| SMC創(chuàng)新工藝具更廣闊市場 復合材料新應用
SMC在汽車工業(yè)所扮演的重要角色眾所周知，在眾多業(yè)內(nèi)人士面前已展示出它卓越的性能。特別是隨著汽油價格攀登，SMC，多年來一直不斷努力，創(chuàng)造出更多輕型車。
然而，我們知道的較少的是SMC在汽車工業(yè)應用領域之外還有何種用途。即使遠離了引人注目的汽車行業(yè)，SMC的優(yōu)勢還是能夠通過不同的途徑表現(xiàn)出來，例如它的高強度和優(yōu)良的耐候性，仍被制造行業(yè)列為首選原材料。雖然很多復合材料制造商通常采用供貨商的樹脂系統(tǒng)和成熟的化合物配方。在開發(fā)SMC新型應用領域中，存在著這樣幾個問題：抗UV性能，抗沖擊和防潮能力，以及表面質量要求，這些因素無疑都推動了定制材料的發(fā)展。下面的例子表明SMC的超強適應性，能夠具有更廣闊的應用領域。
不僅僅只是一個外殼
在工業(yè)制品領域中，對于產(chǎn)品外殼在制造中，原材料選用范圍從聚合物混凝土到金屬再到熱塑性和熱固性材料。SMC是占主導地位的熱固性材料之一，應用之一是Lightning Switch（閃電開關），它是一款無線操作、無需使用電池的遠程控制系統(tǒng)，該產(chǎn)品已獲得專利。該系統(tǒng)可將編譯的無線電編碼發(fā)送給用戶接受者，人們可以通過遠程遙控輕松開啟或關閉燈、家用電器和其它電器設備。用戶可以將它安裝在一個新的開關或取代現(xiàn)有的有線開關。Lightning Switch，由PulseSwitch Systems公司（位于弗吉尼亞州的諾?？?以下簡稱PulseSwitch公司）研發(fā)制造，通過NASA資助的壓電項目研發(fā)計劃而發(fā)展起來的。
SMC發(fā)動機蓋 對于PulseSwitch公司最大的挑戰(zhàn)就是在工業(yè)環(huán)境原材料中，找到合適的一款為接收器制造外殼。因為金屬材質的外殼會干擾無線電信號，所以研究人員首先將金屬外殼淘汰掉。Brad Face是PulseSwitch公司的總裁，經(jīng)過一段時間的思考，最后他來到Stahlin Non-Metallic Enclosures公司（位于密歇根州的Belding 以下簡稱Stahlin公司），后者擁有著名的Diamond Shield外殼，這是一款基于SMC的產(chǎn)品。規(guī)格多種多樣，共記有十個規(guī)格：可以生產(chǎn)從152 mm*152 mm*102 mm，到508 mm*406 mm*254 mm的產(chǎn)品。
Stahlin公司市場部經(jīng)理Mike Jackson表示，他們的技術人員為PulseSwitch公司開發(fā)出了356-mm*305-mm*203-mm規(guī)格的外殼（壁厚為通常的 3.2mm），這款產(chǎn)品在設計上能夠滿足不同的需求，不但能夠對無線電傳輸無任何干擾，而且該款外殼強度高，用于A級表面質量。Stahlin公司的該款不飽和聚酯SMC原材料已申請專利， 玻璃纖維含量為22%。Jackson說，他公司95%的產(chǎn)品都采用SMC制造，因為這樣的產(chǎn)品更具耐久性，防腐，應用領域靈活，產(chǎn)品表面質量高。他還表示，Stahlin公司所有的產(chǎn)品都采用模內(nèi)著色工藝（molded-in color）①。
SMC工藝制造的接收器外殼 Core Molding Technologies公司（位于俄亥俄州的Columbus 以下簡稱Core公司）目前正面臨一項挑戰(zhàn)，當公司的技術人員為了給電力公司和自來水公司生產(chǎn)地面設施的時候，他們找到了產(chǎn)品外殼制造商。Core公司的工程師Brian Gourley說，他們計劃生產(chǎn)一條聚合物外殼生產(chǎn)線，他要評估使用的SMC可行性。因為客戶在十多年前就已經(jīng)開始評估使用復合材料制造外殼的可能性，但是，Gourley表示，客戶的看法在當時確實比較難實現(xiàn)，因為采用復合材料完全有效的替代聚合物混凝土的想法不容易做到。
SMC工藝制造的接收器外殼 “當我們談論有關復合材料的話題時，那是一個完全不同的新型材料世界。” Jeff Blevins說，他是Core公司的研發(fā)部經(jīng)理，“你必須經(jīng)歷這個反復的過程。” 這一過程往往涉及一些有關復合材料的基礎學科，它們到底和傳統(tǒng)的鋼材和混凝土有什么本質區(qū)別，接下來就是討論模具和制造工藝。
Meridian Automotive Systems Inc.公司（位于密歇根州的Allen Park），該公司作為塑料的復合材料和零部件供應商在汽車行業(yè)久負盛名。但是近幾年，該公司卻考慮進軍“非汽車”市場，更多的強調消費品和工業(yè)品。銷售總監(jiān)David Ulrich表示，在這當中，SMC始終是他們努力的一部分。
SMC工藝制造的復合材料遙控開關 回顧上世紀八十年代，Ulrich表示在SMC材料演變發(fā)展過程中他看到了很多成績，設計和應用，二十年前輪船發(fā)動機整流罩，是采用聚酯基SMC制造的。但是當時的技術使得最終成品過于笨重（壁厚5mm），迫使許多制造商放棄復合材料而選擇了傳統(tǒng)的金屬材質；今天，他表示SMC引擎罩已經(jīng)回來了，壁厚3mm，并且重量更輕，更容易安裝。Ulrich表示，SMC最終的目標，是通過熱塑性復合材料解決方案滿足更多的挑戰(zhàn)。
Ulrich說，整個工業(yè)市場都具有明確的成本意識，這就意味著SMC必須在產(chǎn)品的整個生命周期中證明自己的價值。而SMC模具開發(fā)低成本的優(yōu)勢恰恰成為了它最大的賣點。
但是，這并不代表SMC的機械性能不夠優(yōu)越。Meridian公司在“非汽車”運輸和重型卡車的應用中已取得重大突破。13升柴油發(fā)動機Mack卡車的歧管（汽車引擎用于進氣或排氣）蓋。這個1.2*0.6米的乙烯基酯蓋子目前已處于生產(chǎn)中，并且還需經(jīng)受測試環(huán)節(jié)，即連續(xù)12小時暴露于190°C的環(huán)境中，在那之后，Ulrich 表示：“它還是像乒乓球桌一樣的平滑。”目前，Meridian公司正在將SMC歧管蓋的概念復制到其它卡車的發(fā)動機蓋制造上，該研發(fā)項目主要為Cummins和Navistar兩家公司設立的。
從長遠看，Ulrich對SMC部件同樣充滿信心，“采用SMC制造的零部件，雖然厚度更輕薄，但是結構強度卻更高，而且增加納米材料的一體性能夠提高部件的機械性能。”
一不小心闖入了制動系統(tǒng)的應用
Premix Inc.公司（位于俄亥俄州的Kingsville 以下簡稱Premix公司）對于SMC和BMC有很長的研發(fā)過程，范圍從汽車工業(yè)到電動工具，他們的產(chǎn)品能夠滿足各類終端市場的應用。在這當中，兩個最明顯的應用是重型卡車空氣彈簧懸架系統(tǒng)的活塞殼體和電子產(chǎn)品的外殼。
活塞組件，從前都采用鋁材制造，通常用于Firestone公司的可逆空氣彈簧懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應用在重型卡車上?，F(xiàn)在這款活塞不在采用鋁材制造，而是Premi-Glas 1200-50 VE，這是一款乙烯基酯作為基體材料，玻璃纖維增強的SMC材料，由Premix公司研發(fā)制造。公司的研發(fā)人員表示，該材料的強度和剛度極高，制成的零部件能都承受20噸（18公噸）的壓力。而且，該活塞殼體的內(nèi)部表面仍非常平滑，因此能夠大大延長氣囊在活塞里面的使用壽命。Premix還表示，鋁材容易被氧化，而且表面易有沙粒，因此會磨損氣囊，導致懸掛系統(tǒng)出現(xiàn)故障。此外，活塞的設計是希望插入式，無需使用螺栓，削減了組裝成本。
Premix公司，電器外殼的設計和制造為Square D公司（位于美國伊里諾斯州的Palatine），后者始終依據(jù)嚴格的性能標準生產(chǎn)，減少電機控制中心的費用。電機控制中心主要用于商業(yè)和工業(yè)設施的工廠，主要的作用就是控制和分配電力。制造電機的材料必須具有卓越的絕緣性能，防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障，火災或其它潛在故障。Premix公司表示，最大的需求，是使用一款高度絕緣的剛性材料來制造這款外殼，承受在短路測試引起的電磁力100,000 amps在600V的電壓，同時必須使得外殼的厚度大幅降低。一位Premix的工程師決定采用Premi-Glas 3200-30，這是一款高強度、低收縮的SMC材料。在設計過程中，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)，其中共有16個零部件可以合并為2個，而且次要的修整工作可以通過自動化完成。最終，新的外殼在設計上使用較少的復合零部件，更少的零件對應的是更少的緊固件，結果是更快的完成裝配工序。
①模內(nèi)著色：這個molded-in-color 主要用于汽車，摩托車等行業(yè)，即生產(chǎn)的部件（主要是汽車外部件）在注塑成型時就著色，部件不再進行后期的噴漆處理。其實molded-in-color 就是色母粒加樹脂 or simply precolored resin 注塑成型。比如用杜邦的Surlyn ionomer molded-in-color 制造表面光潔，耐磨無需再油漆的摩托車部件。如果在汽車等應用領域不使用涂料,而采用模內(nèi)著色的創(chuàng)新設計,除了能帶來環(huán)保和成本的優(yōu)勢,還能創(chuàng)造非常有前景的加工工藝.。
SMC在汽車工業(yè)所扮演的重要角色眾所周知，在眾多業(yè)內(nèi)人士面前已展示出它卓越的性能。特別是隨著汽油價格攀登，SMC，多年來一直不斷努力，創(chuàng)造出更多輕型車。
然而，我們知道的較少的是SMC在汽車工業(yè)應用領域之外還有何種用途。即使遠離了引人注目的汽車行業(yè)，SMC的優(yōu)勢還是能夠通過不同的途徑表現(xiàn)出來，例如它的高強度和優(yōu)良的耐候性，仍被制造行業(yè)列為首選原材料。雖然很多復合材料制造商通常采用供貨商的樹脂系統(tǒng)和成熟的化合物配方。在開發(fā)SMC新型應用領域中，存在著這樣幾個問題：抗UV性能，抗沖擊和防潮能力，以及表面質量要求，這些因素無疑都推動了定制材料的發(fā)展。下面的例子表明SMC的超強適應性，能夠具有更廣闊的應用領域。
SMC最常見的問題
SMC最常見的兩個問題就是在模壓工藝中，不完整或不足的覆蓋面模內(nèi)涂層，開裂。
（l）缺料：缺料是指SMC模壓成型件沒完全充滿，其產(chǎn)生部位多集中在SMC制品的邊緣，尤其是邊角的根部和頂部。
原因分析： (a)放料量少， (b)SMC材料流動性差，(c)設備壓力不充足 (d)固化太快。
產(chǎn)生機理及對策：
①SMC材料受熱塑化后，熔融粘度大，在交聯(lián)固化反應完成前，沒有足夠的時間，壓力，和體積使融體充滿模腔。
②SMC模壓料存放時間過長，苯乙烯揮發(fā)過多，造成SMC模壓料的流動性能明顯降低。
③樹脂糊未浸透纖維。成型時樹脂糊不能帶動纖維流動而造成缺料。由上述原因所引起的缺料，最直接的解決方法是切料時剔除這些模壓料。
④加料量不足引起缺料。解決方法是適當增大加料量。
⑤模壓料中裹有過多的空氣及大量揮發(fā)物。解決方法有，適當增加排氣次數(shù)；適當加大加料面積嗝一定時間清理模具；適當增大成型壓力。
⑥加壓過遲，模壓料在充滿模腔前已完成交聯(lián)固化。⑦模溫過高，交聯(lián)固化反應提前，應適當降溫。
（2）氣孔。產(chǎn)品表面上有規(guī)則或不規(guī)則的小孔，其產(chǎn)生部位多在產(chǎn)品頂端和中間薄壁處。
產(chǎn)生機理及對策：
① SMC模壓料中裹有大量空氣以及揮發(fā)物含量大，排氣不暢；SMC料的增稠效果不佳，不能有效趕出氣體。對于上述引起原因，可通過增加排氣次數(shù)以及清理模具相結合的方法而得到有效的控制。
② 加料面積過大，適當減少加料面積可得到控制。在實際操作過程中，人為因素也有可能造成砂眼。比如加壓過早，有可能使模壓料裹有的氣體不易排出，造成制品表面出現(xiàn)氣孔的表面缺陷。
（3）翹曲變形。產(chǎn)生的主要原因是模壓料固化不均勻和脫模后產(chǎn)品的收縮。
產(chǎn)生機理及對策：
在樹脂固化反應過程中化學結構發(fā)生變化，引起體積收縮，固化的個均勻使得產(chǎn)品有向首先固化的一側翹曲的趨勢。其次，制品的熱脹系數(shù)較大于鋼模具。當制品冷卻時，其單向收縮率大于模具的單向熱收縮率。為此，采用如下方法加以解決：①減少上、下模溫差，使溫度分布盡可能均勻；
③ 使用冷卻夾具限制變形；
④ 適當提高成型壓力，增加制品的結構密實性，降低制品的收縮率；
⑤ 適當延長保溫時間，消除內(nèi)應力。
⑥ 調整SMC材料的固化收縮率。
（4）起泡。在已固化制品表面的半圓形鼓起。
產(chǎn)生機理及對策：
可能是材料固化不完全，局部溫度過高或是物料中揮發(fā)分含量大，片材間困集空氣，使制品表面的半圓形鼓起。
①適當提高成型壓力
②延長保溫時間
③降低模具溫度。
④減小放料面積
（5）制品表面顏色不均勻
產(chǎn)生機理及對策
① 模溫不均勻，局部過高，應適當控制模溫；
②模壓料的流動性差，造成纖維分布不均勻，一般可提高成型壓力增加融體的流動性；
③在色漿調配過程中顏料與樹脂不能很好的混溶
Mark Bohler是Plant Engineering Services Inc.公司（位于印第安納州的Fort Wayne），對模壓工藝有著20多年的豐富經(jīng)驗，他談到大多數(shù)人其實并不真正知道他們的機器是如何工作的。“的確如此，”Bohler說：“加工機械由于過于老舊，缺乏現(xiàn)代化的操作和軟件系統(tǒng)。車間工作人員很少了解涉及到影響零部件質量的成型工藝因素。而這些問題是容易解決的，只要我們‘將科學引入模壓藝術’。”
Bohler表示，模壓成型過程的優(yōu)化，百分之九十的工藝改進來自模具最終敞模和閉模。它就是這么簡單。當他們對一臺機械或加工設備做出評估，Bohler和他的工程師們首先考察所有外部的變量：溫度，真空，噸位重量和閉模速度。接下來，工具的每個角落都連接到傳感器，這些傳感器安裝有加工過程分析軟件，在模具關閉時，提供所需的模具質量評估數(shù)據(jù)。
另外還有一個問題需要注意的，就是在部件完成制作脫模的時候。“95%的裂痕發(fā)生在脫模的時候，尤其在受力不均的時候。”Bohler說，“另外，我們還發(fā)現(xiàn)即使同一部機器，由于不同的操作人員，也會使加工出的部件有所偏差。”
Bohler 說：“如果在模具關閉時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，我們就會知道這個零部件是有問題的。”
SMC和耐候性
Ashland Performance Materials（亞什蘭高性能材料公司 以下簡稱亞什蘭公司），日前表示，公司已完成一項新的SMC研發(fā)工作：新型配方生產(chǎn)的SMC不但能更具有更卓越的戶外耐候性，而且加工程序更為簡便。該SMC材料具有優(yōu)良的耐候性、電絕緣性能、機械性能、熱穩(wěn)定性、耐化學防腐性，在戶外各種氣候條件下的使用壽命長達40多年，能經(jīng)受UV輻射、吸水、冷熱交變、風和沙塵磨蝕、細菌和動植物環(huán)境的影響。以電表箱為例，SMC材料電表箱解決了木制、鋼制、塑料電表箱易老化、易腐蝕、絕緣差、耐寒性差、阻燃性差、壽命短的缺點，復合材料電表箱有絕對的密封防水性能、防腐蝕性能、防竊電性能，不需接地線，外表美觀，有鎖與鉛封的安全保護，使用壽命長，性價比高，一次性投入，終身免維護。與塑料材料相比，SMC除了在體積電阻、電氣強度、起痕指數(shù)、疲勞強度上顯示出它的突出優(yōu)勢外，其極限氧指數(shù)遠高于工程塑料，不易點燃，也不利于火焰的蔓延，煙氣無毒，也不會熔化、滴落，比工程塑料有更好的耐熱性，更環(huán)保。SMC的蠕變性能和鋁合金一樣低，而塑料的蠕變伸長是它的3~7倍。此外，SMC有極低的收縮率和與金屬相近的線膨脹系數(shù)，從而與金屬嵌件比塑料有更好的結合。
SMC也是可回收利用的環(huán)保友好型材料。上世紀90年代，它已經(jīng)被再生利用。方法非常簡單，只需將SMC/BMC廢料破碎、分離、研磨、分級即可。
亞什蘭公司聚合物部門經(jīng)理Cedric Ball表示，通過我們的對AROTRAN 805 SMC室內(nèi)和室外的測試結果表明，它具有超強的耐候性。“汽車制造商和復合材料模具制造商都明白UV穩(wěn)定性和模內(nèi)著色系統(tǒng)對于節(jié)約成本的重要性。無需重復噴涂工序，而且這樣的加工程序能夠對環(huán)境保護更為有利。”
AROTRAN 805是熱固性聚酯樹脂，其中玻璃纖維含量在30%~50%。Rob Seats說，將片狀模塑料(SMC)用于汽車領域是一個核心項目，在巴西，樹脂供應商亞什蘭公司和增強材料公司Saint-Gobain Vetrotex正在共同籌辦該項目。巴西至今仍引進SMC材料,與歐洲國家或美國相比，其利用率受到限制，但是在汽車領域卻增長迅速。據(jù)全國車輛生產(chǎn)協(xié)會稱，2007年，巴西市場較2006年增長了25%,在國產(chǎn)車輛上將創(chuàng)紀錄。巴西復合材料協(xié)會稱，2006年運輸部分占了巴西10萬噸熱固性樹脂的22%。
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