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      1. 泰山玻璃纖維
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        GMT片材的制造與應用技術

        放大字體  縮小字體 發布日期:2014-03-20  瀏覽次數:184


        1.前言
               玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GlassMat Reinforced Thermoplastic簡稱GMT)以其韌性、剛性、耐沖擊、耐腐蝕等綜合性能優良、重量輕、性能價格比高、成本低、綠色環保等優勢而成為目前國際上開發的復合材料的熱門品種之一。GMT材料廣泛應用于汽車、建筑、化工、包裝、電力、運輸等領域。其中使用最多的則是汽車制造業,其所使用的GMT零部件已達到800多種。美國、歐洲等發達國家,80%以上的GMT材料用于生產汽車零部件,日本、韓國亦以轎車使用為主。目前用GMT制造的汽車零部件主要有保險杠橫梁、前端裝配托架、電池托架、座椅骨架、儀表板骨架及車下體保護罩等(1-4)。
              不同的制品對GMT材料的性能要求并不完全相同,努力提高GMT制品的性價比是各環節廠商追求的目標,利用GMT材料的可設計性,使其系列化、專用化,可滿足各類客戶的需求。用作結構或承載部件的保險杠橫梁是GMT材料在轎車上的典型應用。因其承受低速碰撞時所產生的復雜應力,既要求高的韌性以吸收碰撞能量,同時要求有高的強度和模量,因此保險杠橫梁應使用高玻纖含量的GMT片材,但這將使其制備與成型技術難度加大。座椅骨架需要長時間承受靜載荷作用,沖擊性能要求不高,但靜載荷產生的撓度對材料的彎曲性能有較高要求,因而此類制品更為關注的是彎曲強度與模量。發動機底層防護罩是易損部件,應具有良好的耐沖擊性能,但發動機驅動產生的噪音很大,因此還應注意充分發揮GMT材料的隔音防噪效能。在GMT片材汽車零部件中,前端是最為成功的應用。它將車頭燈、風扇、散熱器座、發動機搭扣等多功能部件集于一起,既減少零部件數量,又減輕了重量,是模塊化和功能集成的典型代表。模塊化生產使制品結構復雜化,因此應關注GMT制品成型時的流動性(6-7)。GMT用于儀表板骨架時應保證其熱膨脹率低,翹曲變形和收縮率小,在-40℃和80℃溫度范圍內都有很好的沖擊強度。GMT用于制造電瓶托架時則應著重考慮材料的耐腐蝕、耐潮濕和電絕緣性。若將GMT材料用于車頂棚,則應具備足夠的剛性,同時還應突出其優異的聲學特性和美學效果.
               總之,GMT片材及制品結構設計靈活、性能拓展范圍寬??梢酝ㄟ^基體樹脂選擇、改性、功能化、配方設計、增強玻纖氈的結構調整與復合等措施制備出性能各異的GMT片材,滿足不同的制品要求。
        2. GMT材料的特點
              GMT材料是通過樹脂與改性劑、添加劑按一定比例形成特定配方,經加溫、加壓、浸漬到玻璃纖維中,冷卻后成型而得。與熱固性材料相比:(1)生產過程中無化學反應,加工成型時間短,熱能消耗低,工藝流程短、制品生產效率高、成本低;(2)由于浸漬前聚合反應已經完成,因此預浸料穩定,無存放時限,且無特殊的存放條件要求,片材可長期存放,使用期長;(3)以線性樹脂為基材,因而韌性高,有良好的抗沖擊性能;(4)熱塑性樹脂中的結晶性,增強了復合材料的抗化學腐蝕性和環境適應能力;(5)片材可再生利用,無環境污染之憂[1]。
              GMT材料可再生利用優勢是熱固性復合材料無法與之相提并論的,因而被稱為二十一世紀的綠色工業材料。GMT回收利用方法有:(1)回收件被粉碎成碎屑,作為原料再次用于半成品片材生產;(2)把廢棄或破損部件粉碎,與短纖維一起摻混用于注塑模壓制品;(3)廢棄或破損制件整體回收,重新壓制新制件;(4)回收較小GMT制件,再次預熱并模壓成大部件。GMT材料這一環保特色,與全球綠色一環保一可持續發展相適應,有著巨大的發展潛力。
        3. GMT材料的性能及其影響因素
               基體與增強纖維以及基體與纖維結合的界面是決定GMT材料性能的三大關鍵因素。良好的界面是外加載荷通過基體向纖維傳遞的保證,而復合體系的界面結合情況除與基體及纖維性質有關外,還與復合工藝密切相關[5-7]。
               基體聚丙烯的熔融指數高、粘度低有利于體系的浸漬過程。低粘度的PP熔體不僅容易潤濕增強纖維的表面,利于復合體系界面結合強度的提高,還有利于二次成型制品時復合材料的流動。但在保證流動性的同時,還應使GMT片材具有相應的力學性能。在GMT材料中,玻纖組分、玻纖含量、直徑及玻纖氈種類等亦對復合材料的性能產生很大影響。通常采用E玻璃纖維,且在一定范圍內,復合材料性能隨著玻纖含量增加而增加;玻纖直徑的大小,影響單絲的性能、應力的傳遞及其在基體中的均勻性;玻纖氈的種類不同,其三維結構存在較大差異,影響基體樹脂的浸漬及制品加工。另一個影響GMT材料性能的主要因素是浸漬工藝。在熔融浸漬過程中,體系的溫度和壓力影響基體樹脂的浸漬速度和浸漬程度,從而影響復合材料的力學性能。浸漬時間與溫度和壓力有關,浸漬時間太長易導致基體樹脂降解;浸漬時間太短則易造成基體浸漬玻纖氈不充分。適宜的浸漬時間可以提高玻纖氈的增強效率。表1是由華東理工大學開發、江蘇雙良復合材料有限公司生產的部分GMT材料的性能。
                      
                    
                  
         4. GMT力學性能的改善
               4.1組合增強
               GMT材料有前文所說的許多優點,但與熱固性復合材料相比則存在剛性不足的弱點,GMT模壓成型的大型制品尺寸穩定性較差,易出現翹曲現象[2]。云母是聚丙烯的一種優良的無機增強填料,具有高的剛性和制品尺寸穩定性。利用云母與玻纖氈對聚丙烯進行組合增強則能夠得到高剛性、高韌性和良好制品尺寸穩定性的復合材料(表2)[8]。將表面經過特殊處理的硅灰石填充聚丙烯體系與玻璃纖維氈復合,可以提高GMT-PP片材的剛性、耐熱性、耐蠕變性能,降低材料成本,但材料的沖擊強度有一定的下降。對于滑石粉填充聚丙烯GMT復合材料,利用接枝改性聚丙烯(MPP)可有效改善滑石粉填充GMT一PP中纖維與基體、滑石粉與基體的界面結合狀況,使滑石粉填充GMT一PP復合材料的強度和模量大幅度提高,沖擊強度和制品表面質量明顯改善〔9〕。在連續玻纖氈增強的GMT--PP材料中加人一定量的非連續纖維,可以降低成本,改善材料的剛性、耐熱性,同時還可以提高材料在制品成型過程中的流動性與纖維分布的均勻性,得到綜合性能良好的復合氈增強GMT--PP材料。
                
              4.2基體增韌
              有些特殊使用場合的GMT一PP制品,要求具有很高的沖擊性能。在聚丙烯基體中摻人一定量的韌性組分能夠顯著提高GMT/PP的沖擊強度,克服聚丙烯低溫韌性差的缺點。最常用的組分有EPDM(三元乙丙膠)和EPR(二元乙丙膠)。為改善韌性組分與基體的相容性,還需對基體組分進行接枝改性,如馬來酸醉接枝EPDM與EPR、馬來酸配接枝PP等。增韌組分的摻人須考慮適宜的顆粒直徑以保證有效的銀紋引發與控制[8]。圖1為不同基體及基體增韌GMT-PP片材的沖擊強度,可以看出,GMT-PP片材的沖擊性能隨基體韌性的加大而提高。
                            

              4.3增強合金
              制備高剛性的GMT一PP材料除可進行填充增強外,還可進行基體聚合物合金增強。Mcloughlin和Elliott對PP增強合金的研究發現[10],在增容的30%玻纖增強PP中加入15%的PA6,PA66或PET,材料的拉伸強度可以高12%,同時材料的性能與所用的玻纖種類密切相關。邱有德等[11]認為,要使增強的PP/PA6共混物具有較高的機械性能,必
        須保持共混物能有足夠數量的界面化學鍵。由于纖維與PP及PA的結合強度不同,在增強的PP/PA合金中,纖維的分布受增容劑的影響很大,不同的增容劑以及組份的配比決定了體系的流變特性和共混物的形態結構,以及各相與增強纖維間的結合強度,從而決定了復合材料的形態結構,最終影響材料的性能。
            孫斌等[12]的研究表明隨著合金體系中PA6含量的提高,基體的力學性能以及基體與玻纖間的界面結合強度發生變化,但所引起GMT材料的各種力學性能變化情況并不相同,材料拉伸和彎曲性能顯著提高,而沖擊性能則下降,各種性能在PA6含量為70%時存在極值(表3)。GMT增強合金材料的拉伸性能與中心層薄膜的性能關系密切;預制
        膜的厚度越小,材料的彎曲性能越佳;材料的沖擊性能對不同薄膜的匹配不敏感。
                   
        5  結束語

        基于對性能和加工的進一步要求,在玻纖增強熱塑性復合材料研究中對長玻纖增強LFT和纖維摻混的Twintex的研究日益加快,在GMT產業中所占比例增大;天然纖維增強熱塑性復合材料正逐漸引起各研究者的重視。各研究單位機構都力圖在界面改性、基體浸漬、片材制造工藝、制品成型技術等方面獲得新的突破。
               目前,GMT發展趨勢可以用“整合/集成”(Integration)一詞來概括,即將片材制備與制品成型結合起來,避免片材制備過程中冷卻及制品成型前重新預熱?,F在已有幾家公司能夠在線復合與成型,其中包括LFT。德國Dieffenbacher公司的直接長纖維增強熱塑性復合材料/在線復合已建成多條生產線。LFT加工方法省去制備中固化過程,有利于降低片材能耗成本,但LFT技術導致非連續纖維在材料中無法形成隨機分布甚至產生嚴重取向。
               連續熔融浸漬工藝適用于加工多種玻璃纖維氈(包括短切氈、連續氈與復合氈等)增強GMT,材料優越的抗沖擊性能確保在汽車、建筑等行業的應用繼續保持迅速增長勢頭。近年來,輕質玻璃纖維增強熱塑性復合材料已經在國外面世,輕質GMT材料以其更低的重量與熱膨脹系數以及更好的隔音性能等優勢,而更適用于制造非結構件及裝飾性部件,在汽車零部件的應用領域嶄露頭角。華東理工大學聚合物加工研究室對輕質GMT材料的研制以其獨特的制備工藝而取得成功??梢灶A見,隨著我國GMT研究開發及生產技術的進一步成熟與完善,傳統GMT與輕質GMT材料將呈現優勢互補、齊頭并進的發展局面,并以其“綠色環保”優勢而倍受矚目。

         

         
        關鍵詞: GMT 片材
         
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