GMT技术及其在汽车领域的应用
1 前言
热塑性树脂基复合材料近年来发展迅速，特别是玻纤毡增强热塑性片材(Glassfiber Mat Thermo-plastic简称GMT)是八十年代以来先进竞相发展的新技术，它是以连续玻璃纤维毡或短切玻纤毡和热塑性树脂复合而成的一种片状模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代开始熔融法(干法)工艺研究，七十年代中期进入工业化阶段。随着应用领域的扩大，八十年代后期开始了悬浮法(湿法)工艺研究，九十年代中前期开始工业化生产并进人实用阶段。进入八十年代后期，GMT片材及其制品已成为国际上极为活跃的复合材料制品之一。我国GMT的研究开发是从八十年代后期开始的，“九五”期间被列为863高技术新材料研究课题，通过科研院所和大学的联合攻关，已掌握了GMT的关键技术，片材性能达到了国外同类产品水平．在应用开发方面也取得了良好进展。
近年来，随着人们对汽车的安全性、舒适性、环保性以及轻量化的要求，国内外汽车工业越来越倾向于使用具有冲击韧性好、重量轻、生产效率高、加工成本低、清洁环保、可再生利用等一系列优点的GMT材料来生产汽车前端支架、仪表板、发动机护板等结构部件。据估计，现在每辆汽车上使用的GMT材料占其自重的10~15%。随着GMT片材的进一步发展与完善，GMT在汽车工业中的应用，将具有更加广泛的前景
2 GMT生产技术
2.1 原材料
(1)热塑性树脂
尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素等流动性好；聚苯乙烯系列树脂(如ABS、AS)、有机玻璃、聚甲醛、聚苯醚等流动性中等；聚碳酸醋、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等流动性差。
(2)改性添加剂
加工助剂有内外润滑剂、加工改性剂、脱模剂等；强度助剂有增塑剂、增韧剂、增强剂等；寿命助剂有抗氧剂、光稳定剂(紫外线吸收剂)、热稳定剂、防生物剂(抗菌、防鼠)等，表面助剂有抗静电剂、偶联剂等，其它功能助剂有发泡剂、阻燃剂、固化剂、交联剂、填料等。
(3)增强材料
增强材料有玻纤连续毡、玻纤短切毡、玻纤单向毡等。
2.2 制备
将均匀分散、预加张力的连续纤维束、连续玻璃纤维针刺毡和基体树脂片叠合后，经加温、加压、浸渍、冷却定型和切断等工序制备GMT。这种工艺有二种方案，其一是将基体树脂片直接从挤塑机挤出，然后与玻纤毡叠合(一般为三层聚丙烯与二层毡结合)，进入钢带加压设备，经加热、加压，使熔融树脂浸渍玻纤毡，然后经冷却、定长切断，制成片材；另一方案是先生产出基体树脂片材，然后再和纤维毡叠合成所需的厚度，进入钢带复合机，加热、加压复合成GMT片材。
2.3 关键技术
2.3.1 界面
界面问题是影响GMT材料性能的关键，如基体树脂分子链上不含活性基团，不能与经过常规偶联剂处理的玻璃纤维之间产生较好的化学结合，因此在玻纤增强聚丙烯体系中，由于界面结合较弱，树脂不能有效地将应力传递给模量和强度高得多的玻璃纤维，这就不能体现出玻璃纤维增强的效果，因此，必须对界面进行特殊处理和设计。
2.3.2 浸渍
玻纤浸渍是否充分对终制品的质量有较大影响，如聚丙烯这类热塑性塑料的熔体粘度很大，在加工条件下，对纤维层的浸渍十分困难，为实现较好的浸渍，一般需借助于较高的温度和压力，但过高的温度会导致树脂的降解，过大的压力使树脂溢料量增加，并影响玻纤毡的空隙度。优化操作参数(温度、压力、停留时间)、选取适宜的玻纤毡结构(单丝结构、集束性、编织方式、针刺密度)是改善浸渍的基本途径。
2.3.3 连续化
GMT连续化生产线的基本组成是：①聚合物薄膜；②热塑性树脂基体及玻纤增强材料。生产线基本工艺路线为预热→热压→冷压→牵引→切割→GMT片材。包括挤出机及模头、增强材料输送装置、加热与冷却系统、辊压系统、传动系统及控制系统，各系统的互相配合与协调是连续、稳定运行的关键，这是基于机械、电器、工艺等方面影响因素的深刻理解。
3 GMT性能和特点
3.1 国产GMT的主要性能比较
从表1中可知，可以通过调整纤维及基体树脂品种，改变纤维含量等工艺措施，得到不同性能的GMT片材来满足市场的应用要求。
3.2 GMT的主要特点
(1)比密度小、比强度高
热塑性复合材料的密度为1.1~1.6g/cm3，仅为钢材的1/5~1/7，比热固性玻璃钢轻约1/4。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。
(2)设计自由度大
热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都可通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多得多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。
(3)耐热性
一般塑料的使用温度为50~100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4~1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。其导热系数为0.3~0.36W(
热塑性树脂基复合材料近年来发展迅速，特别是玻纤毡增强热塑性片材(Glassfiber Mat Thermo-plastic简称GMT)是八十年代以来先进竞相发展的新技术，它是以连续玻璃纤维毡或短切玻纤毡和热塑性树脂复合而成的一种片状模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代开始熔融法(干法)工艺研究，七十年代中期进入工业化阶段。随着应用领域的扩大，八十年代后期开始了悬浮法(湿法)工艺研究，九十年代中前期开始工业化生产并进人实用阶段。进入八十年代后期，GMT片材及其制品已成为国际上极为活跃的复合材料制品之一。我国GMT的研究开发是从八十年代后期开始的，“九五”期间被列为863高技术新材料研究课题，通过科研院所和大学的联合攻关，已掌握了GMT的关键技术，片材性能达到了国外同类产品水平．在应用开发方面也取得了良好进展。
近年来，随着人们对汽车的安全性、舒适性、环保性以及轻量化的要求，国内外汽车工业越来越倾向于使用具有冲击韧性好、重量轻、生产效率高、加工成本低、清洁环保、可再生利用等一系列优点的GMT材料来生产汽车前端支架、仪表板、发动机护板等结构部件。据估计，现在每辆汽车上使用的GMT材料占其自重的10~15%。随着GMT片材的进一步发展与完善，GMT在汽车工业中的应用，将具有更加广泛的前景
2 GMT生产技术
2.1 原材料
(1)热塑性树脂
尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素等流动性好；聚苯乙烯系列树脂(如ABS、AS)、有机玻璃、聚甲醛、聚苯醚等流动性中等；聚碳酸醋、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等流动性差。
(2)改性添加剂
加工助剂有内外润滑剂、加工改性剂、脱模剂等；强度助剂有增塑剂、增韧剂、增强剂等；寿命助剂有抗氧剂、光稳定剂(紫外线吸收剂)、热稳定剂、防生物剂(抗菌、防鼠)等，表面助剂有抗静电剂、偶联剂等，其它功能助剂有发泡剂、阻燃剂、固化剂、交联剂、填料等。
(3)增强材料
增强材料有玻纤连续毡、玻纤短切毡、玻纤单向毡等。
2.2 制备
将均匀分散、预加张力的连续纤维束、连续玻璃纤维针刺毡和基体树脂片叠合后，经加温、加压、浸渍、冷却定型和切断等工序制备GMT。这种工艺有二种方案，其一是将基体树脂片直接从挤塑机挤出，然后与玻纤毡叠合(一般为三层聚丙烯与二层毡结合)，进入钢带加压设备，经加热、加压，使熔融树脂浸渍玻纤毡，然后经冷却、定长切断，制成片材；另一方案是先生产出基体树脂片材，然后再和纤维毡叠合成所需的厚度，进入钢带复合机，加热、加压复合成GMT片材。
2.3 关键技术
2.3.1 界面
界面问题是影响GMT材料性能的关键，如基体树脂分子链上不含活性基团，不能与经过常规偶联剂处理的玻璃纤维之间产生较好的化学结合，因此在玻纤增强聚丙烯体系中，由于界面结合较弱，树脂不能有效地将应力传递给模量和强度高得多的玻璃纤维，这就不能体现出玻璃纤维增强的效果，因此，必须对界面进行特殊处理和设计。
2.3.2 浸渍
玻纤浸渍是否充分对终制品的质量有较大影响，如聚丙烯这类热塑性塑料的熔体粘度很大，在加工条件下，对纤维层的浸渍十分困难，为实现较好的浸渍，一般需借助于较高的温度和压力，但过高的温度会导致树脂的降解，过大的压力使树脂溢料量增加，并影响玻纤毡的空隙度。优化操作参数(温度、压力、停留时间)、选取适宜的玻纤毡结构(单丝结构、集束性、编织方式、针刺密度)是改善浸渍的基本途径。
2.3.3 连续化
GMT连续化生产线的基本组成是：①聚合物薄膜；②热塑性树脂基体及玻纤增强材料。生产线基本工艺路线为预热→热压→冷压→牵引→切割→GMT片材。包括挤出机及模头、增强材料输送装置、加热与冷却系统、辊压系统、传动系统及控制系统，各系统的互相配合与协调是连续、稳定运行的关键，这是基于机械、电器、工艺等方面影响因素的深刻理解。
3 GMT性能和特点
3.1 国产GMT的主要性能比较
从表1中可知，可以通过调整纤维及基体树脂品种，改变纤维含量等工艺措施，得到不同性能的GMT片材来满足市场的应用要求。
3.2 GMT的主要特点
(1)比密度小、比强度高
热塑性复合材料的密度为1.1~1.6g/cm3，仅为钢材的1/5~1/7，比热固性玻璃钢轻约1/4。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。
(2)设计自由度大
热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都可通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多得多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。
(3)耐热性
一般塑料的使用温度为50~100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4~1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。其导热系数为0.3~0.36W(
