汽车SMC:老话新说——配混向低VOCs 和无VOCs方向发展

作者:PEGGY MALNATI 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-02-02
在片状模塑料(SMC)复兴的过程中,新的树脂以及配混技术的进步,正在拓宽这种多用途复合材料的定义和应用范围。

配制SMC通常采用两种传统方法,一种是较为常见的较低温度下的溶剂型配制,另一种是较高温度的热熔配制,它需要专用设备,类似于预浸料生产商所采用的配制方法。为响应欧盟和北美最新的“减少VOC排放(具体针对苯乙烯的排放)”指令要求,目前SMC的配制正在发生变化。但不幸的是,作为低成本的高效稀释剂,配混商们通常将苯乙烯用于溶剂型的配制中,以降低树脂黏度,实现更好的纤维和填料浸润,从而改善操作性,驱动交联密度,延长货架期,减少自动聚合问题,提高紫外稳定性。因此,苯乙烯不易被取代。这使得树脂供应商和配混商们面临着艰难的选择:要么找到无苯乙烯的稀释剂,以确保他们能够继续采用溶剂型的配制方法;要么转变成采用热熔配制法,这需要大量的费用支出。无论哪种选择,都各有优缺点。

在配制SMC和真正的预浸料方面,为追求低VOC或无VOC的树脂系统, Polynt-Reichhold公司(美国北卡罗来纳州Durham)走在了前列。“5年前,我们生产的用于SMC和预浸料的树脂,90%是含苯乙烯的。” Polynt-Reichhold公司先进材料业务开发经理John Ilkka说,“当时,我们的领导给我们的研发团队提出了挑战——寻找生产无苯乙烯聚合物的替代方法。我们考虑了其他的活性稀释剂,如乙烯基甲苯或乙烯基苯,目前还在对它们进行考察之中。但我们的管理层所关心的是,如果我们沿着这条道路走下去,同时,监管机构扩大了违禁溶剂的清单,那么,我们就会重新回到原点。正因如此,我们选择了更艰难的道路,创造出了一种不含活性稀释剂的较便宜的系统。”

“我们的战略重点是在结构方面,是提供零VOCs排放的快速固化、可室温保存的复合材料解决方案,它们既可采用玻璃纤维、也可采用碳纤维,同时强调了针对SMC和预浸料应用的成型效率。”Polynt-Reichhold公司北美复合材料业务技术总监Steven Hardebeck说,“所幸的是,新的混合材料系统所采用的引发剂和固化机理与传统的含苯乙烯的SMCs是完全一样的,所以我们能够匹配传统SMC的循环时间而没有丧失产率。”所有这些艰苦努力的最终结果是,获得了无VOC排放的系统,它无需冷藏,拥有更长的保质期,提高了产率,适合电泳涂装,而且成本较低。另一方面,这项成果也来之不易。“我们不得不调整化学原料,采用多种聚合物系统,以便获得一种具备良好浸润性和加工性的产品,使之拥有成型商想要的加工特性,固化时能够提供客户想要的热-力学特性。”他补充说,“这迫使我们采用了室温下成固态的高温液体,以及使用3种和4种聚合物的热熔应用。”Polynt-Reichhold公司已对一些研究申请了专利。该公司一些非常聪明的聚合物化学家几乎应对了每一项挑战。

Polynt-Reichhold公司开发的无VOC排放的乙烯基酯树脂SMC的商业化应用包括:电池盒;由大陆结构塑料公司(简称“CSP”,美国密歇根州奥本山)成型、用在通用汽车公司2014 Chevrolet Spark电动汽车上的电池壳;由Molded Fiber Glass公司(简称“MFG”,美国俄亥俄州阿什塔比拉)生产、用于通用汽车公司2016雪佛兰克尔维特汽车上的底板。

“有关VOC排放的要求不会停止。”大陆结构塑料公司研发副总裁Mike Siwajek博士表示,“在美国,其进度可能会比中国和欧洲慢,但你可以看到,全球对排放的要求日益严格。”他指出,虽然现在许多系统满足了当前的要求,但大陆结构塑料公司及其他一些公司仍在研究替代的化学原料,包括热塑性的。这样的改变,还包括走向热熔系统,以此来影响配混、成型和处理——在某些情况下,可以提高部件性能,但在另一些情况下,可能会更差。“由于不饱和聚酯和乙烯基酯树脂是由苯乙烯实现化学交联的,所以取消了苯乙烯,就没有了交联,除非你采用一些绝对开放的催化剂来作弥补。”他补充道。

“目前对于配混商、成型商和OEM而言,需要在热熔和溶剂型的配制方法中,以提高成本为代价,来降低苯乙烯的用量。”Core Molding Technologies(美国俄亥俄州哥伦布)的营销副总裁Terrence O’Donovan说,“作为配混商和成型商,我们赞成采用替代的树脂系统解决方案。”他认为,由于目前已知的方法带来了较高的成本,因此需要成型商和OEMs对最终结果作出承诺:在短期内允许通过增加一些成本,来减少苯乙烯(和VOCs)的残留。他预言:“如果能够做到这一点,商业化速度就会加快。”

“当你取消了苯乙烯而采用一种热熔系统,处理和加工可能会变得具有挑战性。”亚什兰北美技术总监Robert Seats说,“做预浸料的人懂得如何处理热熔胶,但试图将这种技术转变为一种SMC机器,可能更为棘手,因为与传统树脂糊相比,热熔系统需要在明显更高的温度下加工。另一方面,采用热熔系统,每小时可以加工明显更多的材料,从而获得更高的产率。”

“在谈论苯乙烯的排放时,重要的是要记住,我们针对SMC所采用的是一种闭模工艺。”AOC公司(美国田纳西州Collierville)业务经理Mark Harber说,“这意味着消除苯乙烯排放以为工人提供良好的工作环境是相对容易的。”他解释说,由于SMC是在高温下成型,因此有助于解决部分问题。AOC公司的方法是采用无苯乙烯的稀释剂,如乙烯基甲苯和丙烯酸酯。Harber补充说:“如果你正在寻找其他的东西而不是传统的苯乙烯,你可能会使SMC具有更大的紫外稳定性。可能会有不利的一面,但这些变化也有好处。”

“这是非常激动人心的复合材料时代。” 大陆结构塑料公司的Siwajek补充说,“45年后,我们拥有了一种解决方案,可以告诉客户‘不要失去信心,这些技术正在进步,碳纤维正在敲门’。”

提及汽车行业,配混商和成型商美国Core Molding Technologies公司的Terrence O’Donovan说:“对于中等产量的项目而言,研究已经表明,SMC复合材料是比钢和铝更经济的选择。随着树脂和纤维技术的进步,推动了密度的降低,同时保持或提高了强度,使得SMC复合材料成为新应用的合理选择。”

结构SMC/预浸料混合物:福特汽车公司与麦格纳外饰公司的一个联合开发项目,实现了一种创新原型复合材料车架的开发。作为汽车底盘的一个重要元素,该车架为发动机和车轮提供了固定位置,同时还有助于刚性和碰撞管理。相比以前的冲压钢组件,通过模压成型碳纤维SMC与碳纤维预浸料,该部件减轻了34%的重量,将部件数量从45个减少到6个。其中,两个复合材料的子部件及其4个金属嵌件通过粘合剂粘接和结构铆接的方式被组装在一起。据说该原型接受了福特的汽车等级的测试(图片来自麦格纳外饰公司)

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