张广平，沈春银，戴干策  （华东理工大学聚合物加工研究室，上海200237)

      摘要：本文研究了玻纤毡增强聚丙烯复合材料（GMT）成型过程中布料层数和操作工艺对流动行为的影响。结果表明，随着布料层数增加，流动面积增大，相同坯料质量时3层布料较单层布料流动总面积增加约30％。提高模腔温度和压力均有利于材料流动，适宜操作条件为模温80℃-90℃，压力15 MPa以上。
    关键词：玻纤毡：聚丙烯；流动行为；布料；模压
    中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003 -0999（2005）03 -0038 -03
    玻纤毡增强聚丙烯复合材料（GMT)具有力学性能高，特别是冲击强度高，质量轻，易回收利用等特点，在汽车工业中用于制作保险杠骨架、前端、座椅骨架、发动机罩、电池托盘等^[1-3]。GMT制品成型是将片材裁剪成一定尺寸，在对流烘箱或红外烘道中预热至200℃左右，置于模具内压制。GMT材料具有何种流动和充模行为以及如何加以描述、表征和预测一直是材料开发商、加工商和研究者面对的基本问题。对GMT流动、成型方法、纤维取向和力学性能等的研究报道较多^[4-11]。基于原料来源、制造工艺上的差异，材料的性能和成型工艺往往不同，弄清各种因素的影响将有利于模具结构设计和成品率的提高。随着国内GMT材料的应用日益广泛，以及国产GMT装置的建成投产，对成型不同部件如何进行布料设计更加引人关注。本文以自制GMT片材作研究对象，着重考察了不同布料时材料的流动行为及模温和压力等因素对流动的影响。
1  实验
1.1原料及设备
    GMT片材是中试装置生产的以Y1600聚丙烯（上海石化）为基体，连续玻纤毡（泰山玻璃纤维股份有限公司）为增强材料。片材厚度3. 7mm，玻纤含量38-40%。半自动压力成型机，0. 25MN，上海西玛伟力橡胶有限公司；鼓风烘箱由上海实验仪器
总厂提供。
1.2实验方法
    GMT片材裁剪成一定尺寸，置于温度设定为230 0C的鼓风烘箱内预热5 min，迅速转移至80℃压机平板上，合模保压1 min，合模速度8 mm/s。开模后将成型的平板轮廓复制到称量纸上，由称量法确定流动面积，并测量流动长度。坯料尺寸分别为单层150 x 150mm，2层106 x 106mm，3层87 x 87 mm，4层87 x 87 mm下面两层和62 x 62mm上面两层。将模腔平面尺寸为150 x 100mm，中间有一深度为30mm厚2mm加强筋的平板模具置于压机上，控制模温80℃，模压力12 MPa，按不同布料方式成型CMT平板。
2  结果与讨论
2.1布料方式的影响
    在压机压板温度80℃、合模压力12MPa的条件下进行了4种布料方式模压实验，结果见表1。在单层布料情况下流动面积较布料区面积增大约40%，大流动长度仅18mm.材料流动性明显不如长玻纤增强的聚丙烯，后者在同样实验条件下流动面积可增大100%以上。将2层坯料在烘箱中重叠后再置于压板上合模，流动面积增量为205%，大流动长度为48 mm.上述两种布料方式的GMT材料在平面内均匀拉伸流动，在x,y方向流动长度基本相同，因为所采用的连续玻纤毡在平面内基本均匀，制得的GMT片材在面内是各向同性的。3层坯料重叠布料方式的流动面积增量为448%，大流动长度为85 mm .由于坯料尺寸较小，多层坯料重叠时有一点错位，导致材料向某一方向流动距离大于另一方向。4层坯料布料时流动面积只比三层布料方式略有增加，面积增量为467%，但流动的不均匀性更大，大流动长度达108 mm。从模压流动后的总面积来看，2层、3层和4层布料方式模压后总面积分别比单层布料增大10%、30%和35%，3层以上的布料具有更好的流动性。

     GMT片材是由2层连续玻纤毡与3层聚丙烯树脂交替叠合通过熔融浸渍得到的大休均一的材料。GMC片材在烘箱中预热至2107左右时，树脂重新熔化，受压的玻纤毡回弹，致使材料膨化，厚度增大一倍以上。在模具中材料经历受压排气、流动和压实过程^［7］。较高温度的GMT材料在向模具转运的过程中由于散热，其表面温度明显降低。合模时与冷模具表面接触使材料温度进一步降低，紧贴模具的树脂层固化在模具表面，又影响了玻纤毡层的流动，可以认为紧贴模具表面的树脂和毡儿乎是不流动的^[8]。仅以单层坯料模压时，热的坯料从烘箱转移到模具时对环境的散热面积大，放置在模具上与模具的接触面积也大，合模过程中材料开始流动前降温已较明显，故流动性差；同样质量的材料两层重叠后再转运时散热面积减小50%，与模具的接触面积也减小50%，有利于将中间层保持在较高的温度。另一方面，模压时所需的合模力与坯料的厚度成反比^[9,10]，即坯料越厚，材料流动所需的合模力越小，这与压机加压时压力逐步上升的程序正好相对应。因此，在布料区坯料承受高压，而在层叠坯料的边缘区（自由区）建立了很高的压力梯度，导致GM7材料的中间熔体层和玻纤层以拉伸流的方式从布料区滑移出来，并在流动过程中冷却下来。布料区紧贴模具的上下两层树脂和玻纤毡仍然是不流动的，但不流动区减小。当布料面积减小为单层布料的30%，散热面积及合模时材料开始流动所需的压力更加趋小，充模流动更有利，流动总面积增幅达448%。此后，再增加布料层数，流动的总面积增幅趋缓。因此，在成型GMT制品时采用多层坯料重叠布料设计，一般坯料层数应超过3层，以获得良好的流动效果。

2.2模温对流动的影响：
    3层布料方式在压力12MPa下压板温度对流动的影响如图1。
    随着压板温度升高，流动面积增量呈线性增大。这是囚为较高的模温降低了传热的速率，在快速合模时热量来不及移走，使得流动面积增大。在较低压板温度下压板与坯料接触导热较显著，模压后布料区坯料外形轮廓清晰可见，表面光泽度较差。在压板温度上升到80℃后，布料区坯料外形变得模糊，光泽度大大提高。压板温度100 `C时几乎难以分辨坯料外形轮廓。Yamaguchi等〔川认为，模温在接近熔点时制品具有高表面光泽度，但这一条件不适合规模化生产，因为生产周期会大大延长。GMT成型应采用较高的模温，综合考虑制品脱模和定型性等囚素，适宜的模温应在80-90℃。

2.3压力对流动的影响
    3层布料方式在压板温度80℃下压力对流动过程影响如图2.在5 MPa压力下流动面积增量为300%，当压力提高至15MPa时面积增量为590%，提高近一倍。压力的影响比模温的影响更显著。GMT模压成型压力为推动力，粘性力为阻力。压力越高，中问层从布料区滑移出来速度越快，物料降温越小，流动距离越大。因此，提高模压压力是增大GMT材料流动性有效的措施。对于形状越复杂的制品，成型过程需要的压力越大。

2.4制品成型
    以140mm x 90man（长x宽）单层坯料成型平板，结果发现平板整体轮廓可以成型，但加强筋没有充满。因为加强筋中的物料是从平铺坯料中通过毡层挤压渗透出来的，流动性较差。并且由于表面树脂层固化及中间熔体穿过纤维床层流动，加强筋的玻纤含量也不高，强度较低。以70 x 90mm 2层坯料成型平板，坯料靠近加强筋摆放，模压后发现加强筋充满了，但平板一端缺料。表明在这一操作条件下受物料流动长度的限制，仍难以得到完整的制品。以60 x70mm 3层坯料靠近加强筋摆放，模压后无缺陷，加强筋和平板成型完整，且表面质量较好，翘曲程度小。
3  结论
    （1）GMT模压成型中采用3层以上坯料重叠布料可获得佳的流动性能；
    （2)适宜的模压工艺条件是烘箱温度是235`C，模温80～90℃，模腔压力大于15MPa;
      (3)对于有加强筋等复杂结构的制品，坯料设计尤为重要，应为加强筋提供流动通道，以确保加强筋与主体相同的玻纤含量，获得均一的力学性能。
   参考文献
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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