玻璃纖維氈增強熱塑性復合片材
時間:2005-07-05
玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（Glass mat reinforced thermoplastics,GMT）是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的板片結構材料。具有韌性好，強度高，密度小（僅為金屬的1/5—1/7），優良的耐腐蝕性和耐熱性，良好的成型性，廢料可再生利用并可長期存放等優點，是低能耗、無環境污染的綠色環保材料，是現今國際上極為活躍的復合材料開發品種，有廣泛應用領域，銷售量逐年增長。
采用不同的玻纖氈和不同的熱塑性樹脂可以得到不同性能和價格的GMT片材，本文是研究“熱熔法”工藝，以玻針氈為增強骨架，以價廉的聚丙烯為基體的復合材料。
2 玻璃纖維氈增強聚丙烯片材的研究
2.1 制備中的關鍵技術
樹脂基體與玻纖的界面結合技術和融熔浸漬工藝是制備的關鍵技術。良好的界面能充分發揮聚丙烯基體和玻纖氈兩種絕然不同材料的優點，出現1＋1＞2的情況。聚丙烯等熱塑性樹脂，熔體粘度很大，對玻纖氈的浸漬十分困難，為實現很好的浸漬，除有良好的復合界面外，還要有相應的匹配工藝，需優化操作工藝參數，選擇合適的玻纖氈等。
2.2 聚丙烯基體的選擇與改性
聚丙烯是非極性高聚物，與玻纖毫無親和性，為使復合片材有優良的拉伸、彎曲、沖擊和熱性能等綜合性能，必須對聚丙烯基材進行選擇和改性。
2.2.1 聚丙烯基材的選擇
在選擇聚丙烯時，首先要考慮聚丙烯基體本身應具有較高的力學等綜合性能，還要使其有良好的工藝性能。據熱熔法工藝特點，要求聚丙烯在熔融態時，有較低的熔融粘度，使其能比較容易地滲入玻纖氈和浸潤玻纖，并在片材在進行二次甚至多次的熱成型加工時有良好的工藝流動性。熔融指數MI是表征熔融粘度的指標，而聚丙烯的分子量與MI有如下關系：MI小，分子量大；反之，分子量小。MI小的聚丙烯，由于分子量大，力學性能較優，但在熔融態下，粘度大，難于滲透與浸潤玻纖氈，使基體與玻纖氈間結合力差，結果降低了復合片材的力學性能。MI大的聚丙烯，分子量小，本身力學性能較差，但在熔融態下，粘度較小，易于滲透與浸潤玻纖氈，使基體與玻纖氈間有較好的結合力，其協同作用的結果，使產品有較好的力學性能。因此，要選擇適當MI值的聚丙烯。
經綜合試驗，選擇了新研制的聚丙烯，它流動性好，分子量分布狹窄，成型加工溫度較低，是節能型聚丙烯。
2.2.2 聚丙烯的改性
發展了多種改性技術：物理改性（引入成核劑，正、付抗氧劑，熱穩定劑，紫外線吸收劑、抗靜電劑等多種助劑）；化學改性（通過化學反應引入；與樹脂基體有良好相溶性；對玻纖中偶聯劑有結合力；能滲透的特種極性基團，見圖1）。
聚丙烯的力學性能與它的結晶度及球晶大小有關。低結晶聚丙烯性能差，當結晶度達到70％時其力學性能、剛性和耐熱性等均明顯提高。
改性后的聚丙烯增加了結晶度，流動性和滲透性，不僅提高了基體材料自身的各種性能，更重要的是提高了對玻纖界面傳遞載荷的能力，使樹脂能有效地將應力傳遞給模量和強度高得多的玻璃纖維，使樹脂對玻纖有良好滲透性和結合力。
2.3玻纖氈的選用及處理
國外GMT片材中的玻纖氈是玻纖公司專為熱塑性樹脂復合而開發的特殊專用氈，它是由E玻璃纖維經聚丙烯專用浸潤劑、偶聯劑等處理并用針刺法制成的原絲氈，這種氈極其膨松，有良好的懸垂性，適合熔融狀態下聚丙烯樹脂的浸潤。而國內供應熱塑性樹脂增強的針刺氈尚不成熟。我們將選用的國產玻纖氈，經過燒融，偶聯等予處理。引進的偶聯劑一端與樹脂基團結合，另一端與玻纖結合，就象一個個錨或釘子把樹脂與玻纖牢固地結合，能較好地充分浸潤。
2.4 GMT片材的制造工藝
GMT材料的制造工藝有粉末法、干法、濕法等。
濕法是以水為分散懸浮介質，先將纖維、樹脂粉末、乳膠、絮凝劑混合成懸浮液，粉末和乳液凝結，在液壓成形屏篩上分離出來。形成的氈在高于聚丙烯熔融溫度下壓緊，成GMT卷材。
干法也稱熔融浸漬法，它是用熱塑性樹脂熱熔冷凝的性能，在熱融熔態時設法使高粘度樹脂用特殊工藝手段并通過優化工藝參數使其透過界面，充分滲誘到玻纖氈中，即將二層玻纖氈層合在三層樹脂中，冷即后即成GMT片材。
3 性能對比
3.1 GMT材料性能
玻纖氈增強聚丙烯片材性能比較見表1。
表1 不同含量玻纖氈增強聚丙烯片材的性能
3.2 老化性能
30％玻針氈聚丙烯試樣，在150℃熱老化箱內，老化224h，力學性能保留率在85％以上。
3.3 與發達國家相應材料性能比較
本研究材料與發達國家相應材料性能比較見表2。
表2 國內外相應的聚丙烯GMT材料性能比較
表2中:*實測值,**資料報導值
本研究開發的融熔法聚丙烯GMT系列產品性能與美國PPG PM系列產品和 Symalit系列產品性能相當或略高，達到美國Chrysler車輛工程材料標準。
4 應用前景
GMT材料是節油、節能，是綠色可回收材料，并可大大簡化加工工序。例1，用GMT做汽車車門，自重可從26kg降到15kg，并可減少背部厚度，使車內空間增大。例2，用GMT制作汽車前端，可將車頭燈風機和散熱器座、發動機罩搭扣及保險杠固定點等集于一體，可取代多個金屬部件，與同等強度的鋼部件相比，重量可減輕20％，生產費用下降 10％。
每輛汽車使用輕量化材料和可回收材料的量是衡量汽車技術水平的標志之一，因此，GMT材料是汽車工業升級換代用材料。本研究的GMT材料已取代美進口材料用于北京吉普車3人座席骨架和上海公交客車座椅骨架，投產3年內新增產值920萬，新增利稅112萬，節約外匯50.6萬美元。最近，又開發了取代日本進口樣品用于小松推土機剎車腳踏板等新產品。
GMT材料在國內研制剛起步，本研究是國內起步最早的GMT材料，在我國必將有巨大的市場。
5 結論
本研制的聚丙烯GMT片材，性能達到或略優于發達國家同類材料性能，是一種輕量化和節能的新型結構材料，將在汽車、建筑名種交通運輸設備、集裝箱和其它工業領域中廣泛應用。
