前言

    片狀模塑料(簡稱SMC)是由不飽和聚酯樹脂、低收縮添加劑、填料、固化劑、增稠劑、脫模劑和玻璃纖維等組成的一種干片狀的預浸料，它具有收縮率低、強度高、成型方便等特點，特別適合工業化大規模生產。隨著國內SMC生產制造技術、模壓成型技術的不斷提高，模具成本的降低、政府對工作環境等要求的提高，原來許多由手糊、噴射等工藝進行成型的產品，固化時間長、生產效率低、勞動力大、對環境有污染， 開始逐步使用SMC模壓成型工藝。國內SMC已廣泛應用于電器工業，如開關柜外殼、滅弧片、隔護板等；用于汽車、拖拉機駕駛室外殼，火車車廂窗框、坐禱；建筑用設施，如浴盆、凈化槽等。

    目前國內SMC模塑料的生產廠家很多，但是大部分廠家生產的SMC片材寬度僅為0.6米,生產SMC片材3KG/米,生產能力6噸/8小時,（1米寬SMC片材為5KG/米，生產能力10噸/8H）。并且當模壓大面積制品時,由于片材鋪層面積不夠,使片材流程加長,產生纖維取向收縮,造成表面波紋;嚴重時會進入空氣,使制品截面出現氣孔和對結線。這就需要生產大寬幅的SMC片材。

    SMC片材由0.6米寬增加到1米，每米的玻纖含量由0.6公斤就增加到了1公斤。如何浸潤好這些增加近一倍的玻璃纖維，做到增稠控制一致性，就成為了該課題的技術關鍵。如果片材很硬，常常導致壓制時的流動性不好；太軟，工人在操作時粘手，外表面的薄膜上也粘滿了樹脂，不僅增加了操作上的不便，而且壓制的成型品易出現氣泡等缺陷，局部位置強度差，制品容易開裂。

    理想的增稠曲線如下：

圖1  理想的增稠曲線

    1) 初期浸漬階段，樹脂增稠要足夠緩慢，保證玻纖良好的浸漬。一般要求半小時內粘度不超過6萬厘泊。

    2) 增稠階段速度要足夠快，能夠盡快進入模壓操作。即樹脂糊粘度大于1500萬厘泊。

    3) 模壓料達到模壓粘度時，粘度保持平穩，有較長的貯存壽命。

    做好增稠粘度的控制，可以帶來以下優點：

    1) SMC片材表面不粘手，易于操作；

    2) SMC成型時，玻璃纖維能夠流向成型品的所有部分，保證成型品各部分物理、化學性能的穩定；

    3) 使成型品具有好的外觀。 

    當前，非常重視民用電器產品的防火安全問題 所以，研究SMC配方及工藝，制定和控制增稠曲線，生產合格的1.0米寬阻燃SMC片材，是當前比較熱門的課題。[-page-]

2. 實驗部分

2.1  主要原材料

    SMC的組成比較復雜，使用的原材料多達十多種，每種原材料的種類、性能、質量及其相互配比對SMC的生產工藝，成型工藝及終制品的性能、價格都有很大影響。常用原材料見表1。

表1  SMC生產用原材料

2.2  主要實驗設備

    SMC生產機組、高速分散機、BROOKFEILD粘度計、電子萬能力學實驗機、沖擊實驗機、200T模壓壓機及樣條模具、樹脂生產用制氮機和空壓機。

2.3  SMC生產工藝   

1) 生產阻燃SMC配方

表2  SMC生產用原材料

2)  SMC生產設備

    SMC 生產設備分二部分：一是配制樹脂糊設備， 一般使用立式高速分散機；二是SMC復臺機，工藝流程如下圖所示。

圖2  SMC生產工藝流程


圖3  SMC成型過程示意圖[-page-]

 2.4  料脂糊制備

    1) 樹脂、低收縮劑和引發劑，在低剪切力下混合攪拌均勻。

    2) 脫模劑和填料混合到溫度達到32-37℃時為止。

    3) 加入增稠劑MgO混合一分鐘后，將樹脂糊送到SMC機組刮料槽內。

2.5  SMC復合

    將制好的樹脂糊加入上下兩個樹脂糊槽中，開動復合機，下薄膜放卷，經下樹脂刮刀后，薄膜被均勻地涂敷上一定厚度的樹脂糊。當其經過纖維沉降區時，粗紗經切割后均勻地沉降其上。短切無捻粗紗長度為25mm，玻纖含量23%。承按了短玻璃纖維的薄膜， 在復合輥處與以同樣方式涂敷樹脂糊的上薄膜復合，將玻纖夾在中間，形成夾層結構。夾層在浸漬區受到一系列壓輥的滾壓作用，使樹脂糊浸透纖維。后由收卷裝置收集成卷。

2.6  SMC 增稠

    送往熟化間增稠，直至不粘手，可剪裁、稱量及模塑為止。通常采用加速增稠。加速增稠一般可在帶有鼓風設備的熟化室內進行。加速增稠， 溫度為35～40℃ ，時間約10小時。但后還應以增稠曲線判定增稠的程度和結果。

2.7 樣條模壓

    用60T壓機，模溫為155℃，保壓壓力為15Mpa，保壓時間為120s的條件下壓制：φ100X3的圓形試片15塊，用于顏色、外觀、收縮率、電氣強度的測試；120X(10±0.2)X（4±0.2）試片用于沖擊強度和彎曲強度的測試。樣條冷卻24H后，方可進行檢測。

3. SMC技術指標

    阻燃SMC技術指標如下：

表3  SMC生產用原材料
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4. 實驗與討論

    1) 前期增稠速度的控制：

    初始粘度控制采用丙烯酸丁酯-丙烯酸共聚物作為潤濕分散劑

    增稠速度選用合適酸值的樹脂控制

    終模壓粘度選用以色列進口MgO控制

    2) 采用做正交表L9(34) ,對SMC配方進行優化

    3) 研究水含量對SMC增稠的不良影響

    按基本配方，配制SMC樹脂糊，根據具體要求進行相關測試。

    1) 粘度采用BROOKFIELD粘度計測定

    2) 水分含量用卡爾一費休爾法測定儀

4.1 起始樹脂糊粘度的控制

    填料選用阻燃特性的Al(OH)₃，在火焰下吸收熱量釋放結合水而產生自熄作用。并能改善制品耐水性，電絕緣性和防止聚合物裂解。

    但是，Al(OH)₃比重大，吸油量多，加入到UP樹脂中，如果不能被樹脂很好的潤濕分散，即會給體系帶來如下問題：

1) 體系產生高粘度，直接影響玻纖的浸潤

2) 無法潤濕，出現干點

3) 幾分鐘后會絮凝甚至沉降分層

    根據DLVO理論，填料相互接近絮凝，是因為填料分子相互吸引的范德華力。如果能將一種帶相同電荷和側長鏈的分散劑分子吸附包裹在填料分子表面，就能使填料分子間產生靜電排斥作用及空間位阻作用，抵消范德華力拉大分子間距離，有效起到解團聚作用。

    為此，我們特別選擇了丙烯酸丁酯-丙烯酸共聚物作為潤濕分散劑。聚丙烯酸已被證明在粉體表面吸附并產生較強的靜電排斥，而丙烯酸丁酯的柔性非常好，其分子鏈在顆粒間產生空間位阻。

表4  不同潤濕分散劑添加量對樹脂糊初期粘度的影響



圖4  不同潤濕分散劑添加量對樹脂糊初期粘度的影響

    從上表可知，當填料全部選用有阻燃效果的Al(OH)₃時，樹脂糊的初始粘度比較高（26000厘泊），不利于玻璃纖維的浸漬。通過加入偶聯劑，可有效降低樹脂糊粘度。但當添加量超過0.15%時，效果不明顯，說明碳酸鈣粒子表面對分散劑吸附已趨于飽和。

4.2  不飽和聚酯樹脂酸值對增稠過程的影響

    不飽和聚酯樹脂是關鍵，根本的因素包括酸值、水分等。其中水分的影響我們將在下面進行討論，這里我們選擇酸值不同的幾種不飽和聚酯樹脂進行比較。

表5 不同酸值的不飽和聚酯樹脂(同一類型)對增稠的影響



圖5 不同酸值的不飽和聚酯樹脂(同一類型)對增稠的影響

    從增稠速度上來看，基本上是按酸值越大，增稠越快，即PS-520> P701> P801的順序進行的。為了保證初期玻璃纖維的充分浸漬（初期粘度8800），以及熟化后終能達到模壓的粘度（終點粘度164e5），選用酸值適中的P801為SMC專用樹脂。[-page-]

4.3 終點模壓粘度的控制

    以往的SMC增稠選用氫氧化物增稠，增稠時間需要1星期。根據增稠機理，我們選用高活性以色列進口MgO，增稠只需10H，大大縮短熟化時間，同時用量也比前者少。

    增稠機理： 

    兩個階段  先成鹽反應，然后配位絡合反應

    階段  金屬氧化物與聚酯端基－COOH進行酸堿反應，生成堿式鹽。

    第二階段   堿式鹽與聚酯分子中的酯基(氧原子)以配位鍵形成絡合物

表6不同氧化鎂含量對增稠穩定的影響



表6不同氧化鎂含量對增稠穩定的影響

    0.5%的Ca(OH)₂ 在10天左右粘度可以到達1500萬厘泊，但后期仍處于粘度上升階段，增稠不穩定，不利于此時進行模壓。

    選用MgO進行增稠，前期增稠速度快，后期因為反應完全粘度容易趨于穩定，并且當MgO用量為0.3%時，可以做到熟化10H粘度達到1500萬，實現1天內生產，1天內成型。

    不過，MgO用量的稍微變化，對粘度的影響很大。當用量為0.2%時，片材熟化達不到模壓要求。當用量為0.4%時，樹脂糊增稠太快，不利于玻璃纖維的浸漬，甚至終太硬不能模壓。因此生產時因嚴格控制稱量MgO,這點比Ca(OH)₂麻煩。

4.4 SMC 配方的優化

    以SMC模壓樣條的收縮率（間接表示光澤度）和沖擊強度為參考值優化配方，做正交表L9(34)，如下：

表7  不同用量MgO對增稠影響

以上數據均為質量百分比，玻璃纖維含量為23%

    由正交表可以看到，[-page-] 

    ●以收縮率（光澤度）為參考值優化配方為：

表8  以收縮率為參考的配方

    由表可知，影響SMC收縮率的主要因素是LSA 。

圖7  LSA對收縮率的影響

    隨著LSA值的增大，SMC收縮率總和的值也隨之減少，且趨勢明顯。這是由于片狀模塑料在模壓溫度升高后熱塑性LSA在UP樹脂中熱膨脹，部分彌補了由于樹脂固化收縮的原因。另外，模壓溫度越高，LSA膨脹越大，也對收縮率有影響。      

    ● 以沖擊強度為參考值優化配方為：

表9  以沖擊強度為參考的配方



圖8  模壓溫度對沖擊強度的影響

    140-150℃階段，沖擊強度模壓溫度的升高而增大。說明固化約完全，強度越大。但從150-160℃，沖擊強度開始下降，可能是因為過多熱量集中在制品內部，冷卻后UP與LSA界面間形成空的微孔，造成收縮內應力的緣故。

    ●綜合兩組配方，得到優化配方

表10 優化后配方

    根據以上配方，在155℃模壓溫度，保溫時間3min，壓力15        MPa下壓制樣條，測得其收縮率0.14%，沖擊強度為100MPa.

4．5 水分對增稠的影響

    按配方配制樹脂混合物，通過卡爾-費休水含量測定儀、添加適量的水來調整混合物的水分含量。

表11 優化后配方



圖9 水含量對初期增稠影響


圖10 水含量對增稠后期的影響

    當水分含量增加到0.2%，初期增稠的速度快，不利于玻璃纖維的浸潤；并且終增稠粘度卻下降，導致模壓時樹脂混合物與玻璃纖維的離析而影響產品的終質量。所以，含水量要控制在0.15％以內。

5   結論

    （1）生產SMC片材，對樹脂糊的粘度控制很重要。

    （2）采用正交實驗法對配方進行優化，制得合格的阻燃SMC片材。

    （3）模壓溫度建議在155℃，制品的表面光澤度和沖擊強度佳。

    （4）含水量的控制必須在0.15%。