玻纖成膜劑種類對SMC制品力學性能的影響

張志堅，陸 琦，章建忠，劉 陽，張 鑫，徐琳晉，張 萍，袁向靜

（巨石集團有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

玻璃纖維增強熱固性塑料（俗稱玻璃鋼）是以玻璃纖維為增強材料，以熱固性樹脂為基體的增強型塑料。其突出的優點是比強度高、硬度高、耐酸堿腐蝕性和絕緣性能良好。另外，根據增強基體的種類不同，其還具有不同程度的保溫、隔熱和減震等功能［1］。為潤滑玻璃纖維表面，同時促進其與被增強熱固性樹脂之間的結合，在玻璃纖維拉絲過程中需要在其表面涂覆浸潤劑。其中，成膜劑作為浸潤劑的主要成分（占2%~15%），一般包含以下幾類：環氧乳液（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，以下簡稱SMC）具有成本較低、工業可設計性較強和成型效率較高等優點［3］，目前已被廣泛應用于汽車、軌道交通、工業存儲運輸和室內家裝等諸多領域。隨著復合材料應用領域的不斷拓展，對SMC制品的力學性能也提出了更高要求。而根據復合材料界面理論，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，因而在此基礎上研究不同玻纖成膜劑對制品力學性能的影響具有重要意義［5］。

1 實驗部分

1.1 原料

玻璃纖維（A）：EP為主成膜劑，巨石集團有限公司；

玻璃纖維（B）：UP為主成膜劑，巨石集團有限公司；

玻璃纖維（C）：PVAc為主成膜劑，巨石集團有限公司；

EP乳液：DSM；

UP乳液：DSM；

PVAc乳液：DSM；

不飽和聚酯樹脂：DSM；

硅烷偶聯劑：A174，Momentive；

脂肪酰胺類潤滑劑：DSM；

固化劑：阿克蘇固化劑，常州眾杰復合材料；

填料：CaCO3（5μm），上海緣江化工。

1.2 儀器和設備

電子天平：BS2202S，賽多利斯；

光學顯微鏡：DYE-400E，上海點應光學儀器有限公司；

SMC生產線：SMC含浸機組，山東萊州耀勝自動化設備公司；

模壓機：Y32-650T型，東莞金馳機械；

強力機：Z100型，德國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

按照不同的浸潤劑配方，分別以EP、UP和PVAc為主要成膜劑配制穩定的浸潤劑，經過池窯拉絲、烘干、絡紗后制得 A、B和C 3種玻纖合股紗，作為實驗材料。

1.3.2 玻纖增強SMC片材的制備

將1.3.1中所制備的合股紗經短切成長度25 mm后，均勻地鋪放于預先涂敷有樹脂糊（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。當其通過浸漬區時，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 ℃環境下，進行熟化處理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PE保護膜，按厚度大小疊放于金屬對模中加溫加壓（壓力：15~20 MPa，溫度（165±5）℃），保壓一定時間后成型即得制品樣板。另外，由于目前國內一般市場上SMC制品玻纖質量分數多控制在20%~30%，因此本研究在制備片材時玻纖的質量分數按照25%控制［6］。

1.4 性能測試

樹脂浸透效果測試：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，同時開始計時。目測觀察10 min后玻纖樣品是否完全被樹脂浸透，有無白點或者白干絲。

毛羽性能測試：玻纖紗團稱重，再經過若干張力棍后以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生的毛絲收集，毛羽量的計算方法：毛羽量（mg/kg）=毛絲的質量（mg）/所測試紗團的質量（kg）［7］。

單纖維直徑測試：按照GB/T 7690.5-2013《增強材料 紗線試驗方法 第5部分：玻璃纖維纖維直徑的測定》測試。

玻纖可燃物含量測試：按照ISO1887《紡織玻璃纖維 易燃物質含量的測定》測試。

SMC制品拉伸性能測試：按照ISO527《塑料 拉伸性能測定》測試。

SMC制品彎曲性能測試：按照ISO178《塑料 彎曲性能測定》測試。

SMC制品無缺口抗沖擊強度測試：按照ISO179《塑料 簡支梁沖擊強度的測定》測試。

2 結果與討論

2.1 玻纖性能

A、B和C這3個樣品的可燃物含量、毛羽量、單纖維直徑和聚酯樹脂浸透效果的測試結果如表1所示。3個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，且紗團退解較為順暢，成帶性良好。其中A產品紗線外觀集束性更好，毛羽測試的結果也明顯優于B和C產品，這說明EP成膜劑對玻纖的粘結性較好，產生毛散絲較少。

表1 玻纖產品性能測試結果

另外，從圖1中可以直觀地觀察到A、B、C這3種玻纖產品的單纖維直徑基本保持一致，并且均勻性控制較好，這為后續制品的力學評價提供了良好的平行對比條件。

圖1 3種玻纖產品的偏光顯微鏡成像圖

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

2.2 SMC制品力學性能

SMC制品的力學性能是限制其應用的關鍵因素之一，因此本研究對3種玻纖產品增強聚酯SMC材料的力學性能進行了測試。對比結果如表2所示。

表2 SMC制品力學性能

由表2可知，B和C產品的力學性能較A產品有了較大提升，特別是B產品在三者的力學性能對比中具有明顯優勢。其中B產品的彎曲強度和拉伸強度分別比A產品高出36.4%和27.7%。這可能是由于B產品采用的是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］。為證實這一推論，本研究對3種產品的拉伸斷面拍攝了SEM圖像（圖2），從中可以發現B產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，提升了復合材料的整體力學性能［10］。而A產品SEM圖像中玻纖表面相對較為光滑，樹脂殘留較少，因此在拉伸斷裂時玻纖直接從樹脂中拔出，玻纖沒起到分擔外界載荷的作用，因此力學性能較低。相比之下，3種產品的抗沖擊強度和模量差異不是很明顯，這可能與抗沖擊強度和模量主要受限于樹脂基體有關［11］。

圖2 3種玻纖復合材料的拉伸斷面SEM成像圖

3 結論

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

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