玻纖成膜劑種類對(duì)SMC制品力學(xué)性能的影響

張志堅(jiān)，陸 琦，章建忠，劉 陽，張 鑫，徐琳晉，張 萍，袁向靜

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料（俗稱玻璃鋼）是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以熱固性樹脂為基體的增強(qiáng)型塑料。其突出的優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高、硬度高、耐酸堿腐蝕性和絕緣性能良好。另外，根據(jù)增強(qiáng)基體的種類不同，其還具有不同程度的保溫、隔熱和減震等功能［1］。為潤(rùn)滑玻璃纖維表面，同時(shí)促進(jìn)其與被增強(qiáng)熱固性樹脂之間的結(jié)合，在玻璃纖維拉絲過程中需要在其表面涂覆浸潤(rùn)劑。其中，成膜劑作為浸潤(rùn)劑的主要成分（占2%~15%），一般包含以下幾類：環(huán)氧乳液（EP）、不飽和聚酯乳液（UP）、聚醋酸乙烯酯乳液（PVAc）、聚氨酯乳液和聚丙烯乳液等［2］。

作為玻璃鋼成型工藝的一種，片狀模塑料（Sheet Molding Compound，以下簡(jiǎn)稱SMC）具有成本較低、工業(yè)可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)和成型效率較高等優(yōu)點(diǎn)［3］，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通、工業(yè)存儲(chǔ)運(yùn)輸和室內(nèi)家裝等諸多領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)SMC制品的力學(xué)性能也提出了更高要求。而根據(jù)復(fù)合材料界面理論，玻璃纖維與基體材料之間的界面是影響力學(xué)性能的重要因素之一［4］。目前，SMC制品主要的基體材料是不飽和聚酯樹脂，因而在此基礎(chǔ)上研究不同玻纖成膜劑對(duì)制品力學(xué)性能的影響具有重要意義［5］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

玻璃纖維（A）：EP為主成膜劑，巨石集團(tuán)有限公司；

玻璃纖維（B）：UP為主成膜劑，巨石集團(tuán)有限公司；

玻璃纖維（C）：PVAc為主成膜劑，巨石集團(tuán)有限公司；

EP乳液：DSM；

UP乳液：DSM；

PVAc乳液：DSM；

不飽和聚酯樹脂：DSM；

硅烷偶聯(lián)劑：A174，Momentive；

脂肪酰胺類潤(rùn)滑劑：DSM；

固化劑：阿克蘇固化劑，常州眾杰復(fù)合材料；

填料：CaCO3（5μm），上海緣江化工。

1.2 儀器和設(shè)備

電子天平：BS2202S，賽多利斯；

光學(xué)顯微鏡：DYE-400E，上海點(diǎn)應(yīng)光學(xué)儀器有限公司；

SMC生產(chǎn)線：SMC含浸機(jī)組，山東萊州耀勝自動(dòng)化設(shè)備公司；

模壓機(jī)：Y32-650T型，東莞金馳機(jī)械；

強(qiáng)力機(jī)：Z100型，德國(guó)Zwick公司；

電子掃描顯微鏡：S-3400N型，日本HITACHI公司。

1.3 樣品的制備

1.3.1 SMC用合股紗的制備

按照不同的浸潤(rùn)劑配方，分別以EP、UP和PVAc為主要成膜劑配制穩(wěn)定的浸潤(rùn)劑，經(jīng)過池窯拉絲、烘干、絡(luò)紗后制得 A、B和C 3種玻纖合股紗，作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.3.2 玻纖增強(qiáng)SMC片材的制備

將1.3.1中所制備的合股紗經(jīng)短切成長(zhǎng)度25 mm后，均勻地鋪放于預(yù)先涂敷有樹脂糊（包含一定比例的不飽和聚酯樹脂、固化劑和填料，粘度約25 000 cP）的塑料薄膜上，然后在表面覆蓋上另一層涂敷了相同樹脂糊的薄膜。當(dāng)其通過浸漬區(qū)時(shí)，樹脂糊與玻纖充分接觸混合，并且壓平后收集成卷，放置于40 ℃環(huán)境下，進(jìn)行熟化處理30~40 h。然后按要求裁剪成一定尺寸（120 cm×120 cm方形）的片材，揭去兩側(cè)PE保護(hù)膜，按厚度大小疊放于金屬對(duì)模中加溫加壓（壓力：15~20 MPa，溫度（165±5）℃），保壓一定時(shí)間后成型即得制品樣板。另外，由于目前國(guó)內(nèi)一般市場(chǎng)上SMC制品玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)多控制在20%~30%，因此本研究在制備片材時(shí)玻纖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照25%控制［6］。

1.4 性能測(cè)試

樹脂浸透效果測(cè)試：將玻纖樣品短切成50 mm左右，取0.5 g在塑料薄膜上均勻平行鋪展，將100 mL不飽和聚酯樹脂（粘度為800 cP）均勻倒于玻纖樣品表面，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。目測(cè)觀察10 min后玻纖樣品是否完全被樹脂浸透，有無白點(diǎn)或者白干絲。

毛羽性能測(cè)試：玻纖紗團(tuán)稱重，再經(jīng)過若干張力棍后以220 m/min的速度退解，在毛羽收集器中將紗線在退解過程中產(chǎn)生的毛絲收集，毛羽量的計(jì)算方法：毛羽量（mg/kg）=毛絲的質(zhì)量（mg）/所測(cè)試紗團(tuán)的質(zhì)量（kg）［7］。

單纖維直徑測(cè)試：按照GB/T 7690.5-2013《增強(qiáng)材料 紗線試驗(yàn)方法 第5部分：玻璃纖維纖維直徑的測(cè)定》測(cè)試。

玻纖可燃物含量測(cè)試：按照ISO1887《紡織玻璃纖維 易燃物質(zhì)含量的測(cè)定》測(cè)試。

SMC制品拉伸性能測(cè)試：按照ISO527《塑料 拉伸性能測(cè)定》測(cè)試。

SMC制品彎曲性能測(cè)試：按照ISO178《塑料 彎曲性能測(cè)定》測(cè)試。

SMC制品無缺口抗沖擊強(qiáng)度測(cè)試：按照ISO179《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻纖性能

A、B和C這3個(gè)樣品的可燃物含量、毛羽量、單纖維直徑和聚酯樹脂浸透效果的測(cè)試結(jié)果如表1所示。3個(gè)樣品的可燃物含量和單纖維直徑無明顯差異，分束均較為均勻，且紗團(tuán)退解較為順暢，成帶性良好。其中A產(chǎn)品紗線外觀集束性更好，毛羽測(cè)試的結(jié)果也明顯優(yōu)于B和C產(chǎn)品，這說明EP成膜劑對(duì)玻纖的粘結(jié)性較好，產(chǎn)生毛散絲較少。

表1 玻纖產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果

另外，從圖1中可以直觀地觀察到A、B、C這3種玻纖產(chǎn)品的單纖維直徑基本保持一致，并且均勻性控制較好，這為后續(xù)制品的力學(xué)評(píng)價(jià)提供了良好的平行對(duì)比條件。

圖1 3種玻纖產(chǎn)品的偏光顯微鏡成像圖

當(dāng)采用粘度為800 cP的聚酯樹脂做浸透測(cè)試時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)A產(chǎn)品靜置10 min后仍有少量的白絲白點(diǎn)，而B和C產(chǎn)品則呈現(xiàn)完全浸透的狀態(tài)。這說明與EP相比，以UP和PVAc作為主成膜劑的玻纖產(chǎn)品在與聚酯樹脂接觸時(shí)，可能更有利于聚酯樹脂在玻纖表面的浸潤(rùn)和滲透，這一結(jié)果也是與相似相溶原理相符合的［8］。

2.2 SMC制品力學(xué)性能

SMC制品的力學(xué)性能是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，因此本研究對(duì)3種玻纖產(chǎn)品增強(qiáng)聚酯SMC材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 SMC制品力學(xué)性能

由表2可知，B和C產(chǎn)品的力學(xué)性能較A產(chǎn)品有了較大提升，特別是B產(chǎn)品在三者的力學(xué)性能對(duì)比中具有明顯優(yōu)勢(shì)。其中B產(chǎn)品的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別比A產(chǎn)品高出36.4%和27.7%。這可能是由于B產(chǎn)品采用的是UP作為主成膜劑，被賦予了玻纖表面與聚酯樹脂較好的相容性，玻纖和樹脂相互融合，其界面性能得到了提升［9］。為證實(shí)這一推論，本研究對(duì)3種產(chǎn)品的拉伸斷面拍攝了SEM圖像（圖2），從中可以發(fā)現(xiàn)B產(chǎn)品圖像中裸露的玻纖表面有大量樹脂殘塊均勻附著，表明樹脂與玻纖表面結(jié)合良好，施加在樹脂上的載荷能很好地過渡到玻纖上，提升了復(fù)合材料的整體力學(xué)性能［10］。而A產(chǎn)品SEM圖像中玻纖表面相對(duì)較為光滑，樹脂殘留較少，因此在拉伸斷裂時(shí)玻纖直接從樹脂中拔出，玻纖沒起到分擔(dān)外界載荷的作用，因此力學(xué)性能較低。相比之下，3種產(chǎn)品的抗沖擊強(qiáng)度和模量差異不是很明顯，這可能與抗沖擊強(qiáng)度和模量主要受限于樹脂基體有關(guān)［11］。

圖2 3種玻纖復(fù)合材料的拉伸斷面SEM成像圖

3 結(jié)論

（1）與分別以UP和PVAc為主成膜劑的玻纖產(chǎn)品相比，以EP作為主成膜劑使得玻纖集束性較好，翻絡(luò)毛羽相對(duì)較少。

（2）分別用以上3種玻纖產(chǎn)品增強(qiáng)聚酯樹脂，經(jīng)SMC工藝制得復(fù)合材料，分析認(rèn)為UP作為主成膜劑的玻纖與樹脂界面結(jié)合最好，制品力學(xué)性能最高，PVAc次之，EP較前兩者都低。