汽车SMC:老话新说——新的填料

作者:PEGGY MALNATI 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-01-15
片状模塑料的复兴,凸显了新的增强材料、新的填料、新的树脂基体和新的机遇。

针对汽车SMC的另一重要研究是致力于减小SMC的比重(SG),从而降低最终部件的重量。历史上,SMCs曾达到了不低于1.9的比重,但在过去的几年里,供应商们不断努力,提供了比重在1.6~1.4的中等密度级别的材料。后来,由于采用更轻的玻璃微珠取代了传统的碳酸钙填料,促使密度降低到了1.2~1.1的比重范围。AOC、亚什兰和A. Schulman都表示,他们拥有1.2比重的或更轻的商业化的级别,或者一些级别还在开发中。今天,一些配混商提供比重1.0甚至低于1.0的材料级别。

从廉价但较重的矿物质转变成更轻但昂贵易碎的玻璃微珠,并非没有挑战。前几代的微珠必须小心处理,以避免在配混过程中破损。

3M公司(美国明尼苏达州圣保罗)和其他一些公司开发的高强度微珠,被认为是一项重大突破,它使生产更低密度的SMCs成为可能。

2015年,SMC的配混商和成型商CSP,在通用汽车公司雪佛兰克尔维特跑车的喷涂、粘接的A级表面车身板上,做了一个中期计划的运行改变。相比CSP自己的1.6比重的中等密度的TCA Lite级别,该公司1.2 比重的TCA Ultra Lite级别(采用了AOC的不饱和聚酯树脂)从多达21个车身板组成的组装件上减轻了9.5 kg的重量,这不仅没有对模具、部件厚度或工艺参数作出改变,而且是在不牺牲力学性能且成本低于铝的情况下实现的。

据CSP的研发副总裁Mike Siwajek博士介绍,该公司已在多个方面应对了轻量化带来的挑战,在不影响力学性能、表面质量或加工的情况下减轻了重量。他将成功归功于3次变化:

1.采用了抗压强度更好的更坚韧、更高性能的3M 微珠;

2.CSP针对微珠应用而开发了专用的浸润剂;

3.采用了欧文斯科宁(美国俄亥俄州托莱多)的高强度、耐腐蚀的ME1975玻璃纤维合股纱,这是欧文斯科宁专为适应不饱和聚酯树脂而订制的纤维增强材料。

配混商和成型商Core Molding Technologies公司(美国俄亥俄州哥伦布)的营销副总裁Terrence O’Donovan说,该公司已成功地实现了1.2比重的材料的商业化,他称之为 “新的密度标准”。他介绍说,Core Molding Technologies公司拥有A级表面和结构应用的产品,其力学性能与中等密度的材料级别非常接近。“有趣的是,我们的A级表面MIRILITE SMC的表面质量(就波纹而言)实际上比我们标准密度的SMC稍好一点,这是对整个供应链在开发上所作努力的证明。”他解释道。O’Donovan还表示,该公司比重仅0.98的最低密度的HYDRILITE SMC已实现了商业化。

“我们不断努力,推动在低密度材料上实现突破,因为我们的客户需要。” O’Donovan表示。然而,他警告说,随着密度的降低,实现汽车的A级表面会更加困难。虽然该公司的主要客户群体是在商用汽车领域。他还指出,在加工这些密度非常低的材料级别时,不需要对硬资产或模具作出重大改变,通常是调整加工条件,如压机闭合的速度和压力。

基于每年新推出的许多纳米颗粒以及在热塑性纳米复合材料方面开展的大量研究工作,已有人评估纳米矿物材料可否作为玻璃微珠的替代物。几乎所有主要的树脂供应商以及一些配混商和成型商都表示,他们已对纳米技术进行了评估,但鲜有成功。Reichhold公司(美国北卡罗来纳州Durham)技术总监Steven Hardebeck介绍说:“我们每月接触尝试新的颗粒,从石墨和纳米二氧化硅,再到纳米锌和核壳橡胶,我们确实评估了很多。通常,我们是在寻找提高韧性的方法,这种方法不能影响玻璃化转变温度(Tg)或其他性能。其中的一些显示出了这种能力,但其他的似乎并没有提供它们在热塑性塑料中所表现出的同样优势。”他承认,所有的纳米颗粒存在的关键问题是脱落以及阻止重新团聚。他还置疑,相比环氧树脂或热塑性塑料,SMC的不同断裂力学性能可能是一个因素。

“在玻璃微珠日益成为一种更有效、更经济的方法之前,纳米黏土起初引起了SMC轻量化的兴趣。”O’Donovan补充道,“我们花费了6个月的时间来研究碳纳米材料,但最后,我们没有发现任何有利于提高力学性能的优势,我们最终放弃了这项努力。”

密度能走向多低?

现在,SMC的密度处在比重1.0或低于1.0的分界线上,问题是,比重能够做到多低?对此,一个共同的认识似乎是,更低的比重会引发一些妥协或重大变化。

FPC的 Park预言:“当比重下降到1.1和1.0的时候,即使是从矿物填料转换成玻璃微珠,你真的要开始与玻璃纤维本身的密度去作抗争,并需要保证部件的刚度和强度。由此,采用碳纤维而不是玻璃纤维才能继续推动密度的降低。”他表示,“但是,在A级表面的应用中,玻璃纤维不可能很快被替换掉。”

亚什兰交通运输部门高级产品经理Laura Gigas 则认为,随着越来越多的人投资越来越多的技术,SMC会变得越来越强。“与传统的低密度SMC相比,根据材料的不同,我们在5年前就已将模量提高了20%~40%。这些产品供客户取样,同时我们正在积极地寻找新的商业化方案。”

AOC 的技术经理John Young补充道:“我们有比重1.0的系统正在筹划之中,但物理性能确实成为一个问题。在采用单独设计的面板中,你可能无法克服刚性的损失。你可以在实验室中创造这样的产品,但是,有人愿意在车上使用吗?那是另一回事。我想我们会看到暂时停滞在1.2比重的水平上。”他还描述了低密度SMC在粘接组装的外板上的应用发展趋势,但较高密度的材料级别会用于壁厚较薄的内板上。

Young还主张,已经取得的成绩也许足够了:“如果我们最终能够在内板上获得一个“1.2-plus-1.2”的三明治结构,同时保证刚性,那么我们就真的能够在重量、循环时间和模具成本方面与铝展开竞争。”

类似的,CSP的Siwajek解释说,推动开发超低密度SMC可能适得其反。“如果为获得1.0的比重而损失了刚性和强度,就必须增加厚度。”他说,“有时你通过采用密度略高的材料而在一个更薄的部件中实现更好的刚性和强度,就能实现更大的轻量化。”

“另一方面,就在一年或两年前,我们还将1.0的比重看作是无法实现的目标,然而今天我们已经超越了这条界限。”Core公司的O’Donovan说,“基于过去几年的进步,认为0.98的比重不会被打破的想法是愚蠢的。”

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