 1 ) 共聚改性 采用乙烯，苯乙烯单体和丙烯单体进行交替共聚，或在聚丙烯( p p ) 主链上进行嵌段 共聚，或进行无规共聚，这样可提高聚丙烯( p p ) 的性能，如在聚丙烯( p p ) 主链上，嵌段 共聚2 - 3 的乙烯单体，可制得乙丙橡胶共聚物，属于一种热塑性弹性体，同时具有p e 和p p 两者的优点，可耐- 3 0 。c 的低温冲击。 ( 2 ) 交联改性 聚丙烯( p p ) 的交联早已在工业上应用，但由于聚丙烯( p p ) 结构的原因，交联网难。 交联是为了改善形态稳定性、耐蠕变性，提高强度和耐热性以及溶体强度，缩短成型周 期。聚丙烯( p p ) 交联的方法可采用有机过氧化物交联，氮化物交联、辐射交联、热交联。 聚丙烯( p p ) 经交联后，同时具有热可塑性、硬度高、良好的耐溶剂性、高弹性和优良的 耐低温性能。 ( 3 ) 接枝改性 聚丙烯( p p ) 树脂中加入接枝单体，在引发剂作用下，加热熔融混炼而进行接枝反应。 接枝反应机理大致为：首先是引发剂在加热时，分解生成活性游离基，与接枝单体接触时， 使之不稳定链打开，生成聚丙烯游离基，再进行链转移反应而终止。 在聚丙烯大分子上利用化学方法接枝马来酸酐，其目的是在非极性的大分子骨架上 加上极性基团，称为聚烯烃的官能化，方法很多，但丰要是熔融法和溶液性、固相接枝 2 浙江理工大学硕士学位论文 法等。 除此之外，还有添加一种或多种成核剂，使聚丙烯的晶型结构发生变化，从而开拓聚 丙烯( p p ) 的新用途。 1 1 2 2 物理改性 物理改性是在聚丙烯( p p ) 基体中加入其他的无机填料、有机填料，其他塑料品种， 橡胶品种，热塑性弹性体，或一些有特殊功能的添加助剂，经过混合，混炼而制得具有 优异性能的聚丙烯( p p ) 复合材料。物理改性大致分为：填充改性，增强改性，共混改性， 功能性改性等【4 1 。 ( 1 ) 填充、增强改性 聚丙烯( p p ) 的填充及增强改性发展得比较晚，大约在6 0 年代中期，石棉纤维增强聚 丙烯( p p ) 开始在欧洲市场上出现，6 0 年代末，碳酸钙、云母、木屑，尤其是玻璃纤维、 滑石粉等增强填充材料被普遍地利用起来。用于填充聚丙烯( p p ) 的无机填料有：碳酸钙、 云母粉、硅酸钙、二氧化硅、硅灰石、滑石粉、炭黑等；有机填料有木粉、稻壳粉、花 生壳粉等。 ( 2 ) 共混改性 聚合物共混是指两种或两种以上均聚物或共聚物的混合，聚合物共混物中各聚合物 组分之间主要是物理结合。最早的聚合物共混物是于1 8 4 6 年发明的天然橡胶与古塔波胶 共混物；第一个工业化生产的聚合物共混物是于1 9 4 2 年投产的聚氯乙烯( p v c ) 与丁腈共 聚物( s a n ) 的机械共混物( 即a b s ) 树脂，由于a b s 树脂克服了p s 性脆的弱点，并且耐腐蚀 性好易于加工成型，因此引起了人们对聚合物共混物极大的兴趣和关注，从此共混改性 聚合物开始快速发展起来。1 9 5 4 年美国马邦化学公司采用接枝共聚共混法制成丙烯腈一 丁二烯一苯乙烯( a b s ) 树脂；1 9 6 0 年研制成功聚苯醚( p p o ) 和聚苯乙烯( p s ) 的共混物；1 9 6 2 年，人们用a b s 与a 一甲基乙烯一芳腈共聚物共混制成高耐热a b s 树脂；1 9 6 5 年研制成功 s b s 树脂，1 9 6 9 年，a b s p v c 共混物实现了工业化牛产；1 9 7 5 年d u p o n t 公司在聚酰胺( p a ) 中加入少量的聚烯烃或橡胶而制成共混物韧性尼龙商品名为z y t e l s t ，其冲击强度比聚 酰胺有大幅度的提高；1 9 7 6 年研制成功聚对苯二甲酸乙二酯( p e t ) 和聚对苯二甲酸丁二酯 ( p b t ) 共混物；1 9 9 9 年研制成功聚碳酸酯( p c ) 与p b t 及p e t 的增韧共混物；1 9 8 1 年研制 成苯乙烯一马来酸酐共聚物( s m a ) 与a b s 的共混物；1 9 8 4 年发展了聚氨酯和p c 共混物；1 9 8 4 3 浙江理工大学硕士学位论文 年发展了a b s p a 共混物；1 9 8 6 年制成p c a b s 共混物。近年来，有关聚合物共混物的理 论研究和工业实践更加活跃，全世界每年公布的关于聚合物共混的专利就多达4 5 0 0 项【5 1 。 目前聚合物共混物的类型有多种，按所含聚合物组分数目分为二元及多元聚合物共 混物；按聚合物共混物中基体树脂名称分类有聚烯烃共混物、聚氯乙烯共混物、聚碳酸 酯共混物等；按性能特性分类有耐高温、耐低温、阻燃、耐老化等聚合物共混物；近年 来又出现了工程聚合物共混物和功能性聚合物共混物等。 高分子的共混改性技术又称之为a b c 技术，即合金( a d l o y ) 共混( b l e n d ) 和复合化 ( c o m p o s i t e ) 技术。该技术是将两种或两种以上的聚合物单体材料及助剂，通过机械掺混 而最终形成一种宏观上均相，微观上分相的新材料。显然这种共混物的性能主要取决于 共混组分的相容性及其相对含量，分散相的尺寸及其尺寸分布以及两相界面的相互作用 1 6 o “反应共混 是最为经济合理的方法，采用乙烯和丙烯进行嵌段、聚合直接牛成嵌 段聚合物( 如我国燕山石化1 9 8 8 年前牛产的j 3 3 0 p p 树脂) ，或者采用特殊催化剂由乙烯 和丙烯反应，可得到乙丙橡胶含量高达3 0 - 4 0 的多相抗冲击“反应共混料”( 如向阳化 工j 一牛产的1 3 3 0 ；扬予石化公司的j 3 4 0 牌号树脂) 。“反应共混料”实际上是由聚丙烯( p p ) 均聚物、无规共聚物以及乙丙橡胶相微粒组成的，其使用性能( 丰要是指常温下的刚性、 长期蠕变模量及低温韧性等) 有的还不完全令人满意，不宜用来注塑大型工程零配件。另 外，这种改性方法的研究周期长、需要大量投资，只适合于大规模工业化生产，目前我 国共聚聚丙烯( p p ) 的产量和品种远不能满足国民经济发展的需要。 机械共混法是使用熔融共混机械向聚丙烯( p p ) 中掺入增韧剂橡胶( e p r 、e p d m 、b r 、 i b r 等) 、热塑性弹性体( s b s 等) 或热塑性塑料( p s 、p a 、p e 等) 制成合金，利用增韧剂微 粒吸收部分冲击能使脆性断裂转化为延断裂，提高韧性。由于此种方法具有投资少、见 效快、性能设计自由大的特点，是聚丙烯( p p ) 增韧的重要手段，近年来得到迅速发展， 据报导每年聚丙烯( p p ) 共混料占消费的1 8 以上【刀。 聚丙烯( p p ) 的共混改性是指用塑料、橡胶或热塑性弹性体与聚丙烯( p p ) 共混，添入 聚丙烯( p p ) 中，使聚丙烯( p p ) 中较大的球晶变小，以此改善聚丙烯( p p ) 的韧性和低温脆 性。通过共混改性可改善聚丙烯( p p ) 的耐低温冲击性、透明性、着色性、抗静电性并可 降低成本。 4 浙江理工大学硕士学位论文 在聚丙烯( p p ) 树脂中加入其它树脂、可通称为聚丙烯( p p ) 与塑料的共混改性。常用 的共混树脂有聚乙烯( p e ) 、乙烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) 、聚苯醚( p p o ) 。 p p p e 共混物的拉伸强度一般随p e 含量的增加而下降，但韧性有所改善。例如掺入 1 0 - 4 0 高密度聚乙烯( h d p e ) 的聚丙烯( p p ) 共混物，在- 2 0 时，落球冲击强度比聚丙烯 ( p p ) 提高1 1 倍以上，且加工流动性增加，因而适于大型容器的注射成型。 一些关于p p p e 共混的研究表明：p p p e 共混材料性能与高密度聚乙烯用量有密切关 联。在h d p e 掺入量少时，p p 与h d p e 共混时基本是分别结晶。随h d p e 掺入量的增多，p p 球晶的完整性下降，直至完全被插入的h d p e 所分割，破坏成碎片。这时增强了p p 和h d p e 两妒界面间的相互作用，减少了聚丙烯( p p ) 晶体尺寸，从而有助于提高p p h d p e 共混物 的韧性。 p p e v a 共混物是一种加工性、印刷性、耐应力开裂性和冲击性优于聚丙烯( p p ) 的新 型材料。 p p o 为非晶工程塑料，若将含马来酸酐改性的p p o 掺混入含氨基改性的聚丙烯( p p ) 中，可以改善聚丙烯( p p ) 的耐热性和尺寸稳定性。 改善聚丙烯( p p ) 的耐冲击性及低温脆性的最有效措施就是将橡胶或热塑性弹性体掺 入聚丙烯( p p ) 中去，利用橡胶或弹性体微粒来吸收部分冲击能，并作为应力集中剂来诱 发和抑制裂纹增长，使聚丙烯( p p ) 的脆性断裂转变为延性断裂。 聚丙烯( p p ) 与苯乙烯一丁二稀一苯乙烯嵌段共聚物( s b s ) 、顺丁胶( b r ) 、乙一丙一二烯 烃三元共聚物( e p d m ) 共混，均使共混体系的冲击强度、断裂伸长率及脆化温度有了大幅 度的提高。 e p d m 与p p 在结构上相似，溶解度参数相近，相容性好且对聚丙烯( p p ) 的透明性损 害也较少，又比较容易进行动态硫化，因而它的改性效果较s b s 及e p r 为好。 在聚丙烯( p p ) 中加入橡胶或热塑性弹性体进行改性，总以降低材料刚性、强度和使 用温度作为代价。对聚丙烯( p p ) 的增强与增韧似乎成了一对难以调和的矛盾，但近年开 展的p p 弹性体填料的三元共混体系的研究为p p 实现增强增韧改性开辟了新的天地。 据报道，朱晓光等人研究了p p 硅灰石e p d m 体系【剐，获得了缺口冲击韧性可达5 0 0 j m 以上的三元复合材料，实现了在增强的同时也进行了增韧，并提出了硅灰石和e p d m 对p p 有协同增韧作用的论点。认为是由于形成了以e p d m 为壳，硅灰石为核的包核结构，可得 5 浙江理工大学硕士学位论文 到具有壳一核结构的复合分散，有效的增加了橡胶的表观体积分数，其次，硅灰石的加入 对橡胶的粒径起到细化作用。 同样，也研究了p p e p d m 云母共混复合材料同时具备了云母填充p p 和e p d m 增韧p p 的优点。 在p p e p d m 体系中加入滑石粉，可提高其弯曲强度、硬度，降低热收缩率，改善尺 寸稳定性。该三元复合材料已进入汽车工业领域，用于汽车保险杠、仪表板及其它汽车 塑料件。它是利用容度积参数相近和反应共混的原理，在反应器或螺杆中将两种或两种 以上的聚合物材料及其助剂，通过机械掺混而最终形成一种宏观上均相，微观上分相的 新材料。显然这种共混物的性能主要取决于共混组分的相容性及其对含量，分散相的尺 寸及其尺寸分布以及两相界面的互相作用。反应挤出技术可使聚丙烯( p p ) 这种非极性聚 合物获得极性，这不仅大大拓宽了聚丙烯( p p ) 的应用范围，而且所制备的接枝物可用作 聚丙烯( p p ) 与极性高聚物共混的相容剂。 1 1 3 共混改性的主要作用 用其他塑料、橡胶或热塑性弹性体混入聚丙烯( p p ) 中较大的晶球内，以此改善聚丙 烯( p p ) 的韧性和低温脆性【9 1 。以聚丙烯( p p ) 为主体的高聚物共混改性的丰要作用有： ( 1 ) 改进耐低温冲击性。将聚丙烯( p p ) 和乙丙橡胶、聚丁二烯、丁基橡胶、聚异丁烯、 聚丁烯、乙烯一醋酸乙烯共聚体等共混。可以提高聚丙烯( p p ) 的冲击强度，尤其是提高聚 丙烯( p p ) 的低温冲击强度。 ( 2 ) 改进透明度。将聚丙烯( p p ) 和低密度聚乙烯与乙丙橡胶共混，可以改进聚丙烯( p p ) 的透明度。 ( 3 ) 改进着色性。将聚丙烯( p p ) 和聚酰胺、聚氨酯、聚丙烯酰胺、聚酯、聚偏二氯乙 烯、未固化环氧树脂等共混可以改进聚丙烯( p p ) 的着色性。 ( 4 ) 改进抗静电性。聚丙烯( p p ) 具有高度绝缘性，因此易带静电，加入抗静电剂的聚 丙烯( p p ) 塑料成型的效果并不明显。如在聚丙烯( p p ) 中混入聚乙烯醇。则具有良好的抗 静电作用。 ( 5 ) 降低成本。添加无机填充剂可以降低聚丙烯( p p ) 塑料的成本，但是常常使冲击强 度( 尤其是低温冲击强度) 以及成型流动性降低，为此可混入适量可以改进耐低温冲击性 6 浙江理工大学硕士学位论文 的高聚物【1 0 i 。 1 1 4 聚丙烯共混改性材料力学性能的研究 聚丙烯( p p ) 作为用量较大的通用塑料之一，以其相对的廉价及良好的加工性能而受 到青睐，但聚丙烯存在着冲击强度低及收缩率大而导致制品尺寸不稳定的特点，使其应 用受到限制，因此需进行共混改性，通常加入价格低廉的无机填料以增加其尺寸稳定性 和刚度或加入较为昂贵的弹性体材料以提高冲击性能，甚至制成聚合物合金的方式以求 获得良好的综合性能，形成了多种填充，增韧的聚丙烯共混改性方式。 1 1 4 1 填料种类对材料力学性能的影响 滑石粉、碳酸钙是两种常用的填料。滑石粉加入聚丙烯中，有一定的增强效果，但 用量超过2 5 时拉伸强度呈下降趋势，碳酸钙加入拉伸强度则无明显影响，材料的塑性指 标( 断裂、伸长率) 及韧性指标( 缺口冲击强度) 随填充量的增加而下降，但碳酸钙明显好 于滑石粉。这是由于呈片状的滑石粉与粒状的碳酸钙相比具有更大的比表面积，从而可 产生一定的增强效果，同时无机填料在树脂基体内形成缺陷，片状颗粒比粒状颗粒产生 更大的应力集中程度。因此滑石粉填充体系对材料断裂伸长率及缺口冲击强度的损失大 于碳酸钙填充体系。 1 1 4 2 不同弹性体对材料力学性能的影响 p o e 为乙烯与辛烯的无规共聚物；e p d m 为含二烯类第三单体的乙烯、丙烯无规共聚 物；e p r 为乙烯、丙烯两组分无规共聚物，它们与聚丙烯具有相同或相似组分，与聚丙烯 部分相容，可在共混改性中作为聚丙烯材料的增韧剂。随着这些弹性体的加入，材料的 断裂伸长率及缺口冲击强度大幅提高，但导致材料拉伸强度下降，其中p o e 的增韧效果 最佳，e p d m 的强度保持率最高。由于p o e 分子链的侧基密度较e p d m 和e p r 低，因此具有 更好的加工流动性和分散性，提高了增韧效果而e p d m 则具有更高的弹性模量，因此加入 增韧时产生更少的强度损失。s b s 是较好的树脂改性剂，可与p p 、p e 、p s 、a b s 等树 脂共混，以改善制品的抗冲击性能和屈挠性能，这类产品多用于电气元件、汽车方 向盘、保险杠、密封件等。不同弹性体的增韧作用见表1 1 【l j 。 7 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 5 改性聚丙烯汽车方向盘专用材料 1 _ 151 改性聚丙烯在汽车上的应用 汽车在现代社会中己成为丰要交通工具之一。是能源消耗大户，西方工业发达国家 大约5 0 的石油资源消耗在汽车上。据报导，汽车一般部件减重1 ，节油也近1 ，运动 部件减重1 ，可节燃油2 因而汽车的轻量化对节能和环境保护均有重要意义。 汽车的轻量化离不开塑料化，因而汽车用塑料的消费量逐年增加。八十年代中期美 国为每辆车1 0 9 k g ，约占车重的98 ，日本为每辆车7 43 k g ，约占车重的6 ，欧洲1 9 8 9 年为每辆车1 2 0 k g ，已迭车重的1 1 ，最新报导每辆车用量已达2 0 0 k g ，约占车重的1 5 。 图卜1 列出了日本汽车塑料应用情况。 邯08 j ，1 l 、 q 曩图 薄稻 1 图1 1 日本汽车塑料应用情况 f i g u r e l - 1a p p l i c a t i o no f p l a s t i c s i nj a p a n e s ea u t o 浙江理工大学硕士学位论文 在车用塑料中聚烯烃塑料及其改性材料仍占最大的份额，日本普通轿车已达6 1 ，高 档车也达4 1 ，聚丙烯( p p ) 改性材料在车用塑料中占第一位。1 9 9 0 年欧洲单车p p 用量为 2 2 5 k g ，1 9 9 5 年为3 8 k g ，1 9 9 8 年达4 5 k g 。现在汽车用聚丙烯( p p ) 部件大约为6 0 个，几 年后将增加至2 0 0 个，应用前景十分广阔。 中国汽车工业正步入迅速发展时期，为了适应汽车工业的发展，汽车相关工业的配 套工作从八十年代末期已进入计划日程，国家计委曾将汽车用聚烯烃塑料及其改性材料 列入了国家“八五”重大科技攻关项目。 聚丙烯( p p ) 是汽车用塑料的主要品种，目前国内外汽车用聚丙烯( p p ) 的使用量在稳 步增长。日本汽车用塑料以聚丙烯( p p ) 为主，2 0 世纪9 0 年代初，日本平均每辆汽车用聚 丙烯( p p ) 为2 k g ，到9 0 年代末已增加到3 7 k g 。聚丙烯( p p ) 在汽车用塑料中的比例由过 去的2 8 8 上升到3 7 ，占世界首位。聚丙烯( p p ) 也是美国汽车用塑料中消费量最大( 约 2 0 ) 的品种。美国目前每辆汽车用聚丙烯( p p ) 为2 4 k g ，并以1 5 的速度增长。欧洲汽车 用主要塑料的构成与日本相似，即聚丙烯( p p ) 占首位，其用量占汽车用塑料总量2 8 1 ， 并以1 0 的速度增长。2 0 0 5 年，全世界汽车用聚丙烯( p p ) 的消费量达到2 8 0 万吨。 汽车用聚丙烯( p p ) 一般都是改性品级。目前的改性途径丰要是通过加入增韧剂和填 充剂来提高聚丙烯( p p ) 的性能【1 2 1 3 1 。通过调整聚丙烯( p p ) 基体、增韧剂、填充剂三者的 配比可制造出一系列不同性能的材料，满足汽车不同部件的功能要求。改性聚丙烯( p p ) 可用于汽车方向盘、保险杠、仪表板、发动机冷却风扇等【1 4 】。 1 1 5 2 改性聚丙烯汽车方向盘专用材料的研制 汽车方向盘是汽车的重要的部件，它不仅是起到一个操作于柄的作用，而且要在汽 车行驶过程中发生安全问题时能起到吸收大部份冲击能量的作用，从而保障驾驶人员的 安全。美国汽车安全标准f m v s s 2 0 3 规定，汽车在以每2 4 i ( i i l h 速度行驶时，当用3 5 k g 的 胸部模型冲击方向盘时产牛的最大负荷应小于1 1 k n 。早期，汽车方向盘是用酚醛模塑料 生产的，现在大多数产品用热塑性高分子材料牛产。美国多用聚氨酯生产汽车方向盘， 而日本多用改性聚丙烯生产。我国原用进口塑料材料牛产方向盘，随着引进车型国产化 率的不断提高，国产改性聚丙烯在重型、中型、轻型 车、面包车、轿车、微型车等车 型得到广泛的应用。方向盘是安全部件之一，要求一定强度，而且可耐一4 0 9 0 反复 冷热的变化。现在使用聚丙烯( p p ) 材料制作方向盘的有意大利f i a t 公司汽车部分车型、 9 浙江理工大学硕士学位论文 东风商用汽车e q 3 0 1 0 、解放牌c a l 4 1 型载货汽车等。 根据汽车的使用环境，要求生产方向盘的材料应具有较高的冲击强度及刚性，耐油、 汗腐蚀，手感性要好。由于方向盘中有一个金属骨架，还要求材料有较好的与金属粘接 性和耐应力开裂性；流动性和成型加工性要好。表1 - 2 列出国内外一些厂家生产或研制 的可供制作汽车方向盘的p p 材料的技术指标。 表卜2 国内外汽车方向盘用p p 材料的技术指标 t a b l e1 - 2t e c h n i c a li n d e xo fa u t o m o b i l es t e e r i n gw h e e lw i t hp pm a t e r i a la th o m ea n da b r o a d 1 2 材料舒适性研究 由于目前经济的快速发展和人们生活水平的提高，消费者都对于产品已经不仅仅满 足于简单的功能，而是对产品提出更高的要求，产品一定要符合人们自身的特点，只有 这样产品才是真正意义上的“以人为本”、“为人服务”。 近几年在科技迅猛发展的同时，科技以人为本，设计以人为本的理念也越来越受到 大家的关注，因此现在各种商品在设计上都更加注重“人”的因素，比较常见的产品有 方向盘、鼠标、键盘、桌椅、手机等，但是现有这些产品在考虑“人”的因素时，较多 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 考虑的是产品的外观结构，对于材料的宜人性考虑的较少。要考虑材料的宜人性就是考 虑材料的感觉舒适性，材料的感觉舒适性是一种心理感受，它建立在生理基础之上，是 人的感觉器官对材料的综合印象，是人的感觉系统因生理刺激对材料做出的反应或由人 的知觉系统从材料表面得出的信息。感觉舒适性只能是相对的判断，它对人的作用是直 接的，且影响很大。如木材的温暖度、金属的冷凉感、合成皮革的柔软程度、沙发扶手 的舒适、安定程度、衣料对人体的轻爽、舒服程度等都属于材料的感觉特性。为了在设 计时便于选择合适感觉的材料，将感觉量化十分有必要。 近些年汽车工业迅速成长，而汽车方向盘的手感不仅关系到人的舒适感、心理愉悦 感，存某种意义上也多少会是影响交通安全的潜在因素之一。在1 9 世纪末期，汽车工业 正值萌芽期，那时的车子只是一种具备转向与动力的交通工具，根本谈不上什么操控性 与舒适性。但汽车制造工业的进步与人们牛活质量的提高，汽车的性能相对提高，消费 者除了对安全性与操控性的重视以外，汽车内部本身的舒适性慢慢成为了消费者购买时 关注的一个热点。在汽车业，“舒适”一词有许多含义。比如，当你第一次开着新车上 路时的感受，体会座椅与身体贴合的舒适度；在长途驾驶2 、3 个小时之后是否感到疲劳。 与汽车舒适性相关最密切的设计要属汽车内饰的设计了，如仪表盘、方向盘、座椅等。 1 2 1 舒适性研究的现状 舒适感的形成是一个复杂的过程，影响因素错综复杂。使用者对材料的舒适性的主 观感觉主要取决于复杂的心理和牛理过程，这种感觉主要是由各种各样的物理刺激所引 起的。这些物理刺激由一系列物理过程所决定，而这些物理过程与材料本身的物理性能 和结构特征有关。因此，通过研究物理刺激与心理感觉的关系，从而发展客观预测材料 舒适性能的方法是值得的并且符合逻辑的。 舒适性只能是相对的判断，它对人的作用是直接的，且影响很大。为了在设计时便 于选择合适感觉的材料，将感觉量化十分有必要，而这一过程实际上就要运用感性工学 的理论方法进行1 1 5 1 。感性工学是在2 0 世纪后期发展起来的，主要将其用于汽车设计，如 要设计“具有速度感的汽车”，就要针对汽车找出不同的结构构成，如车长、车高、引擎 盖斜度，而感性工学的任务就是要运用各种工学丁段辅助我们找到一种关系并将这种关 系加以量化，从这种关系中说明感觉在设计中是通过对这些要素如何处理达到的。日本 在这一方面的研究较早，而“感性工学”名称的确定，就是来自马自达株式会社山本建 浙江理工大学硕士学位论文 一社长的建议。在欧洲，英国诺丁汉大学的人类工效学研究室是欧洲较早研究感性工学 的机构，德国的波尔舍汽车公司和意大利的菲亚特汽车公司都热衷于感性工学的应用研 究；在美国，著名的福特汽车公司也运用感性工学技术研制出新型的家用轿车；在亚洲， 日本的邻国韩国，一直在关注感性工学的发展，韩国政府决定在二十一世纪在产业界全 面导入“感性工学技术 ，现代汽车和三星电子已有了相当深入的感性工学的研究。 将材料的舒适性的研究在2 0 世纪后期逐渐得到人们的重视，但是主要集中在服装面 料的人体舒适性研刭1 6 1 。而将材料的舒适性量化的研究起步就更晚了，对于基于感性工 学聚合物的研究国外也已经开始了，但还处于初期，如韩国的k y u n g m e ec h o i a 已经开始 研究聚合物表面粗糙程度与人的感觉之间的联系【r 7 1 。 在国内，人们也逐步认识到舒适性在设计上的重要性，在很多工业设计与服装设计 领域都展开了相关的研究，但主要是侧重于结构上面的研究，对于材料主要是在服装上 的研究，如东华大学蒋培清【1 8 】进行了高温环境中服装材料选择的人体实验；李俊，王晓琼 1 1 9 1 ，等对服装接触舒适性与织物手感的相关性进行了研究；苏州大学潘志娟等人对人体生 理反应与纺织品感觉评价做了相关研烈2 0 1 。香港的研究者w o n g 以l o 种感觉感知( 粘湿、 黏附、潮湿、重、刺痛、刺痒、合体、透气性及保暖) 作为输入值来预测服装的综合舒适 性并得到很好的预测效果，在其后的研究中，对服装面料的基本结构及传热透湿性能上 利用人工神经网络来预测服装的舒适性的3 个主因子( 热湿、接触及压力舒适性) ，然后 将3 个主因子模糊聚类得出综合舒适性，通过实验证明这种模型达到很高的精度【2 1 2 2 1 。 但是随着人们生活水平的提高，对于商品的舒适性的要求也日益提高，因此材料的 舒适性方面的研究不能仅仅限于服装材料，在各行各业所需的材料都进行舒适性方面的 研究是十分必要的。而在国外，研究感性工学在工业设计用的高分了材料的应用还为数 不多，但这方面已经起步了。在国内这方面的研究也已经开始，苏建宁等人对工业设计 中材料的感觉特性进行了研究，为今后的研究提供了很好的方法。 1 2 - 2 汽车舒适性研究的现状 据中国消费者报报道：目前我国各种车辆累计已达上亿辆，患上驾驶员腰痛职业病的 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 人数也日益增多阱1 。随着汽车技术的进步及其在百姓中的普及，人们对汽车的要求越来越 高。人们在追求安全、节能、美观等特性的基础上，越来越关注汽车驾驶的舒适性。 作为人的主观感受，谁都愿意坐在一台宁静，舒适，功能齐备，而且拥有宽大空间 的汽车里。比方说，汽车座椅有手动调节的有电动调节的，很显然，电动调节的更方便 舒适；再拿座椅为例，电动座椅中有4 方向调节的，有6 方向调节的，那么6 方向调节 的当然舒适性更强。总而言之，现代汽车的发展趋势一直是向自动化方向发展。其实现 在衡量一台车的舒适性，更多的就是看车厢内的自动化程度的高低。比方说电动玻璃就 比手动玻璃的舒适性强，当然，除了自动化装备还有车厢内装的材料选择也决定着汽车 的钎适性能，就像谁都会认为真皮座椅比绒布座椅的舒适性强一样。归根结底，衡量一 台车的舒适性可以从以下四方面来判断： 第一是车身的尺寸以及隔绝震动的能力，这个震动包括底盘的震动和噪音震动； 第二是车厢内的自动化程度； 第三是车厢内装备功能的多少； 第四是内饰的材质。 正是由于汽车舒适性对于人们来说十分重要，无论是学者还是汽车生产商都十分重 视，并开展了相关研究。现在对于汽车舒适性研究的重点多放于汽车座椅的研究，也有 对于震动舒适性的研究。2 0 0 8 年江淮客车曾举办“舒适更需要理油”活动，征询各方意 见6 8 3 份，从不同角度、不同层面提出了意见和建议，其结果显示出人们对于舒适性的 关注。 1 2 3 人工神经网络在舒适性研究的应用 1 2 3 1 人工神经网络简介 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简写为a n n s ) 也简称为神经网络( n n s ) 或称作连接模型( c o n n e c t i o n i s tm o d e l ) ，是对人脑或自然神经网络( n a t u r a ln e u r a l n e t w o r k ) 若干基本特性的抽象和模拟【2 5 】。人工神经网络以对大脑的生理研究成果为 基础的，其目的在于模拟大脑的某些机理与机制，实现某个方面的功能。国际著名 的神经网络研究专家，第一家神经计算机公司的创立者与领导人h e c h t - - n i e l s e n 给 人工神经网络下的定义就是：“人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态相应而进行信息处理。”人工神经 网络的研究，可以追溯到1 9 5 7 年r o s e n b l a t t 提出的感知器( p e r c e p t i o n ) 模型。它几 乎与人工智能a i ( a r t i f i