空心玻璃微珠填充SMC性能研究

        片状模塑料( SMC)是一种短切玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂模塑料，采用片状模塑料压制成型工艺制造的复合材料制品具有质量轻、成型工艺简单、强度相对较高、价格低廉等优点，在汽车部件、卫生洁具、电器配件、建筑装饰等领域有广泛的应用。如果能够进一步降低SMC密度，减轻复合材料部件的质量，SMC制品在交通运输领域包括汽车、轨道交通甚至航空方面将会有更大的竞争优势。

       1988年国外开发中空微球填充SMC，制备汽车配件，并应用于Corvette内板的生产，使SMC的密度从普通级SMC的1.9 g/cm3降到低密度SMC的1.4g/cm3。2005年美国专利公开一种“低密度热固性模塑料”的制备方法，采用硅藻土、蛭石粉、空心玻璃微珠、空心陶瓷球、膨胀珍珠岩等低密度填料作为低密度添加剂制备环氧、聚酯和酚醛等热固性树脂模塑料，根据配比不同，密度在1.1—1.7 g/cm3范围。硅藻土、蛭石粉、膨胀珍珠岩等矿物填料强度较低、吸树脂性较大而且对降低SMC密度并保持其力学性能帮助不大。空心微珠尤其是空心玻璃微珠表观密度低、压缩强度高，用于填充聚合物改善材料隔音隔热性能，提高材料耐磨耐腐蚀性能，降低制品密度等国内外有不少研究报道。

       进一步研究空心玻璃微珠对SMC制品的密度、强度、冲击性能以及减震隔热等方面的影响，有着较为实际的意义和应用价值。

1  实验部分

1.1原材料及仪器

      不饱和聚酯树脂：P17-903B，金陵帝斯曼树脂有限公司；硬脂酸锌：一等品，南京金陵化工厂；聚苯乙烯糊：自配；苯乙烯：AR，上海化学试剂厂；中碱短切玻璃纤维粗纱：泰山玻璃纤维厂；过氧化苯甲酸叔丁酯：TBPB，江苏强盛化工有限公司；Mg0:活性60，上海敦煌化工厂；空心玻璃微珠：秦皇岛玻璃微珠厂；偶联剂：KH560，武汉大学化工厂。

      四柱热压机：YNY32-IOO型，武汉毅能锻压机械公司；微机控制电子万能材料试验机：RGT-30，深圳瑞格尔公司；热变形温度测试仪：XRW-300型，安泰检测设备公司；扫描电子显微镜：JEOL2000型，日本电子公司。

1.2 SMC的制备

       按照一定配比将脱膜剂、低收缩添加剂、交联剂、固化剂、空心玻璃微珠加入到不饱和聚酯树脂中，在搅拌机上混合均匀，再按要求加入增稠剂搅拌，加入确定量玻璃纤维，在塑料薄膜中夹片排泡压实，收卷增稠。再采用100 t四柱热压机，300 mm×300 mm×10 mm的金属模具压制成片材。

       SMC配方（质量分数）：UP树脂40%，短切玻璃纤维25%，聚苯乙烯10%，玻璃微珠0- 20%，TBPB l%，Mg0 1.5%，ZnSt 2%，偶联剂0.5%。

1.3性能测试

      密度按照GB/T 1464-1987测试；力学性能按照GB/T 1448-1983、GB/T 1449-1983测试；热性能按照GB/T 1634-2004测试。

2结果与讨论

2.1  空心玻璃微珠用量对SMC密度及热性能的影晌

     

       本研究中玻璃微珠用量在4% - 20%内变化，微珠的用量还可更高，但由于高用量下，混合物黏度较大，不利于短切玻璃纤维的浸润与片材成型。图l为空心玻璃微珠用量对SMC密度和热变形温度的影响。从图1可看出，随玻璃微珠用量的增加，SMC密度呈现下降趋势，前期下降趋势较快，后期密度下降趋缓。其原因可能随玻璃微珠用量的增大，玻璃球相互聚集，压制中会有破碎。在SMC体系中微珠质量分数达到20%，密度可降低到1.22 g/cm3，在常规SMC（1.8-1.9 g/cm3左右）基础上降低30%左右。

       从图l还可见，随玻璃微珠用量的增大，热变形温度上升，其原因在于填料的加入相当于起到物理交联点的作用，能够使分子链不易移动，从而有利于树脂耐热性能的提高。玻璃微珠质量分数为200-/0时，SMC热变形温度能提高18℃。

2.2玻璃微珠用量对SMC力学性能的影晌

               
       图2是玻璃微珠用量对SMC弯曲强度和压缩强度的影响。从图2可看出，随玻璃微珠用量的增大，弯曲强度和压缩强度均呈下降趋势，尤其是玻璃微珠质量分数达到10%以后，下降趋势加快。玻璃微珠质量分数达到20%后，弯曲强度损失了30%，压缩强度损失了50%，但此时的强度仍能达到作为围护型复合材料使用的要求。压缩强度比弯曲强度损失更
快的原因在于：玻璃纤维对压缩强度的支持小于弯曲强度，造成压缩强度更迅速下降。由此可见，如果要求SMC在密度降低的条件下还要有较好的力学性能，玻璃微珠质量分数以不超过10%为宜。
                      
       图3是玻璃微珠填充SMC的SEM图。由图3a可以看出，SMC体系中纤维是以无序形式存在，玻璃微珠质量分数达到20%时，体积填充量已经比较高，微珠与微珠之间的距离比较小，有些球已经互相接触。从断面破坏情况看，纤维未受到破坏，主要是以微珠破裂形式出现，原因是微珠壁薄，与纤维相比强度要低的多，受力会首先产生破坏，由此也可解释微珠用量越高，SMC力学强度越低的现象。由图3b可以看出，纤维附近与纤维接触的许多微珠出现变形破裂，应该有一部分是在模压过程中，纤维流动对微珠挤压造成的破裂，因此，降低模压压力应该能够降低微珠的破损率，对SMC的低密度性能有利。

3结论

       玻璃微珠可以作为SMC填充料来降低其密度，其用量增加而SMC密度下降。玻璃微珠质量分数达到20%时，填充SMC的密度比常规SMC的低30%。

       随玻璃微珠用量的增大，弯曲强度和压缩强度均下降；当玻璃微珠质量分数达到20%后，弯曲强度损失了30%，压缩强度损失了50%。

       增加空心玻璃微珠用量能在一定程度上提高SMC热变形温度。
      从工艺与性能综合角度看，玻璃微珠用量不宜超过l10% 。模压工作压力不宜过大，以避免玻璃微珠破碎，失去降低密度效果。