1. 引言
随着全球范围内“双碳”目标的推进与延伸生产者责任制度的深化，汽车制造业面临着巨大的环境压力，如何在生产制造过程中减少废弃物、提升材料利用率已成为行业重要议题。刘建勋等学者在综述中指出，汽车轻量化与绿色化协同发展是行业的必然趋势，而开发可循环的高性能复合材料是关键技术路径之一[1]。各主机厂对生产废料、水口料等回料的再利用提出了明确的百分比要求，但其大规模应用的瓶颈在于担忧回料性能的显著下降会导致最终产品无法满足安全与功能标准。
团队在2025年重点研究的玄武岩纤维增强聚丙烯材料有很大的应用范围，是一种新兴的绿色高性能复合材料，曾进行了一次100%回收数据的采集，发现有很大的发掘前景，贾晓龙等人的研究证实，其原生状态具有优异的高强度与耐热性[2]。然而，其回收再利用的性能表现，特别是经过多次加工后的性能稳定性，是决定其全生命周期环保价值与经济效益的关键。李锦文等人指出，纤维增强热塑性塑料的回收性能核心在于界面损伤控制与纤维长度保持率[3]。王钧等学者从生命周期评价角度进一步强调，材料的循环利用性能是评估其环境效益的关键环节[4]。与传统玻璃纤维相比，徐冬梅等人的界面改性研究表明，玄武岩纤维与聚丙烯基体之间具备形成更强、更稳定界面结合的潜力[5]，这为其在多次加工中可能表现出更好的性能衰减行为。
因此，本研究聚焦于PP + BF回料的性能演变规律，旨在通过模拟实际生产中的循环再生过程，量化其性能衰减，论证其在闭环生产中应用的可行性，为汽车零部件绿色制造提供一种可靠的材料策略。
2. 实验方案
2.1. 材料与制备
原生料：15%长切玄武岩纤维增强聚丙烯粒料，纤维长度11 ± 1 mm。
样条尺寸：拉伸强度尺寸为170 * 10 * 4 mm，弯曲和冲击强度尺寸为80 * 10 * 4 mm。
注塑工艺：注塑压力20 MPa，成型时间20 s，熔融温度220℃。该工艺窗口参考了陈伟等人关于玄武岩纤维增强聚丙烯加工工艺优化的研究[6]。
2.2. 循环再生流程
1. 首次注塑：将原生料注塑成标准GB力学测试样条。
2. 粉碎：将注塑样条(包含流道、水口)投入慢速粉碎机中进行物理破碎，获得第一次回料(R1)。
3. 回料掺混与再注塑：将R1回料以100%的比例(不混入原生料)进行第二次注塑，成型相同标准样条。
4. 重复过程：重复步骤2和3，依次获得第二次(R2)、第三次(R3)、第四次(R4)和第五次(R5)回料及其注塑样条。此流程模拟了生产现场对水口料及废次品的物理回收场景。
2.3. 性能测试
对每轮循环后的注塑样条进行以下性能测试：拉伸强度、伸长率、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁缺口冲击强度、密度，并记录纤维平均长度。测试方法主要依据国家标准，同时参考了黄故等学者在纤维增强复合材料性能表征方面的相关论述[7]。
3. 结果与讨论
3.1. 力学性能衰减规律
Table 1. Performance data of BF + PP return cycle
表1. BF + PP回料循环性能数据
循环次数 |
拉伸强度(MPa) |
伸长率(%) |
悬臂冲击强度(MPa) |
悬臂缺口冲击强度(MPa) |
弯曲强度(MPa) |
弯曲模量MPa |
密度(g/cm3) |
原生料(R0) |
73.1 |
1.9 |
37.3 |
19.8 |
91.4 |
3241 |
0.984 |
R1 |
62.4 |
2.2 |
31.1 |
13.1 |
80.2 |
3211 |
0.997 |
R2 |
48.3 |
2.1 |
29.6 |
10.6 |
68.4 |
2871 |
0.995 |
R3 |
45.4 |
1.9 |
30 |
9 |
64.1 |
2943 |
0.993 |
R4 |
41.4 |
2.6 |
26.9 |
8.4 |
57.4 |
2567 |
0.978 |
R5 |
37.4 |
2.8 |
27.4 |
7.7 |
53.9 |
2397 |
0.997 |
不同循环次数下PP + LBF15的关键力学性能如表1所示，数据分析如下：
1) 优异的性能保持率：由表1可知，即使经过5次100%的循环加工，PP + LBF回料的拉伸和弯曲强度保持率仍高于52%，冲击强度保持率也达到74%。依据当前性能状态，虽无法承受持续或较大的拉伸载荷，但仍可以满足形态保持、耐候性及一定的抗冲击性，可以使用在汽车内饰非受力件(如内饰门板饰条、仪表台盖板、储物盒、脚垫支架等)和低受力件(如后备箱隔板、座椅侧护板等)上。
在同样条件下，第3次循环后冲击强度下降未超过20%，验证了王继辉等在其综述中指出的，由于玄武岩纤维与树脂基体更好的化学相容性，其复合材料在循环再利用方面展现出比玻纤复合材料更佳的潜力[8]。
2) 衰减模式分析：PP + LBF的性能衰减主要源于两个因素：一是纤维长度的缩短，经过粉碎后粉碎料已成粉末状。如图1所示，对比原始状态的长纤维原料，粉碎后少有大块粉碎状材料，经过测量纤维最长约为3 mm，张明等的研究表明，纤维长径比的下降是导致复合材料增强效率降低的直接原因[9]；二是纤维–基体界面在经过多次高温剪切后发生部分降解。然而，由于玄武岩纤维与聚丙烯基体在合适的偶联剂作用下形成了强韧的界面结合，其抗热机械疲劳能力更强，因此界面损伤速率更慢。
PP + LGF15原料状态 PP + LGF15粉碎后材料状态
Figure 1. Morphological comparison of PP + LG F15 before and after crushing
图1. PP + LGF15粉碎前后形态对比
3.2. 与主机厂标准的符合性
目前，多数主流主机厂对内饰件中使用回料的要求是：性能衰减不得超过10%~15%。本研究聚焦的PP + LBF复合回料，经多轮循环再生测试验证，在连续5次循环加工后，其综合性能衰减幅度始终控制在22%以内。从循环经济角度看，赵义侠等学者认为，这种可控的、线性的性能衰减，为生产废料建立“降级循环”应用模型提供了科学依据[10]。这一性能表现，为生产环节的废料高效回收利用提供了可靠的技术支撑——生产过程中产生的水口料、制程报废件等，可实现大比例的资源化再生复用，既能有效降低原生材料的采购成本与废料处理成本，又能减少固废排放，具备显著的经济效益与环境效益。
4. 产业化应用方案与效益分析
基于上述研究，为进一步探索PP + LBF复合回料的最优资源化利用路径，本团队针对其在量产环节的再生复用比例展开深化研究。结合前期测试数据可知，材料在R3循环料中，其各项物性下降幅度已趋于稳定，进入平台期。为最大限度验证量产应用的稳定性与可靠性，本次实验研究特选取物性表现最恶劣的R5循环料作为回料填充基材。如表2所示物性，提出以下产业化落地应用方案：
1) 第一序列(20%回收)：用于制造结构件及外观要求高的A类部件(如门内饰板主体、仪表板骨架和仪表板非外观上盖骨架)，性能几乎无损失。
2) 第二序列(30%回收)：用于制造对力学性能要求稍低的半结构件或大型内部加强件(如座椅背板、注塑风道骨架)。
3) 第三序列(40%、50%回收)及之后：可用于制造非结构性的填充件、支撑块等。这种分级、梯次利用策略，与行业报告《中国玄武岩纤维行业现状深度研究与未来投资预测报告》中倡导的“材料价值最大化”理念高度契合[11]。
该方案预计可降低相关部件10%~15%的直接材料成本。在环境效益上，实现了生产环节的闭环回收，最大限度地减少了固体废弃物的产生与原生材料的使用，完全响应了《“十四五”工业绿色发展规划》中推动重点行业资源循环利用的号召[12]。
Table 2. Performance data of proportional recycling of PP + LBF
表2. PP + LBF按比例回料循环性能数据
回填比例 |
悬臂冲击强度(MPa) |
悬臂缺口冲击强度(MPa) |
弯曲强度(MPa) |
弯曲模量MPa |
20% |
37.3-C |
18.4-P |
86.6 |
2902 |
30% |
34.4-C |
15.8-P |
86.7 |
2949 |
40% |
32.9-C |
14.9-P |
84.2 |
3220 |
50% |
34.2-C |
14.8-P |
80.3 |
3133 |
注：C代表完全破坏，P代表部分破坏。
5. 结论
1) 玄武岩纤维增强聚丙烯(PP + LBF)料展现出极其优异的性能稳定性。经过多达5次的物理粉碎与再注塑循环，其核心力学性能衰减率稳定在22%以内。
2) 本研究提出的“三循环”应用策略，为BF + PP材料在汽车零部件制造中实现“微废生产”提供了具体、可行的技术路径，有效解决了主机厂对回料性能担忧的痛点，具有重大的环保与经济效益。
3) 该方案能直接将生产线上的废料转化为有价值的资源，预计可降低相关部件10%~15%的直接材料成本。在环境效益上，实现了生产环节的闭环回收，最大限度地减少了固体废弃物的产生与原生材料的使用，完美契合绿色工厂与产品碳足迹核算的要求。符合中国汽车产业向绿色、可持续方向转型的宏观要求[13]。