汽车SMC：老话新说——新的基体材料

在SMC的配方中，除了增强材料和填料发生了重大变化外，继续拓展SMC使之超越传统的变化，还取决于不饱和聚酯树脂（UP）、乙烯基酯树脂（VE）及这两种基体材料的混合物。

现在，许多树脂供应商和配混商都表示，他们已开发了含有两种、3种甚至4种或更多种聚合物体系的混合树脂系统并实现了商业化。

另有一些树脂供应商和配混商则在研究非传统的单一树脂基体。

在一定程度上，这项工作的目标是，使SMC在实际的结构应用中更加有效。

比如，乙烯基酯树脂（VE）是一种完全饱和的聚合物，所以，如果没有开展针对浸润剂的新的研究，它与碳纤维之间就不会有很好的粘接。

另一个愿望是，减少或消除挥发性有机化合物（VOCs），特别是苯乙烯，而这相应地会影响配混。

聚氨酯（PUR）是用于这类混合物中的另一种树脂。自2000年代初以来，传统的SMCs中已添加了少量的PUR，以此来提高韧性并减少气泡和油漆爆裂问题。

由于具有较高的力学性能、损伤容限、耐化学性、成型性以及与众多增强材料和填料之间完美的粘接性，因此PUR可以以其自身的正确方式成为SMC的基体材料。

然而，所面临的一大障碍是，传统PUR的固化速度太快，不适合常规的SMC配混。

因此，一项旨在“创造一种更强大、更坚韧的复合材料系统，以满足铁道行业严格的火焰、烟雾和毒性（FST）要求”的多年开发项目，为尝试使用PUR提供了机遇。

该项目得到了加拿大安大略省政府的部分资助，吸引了研究机构弗劳恩霍夫复合材料研究中心、亨斯迈聚氨酯公司和玻璃纤维供应商Johns Manville公司的参与。

3个关键因素使得该项目进展顺利：

➤ 第一，亨斯迈为采用化学方法减小PUR的黏度以实现树脂的快速固化所作的前期开发工作。这允许配混商以低黏度建立长期的潜伏期和寿命，确保即使是大尺寸部件也能使纤维得到彻底浸透，以及快速固化。

➤ 第二，弗劳恩霍夫复合材料研究中心与弗劳恩霍夫化学技术研究院和迪芬巴赫公司合作，围绕直接SMC（D-SMC）工艺开展的研究工作。在此工艺中，配混过程无论从物理上还是时间上都非常接近成型，无需常见于传统SMC的48~72小时的熟化期。而亨斯迈的VITROX树脂系统，为采用直接工艺生产PUR SMC提供了所需要的化学特性。

➤ 第三，Johns Manville公司在浸润剂原料上开展的研究。由于CaCO3（最常用的SMC填料）可能与一些聚氨酯催化剂不兼容，因此必须采用替代填料（这种情况下，可以采用玻璃微珠和研磨玻璃）。实际上，一些浸润剂原料也可能影响PUR基体的反应。标准的SMC玻璃纤维浸润剂是苯乙烯可溶的产品，它能确保良好浸润，但不适合PUR树脂系统。因此，Johns Manville公司必须围绕新的树脂系统来改变浸润剂的化学成分，以优化纤维浸润和耦合，避免抑制PUR的反应。

通过对阻燃PUR SMC的15种初始配方进行生产和测试，结果发现，其中的4种拥有与乙烯基酯树脂SMC相当或更优的性能，而且固化速度也快很多：

➤ 拉伸强度提高了23%（118MPa）；
➤ 拉伸断裂伸长率提高了25%（断裂伸长率1.7%）；
➤ 相比不饱和聚酯SMC配方，通过Dynatup冲击方法测量的能量吸收要高40%；
➤ 与拥有类似纤维含量和填料的乙烯基酯树脂SMC相比，Dynatup冲击性能提高了25%。

此外，A级表面的PUR SMC也令人深受鼓舞，但仍需努力不断提高表面精度。

采用D-SMC工艺生产的PUR SMC具有很好的表面，在此工艺中，材料得到配混，然后在短时间内成型，没有熟化步骤。

虽然处在早期开发阶段，但PUR SMC系统已表现出了良好的力学性能和火焰蔓延值，且无VOC排放，但还不能满足铁道行业的烟气要求，因此需要开展更多的研究工作。



该座椅骨架（上、中两图）采用了为铁道行业开发的快速固化PUR SMC。早期的材料（下图）已展示了良好的力学性能和防火焰蔓延指数，而且无VOC排放，但尚未满足铁路行业的烟气要求。

进入议事日程的其他研究还包括：评估更多的填料系统，以及评估增强材料含量明显高于初级配方的未填充的结构系统。弗劳恩霍夫复合材料研究中心目前测试的PUR SMC系统，其玻纤含量实际上处在60%重量百分比的范围内。

在正式研究结束后，弗劳恩霍夫复合材料研究中心与亨斯迈作了额外的筛选工作，以在D-SMC工艺中评估采用卓尔泰克的50K碳纤维丝束增强的PUR。

与大丝束碳纤维增强的乙烯基酯树脂SMC相比，碳纤维增强的PUR SMC表现出了相当或略高的拉伸强度和弯曲强度，130℃的脱模时间只有2.5min.，而且玻璃化转变温度大约为125℃的树脂，可以生产出2mm的部件厚度。

更多进展中的研究是评估三维设计的成型性，以及开展更长的冷藏研究和更多的冲击试验。

初步的研究表明，在要求更大耐久性和韧性的应用中，PUR SMC可能会找到适合的应用。

此外，在环氧树脂方面也开展了一些有趣的研究。

乙烯基酯树脂（VE）本身是由一种环氧化物合成的，所以环氧改性的乙烯基酯树脂（VE）以及乙烯基酯树脂（VE）/不饱和聚酯树脂（UP）的混合物已存在了一段时间。

最近，树脂供应商瀚森公司商业化了一种专为汽车SMC而设计的100%的环氧树脂级别。

除了力学性能高外，环氧SMC的其他优势是，与环氧预浸料具有固有的兼容性：这两种产品可以通过共成型而生产出一种“量身订制”的复合材料部件。

由EPIKOTE TRAC 06605树脂与EPIKURE TRAC 06608固化剂组成的新系统是一种拥有良好流动性和纤维浸润性的低黏度配方，专为SMC工艺而得到了改性，可与HELOXY TRAC 06805内部脱模剂（加速脱模）一起供应。

该系统无苯乙烯、VOCs排放低，并完全能与市场上的其他环氧复合材料兼容。

经配制后，它可提供优良的浸润性并允许最大的纤维体积含量（FVF），适用于所有通用的SMC增强材料，包括玻璃纤维。

据瀚森公司介绍，采用汽车级别的纤维，当增强材料的体积百分比达到55%时，依然可以获得高质量的成型部件。

典型的成型条件是：
➤ 150℃时为3min.；
➤ 140℃时为5min.。

采用较低温度的选项，可以获得更好的表面效果。

这种低黏度系统的玻璃化转变温度大约是100℃，所以成型部件能够经受电泳涂装工艺（至少适用于欧洲的电泳涂装生产线），只是在此过程中，需要对部件进行遮挡并提供很好的支撑。此外，成型部件也能够适应喷涂生产线的温度。

目前，采用三菱化学碳纤维与复合材料公司的45%体积百分比和57%重量百分比的15K Pyrofil碳纤维（含0.4%的环氧树脂相容浸润剂），该新的系统在表面积为0.35m2的汽车座椅骨架结构上得到了试用。



瀚森公司最近商业化了一种专为汽车SMC而设计的B级100%的环氧树脂级别，最近，它被用于一款汽车座椅骨架的成型

初始的填充面积是25%，据介绍，部件完全填满了模具（即部件的几何形状），包括肋和轴套等。

A. Schulman公司表示，该公司自1987年以来就已生产出玻璃纤维/环氧树脂和碳纤维/环氧树脂的SMC，最近推出了4个级别的“下一代无苯乙烯、低VOC排放”的采用3K和12K丝束短切碳纤维增强的环氧SMC以及连续纤维毡。

这些材料级别拥有比碳纤维增强乙烯基酯树脂SMC更高的力学性能，玻璃化转变温度（Tg）处在Tan Delta和储能模量（分别为125℃和160℃）之间，这使它们甚至能够用于温度更高的北美电泳涂装生产线上。

麦格纳外饰公司介绍说，自2008~2009年以来，该公司已采用了内部配制的环氧-聚氨酯SMC。

根据应用对性能和成本的要求，麦格纳还采用了来自几家供应商的混合的不饱和聚酯树脂（UP）和改性的乙烯基酯树脂（VE）原料。