玻璃纤维毡增强热塑性复合片材
时间:2005-07-05
玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（Glass mat reinforced thermoplastics,GMT）是以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的板片结构材料。具有韧性好，强度高，密度小（仅为金属的1/5—1/7），优良的耐腐蚀性和耐热性，良好的成型性，废料可再生利用并可长期存放等优点，是低能耗、无环境污染的绿色环保材料，是现今国际上极为活跃的复合材料开发品种，有广泛应用领域，销售量逐年增长。
采用不同的玻纤毡和不同的热塑性树脂可以得到不同性能和价格的GMT片材，本文是研究“热熔法”工艺，以玻针毡为增强骨架，以价廉的聚丙烯为基体的复合材料。
2 玻璃纤维毡增强聚丙烯片材的研究
2.1 制备中的关键技术
树脂基体与玻纤的界面结合技术和融熔浸渍工艺是制备的关键技术。良好的界面能充分发挥聚丙烯基体和玻纤毡两种绝然不同材料的优点，出现1＋1＞2的情况。聚丙烯等热塑性树脂，熔体粘度很大，对玻纤毡的浸渍十分困难，为实现很好的浸渍，除有良好的复合界面外，还要有相应的匹配工艺，需优化操作工艺参数，选择合适的玻纤毡等。
2.2 聚丙烯基体的选择与改性
聚丙烯是非极性高聚物，与玻纤毫无亲和性，为使复合片材有优良的拉伸、弯曲、冲击和热性能等综合性能，必须对聚丙烯基材进行选择和改性。
2.2.1 聚丙烯基材的选择
在选择聚丙烯时，首先要考虑聚丙烯基体本身应具有较高的力学等综合性能，还要使其有良好的工艺性能。据热熔法工艺特点，要求聚丙烯在熔融态时，有较低的熔融粘度，使其能比较容易地渗入玻纤毡和浸润玻纤，并在片材在进行二次甚至多次的热成型加工时有良好的工艺流动性。熔融指数MI是表征熔融粘度的指标，而聚丙烯的分子量与MI有如下关系：MI小，分子量大；反之，分子量小。MI小的聚丙烯，由于分子量大，力学性能较优，但在熔融态下，粘度大，难于渗透与浸润玻纤毡，使基体与玻纤毡间结合力差，结果降低了复合片材的力学性能。MI大的聚丙烯，分子量小，本身力学性能较差，但在熔融态下，粘度较小，易于渗透与浸润玻纤毡，使基体与玻纤毡间有较好的结合力，其协同作用的结果，使产品有较好的力学性能。因此，要选择适当MI值的聚丙烯。
经综合试验，选择了新研制的聚丙烯，它流动性好，分子量分布狭窄，成型加工温度较低，是节能型聚丙烯。
2.2.2 聚丙烯的改性
发展了多种改性技术：物理改性（引入成核剂，正、付抗氧剂，热稳定剂，紫外线吸收剂、抗静电剂等多种助剂）；化学改性（通过化学反应引入；与树脂基体有良好相溶性；对玻纤中偶联剂有结合力；能渗透的特种极性基团，见图1）。
聚丙烯的力学性能与它的结晶度及球晶大小有关。低结晶聚丙烯性能差，当结晶度达到70％时其力学性能、刚性和耐热性等均明显提高。
改性后的聚丙烯增加了结晶度，流动性和渗透性，不仅提高了基体材料自身的各种性能，更重要的是提高了对玻纤界面传递载荷的能力，使树脂能有效地将应力传递给模量和强度高得多的玻璃纤维，使树脂对玻纤有良好渗透性和结合力。
2.3玻纤毡的选用及处理
国外GMT片材中的玻纤毡是玻纤公司专为热塑性树脂复合而开发的特殊专用毡，它是由E玻璃纤维经聚丙烯专用浸润剂、偶联剂等处理并用针刺法制成的原丝毡，这种毡极其膨松，有良好的悬垂性，适合熔融状态下聚丙烯树脂的浸润。而国内供应热塑性树脂增强的针刺毡尚不成熟。我们将选用的国产玻纤毡，经过烧融，偶联等予处理。引进的偶联剂一端与树脂基团结合，另一端与玻纤结合，就象一个个锚或钉子把树脂与玻纤牢固地结合，能较好地充分浸润。
2.4 GMT片材的制造工艺
GMT材料的制造工艺有粉末法、干法、湿法等。
湿法是以水为分散悬浮介质，先将纤维、树脂粉末、乳胶、絮凝剂混合成悬浮液，粉末和乳液凝结，在液压成形屏筛上分离出来。形成的毡在高于聚丙烯熔融温度下压紧，成GMT卷材。
干法也称熔融浸渍法，它是用热塑性树脂热熔冷凝的性能，在热融熔态时设法使高粘度树脂用特殊工艺手段并通过优化工艺参数使其透过界面，充分渗诱到玻纤毡中，即将二层玻纤毡层合在三层树脂中，冷即后即成GMT片材。
3 性能对比
3.1 GMT材料性能
玻纤毡增强聚丙烯片材性能比较见表1。
表1 不同含量玻纤毡增强聚丙烯片材的性能
3.2 老化性能
30％玻针毡聚丙烯试样，在150℃热老化箱内，老化224h，力学性能保留率在85％以上。
3.3 与发达国家相应材料性能比较
本研究材料与发达国家相应材料性能比较见表2。
表2 国内外相应的聚丙烯GMT材料性能比较
表2中:*实测值,**资料报导值
本研究开发的融熔法聚丙烯GMT系列产品性能与美国PPG PM系列产品和 Symalit系列产品性能相当或略高，达到美国Chrysler车辆工程材料标准。
4 应用前景
GMT材料是节油、节能，是绿色可回收材料，并可大大简化加工工序。例1，用GMT做汽车车门，自重可从26kg降到15kg，并可减少背部厚度，使车内空间增大。例2，用GMT制作汽车前端，可将车头灯风机和散热器座、发动机罩搭扣及保险杠固定点等集于一体，可取代多个金属部件，与同等强度的钢部件相比，重量可减轻20％，生产费用下降 10％。
每辆汽车使用轻量化材料和可回收材料的量是衡量汽车技术水平的标志之一，因此，GMT材料是汽车工业升级换代用材料。本研究的GMT材料已取代美进口材料用于北京吉普车3人座席骨架和上海公交客车座椅骨架，投产3年内新增产值920万，新增利税112万，节约外汇50.6万美元。最近，又开发了取代日本进口样品用于小松推土机刹车脚踏板等新产品。
GMT材料在国内研制刚起步，本研究是国内起步最早的GMT材料，在我国必将有巨大的市场。
5 结论
本研制的聚丙烯GMT片材，性能达到或略优于发达国家同类材料性能，是一种轻量化和节能的新型结构材料，将在汽车、建筑名种交通运输设备、集装箱和其它工业领域中广泛应用。
