汽車SMC：老話新說——新的基體材料

在SMC的配方中，除了增強(qiáng)材料和填料發(fā)生了重大變化外，繼續(xù)拓展SMC使之超越傳統(tǒng)的變化，還取決于不飽和聚酯樹脂（UP）、乙烯基酯樹脂（VE）及這兩種基體材料的混合物。

現(xiàn)在，許多樹脂供應(yīng)商和配混商都表示，他們已開發(fā)了含有兩種、3種甚至4種或更多種聚合物體系的混合樹脂系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

另有一些樹脂供應(yīng)商和配混商則在研究非傳統(tǒng)的單一樹脂基體。

在一定程度上，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是，使SMC在實(shí)際的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中更加有效。

比如，乙烯基酯樹脂（VE）是一種完全飽和的聚合物，所以，如果沒有開展針對(duì)浸潤(rùn)劑的新的研究，它與碳纖維之間就不會(huì)有很好的粘接。

另一個(gè)愿望是，減少或消除揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），特別是苯乙烯，而這相應(yīng)地會(huì)影響配混。

聚氨酯（PUR）是用于這類混合物中的另一種樹脂。自2000年代初以來，傳統(tǒng)的SMCs中已添加了少量的PUR，以此來提高韌性并減少氣泡和油漆爆裂問題。

由于具有較高的力學(xué)性能、損傷容限、耐化學(xué)性、成型性以及與眾多增強(qiáng)材料和填料之間完美的粘接性，因此PUR可以以其自身的正確方式成為SMC的基體材料。

然而，所面臨的一大障礙是，傳統(tǒng)PUR的固化速度太快，不適合常規(guī)的SMC配混。

因此，一項(xiàng)旨在“創(chuàng)造一種更強(qiáng)大、更堅(jiān)韌的復(fù)合材料系統(tǒng)，以滿足鐵道行業(yè)嚴(yán)格的火焰、煙霧和毒性（FST）要求”的多年開發(fā)項(xiàng)目，為嘗試使用PUR提供了機(jī)遇。

該項(xiàng)目得到了加拿大安大略省政府的部分資助，吸引了研究機(jī)構(gòu)弗勞恩霍夫復(fù)合材料研究中心、亨斯邁聚氨酯公司和玻璃纖維供應(yīng)商Johns Manville公司的參與。

3個(gè)關(guān)鍵因素使得該項(xiàng)目進(jìn)展順利：

? 第一，亨斯邁為采用化學(xué)方法減小PUR的黏度以實(shí)現(xiàn)樹脂的快速固化所作的前期開發(fā)工作。這允許配混商以低黏度建立長(zhǎng)期的潛伏期和壽命，確保即使是大尺寸部件也能使纖維得到徹底浸透，以及快速固化。

? 第二，弗勞恩霍夫復(fù)合材料研究中心與弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究院和迪芬巴赫公司合作，圍繞直接SMC（D-SMC）工藝開展的研究工作。在此工藝中，配混過程無論從物理上還是時(shí)間上都非常接近成型，無需常見于傳統(tǒng)SMC的48~72小時(shí)的熟化期。而亨斯邁的VITROX樹脂系統(tǒng)，為采用直接工藝生產(chǎn)PUR SMC提供了所需要的化學(xué)特性。

? 第三，Johns Manville公司在浸潤(rùn)劑原料上開展的研究。由于CaCO3（最常用的SMC填料）可能與一些聚氨酯催化劑不兼容，因此必須采用替代填料（這種情況下，可以采用玻璃微珠和研磨玻璃）。實(shí)際上，一些浸潤(rùn)劑原料也可能影響PUR基體的反應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)的SMC玻璃纖維浸潤(rùn)劑是苯乙烯可溶的產(chǎn)品，它能確保良好浸潤(rùn)，但不適合PUR樹脂系統(tǒng)。因此，Johns Manville公司必須圍繞新的樹脂系統(tǒng)來改變浸潤(rùn)劑的化學(xué)成分，以優(yōu)化纖維浸潤(rùn)和耦合，避免抑制PUR的反應(yīng)。

通過對(duì)阻燃PUR SMC的15種初始配方進(jìn)行生產(chǎn)和測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中的4種擁有與乙烯基酯樹脂SMC相當(dāng)或更優(yōu)的性能，而且固化速度也快很多：

? 拉伸強(qiáng)度提高了23%（118MPa）；
? 拉伸斷裂伸長(zhǎng)率提高了25%（斷裂伸長(zhǎng)率1.7%）；
? 相比不飽和聚酯SMC配方，通過Dynatup沖擊方法測(cè)量的能量吸收要高40%；
? 與擁有類似纖維含量和填料的乙烯基酯樹脂SMC相比，Dynatup沖擊性能提高了25%。

此外，A級(jí)表面的PUR SMC也令人深受鼓舞，但仍需努力不斷提高表面精度。

采用D-SMC工藝生產(chǎn)的PUR SMC具有很好的表面，在此工藝中，材料得到配混，然后在短時(shí)間內(nèi)成型，沒有熟化步驟。

雖然處在早期開發(fā)階段，但PUR SMC系統(tǒng)已表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能和火焰蔓延值，且無VOC排放，但還不能滿足鐵道行業(yè)的煙氣要求，因此需要開展更多的研究工作。



該座椅骨架（上、中兩圖）采用了為鐵道行業(yè)開發(fā)的快速固化PUR SMC。早期的材料（下圖）已展示了良好的力學(xué)性能和防火焰蔓延指數(shù)，而且無VOC排放，但尚未滿足鐵路行業(yè)的煙氣要求。

進(jìn)入議事日程的其他研究還包括：評(píng)估更多的填料系統(tǒng)，以及評(píng)估增強(qiáng)材料含量明顯高于初級(jí)配方的未填充的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。弗勞恩霍夫復(fù)合材料研究中心目前測(cè)試的PUR SMC系統(tǒng)，其玻纖含量實(shí)際上處在60%重量百分比的范圍內(nèi)。

在正式研究結(jié)束后，弗勞恩霍夫復(fù)合材料研究中心與亨斯邁作了額外的篩選工作，以在D-SMC工藝中評(píng)估采用卓爾泰克的50K碳纖維絲束增強(qiáng)的PUR。

與大絲束碳纖維增強(qiáng)的乙烯基酯樹脂SMC相比，碳纖維增強(qiáng)的PUR SMC表現(xiàn)出了相當(dāng)或略高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，130℃的脫模時(shí)間只有2.5min.，而且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約為125℃的樹脂，可以生產(chǎn)出2mm的部件厚度。

更多進(jìn)展中的研究是評(píng)估三維設(shè)計(jì)的成型性，以及開展更長(zhǎng)的冷藏研究和更多的沖擊試驗(yàn)。

初步的研究表明，在要求更大耐久性和韌性的應(yīng)用中，PUR SMC可能會(huì)找到適合的應(yīng)用。

此外，在環(huán)氧樹脂方面也開展了一些有趣的研究。

乙烯基酯樹脂（VE）本身是由一種環(huán)氧化物合成的，所以環(huán)氧改性的乙烯基酯樹脂（VE）以及乙烯基酯樹脂（VE）/不飽和聚酯樹脂（UP）的混合物已存在了一段時(shí)間。

最近，樹脂供應(yīng)商瀚森公司商業(yè)化了一種專為汽車SMC而設(shè)計(jì)的100%的環(huán)氧樹脂級(jí)別。

除了力學(xué)性能高外，環(huán)氧SMC的其他優(yōu)勢(shì)是，與環(huán)氧預(yù)浸料具有固有的兼容性：這兩種產(chǎn)品可以通過共成型而生產(chǎn)出一種“量身訂制”的復(fù)合材料部件。

由EPIKOTE TRAC 06605樹脂與EPIKURE TRAC 06608固化劑組成的新系統(tǒng)是一種擁有良好流動(dòng)性和纖維浸潤(rùn)性的低黏度配方，專為SMC工藝而得到了改性，可與HELOXY TRAC 06805內(nèi)部脫模劑（加速脫模）一起供應(yīng)。

該系統(tǒng)無苯乙烯、VOCs排放低，并完全能與市場(chǎng)上的其他環(huán)氧復(fù)合材料兼容。

經(jīng)配制后，它可提供優(yōu)良的浸潤(rùn)性并允許最大的纖維體積含量（FVF），適用于所有通用的SMC增強(qiáng)材料，包括玻璃纖維。

據(jù)瀚森公司介紹，采用汽車級(jí)別的纖維，當(dāng)增強(qiáng)材料的體積百分比達(dá)到55%時(shí)，依然可以獲得高質(zhì)量的成型部件。

典型的成型條件是：
? 150℃時(shí)為3min.；
? 140℃時(shí)為5min.。

采用較低溫度的選項(xiàng)，可以獲得更好的表面效果。

這種低黏度系統(tǒng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約是100℃，所以成型部件能夠經(jīng)受電泳涂裝工藝（至少適用于歐洲的電泳涂裝生產(chǎn)線），只是在此過程中，需要對(duì)部件進(jìn)行遮擋并提供很好的支撐。此外，成型部件也能夠適應(yīng)噴涂生產(chǎn)線的溫度。

目前，采用三菱化學(xué)碳纖維與復(fù)合材料公司的45%體積百分比和57%重量百分比的15K Pyrofil碳纖維（含0.4%的環(huán)氧樹脂相容浸潤(rùn)劑），該新的系統(tǒng)在表面積為0.35m2的汽車座椅骨架結(jié)構(gòu)上得到了試用。



瀚森公司最近商業(yè)化了一種專為汽車SMC而設(shè)計(jì)的B級(jí)100%的環(huán)氧樹脂級(jí)別，最近，它被用于一款汽車座椅骨架的成型

初始的填充面積是25%，據(jù)介紹，部件完全填滿了模具（即部件的幾何形狀），包括肋和軸套等。

A. Schulman公司表示，該公司自1987年以來就已生產(chǎn)出玻璃纖維/環(huán)氧樹脂和碳纖維/環(huán)氧樹脂的SMC，最近推出了4個(gè)級(jí)別的“下一代無苯乙烯、低VOC排放”的采用3K和12K絲束短切碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧SMC以及連續(xù)纖維氈。

這些材料級(jí)別擁有比碳纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂SMC更高的力學(xué)性能，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）處在Tan Delta和儲(chǔ)能模量（分別為125℃和160℃）之間，這使它們甚至能夠用于溫度更高的北美電泳涂裝生產(chǎn)線上。

麥格納外飾公司介紹說，自2008~2009年以來，該公司已采用了內(nèi)部配制的環(huán)氧-聚氨酯SMC。

根據(jù)應(yīng)用對(duì)性能和成本的要求，麥格納還采用了來自幾家供應(yīng)商的混合的不飽和聚酯樹脂（UP）和改性的乙烯基酯樹脂（VE）原料。