張廣平，沈春銀，戴干策  （華東理工大學聚合物加工研究室，上海200237)

      摘要：本文研究了玻纖氈增強聚丙烯復合材料（GMT）成型過程中布料層數和操作工藝對流動行為的影響。結果表明，隨著布料層數增加，流動面積增大，相同坯料質量時3層布料較單層布料流動總面積增加約30％。提高模腔溫度和壓力均有利于材料流動，適宜操作條件為模溫80℃-90℃，壓力15 MPa以上。
    關鍵詞：玻纖氈：聚丙烯；流動行為；布料；模壓
    中圖分類號：TB332文獻標識碼：A文章編號：1003 -0999（2005）03 -0038 -03
    玻纖氈增強聚丙烯復合材料（GMT)具有力學性能高，特別是沖擊強度高，質量輕，易回收利用等特點，在汽車工業中用于制作保險杠骨架、前端、座椅骨架、發動機罩、電池托盤等^[1-3]。GMT制品成型是將片材裁剪成一定尺寸，在對流烘箱或紅外烘道中預熱至200℃左右，置于模具內壓制。GMT材料具有何種流動和充模行為以及如何加以描述、表征和預測一直是材料開發商、加工商和研究者面對的基本問題。對GMT流動、成型方法、纖維取向和力學性能等的研究報道較多^[4-11]。基于原料來源、制造工藝上的差異，材料的性能和成型工藝往往不同，弄清各種因素的影響將有利于模具結構設計和成品率的提高。隨著國內GMT材料的應用日益廣泛，以及國產GMT裝置的建成投產，對成型不同部件如何進行布料設計更加引人關注。本文以自制GMT片材作研究對象，著重考察了不同布料時材料的流動行為及模溫和壓力等因素對流動的影響。
1  實驗
1.1原料及設備
    GMT片材是中試裝置生產的以Y1600聚丙烯（上海石化）為基體，連續玻纖氈（泰山玻璃纖維股份有限公司）為增強材料。片材厚度3. 7mm，玻纖含量38-40%。半自動壓力成型機，0. 25MN，上海西瑪偉力橡膠有限公司；鼓風烘箱由上海實驗儀器
總廠提供。
1.2實驗方法
    GMT片材裁剪成一定尺寸，置于溫度設定為230 0C的鼓風烘箱內預熱5 min，迅速轉移至80℃壓機平板上，合模保壓1 min，合模速度8 mm/s。開模后將成型的平板輪廓復制到稱量紙上，由稱量法確定流動面積，并測量流動長度。坯料尺寸分別為單層150 x 150mm，2層106 x 106mm，3層87 x 87 mm，4層87 x 87 mm下面兩層和62 x 62mm上面兩層。將模腔平面尺寸為150 x 100mm，中間有一深度為30mm厚2mm加強筋的平板模具置于壓機上，控制模溫80℃，模壓力12 MPa，按不同布料方式成型CMT平板。
2  結果與討論
2.1布料方式的影響
    在壓機壓板溫度80℃、合模壓力12MPa的條件下進行了4種布料方式模壓實驗，結果見表1。在單層布料情況下流動面積較布料區面積增大約40%，大流動長度僅18mm.材料流動性明顯不如長玻纖增強的聚丙烯，后者在同樣實驗條件下流動面積可增大100%以上。將2層坯料在烘箱中重疊后再置于壓板上合模，流動面積增量為205%，大流動長度為48 mm.上述兩種布料方式的GMT材料在平面內均勻拉伸流動，在x,y方向流動長度基本相同，因為所采用的連續玻纖氈在平面內基本均勻，制得的GMT片材在面內是各向同性的。3層坯料重疊布料方式的流動面積增量為448%，大流動長度為85 mm .由于坯料尺寸較小，多層坯料重疊時有一點錯位，導致材料向某一方向流動距離大于另一方向。4層坯料布料時流動面積只比三層布料方式略有增加，面積增量為467%，但流動的不均勻性更大，大流動長度達108 mm。從模壓流動后的總面積來看，2層、3層和4層布料方式模壓后總面積分別比單層布料增大10%、30%和35%，3層以上的布料具有更好的流動性。

     GMT片材是由2層連續玻纖氈與3層聚丙烯樹脂交替疊合通過熔融浸漬得到的大休均一的材料。GMC片材在烘箱中預熱至2107左右時，樹脂重新熔化，受壓的玻纖氈回彈，致使材料膨化，厚度增大一倍以上。在模具中材料經歷受壓排氣、流動和壓實過程^［7］。較高溫度的GMT材料在向模具轉運的過程中由于散熱，其表面溫度明顯降低。合模時與冷模具表面接觸使材料溫度進一步降低，緊貼模具的樹脂層固化在模具表面，又影響了玻纖氈層的流動，可以認為緊貼模具表面的樹脂和氈兒乎是不流動的^[8]。僅以單層坯料模壓時，熱的坯料從烘箱轉移到模具時對環境的散熱面積大，放置在模具上與模具的接觸面積也大，合模過程中材料開始流動前降溫已較明顯，故流動性差；同樣質量的材料兩層重疊后再轉運時散熱面積減小50%，與模具的接觸面積也減小50%，有利于將中間層保持在較高的溫度。另一方面，模壓時所需的合模力與坯料的厚度成反比^[9,10]，即坯料越厚，材料流動所需的合模力越小，這與壓機加壓時壓力逐步上升的程序正好相對應。因此，在布料區坯料承受高壓，而在層疊坯料的邊緣區（自由區）建立了很高的壓力梯度，導致GM7材料的中間熔體層和玻纖層以拉伸流的方式從布料區滑移出來，并在流動過程中冷卻下來。布料區緊貼模具的上下兩層樹脂和玻纖氈仍然是不流動的，但不流動區減小。當布料面積減小為單層布料的30%，散熱面積及合模時材料開始流動所需的壓力更加趨小，充模流動更有利，流動總面積增幅達448%。此后，再增加布料層數，流動的總面積增幅趨緩。因此，在成型GMT制品時采用多層坯料重疊布料設計，一般坯料層數應超過3層，以獲得良好的流動效果。

2.2模溫對流動的影響：
    3層布料方式在壓力12MPa下壓板溫度對流動的影響如圖1。
    隨著壓板溫度升高，流動面積增量呈線性增大。這是囚為較高的模溫降低了傳熱的速率，在快速合模時熱量來不及移走，使得流動面積增大。在較低壓板溫度下壓板與坯料接觸導熱較顯著，模壓后布料區坯料外形輪廓清晰可見，表面光澤度較差。在壓板溫度上升到80℃后，布料區坯料外形變得模糊，光澤度大大提高。壓板溫度100 `C時幾乎難以分辨坯料外形輪廓。Yamaguchi等〔川認為，模溫在接近熔點時制品具有高表面光澤度，但這一條件不適合規模化生產，因為生產周期會大大延長。GMT成型應采用較高的模溫，綜合考慮制品脫模和定型性等囚素，適宜的模溫應在80-90℃。

2.3壓力對流動的影響
    3層布料方式在壓板溫度80℃下壓力對流動過程影響如圖2.在5 MPa壓力下流動面積增量為300%，當壓力提高至15MPa時面積增量為590%，提高近一倍。壓力的影響比模溫的影響更顯著。GMT模壓成型壓力為推動力，粘性力為阻力。壓力越高，中問層從布料區滑移出來速度越快，物料降溫越小，流動距離越大。因此，提高模壓壓力是增大GMT材料流動性有效的措施。對于形狀越復雜的制品，成型過程需要的壓力越大。

2.4制品成型
    以140mm x 90man（長x寬）單層坯料成型平板，結果發現平板整體輪廓可以成型，但加強筋沒有充滿。因為加強筋中的物料是從平鋪坯料中通過氈層擠壓滲透出來的，流動性較差。并且由于表面樹脂層固化及中間熔體穿過纖維床層流動，加強筋的玻纖含量也不高，強度較低。以70 x 90mm 2層坯料成型平板，坯料靠近加強筋擺放，模壓后發現加強筋充滿了，但平板一端缺料。表明在這一操作條件下受物料流動長度的限制，仍難以得到完整的制品。以60 x70mm 3層坯料靠近加強筋擺放，模壓后無缺陷，加強筋和平板成型完整，且表面質量較好，翹曲程度小。
3  結論
    （1）GMT模壓成型中采用3層以上坯料重疊布料可獲得佳的流動性能；
    （2)適宜的模壓工藝條件是烘箱溫度是235`C，模溫80～90℃，模腔壓力大于15MPa;
      (3)對于有加強筋等復雜結構的制品，坯料設計尤為重要，應為加強筋提供流動通道，以確保加強筋與主體相同的玻纖含量，獲得均一的力學性能。
   參考文獻
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                FLOW BEHAVIOR OF GLASS MAT REINFORCED POLYPROPYLENE IN
                                          COMPRESSION MOLDING
                          ZHANG Guang-ping，SHEN Chun-yin，DAI Gan-ce
        （Polymer Processing Lab，East China University of Sci. and Tech. Shanghai 200237，China)
    Abstract：The effects of blank plies and process operation on the flow behavior dining compression molding of  glass mat reinforced polypropylene（GMT) were investigated. The results showed that the flow area increased with the numbers of blank plies and the total flow area of three plies of blank was increased by 30% compared with the same  weight of single blank layer. The higher molding pressure and temperature were in favor of the flow of melting GMT. The molding temperature of 80 --90`C and pressure of 15MPa and above were suitable for the compression molding.
    Key words：glass fiber; polypropylene；flow behavior; blan charge design：compression molding