国外GMT干法生产工艺技术发展动向.doc

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1、2003年江苏省复合材料科学技术与l一程学术研讨会论文集国外GMT干法生产工艺技术发展动向 邓洪赵东波江兴彭基戍 (南京玻璃纤维研究设计院南京)摘要：本文着重介绍了玻璃纤维针。刺毡增强热塑性塑料片材干法生产T艺的许多改进技术，包括预浸溃法、表 iflf修饰法、针刺毡结构法、钢带改进法、片材预热法、离心法等技术，以及用这些方法生产片材的设备、各项I 艺参数及制品性能。关键词：GMT片材玻璃纤维针刺毡工艺参数New techn i CS ofdryprocess manufactur i ng GMTi nforeigncountr iOSNanjing Glassfiber ResearchDe

2、sign InstituteDenghong Zhaodongbo Jiangxing Pengjicheng(Nanjing 、Abstract：This article introduces many improved technics of dry process manufacturing glass mat reinforced thermoplastics，including presoaking，surface decorating，needled mat structuring，steel helt modifying，sheet preheating and centrifu

3、ging method，and the equipments，processing parameters，properties of the products made by these technics as wellKeywo rd GMT sheet，glassfiber,needled mat，processing parameters1引言GMT片材的干法生产技术工艺简单、投资小、运转灵活，因而被广泛采用。但也存在热塑性 树脂对玻纤毡浸渍困难、玻纤不能在片材中完全均布、表面粗糙等缺点。针对这些问题，人们做 了大最的改进T作，使该工艺愈趋成熟。本文介绍了国外对干法生产GMT工艺改进的几

4、种新技 术。2预浸渍法”。该方法是为了解决浸渍性能而研制的，它的工艺原理示于图l中。贮料卷供往浸渍喷嘴，并 在成锥形的缝隙中被预热。热塑性塑料熔体由螺杆挤出机挤出，涂覆在毡的两面，形成了预浸渍， 其浸透程度用分流器部件加以调节。接着，两面预浸渍过的玻璃纤维毡移入双带压力机的入口辊 距中。双带压力机山加热的入口辊对和出口辊对组成，围绕着两组对辊各张紧着一条循环钢带。 入口辊距的横截面可调，可对已浸渍玻璃纤维毡进行预校准。通过对辊的压制构成了预复合体， 然后输往冷却板将热量带走。冷却板内有冷却介质(例如水)流过的孔，互相对置的板使冷却剂 流动方向彼此相反，从而可以保证降低通常在挤压时产生的热塑性塑

5、料中的压力。此外，冷却板 还用作压力板，在朝循环钢带那一面设滑动膜，冷却板借助于压力油缸同定在双带压力机的机架 上，并压在预复合体两面。为防止在加压区内的热塑性塑料熔体流出，在预复合体两侧有导引带 位于双带压力机的侧面循环运行，导引带的厚度大体上与预复合体厚度相等。冷却板的加压压力较小，例如1巴便足以压制成玻璃纤维增强的热塑性塑料板。这主要是由 于连续玻璃纤维针刺毡在浸渍喷嘴的缝隙出口处已经得到了充分预浸渍(进口宽于出口)。所以加 压骶力并非用于浸透，而是用于形成热塑性复合体或成品板。冷却后的热塑性塑料板在通过出口2003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集 南京20035辊对后，供

6、往圆片刀设备切边，然后，GMT片材板材通过冲切剪床按一定的尺寸切成段。 按此方法制成的玻璃纤维增强热塑性塑料板厚度可为l5mm；它的玻璃纤维含量为20-50。若玻璃纤维含量超过50和厚度超过5ram，可在两个浸渍喷嘴之间的缝隙中供入第三个玻纤毡， 以增加玻纤含量。当片材厚度小于5mm和玻纤含量低于40时，仅置入其中的玻纤毡之一。卜玻璃纤维针刺毡：2一模头t3一热塑性树脂；4一钢带；5一冷却板；6-Gg片材圈l3毡结构法瞳1针刺毡是将连续玻璃纤维原丝或短切玻璃纤维原丝经针刺的方法制成的。通过调整毡的形态 结构，可形成良好的与热塑性塑料复合的浸渍性能。毡的结构性能对片材的流动性、表观状态、 力学性

7、能的影响至关重要。针刺毡两面毛丝突出的长短、多少等是决定针刺毡性能的主要因素。 毡两面毛丝的数量可通过针刺频率、网带线速度、针钩的多少、齿钩形状进行调节。断纤的多少 也决定于单丝的挠度、浸润剂的类型等。针刺毡可以单面针刺，也可以双面针刺。若单面针刺，毡的一面光滑，另一面毛丝数量多， 且必须采取较深的针刺深度，才能使毡中的纤维充分缠结，丝束单纤化。这种针刺毡只允许长毛 朝向片材外面进行浸渍(反之，当对片材加热时，容易存在分层现象)，结果GMT片材表面因毡 面突出的玻纤过多、过长而变得粗糙。单面针刺的好处是毡的流动性好，可以使GMT片材压制 的产品中各处的玻纤含量相等。但采用单面针刺，毡两面的毛长

8、(以下简称纤突)不能单独控制， 使片材的性能在一些特殊需要的场合受到限制。3 1纤突不对称 纤突不对称双面针刺毡的优点是毡结构、单丝分散性各处相同，可自由、充分控制每一面的纤突长度和数量。这样可以对毡的整体性、纤维抗裂性、流动性、压缩性等指标进行全面控制。短纤突朝外布置可以提供光洁的片材表面，预热方式以红外辐射为佳，适合于有特殊需要的各种 制品(图2A)长纤突朝外铺设可以提高片材在模具中的流动性，降低20模具压力，预热时则以 高温度、大风量的热风炉为好(图2B)。下面是利用该方法生产的针刺毡的一些工艺参数：连续针刺毡：短切针刺毡： 毡密度：20015009m2毡密度：6009m2长纤突：6-8

9、mm长纤突：68mm22003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集南京20035短纤突：14mm 短纤突：l2mm 最小长度差：3mm 片材厚度：37mm 毡拉力：20N100mm 玻纤含量：303 2密度不对称 此种毡采用两面密度不对称针刺法，密度相差约10，其优点是给片材及针刺毡提供一个好的流动性。它是用短切玻璃纤维针刺而成的，纤维长度50mm。它的针刺参数如下：上针刺：下针刺： 布针：11行32号针(喂入端)布针 1l行32号针27行25号针(输出端)27行2s号针(输出端) 针刺密度：42cm2 针刺密度：57cm2针刺深度：1143mm针刺深度：1016mm利用该针刺毡制作

10、的片材力学性能为：玻纤含量()388 拉伸强度(MPa)928 密度(gcm)12拉伸模量(GPa)67 弯曲强度(MPa)146 冲击强度(KJm2)83 弯曲模量(GPa)5,6延伸率()2墓(A)黑一酏4表面修饰法n1采用干法生产的GMT片材表面比较粗糙，有时玻纤毛刺甚至会从片材的表面穿出，这就使 得用片材冲压的后道铕t品外观更为粗糙。为了改善制品外观，人们发明了表面修饰法。将炭黑、二氧化钛、碳酸钙、云母、高岭土、聚丙烯粉、滑石粉、抗氧剂、抗老化剂等按一 定比例配成混合粉料，粒径小于20u m(也可以加入表面活性剂、分散剂、乳化剂等配成悬浮液或泡沫，涂在刚生产出来的片材表面，经烘干、热压

11、黏结在片材表面)，装入料仓，利用铺粉机均 匀地铺在正在生产中的片材表面上，铺层厚度控制在001t01mm之内。然后通过加温加压形成牢牢黏附于GMT片材基体上的精致表面层(图3)，它不但起表面修饰作用，而且还提高了片材32003年江苏省复合材料科学技术与T程学术研讨会论文集 南京20035的强度、防老化等性能。35钢带改进法H在双钢带机压制纤维增强热塑性材料的过程中，采用由多孔材料形成对压合空间侧面的密封， 该材料经机械固定不会外移，并在进入压机前经水浸湿。在制作GMT材料时，双钢带机由于其经济性而被优先选用。但在压制GMT片材的过程中， 山于侧面材料的无规则流出，造成片材中玻纤含量以及片材厚度

12、的波动范围很大，而且造成较大 的浪费。原先采用的侧面密封方法有：(1)在钢带的侧面凹槽中放入线绳进行密封，存在的问题 是在高压压制过程中，线绳会被挤出，达不到密封的效果，而且在喂入段不能密封；(2)采用用螺栓固定在钢带上的橡胶带进行侧面密封，但这种方法不适合纤维增强复合材料这是由于纯橡胶带不能承受生产过程中的高温和机械负荷的缘故；(3)采用经增强的橡胶带进行密封，如表面 涂有硅橡胶的钢带，当压力增大时，橡胶带会向外移动，这种方法也不适应高压压制过程。新采用的方法是：热塑性材料在熔化状态下被挤出，与两层或多层玻纤毡或其它基材叠合， 输入双钢带压机中(图4)进行压制。为了使材料不会被挤出，加压区通

13、过种多孔材料进行密 封，该材料经机械固定，小会在压制过程中外移。侧面固定是通过与钢带同移动的固定物或同 定于钢带上的固定件进行固定的(图4)。侧面密封是由一种多孔材料实现的，如有必要，该材料 在进入双钢带机之前先浸湿处理。此材料可采用圆绳、编织绳或线缆，或者袋子、毡、无纺布或 泡沫材料，材质可以与加工用的热塑性材料相同或不同。密封材料最好是与待加1二的热塑性材料相同并经过浸湿处理。在此方法中，两边各加入经浸 湿的聚丙烯绳索，绳索的直径应能保证其在压制过程中能与上下钢带接触，在压制过程中，边缘 的聚丙烯料熔化后进入多孔材料的空隙中，与后者一起形成密封状态，这样在修剪过程中可与纤 维增强热塑性材料

14、一起剪下并回收利用。对于多孔材料进行水浸湿处理效果会更好，熔化的热塑 性料接触到湿润的多孔材料，水分就会蒸发，起到冷却的效果，熔体会变粘稠，最终固化，大大 提高了密封效果。两层玻纤毡的重量为每层9009m2，聚丙烯挤出形成的片材为27009m2，由聚丙烯针刺毡制 成绳索，厚度为6mm，宽度为10mm，经水浸湿，分别在片材两边喂入。为了固定密封绳索，在 钢带两侧边固定了金属片，厚度为3ram，车速为2mmin，在压制区的压力为25bar，制品厚度为37mm，密度为129cm3。42003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集南京2003 5卜钢带2一片_I；j：卜捎绳(A)2钢带2一挡块

15、3一挡绳4一片材(B)图46片材加热法玻纤毡增强热塑性材料作为半成品，通常呈片状，在加压工艺前，这些片材首先被加热到热 塑性材料的熔点以上60-80(2，原先主要是通过红外加热炉或热风炉对片材进行预热，热量传导 是通过辐射或强化对流作用来实现的。辐射加热的缺点是纤维材料的局部产生过热，从而会从表 面和基材中分离出来，这是由于热源的温度一般会比片材的预热温度高出100多度，热量在蓬松 的片材结构中的传导效果差，在整个片材没被完全加热之前，纤维的端部会变得很热。在这种情 形下，与之相邻的塑料会被破坏，在一些情况下，甚至会蒸发，这对制品的质量产生很大的影响， 与空气接触的表面也会因为被氧化而被破坏。

16、采用热风炉加热，局部过热的问题会大大减少，但 同时会带来大量的氧气，为了解决这个问题，必须降低风量，采用延长加热时间的方法，在连续 生产时需要足够长的热风炉。上述两种方法都存在导热效率低的问题。为了解决这些问题，可采用热传导的方法对纤维增强片材进行预热。将纤维增强热塑性片材 输送到两块加热板之间(其中一块加热板是可移动的)，在加热的同时进行加压，但会产生热塑性 材料粘结到加热板上的问题，为此在热塑性片材的两面加上两条带形物。该带形物越薄越好，以 便于传热，这些带形物一般是玻纤织物，经硅油或氟塑料涂敷或浸渍处理。带形物中可以含有金 属纤维，如钢丝。为了将带形物从片材上剥离下来，曾经采用过冷却法，

17、但这会浪费大量的能源。 采用片状或丝状的隔离物放置于片材与带形物之间，则可以解决这一问题。预热之后，片材与隔 离物、带形物一起送出加热区，然后带形物首先从片材上剥离，隔离物随后被剥离。隔离物一般 是一组组相邻的线、绳、条或带等，被排列成与热塑性材料送出加热区域相同的方向，与热塑性 材料贴合在一起。隔离物也可以是网状、格状、孔板、有孔的薄膜或箔片。隔离物的材料为天然 材料或合成热固性材料时，分解温度应比热塑性材料的加热温度高lo以上，隔离物材料为热塑 性材料时，其熔点应比热塑性片材的加热温度高2012以上。该方法可用于加热所有的纤维增强热塑性材料，比如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰皿胺、 聚脂、聚

18、氯乙烯等。增强纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属纤维、陶瓷纤维或天然纤维如纤维素纤维，这些纤维的形状可以是短切纤维、连续纤维、粗纱、毡材、无纺材料，织物、编织物等。 实例：纤维增强热塑性片材输送到预热装置中，该预热装置的加热功率为2600W，从室温52003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集 南京20035升至235C需10分钟，上加热板的压力为200N10分钟后，上加热板抬起，通过输送装置，经 预热的热塑性片材、带形物和隔离物一起被送出加热区，速度为2mmin，两层带形物和上隔离物 可完全从片材上剥离。在出料区，下隔离物亦完全从片材上剥离。(图5)onO_I 凑叁劳=卜加

19、热板2一片材3一隔离物4一带形物圈57离心法61在于法生产GMT片材的工艺中，由于热塑性塑料粘度大，对玻纤毡的浸溃非常困难。GMT片 材中玻纤在垂宜方向上的分布是不均匀的，呈现层状结构：由于玻纤毡是以连续玻纤原丝经铺毡、 针刺制造的。每束原丝约有50120根单丝，热塑性塑料要想完全浸渍每一根单丝，几乎是不可能 的。鉴于这种情况，开发了一种离心法生产GMT片材的新工艺。如图6所示，熔融的玻璃液流进旋转的离心器中，经过离心器圆柱面上的孔流出，形成连续 玻璃纤维，并通过涂油器给玻纤施加浸润剂。环形燃烧器有助于纤维的形成，但并不是对所有的 玻纤都需要。环形热风机促使玻纤向下运动，有利于沉降在网带上。与

20、玻纤离心器同轴安装的是 热塑性塑料纤维离心器，熔融的聚丙烯通过管子流入离心器，经圆管通道流进环腔，并从其圆柱 面上的孔中飞出，形成有机纤维。这样，玻纤和有机纤维互相交搭沉降在下方的输送带上成为复 合毡，然后经无端钢带加温、加压而成为最终产品GMT片材。片材中玻纤含量2055(重量)，片材密度0961289cm3，玻纤平均长度大于15cm。单 丝含量不低于纤维总数的85，纤维方向随机，各向同性。每毫米厚片材中至少有7层增强纤维。 压制成制品时，延伸率大于50。利用该片材加工制品时，预热温度为200260。时间6分钟，模温90100。下表是该 片材的工艺参数和性能数据。项目MFR(gmin) 35

21、PP()68GF() 32 玻纤直径(u m) 1015 拉伸强度(MPa)958拉伸模量(GPa) 548 弯曲强度(MPa) 1289 弯曲模量(GPa)496 冲击强度(Jm) 332一6一2003年江苏省复合材料科学技术与工程学术研讨会论文集 南京200351火焰喷吹器2环形热风器3玻璃纤维4涂油器5钢带机6-片材7-网带8有机纤维9-单丝涂油器图68结论(1)预浸渍法的关键技术是浸渍模头，它的特殊结构使玻纤针刺毡一出模头即得到了充分的 浸渍，解决了干法生产GMT片材热塑性塑料对玻纤浸渍的一大难题：毡结构法介绍了针刺毡的针 刺方法、工艺参数、毡面的朝向对GMT片材性能的影响，还有许多发

22、挥的空间。通过刺针号数、 刺钩形状、刺针样式、针刺参数和针刺方法的组合，可以生产出性能更加优异的针刺毡和GMT片 材。(2)表面修饰法改善了GMT片材的表面性能，能够制造出外观优良的制品。同时，通过表面 改性，使得用GMT片材压制的产品表面着色、涂漆等成为可能：溢料是钢带机一直存在的问题， 钢带改进法给人们提供了一个良好的解决措施：片材加热法使片材的加热能耗更省、时间更快、 质量更高，如果尝试用微波加热法，不失为一种更好的方法(国外已有资料介绍)。(3)离心法生 产的GMT片材，热塑性树脂对玻纤的浸渍程度优于湿法生产的GMT片材，但过多的玻纤单丝会使 GMT片材的力学性能下降。应适当提高玻纤的

23、集束性。本文仅介绍了部分国外GMT方面的新技术，随着Ggr工艺技术研究的深入，会出现越来越多 的新方法，使干法GMT的生产技术日臻完善。参考文献：lG米尔斯G艾哈特，制造玻璃纤维增强的热塑性塑料扳的方法和实施此方法的设备-1995 9282 Jansz：Just Jan Christiaan；Sengbusch；Joachim；United States Patent 5，753，0621998S193 Wallace：Peter L：David G United States Patent 518墨77819932234Blaubut；Wiffried；ProJ酣bJ；Hermamm；United S扭l髂Patent 5t395,57619953,?5Zopf：Ernst；Stadlbauer；Wolfram；United States Patent 5，942，180 19998246 Loftus；James E Pellegrim MichaelUnited States Patent 5571610 19961l 5，