GMT技術及其在汽車領域的應用
1 前言
熱塑性樹脂基復合材料近年來發展迅速，特別是玻纖氈增強熱塑性片材(Glassfiber Mat Thermo-plastic簡稱GMT)是八十年代以來先進競相發展的新技術，它是以連續玻璃纖維氈或短切玻纖氈和熱塑性樹脂復合而成的一種片狀模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代開始熔融法(干法)工藝研究，七十年代中期進入工業化階段。隨著應用領域的擴大，八十年代后期開始了懸浮法(濕法)工藝研究，九十年代中前期開始工業化生產并進人實用階段。進入八十年代后期，GMT片材及其制品已成為國際上極為活躍的復合材料制品之一。我國GMT的研究開發是從八十年代后期開始的，“九五”期間被列為863高技術新材料研究課題，通過科研院所和大學的聯合攻關，已掌握了GMT的關鍵技術，片材性能達到了國外同類產品水平．在應用開發方面也取得了良好進展。
近年來，隨著人們對汽車的安全性、舒適性、環保性以及輕量化的要求，國內外汽車工業越來越傾向于使用具有沖擊韌性好、重量輕、生產效率高、加工成本低、清潔環保、可再生利用等一系列優點的GMT材料來生產汽車前端支架、儀表板、發動機護板等結構部件。據估計，現在每輛汽車上使用的GMT材料占其自重的10~15%。隨著GMT片材的進一步發展與完善，GMT在汽車工業中的應用，將具有更加廣泛的前景
2 GMT生產技術
2.1 原材料
(1)熱塑性樹脂
尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等流動性好；聚苯乙烯系列樹脂(如ABS、AS)、有機玻璃、聚甲醛、聚苯醚等流動性中等；聚碳酸醋、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等流動性差。
(2)改性添加劑
加工助劑有內外潤滑劑、加工改性劑、脫模劑等；強度助劑有增塑劑、增韌劑、增強劑等；壽命助劑有抗氧劑、光穩定劑(紫外線吸收劑)、熱穩定劑、防生物劑(抗菌、防鼠)等，表面助劑有抗靜電劑、偶聯劑等，其它功能助劑有發泡劑、阻燃劑、固化劑、交聯劑、填料等。
(3)增強材料
增強材料有玻纖連續氈、玻纖短切氈、玻纖單向氈等。
2.2 制備
將均勻分散、預加張力的連續纖維束、連續玻璃纖維針刺氈和基體樹脂片疊合后，經加溫、加壓、浸漬、冷卻定型和切斷等工序制備GMT。這種工藝有二種方案，其一是將基體樹脂片直接從擠塑機擠出，然后與玻纖氈疊合(一般為三層聚丙烯與二層氈結合)，進入鋼帶加壓設備，經加熱、加壓，使熔融樹脂浸漬玻纖氈，然后經冷卻、定長切斷，制成片材；另一方案是先生產出基體樹脂片材，然后再和纖維氈疊合成所需的厚度，進入鋼帶復合機，加熱、加壓復合成GMT片材。
2.3 關鍵技術
2.3.1 界面
界面問題是影響GMT材料性能的關鍵，如基體樹脂分子鏈上不含活性基團，不能與經過常規偶聯劑處理的玻璃纖維之間產生較好的化學結合，因此在玻纖增強聚丙烯體系中，由于界面結合較弱，樹脂不能有效地將應力傳遞給模量和強度高得多的玻璃纖維，這就不能體現出玻璃纖維增強的效果，因此，必須對界面進行特殊處理和設計。
2.3.2 浸漬
玻纖浸漬是否充分對終制品的質量有較大影響，如聚丙烯這類熱塑性塑料的熔體粘度很大，在加工條件下，對纖維層的浸漬十分困難，為實現較好的浸漬，一般需借助于較高的溫度和壓力，但過高的溫度會導致樹脂的降解，過大的壓力使樹脂溢料量增加，并影響玻纖氈的空隙度。優化操作參數(溫度、壓力、停留時間)、選取適宜的玻纖氈結構(單絲結構、集束性、編織方式、針刺密度)是改善浸漬的基本途徑。
2.3.3 連續化
GMT連續化生產線的基本組成是：①聚合物薄膜；②熱塑性樹脂基體及玻纖增強材料。生產線基本工藝路線為預熱→熱壓→冷壓→牽引→切割→GMT片材。包括擠出機及模頭、增強材料輸送裝置、加熱與冷卻系統、輥壓系統、傳動系統及控制系統，各系統的互相配合與協調是連續、穩定運行的關鍵，這是基于機械、電器、工藝等方面影響因素的深刻理解。
3 GMT性能和特點
3.1 國產GMT的主要性能比較
從表1中可知，可以通過調整纖維及基體樹脂品種，改變纖維含量等工藝措施，得到不同性能的GMT片材來滿足市場的應用要求。
3.2 GMT的主要特點
(1)比密度小、比強度高
熱塑性復合材料的密度為1.1~1.6g/cm3，僅為鋼材的1/5~1/7，比熱固性玻璃鋼輕約1/4。它能夠以較小的單位質量獲得更高的機械強度。一般來講，不論是通用塑料還是工程塑料，用玻璃纖維增強后，都會獲得較高的增強效果，提高強度應用檔次。
(2)設計自由度大
熱塑性復合材料的物理性能、化學性能、力學性能，都可通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設計。由于熱塑性復合材料的基體材料種類比熱固性復合材料多得多，因此，其選材設計的自由度也就大得多。
(3)耐熱性
一般塑料的使用溫度為50~100℃，用玻璃纖維增強后，可提高到100℃以上。尼龍6的熱變形溫度為65℃，用30%玻纖增強后，熱形溫度可提高到190℃。聚醚醚酮樹脂的耐熱性達220℃，用30%玻纖增強后，使用溫度可提高到310℃，這樣高的耐熱性，熱固性復合材料是達不到的。熱塑性復合材料的線膨脹系數比未增強的塑料低1/4~1/2，能夠降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度。其導熱系數為0.3~0.36W(
熱塑性樹脂基復合材料近年來發展迅速，特別是玻纖氈增強熱塑性片材(Glassfiber Mat Thermo-plastic簡稱GMT)是八十年代以來先進競相發展的新技術，它是以連續玻璃纖維氈或短切玻纖氈和熱塑性樹脂復合而成的一種片狀模塑料。GMT的概念于四十年代中期提出，六十年代開始熔融法(干法)工藝研究，七十年代中期進入工業化階段。隨著應用領域的擴大，八十年代后期開始了懸浮法(濕法)工藝研究，九十年代中前期開始工業化生產并進人實用階段。進入八十年代后期，GMT片材及其制品已成為國際上極為活躍的復合材料制品之一。我國GMT的研究開發是從八十年代后期開始的，“九五”期間被列為863高技術新材料研究課題，通過科研院所和大學的聯合攻關，已掌握了GMT的關鍵技術，片材性能達到了國外同類產品水平．在應用開發方面也取得了良好進展。
近年來，隨著人們對汽車的安全性、舒適性、環保性以及輕量化的要求，國內外汽車工業越來越傾向于使用具有沖擊韌性好、重量輕、生產效率高、加工成本低、清潔環保、可再生利用等一系列優點的GMT材料來生產汽車前端支架、儀表板、發動機護板等結構部件。據估計，現在每輛汽車上使用的GMT材料占其自重的10~15%。隨著GMT片材的進一步發展與完善，GMT在汽車工業中的應用，將具有更加廣泛的前景
2 GMT生產技術
2.1 原材料
(1)熱塑性樹脂
尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等流動性好；聚苯乙烯系列樹脂(如ABS、AS)、有機玻璃、聚甲醛、聚苯醚等流動性中等；聚碳酸醋、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等流動性差。
(2)改性添加劑
加工助劑有內外潤滑劑、加工改性劑、脫模劑等；強度助劑有增塑劑、增韌劑、增強劑等；壽命助劑有抗氧劑、光穩定劑(紫外線吸收劑)、熱穩定劑、防生物劑(抗菌、防鼠)等，表面助劑有抗靜電劑、偶聯劑等，其它功能助劑有發泡劑、阻燃劑、固化劑、交聯劑、填料等。
(3)增強材料
增強材料有玻纖連續氈、玻纖短切氈、玻纖單向氈等。
2.2 制備
將均勻分散、預加張力的連續纖維束、連續玻璃纖維針刺氈和基體樹脂片疊合后，經加溫、加壓、浸漬、冷卻定型和切斷等工序制備GMT。這種工藝有二種方案，其一是將基體樹脂片直接從擠塑機擠出，然后與玻纖氈疊合(一般為三層聚丙烯與二層氈結合)，進入鋼帶加壓設備，經加熱、加壓，使熔融樹脂浸漬玻纖氈，然后經冷卻、定長切斷，制成片材；另一方案是先生產出基體樹脂片材，然后再和纖維氈疊合成所需的厚度，進入鋼帶復合機，加熱、加壓復合成GMT片材。
2.3 關鍵技術
2.3.1 界面
界面問題是影響GMT材料性能的關鍵，如基體樹脂分子鏈上不含活性基團，不能與經過常規偶聯劑處理的玻璃纖維之間產生較好的化學結合，因此在玻纖增強聚丙烯體系中，由于界面結合較弱，樹脂不能有效地將應力傳遞給模量和強度高得多的玻璃纖維，這就不能體現出玻璃纖維增強的效果，因此，必須對界面進行特殊處理和設計。
2.3.2 浸漬
玻纖浸漬是否充分對終制品的質量有較大影響，如聚丙烯這類熱塑性塑料的熔體粘度很大，在加工條件下，對纖維層的浸漬十分困難，為實現較好的浸漬，一般需借助于較高的溫度和壓力，但過高的溫度會導致樹脂的降解，過大的壓力使樹脂溢料量增加，并影響玻纖氈的空隙度。優化操作參數(溫度、壓力、停留時間)、選取適宜的玻纖氈結構(單絲結構、集束性、編織方式、針刺密度)是改善浸漬的基本途徑。
2.3.3 連續化
GMT連續化生產線的基本組成是：①聚合物薄膜；②熱塑性樹脂基體及玻纖增強材料。生產線基本工藝路線為預熱→熱壓→冷壓→牽引→切割→GMT片材。包括擠出機及模頭、增強材料輸送裝置、加熱與冷卻系統、輥壓系統、傳動系統及控制系統，各系統的互相配合與協調是連續、穩定運行的關鍵，這是基于機械、電器、工藝等方面影響因素的深刻理解。
3 GMT性能和特點
3.1 國產GMT的主要性能比較
從表1中可知，可以通過調整纖維及基體樹脂品種，改變纖維含量等工藝措施，得到不同性能的GMT片材來滿足市場的應用要求。
3.2 GMT的主要特點
(1)比密度小、比強度高
熱塑性復合材料的密度為1.1~1.6g/cm3，僅為鋼材的1/5~1/7，比熱固性玻璃鋼輕約1/4。它能夠以較小的單位質量獲得更高的機械強度。一般來講，不論是通用塑料還是工程塑料，用玻璃纖維增強后，都會獲得較高的增強效果，提高強度應用檔次。
(2)設計自由度大
熱塑性復合材料的物理性能、化學性能、力學性能，都可通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設計。由于熱塑性復合材料的基體材料種類比熱固性復合材料多得多，因此，其選材設計的自由度也就大得多。
(3)耐熱性
一般塑料的使用溫度為50~100℃，用玻璃纖維增強后，可提高到100℃以上。尼龍6的熱變形溫度為65℃，用30%玻纖增強后，熱形溫度可提高到190℃。聚醚醚酮樹脂的耐熱性達220℃，用30%玻纖增強后，使用溫度可提高到310℃，這樣高的耐熱性，熱固性復合材料是達不到的。熱塑性復合材料的線膨脹系數比未增強的塑料低1/4~1/2，能夠降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度。其導熱系數為0.3~0.36W(
