汽车用高性能SMC复合材料_李忠恒

汽车用高性能SMC复合材料李忠恒,李　军,宦胜民,毛坚伟(常州华日新材有限公司,江苏常州213022)摘　要　本文主要从原材料配方和成型工艺两个方面探讨了如何降低SMC模塑料的收缩率、改善制品的表面质量,来制备具有低收缩率(<0.05%)、A级表面质量及优良力学性能的高性能SMC复合材料。通过原材料的科学匹配,选择最佳配方,SMC片材生产工艺的严格控制(如树脂糊中水分和粘度的控制),优化SMC模压工艺参数(如选择合理的铺料方式、两段式压制、合理的加压时机等),压制出高档的SMC汽车制品。关键词　SMC;低收缩率;A级表面;复合材料

TheHigh-performanceSMCCompositeUsedinCarsLIZhongheng,LIJun,HUANShengmin,MAOJianwei(ChangzhouHuariNewMaterialCompany,Changzhou213022,China)ABSTRACT　Inthispaper,howtoreduceshrinkageandimprovesurfacequalityofSMCproducts,thehigh-performanceSMCwhichhasalowshrinkage(below0.05%),classAsurfacequalityandexcellentmechanicalpropertiesarediscussedfromtwomainfactorsincludingrawmaterialformulationsandmoldingconditions.Thehigh-gradeSMCautomobilepartscanbeproducedthroughscientificrawmaterialcomposition,strictproductiontechnologycontrolofSMCsheets(suchasmoisturecontentandviscosityofresinpaste)andoptimizingprocessconditionsinSMCmould(suchaschargingpattern,two-stagepressureandpre-pressingtimeetc.).KEYWORDS　SMC;Lowshrinkage;ClassAsurface;Composites

1　引　言SMC具有轻质、高强、耐腐蚀、成本低及可大规模生产等特点,已成为汽车制造业中重要的汽车用材料,在汽车行业中获得广泛应用[1-5]。但随着

SMC技术和汽车行业的不断发展,对SMC模塑料的收缩率、力学性能及外观提出了更为苛刻的要求,例如一些高档轿车的外饰部件(收缩率<0.05%,A级表面质量)。本文中高性能SMC复合材料,要求具有极低收缩率(<0.05%)、A级表面质量和优良的力学性能,综合性能要求很高。降低SMC的收缩率,提高表面质量的方法很多,概括起来主要有两个方面:(1)原料配方方面,筛选最佳(性价比最佳的)原材料,且各种原材料之间科学匹配,选择最佳配方;(2)成型工艺方面,如筛选所用材料的最佳成型工艺、最佳工艺参数等。

2　原料配方对SMC表面质量的影响与通用SMC相比,对材料要求更加严格,因此要注意原材料的质量管理,严格掌握配方的准确性。SMC制品的表面质量与原材料的选择有重要的关系,如采用低糙度树脂,树脂与纤维精确匹配[6,7]。填料的颗粒尺寸和分布对表面质量有很大的影响。大多数填料颗粒尺寸在0.015～80μm范围内,在SMC中,使用的多是颗粒尺寸小于10μm的填料,因为粗的填料有较低的表面积,低的吸油值,易被树脂所浸渍,提供较差的模型混合物的凝聚力,形成富树脂聚集点,在成型过程中会导致纤维结团的倾向,易形成大的空穴,并且使得制品的表面质量不好,很难达到A级表面的标准[8]。因此通常是大、小尺寸填料混合使用。表面质量通常用粗糙度来衡量,影响表面粗糙度的因素主要分两类:一类是小范围内的变异,即所谓的“针孔”或“小丘”;另一类是长程范围内的变异,即所谓的“波纹”。前者与材料中粗的颗粒有关,因此对于具有A级表面的制品中所用的填料大于44μm(325目)的颗粒,含量不要超过1%[9]。在SMC的生产中,玻璃纤维的均匀分散和良好的浸渍至关重要,否则会影响SMC的质量均匀性,也就很难压制出A级表面的制品。为了使树脂充

第2期纤维复合材料No.227　2009年6月FIBERCOMPOSITESJun.,2009分浸渍纤维,提高制品的强度和表面质量,可采用不同形式的纤维(如:织物、非织物和特种表面毡等),不同形式的填料(如:棒状填料(硅灰石)、片状填料(云母))相配和,达到最佳匹配[10]。SMC的基体不饱和聚酯树脂(UP)在固化过程中,成型收缩率大,一般能达到5～8%,为此通常都要加入低收缩添加剂(LPA)来控制UP的固化收缩[11,12]。自从1978年Athins提出热塑性膨胀理论开始,各种LPA的研究就一直没有间断过。到目前为止,LPA的发展大约经历了以下四代:第一代是PE、PVC类热塑性高分子材料[13];第二代是PMMA、PS、PVAc类高分子材料[14,15];第三代主要是改性PVAc[16];第四代LPA是弹性体[17],如SBS[18]、SBR、NBR[19]、饱和聚酯以及硅橡胶等。此外,还有些学者研究了低收缩型的无机填料。目前,LPA正向着专一性和综合性两个方向发展。在整个SMC生产过程中,尤其应该严格控制体系的水分含量,特别是原材料的水分含量,它对SMC增稠及其增稠稳定性有重大的影响[20]。水分含量低,不利于SMC模塑料的前期增稠,会进一步影响到SMC的熟成情况;水分含量高,SMC模塑料前期增稠速度快,影响玻璃纤维的浸渍,易使SMC模塑料造成“夹馅”现象,也是影响随后SMC的使用操作、SMC工艺性能及最终产品性能的一个重要因素[21]。因此SMC模塑料的原材料一定要严格控制水分含量,一般说来各组分的水分含量应控制在0.1%以下,SMC在配料过程中,树脂糊的水分含量应控制在0.1～0.2%之间为宜。苏东明[22]通过选择合适的树脂及填料,严格控制增稠反应,采用短切与连续纤维并用的方法,研制出了满足奥迪轿车备胎仓使用要求的SMC模塑料,使用效果较好,其在机械强度、耐腐蚀、阻燃等方面显示出了很大的优越性。有一些研究还发现了对于化学增稠了的和未增稠材料两者起协合作用的某些非聚合物协合剂,如加入少量的环氧化合物和标准的低收缩剂(如PVAc)共同使用时,能提供经改善了的收缩控制;少量的第二单体(如甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二丙稀酯)加入到以苯乙烯单体为主的系统中,也能起到协合剂的作用。3　成型工艺对SMC表面质量的影响由低收缩添加剂(LPA)的作用机理可知,LPA与UP固化网络的相分离和微孔的形成是低收缩添加剂能降低聚酯树脂固化收缩的关键[23]。许多研究资料表明,收缩控制的相分离和微孔均与工艺条件如成型温度、成型压力等有关。正确的控制模压工艺参数可以降低收缩率,有效地改善制品的表面质量,达到A级表面。3.1　成型温度SMC的成型温度主要取决于树脂和固化剂类型。如果模温过高,熔融物反应快,固化快,不易流动,使压力失效,造成制品尺寸欠缺;如果模温太低,固化不完全,达不到理想的性能;如果温度不均匀,也会造成制品局部缺陷。为了使SMC制品内表面光滑平洁,要求上、下模要有一定温差,一般使上模温度比下模高5～10℃。SMC的收缩主要由两部分组成:一是由固化反应收缩引起的体积减小,另一是由温度降低引起的热收缩。根据LPA热膨胀理论,模压温度越高则LPA占有的初始体积就越大,抵消收缩的能力也就越强。因而升高温度就存在两种相互矛盾的影响:一方面引起热收缩的增加,另一方面引起抵消收缩能力的增强。但是大量实验表明,热收缩占主导地位,随着温度的升高,制品表现出收缩率增加的趋势[24]。因此,应当在能够保证固化体系引发、交联

反应的顺利进行和实现完全固化的前提下,使用较低的成型温度,以利于降低收缩率,得到最好的表面质量。3.2　成型压力成型压力的大小应根据制品形状及所用SMC的特性决定。片状模塑料的增稠程度越高,所需的成型压力越大;流动性越差、加料面积越小所需的成型压力也越大。首先要选择合适的成型压力,若压力过大,则会产生应力,造成制品产生裂纹等缺陷[25];如果压力

过小,则制品收缩率大,外观不好,也会产生纤维取向应力等问题。对于一些结构复杂或大型薄壁制品,在成型时需要较高的成型压力,但过高的压力会增加缩孔形成的可能性。其次还要选择好的加压时机,加压时机过早,树脂本身反应程度较低,分子量较小,粘度较低,树脂易流失,在制品中易产生树脂积聚;加压时机过迟,树脂本身粘度过大,因而物料的流动能力迅速下降,以致消失,使物料无法充模。加压时机应控制在树脂反应程度合适,粘度增加适宜时,此时树脂本身在热压力下流动,又能使纤维同时流动,这样才能得到合乎要求的制品。最后还要卸压放气,因为大多数模压料在模压时会产生一些挥发物,如果这些挥发物不及时有效排除,易使制品产生气泡、分层等现象。因而,应进行充模放气,即在加压初期,加压后随即几次卸压放气,再加压充模,这样反复几次,再

28　纤　维　复　合　材　料2009年加全压,以便达到排除挥发物的目的。因此,应在充满模腔的前提下,宜采用较低的成型压力,以利于表面质量的提高。3.3　保压时间保压时间是指成型压力和成型温度下保温保压的时间,其作用是使制品固化完全和消除内应力,主要取决于两个因素:一是模压料固化反应的时间(与模压料的种类有关);二是不稳定导热时间,即热源通过模具向模腔中心传热,使模腔中心部位的模压料温度达到其化学反应温度时所需的时间。保压时间应与成型压力、成型温度同时考虑,根据各种影响因素,一般采用保压时间为每毫米厚的制品0.8～1.2min。保压时间过长或过短,都会产生不良影响。谢怀勤、李地红和吴新跃[26]通过优化SMC模压工艺来控制制品收缩率和表面粗糙度,采取两阶段模压压力,通过试验分析,选定最佳时机和压力,适宜降低模压温度,可显著降低SMC制品的固化收缩率,提高表面质量。谢怀勤、王海龙和佟立芳[27]应用回归与方差分析理论,通过SMC模压工艺参数对其固化收缩率影响的实验分析表明,优化模压工艺参数,特别是提出的二段式压制制度对降低试件的固化收缩率是有效的,而且SMC模压试件的固化收缩率随第二阶段压力的减小和第一阶段保压时间的延长而降低。两段式压制,是指在一定温度和压力下,使SMC材料迅速充满模腔,而在其尚未完全固化的某一时刻降低模压压力值(亦称压力释放时机),而温度保持不变,然后保持这种状态一直到脱模。一般情况下影响树脂固化体积收缩的因素主要包括固化前树脂体系密度(包括树脂、固化剂等)、树脂固化后的网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子释出等。UP树脂固化过程无小分子放出,在第一阶段压力下模压料充满模腔后,聚合反应已经发生,而且基本网络框架已经形成,固化反应变为扩散控制的,于是反应物在非常粘的介质中的流动性显著放慢,反应速率也降低,固化引起的收缩应力也减弱。此时降低压力使得网络结构紧密程度降低,密度减小,因此固化收缩率下降。张卫国[28]用正交试验法研究了SMC模压工艺,对成型温度、保温时间及装料量三个因数对SMC产品质量的影响进行了分析和研究。实验结果表明,在影响SMC模压质量诸多因素中,成型温度和保温时间的影响最显著。王炳淑、李庆奎和马金华[29]探讨了SMC模塑大型盆状制品成型工艺,探讨了影响SMC模塑制品质量的因素及可采取的解决办法,大型SMC制品应选用半密闭式模具,加热方式采用电加热和油加热皆可。宋修宫、孙巍、王继辉[30]研究了SMC模压工艺参数对大型复杂汽车件表面针眼的影响,通过改变加料方式、预压时间及加压压力可以减小产品表面针眼,压制出高表面质量的SMC产品。总之,成型温度和成型压力共同影响着SMC制品的质量,要在综合考虑各种影响因素的情况下,确定出最佳的成型温度、成型压力及保压时间。此外,SMC制品的表面质量除了与原料配方、成型工艺条件有关外,模具成型腔的表面状况也是一个重要的影响因素。为了使制品达到A级表面,模具成型腔表面粗糙度应在 10以上并且应镀硬铬。最近又开发了模具渗氮离子技术,硬化层深而均匀,使用寿命可达20万次以上(镀铬模具一般寿命为4万次)。另外,近年来一些发达国家为了提高模具的光泽度,在中小型模具方面,采用氮化钛涂层效果颇佳;目前CAE技术[31]在复杂SMC零件成型中得到较为广泛的应用。