1．前言
       玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（GlassMat Reinforced Thermoplastic簡(jiǎn)稱GMT)以其韌性、剛性、耐沖擊、耐腐蝕等綜合性能優(yōu)良、重量輕、性能價(jià)格比高、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而成為目前國(guó)際上開發(fā)的復(fù)合材料的熱門品種之一。GMT材料廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、化工、包裝、電力、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。其中使用最多的則是汽車制造業(yè)，其所使用的GMT零部件已達(dá)到800多種。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，80%以上的GMT材料用于生產(chǎn)汽車零部件，日本、韓國(guó)亦以轎車使用為主。目前用GMT制造的汽車零部件主要有保險(xiǎn)杠橫梁、前端裝配托架、電池托架、座椅骨架、儀表板骨架及車下體保護(hù)罩等（1-4）。
      不同的制品對(duì)GMT材料的性能要求并不完全相同，努力提高GMT制品的性價(jià)比是各環(huán)節(jié)廠商追求的目標(biāo)，利用GMT材料的可設(shè)計(jì)性，使其系列化、專用化，可滿足各類客戶的需求。用作結(jié)構(gòu)或承載部件的保險(xiǎn)杠橫梁是GMT材料在轎車上的典型應(yīng)用。因其承受低速碰撞時(shí)所產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力，既要求高的韌性以吸收碰撞能量，同時(shí)要求有高的強(qiáng)度和模量，因此保險(xiǎn)杠橫梁應(yīng)使用高玻纖含量的GMT片材，但這將使其制備與成型技術(shù)難度加大。座椅骨架需要長(zhǎng)時(shí)間承受靜載荷作用，沖擊性能要求不高，但靜載荷產(chǎn)生的撓度對(duì)材料的彎曲性能有較高要求，因而此類制品更為關(guān)注的是彎曲強(qiáng)度與模量。發(fā)動(dòng)機(jī)底層防護(hù)罩是易損部件，應(yīng)具有良好的耐沖擊性能，但發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪音很大，因此還應(yīng)注意充分發(fā)揮GMT材料的隔音防噪效能。在GMT片材汽車零部件中，前端是最為成功的應(yīng)用。它將車頭燈、風(fēng)扇、散熱器座、發(fā)動(dòng)機(jī)搭扣等多功能部件集于一起，既減少零部件數(shù)量，又減輕了重量，是模塊化和功能集成的典型代表。模塊化生產(chǎn)使制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，因此應(yīng)關(guān)注GMT制品成型時(shí)的流動(dòng)性（6-7）。GMT用于儀表板骨架時(shí)應(yīng)保證其熱膨脹率低，翹曲變形和收縮率小，在-40℃和80℃溫度范圍內(nèi)都有很好的沖擊強(qiáng)度。GMT用于制造電瓶托架時(shí)則應(yīng)著重考慮材料的耐腐蝕、耐潮濕和電絕緣性。若將GMT材料用于車頂棚，則應(yīng)具備足夠的剛性，同時(shí)還應(yīng)突出其優(yōu)異的聲學(xué)特性和美學(xué)效果.
       總之，GMT片材及制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、性能拓展范圍寬。可以通過基體樹脂選擇、改性、功能化、配方設(shè)計(jì)、增強(qiáng)玻纖氈的結(jié)構(gòu)調(diào)整與復(fù)合等措施制備出性能各異的GMT片材，滿足不同的制品要求。
2. GMT材料的特點(diǎn)
      GMT材料是通過樹脂與改性劑、添加劑按一定比例形成特定配方，經(jīng)加溫、加壓、浸漬到玻璃纖維中，冷卻后成型而得。與熱固性材料相比：（1)生產(chǎn)過程中無化學(xué)反應(yīng)，加工成型時(shí)間短，熱能消耗低，工藝流程短、制品生產(chǎn)效率高、成本低；（2)由于浸漬前聚合反應(yīng)已經(jīng)完成，因此預(yù)浸料穩(wěn)定，無存放時(shí)限，且無特殊的存放條件要求，片材可長(zhǎng)期存放，使用期長(zhǎng)；（3）以線性樹脂為基材，因而韌性高，有良好的抗沖擊性能；（4）熱塑性樹脂中的結(jié)晶性，增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗化學(xué)腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)能力；（5）片材可再生利用，無環(huán)境污染之憂[1]。
      GMT材料可再生利用優(yōu)勢(shì)是熱固性復(fù)合材料無法與之相提并論的，因而被稱為二十一世紀(jì)的綠色工業(yè)材料。GMT回收利用方法有：（1)回收件被粉碎成碎屑，作為原料再次用于半成品片材生產(chǎn)；（2）把廢棄或破損部件粉碎，與短纖維一起摻混用于注塑模壓制品；（3)廢棄或破損制件整體回收，重新壓制新制件；（4）回收較小GMT制件，再次預(yù)熱并模壓成大部件。GMT材料這一環(huán)保特色，與全球綠色一環(huán)保一可持續(xù)發(fā)展相適應(yīng)，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 3. GMT材料的性能及其影響因素
       基體與增強(qiáng)纖維以及基體與纖維結(jié)合的界面是決定GMT材料性能的三大關(guān)鍵因素。良好的界面是外加載荷通過基體向纖維傳遞的保證，而復(fù)合體系的界面結(jié)合情況除與基體及纖維性質(zhì)有關(guān)外，還與復(fù)合工藝密切相關(guān)[5-7]。
       基體聚丙烯的熔融指數(shù)高、粘度低有利于體系的浸漬過程。低粘度的PP熔體不僅容易潤(rùn)濕增強(qiáng)纖維的表面，利于復(fù)合體系界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，還有利于二次成型制品時(shí)復(fù)合材料的流動(dòng)。但在保證流動(dòng)性的同時(shí)，還應(yīng)使GMT片材具有相應(yīng)的力學(xué)性能。在GMT材料中，玻纖組分、玻纖含量、直徑及玻纖氈種類等亦對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生很大影響。通常采用E玻璃纖維，且在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料性能隨著玻纖含量增加而增加；玻纖直徑的大小，影響單絲的性能、應(yīng)力的傳遞及其在基體中的均勻性；玻纖氈的種類不同，其三維結(jié)構(gòu)存在較大差異，影響基體樹脂的浸漬及制品加工。另一個(gè)影響GMT材料性能的主要因素是浸漬工藝。在熔融浸漬過程中，體系的溫度和壓力影響基體樹脂的浸漬速度和浸漬程度，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。浸漬時(shí)間與溫度和壓力有關(guān)，浸漬時(shí)間太長(zhǎng)易導(dǎo)致基體樹脂降解；浸漬時(shí)間太短則易造成基體浸漬玻纖氈不充分。適宜的浸漬時(shí)間可以提高玻纖氈的增強(qiáng)效率。表1是由華東理工大學(xué)開發(fā)、江蘇雙良復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的部分GMT材料的性能。
              
            
          
 4. GMT力學(xué)性能的改善
       4.1組合增強(qiáng)
       GMT材料有前文所說的許多優(yōu)點(diǎn)，但與熱固性復(fù)合材料相比則存在剛性不足的弱點(diǎn)，GMT模壓成型的大型制品尺寸穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[2]。云母是聚丙烯的一種優(yōu)良的無機(jī)增強(qiáng)填料，具有高的剛性和制品尺寸穩(wěn)定性。利用云母與玻纖氈對(duì)聚丙烯進(jìn)行組合增強(qiáng)則能夠得到高剛性、高韌性和良好制品尺寸穩(wěn)定性的復(fù)合材料（表2）[8]。將表面經(jīng)過特殊處理的硅灰石填充聚丙烯體系與玻璃纖維氈復(fù)合，可以提高GMT-PP片材的剛性、耐熱性、耐蠕變性能，降低材料成本，但材料的沖擊強(qiáng)度有一定的下降。對(duì)于滑石粉填充聚丙烯GMT復(fù)合材料，利用接枝改性聚丙烯（MPP）可有效改善滑石粉填充GMT一PP中纖維與基體、滑石粉與基體的界面結(jié)合狀況，使滑石粉填充GMT一PP復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量大幅度提高，沖擊強(qiáng)度和制品表面質(zhì)量明顯改善〔9〕。在連續(xù)玻纖氈增強(qiáng)的GMT--PP材料中加人一定量的非連續(xù)纖維，可以降低成本，改善材料的剛性、耐熱性，同時(shí)還可以提高材料在制品成型過程中的流動(dòng)性與纖維分布的均勻性，得到綜合性能良好的復(fù)合氈增強(qiáng)GMT--PP材料。
        
      4.2基體增韌
      有些特殊使用場(chǎng)合的GMT一PP制品，要求具有很高的沖擊性能。在聚丙烯基體中摻人一定量的韌性組分能夠顯著提高GMT/PP的沖擊強(qiáng)度，克服聚丙烯低溫韌性差的缺點(diǎn)。最常用的組分有EPDM（三元乙丙膠）和EPR（二元乙丙膠）。為改善韌性組分與基體的相容性，還需對(duì)基體組分進(jìn)行接枝改性，如馬來酸醉接枝EPDM與EPR、馬來酸配接枝PP等。增韌組分的摻人須考慮適宜的顆粒直徑以保證有效的銀紋引發(fā)與控制[8]。圖1為不同基體及基體增韌GMT-PP片材的沖擊強(qiáng)度，可以看出，GMT-PP片材的沖擊性能隨基體韌性的加大而提高。
                    

      4.3增強(qiáng)合金
      制備高剛性的GMT一PP材料除可進(jìn)行填充增強(qiáng)外，還可進(jìn)行基體聚合物合金增強(qiáng)。Mcloughlin和Elliott對(duì)PP增強(qiáng)合金的研究發(fā)現(xiàn)[10]，在增容的30%玻纖增強(qiáng)PP中加入15％的PA6,PA66或PET，材料的拉伸強(qiáng)度可以高12%，同時(shí)材料的性能與所用的玻纖種類密切相關(guān)。邱有德等[11]認(rèn)為，要使增強(qiáng)的PP/PA6共混物具有較高的機(jī)械性能，必
須保持共混物能有足夠數(shù)量的界面化學(xué)鍵。由于纖維與PP及PA的結(jié)合強(qiáng)度不同，在增強(qiáng)的PP/PA合金中，纖維的分布受增容劑的影響很大，不同的增容劑以及組份的配比決定了體系的流變特性和共混物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及各相與增強(qiáng)纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，從而決定了復(fù)合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)，最終影響材料的性能。
    孫斌等[12]的研究表明隨著合金體系中PA6含量的提高，基體的力學(xué)性能以及基體與玻纖間的界面結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生變化，但所引起GMT材料的各種力學(xué)性能變化情況并不相同，材料拉伸和彎曲性能顯著提高，而沖擊性能則下降，各種性能在PA6含量為70%時(shí)存在極值（表3）。GMT增強(qiáng)合金材料的拉伸性能與中心層薄膜的性能關(guān)系密切；預(yù)制
膜的厚度越小，材料的彎曲性能越佳；材料的沖擊性能對(duì)不同薄膜的匹配不敏感。
           
5  結(jié)束語

基于對(duì)性能和加工的進(jìn)一步要求，在玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研究中對(duì)長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)LFT和纖維摻混的Twintex的研究日益加快，在GMT產(chǎn)業(yè)中所占比例增大；天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料正逐漸引起各研究者的重視。各研究單位機(jī)構(gòu)都力圖在界面改性、基體浸漬、片材制造工藝、制品成型技術(shù)等方面獲得新的突破。
       目前，GMT發(fā)展趨勢(shì)可以用“整合／集成”（Integration)一詞來概括，即將片材制備與制品成型結(jié)合起來，避免片材制備過程中冷卻及制品成型前重新預(yù)熱。現(xiàn)在已有幾家公司能夠在線復(fù)合與成型，其中包括LFT。德國(guó)Dieffenbacher公司的直接長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料／在線復(fù)合已建成多條生產(chǎn)線。LFT加工方法省去制備中固化過程，有利于降低片材能耗成本，但LFT技術(shù)導(dǎo)致非連續(xù)纖維在材料中無法形成隨機(jī)分布甚至產(chǎn)生嚴(yán)重取向。
       連續(xù)熔融浸漬工藝適用于加工多種玻璃纖維氈（包括短切氈、連續(xù)氈與復(fù)合氈等）增強(qiáng)GMT，材料優(yōu)越的抗沖擊性能確保在汽車、建筑等行業(yè)的應(yīng)用繼續(xù)保持迅速增長(zhǎng)勢(shì)頭。近年來，輕質(zhì)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)在國(guó)外面世，輕質(zhì)GMT材料以其更低的重量與熱膨脹系數(shù)以及更好的隔音性能等優(yōu)勢(shì)，而更適用于制造非結(jié)構(gòu)件及裝飾性部件，在汽車零部件的應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角。華東理工大學(xué)聚合物加工研究室對(duì)輕質(zhì)GMT材料的研制以其獨(dú)特的制備工藝而取得成功。可以預(yù)見，隨著我國(guó)GMT研究開發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步成熟與完善，傳統(tǒng)GMT與輕質(zhì)GMT材料將呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、齊頭并進(jìn)的發(fā)展局面，并以其“綠色環(huán)保”優(yōu)勢(shì)而倍受矚目。