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1 前言

　　玻璃纖維氈增強熱塑性復(fù)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(jié)構(gòu)材料。具有韌性好，強度高，密度?。▋H為金屬的1/5—1/7），優(yōu)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(yōu)點，是低能耗、無環(huán)境污染的綠色環(huán)保材料，是現(xiàn)今國際上極為活躍的復(fù)合材料開發(fā)品種，有廣泛應(yīng)用領(lǐng)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(fù)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(guān)鍵技術(shù)

　　樹脂基體與玻纖的界面結(jié)合技術(shù)和融熔浸漬工藝是制備的關(guān)鍵技術(shù)。良好的界面能充分發(fā)揮聚丙烯基體和玻纖氈兩種絕然不同材料的優(yōu)點，出現(xiàn)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(xiàn)很好的浸漬，除有良好的復(fù)合界面外，還要有相應(yīng)的匹配工藝，需優(yōu)化操作工藝參數(shù)，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(fù)合片材有優(yōu)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(jìn)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(yīng)具有較高的力學(xué)等綜合性能，還要使其有良好的工藝性能。據(jù)熱熔法工藝特點，要求聚丙烯在熔融態(tài)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(jìn)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(shù)MI是表征熔融粘度的指標(biāo)，而聚丙烯的分子量與MI有如下關(guān)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(xué)性能較優(yōu)，但在熔融態(tài)下，粘度大，難于滲透與浸潤玻纖氈，使基體與玻纖氈間結(jié)合力差，結(jié)果降低了復(fù)合片材的力學(xué)性能。MI大的聚丙烯，分子量小，本身力學(xué)性能較差，但在熔融態(tài)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(jié)合力，其協(xié)同作用的結(jié)果，使產(chǎn)品有較好的力學(xué)性能。因此，要選擇適當(dāng)MI值的聚丙烯。

　　經(jīng)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(jié)能型聚丙烯。

　　2.2.2 聚丙烯的改性

　　發(fā)展了多種改性技術(shù)：物理改性（引入成核劑，正、付抗氧劑，熱穩(wěn)定劑，紫外線吸收劑、抗靜電劑等多種助劑）；化學(xué)改性（通過化學(xué)反應(yīng)引入；與樹脂基體有良好相溶性；對玻纖中偶聯(lián)劑有結(jié)合力；能滲透的特種極性基團，見圖1）。

   

　　聚丙烯的力學(xué)性能與它的結(jié)晶度及球晶大小有關(guān)。低結(jié)晶聚丙烯性能差，當(dāng)結(jié)晶度達(dá)到70％時其力學(xué)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(jié)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?zhèn)鬟f載荷的能力，使樹脂能有效地將應(yīng)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(jié)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(fù)合而開發(fā)的特殊專用氈，它是由E玻璃纖維經(jīng)聚丙烯專用浸潤劑、偶聯(lián)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(tài)下聚丙烯樹脂的浸潤。而國內(nèi)供應(yīng)熱塑性樹脂增強的針刺氈尚不成熟。我們將選用的國產(chǎn)玻纖氈，經(jīng)過燒融，偶聯(lián)等予處理。引進(jìn)的偶聯(lián)劑一端與樹脂基團結(jié)合，另一端與玻纖結(jié)合，就象一個個錨或釘子把樹脂與玻纖牢固地結(jié)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(zhì)，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(jié)，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(tài)時設(shè)法使高粘度樹脂用特殊工藝手段并通過優(yōu)化工藝參數(shù)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(nèi)，老化224h，力學(xué)性能保留率在85％以上。

　　3.3 與發(fā)達(dá)國家相應(yīng)材料性能比較

　　本研究材料與發(fā)達(dá)國家相應(yīng)材料性能比較見表2。

   

表2 國內(nèi)外相應(yīng)的聚丙烯GMT材料性能比較

表2中:*實測值,**資料報導(dǎo)值

　　本研究開發(fā)的融熔法聚丙烯GMT系列產(chǎn)品性能與美國PPG PM系列產(chǎn)品和 Symalit系列產(chǎn)品性能相當(dāng)或略高，達(dá)到美國Chrysler車輛工程材料標(biāo)準(zhǔn)。

　　4 應(yīng)用前景

　　GMT材料是節(jié)油、節(jié)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(nèi)空間增大。例2，用GMT制作汽車前端，可將車頭燈風(fēng)機和散熱器座、發(fā)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(chǎn)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(shù)水平的標(biāo)志之一，因此，GMT材料是汽車工業(yè)升級換代用材料。本研究的GMT材料已取代美進(jìn)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(chǎn)3年內(nèi)新增產(chǎn)值920萬，新增利稅112萬，節(jié)約外匯50.6萬美元。最近，又開發(fā)了取代日本進(jìn)口樣品用于小松推土機剎車腳踏板等新產(chǎn)品。