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BMC材料配方设计原理
 
发布日期: 2020-07-21  
  BMC是由液态树脂、固体粉料、短切玻纤片料等近十种组份经物理混合而成的复合物,只有在加温加压条件下,不饱和聚酯和苯乙烯交联,发生加聚反应而固化。 1. 液体组份的配比国际上流行的BMC配方表中大多是以BMC组份中的液体树脂(UP+LSA)总量的百分之一为计算单位,,用PHR(Parts per hundred resin)即每百份树脂的份数作为单位。例如常规的配方表中液体组份的配比是: UP 60phr 两者相加即100phr LSA 40phr 根据低收缩剂在成型中形成微空穴的理论来抵消UP收缩的机理,通常低收缩剂LSA的加入量,是以低收缩剂的实际固含量来控制: A=LSA*B/(UP+LSA) phr [1] 式中:A—低收缩剂在BMC组份中的固含量 phr 一般控制在14~18phr B—配制低收缩剂时,热塑性树脂粒料在单体苯乙烯中的浓度 % 常规配制时一般控制在35~45%浓度 UP—UP树脂的加入量 LSA—LSA低收缩剂的加入量,本稿省略了LPA,不分别列出了 LSA一般都采取定向采购,也可以自配,在配方设计时一定要先摸清LSA中热塑性树脂的浓度,浓度的高低直接影响LSA的粘度,粘度过高会影响随后加入粉料时的浸润,有些初入门者往往觉得粘度高时,就认为加些单体苯乙烯St来降粘,用来改善混料时对粉体的湿润,但这不是一个好办法,过量的苯乙烯的加入,在固化时用不完,残留的St会引起许多弊病,诸如强度下降、耐热性变差,甚至在成型中拔高放热峰温度,致使部品表面微裂。一般在配方设计时要校核苯乙烯的含量,控制在45~50phr。 St在BMC中的含量用下式计算: St=LSA*(1-B)+UP*(1-C) [2] 式中:C—UP树脂中不饱和聚酯的固含量% 一般为65~68% 见供应商的品质保证书 一般的标准配方,UP的固含量是65%,LSA的固含量是40%,当按照UP:LSA=60phr:40phr时: A=40*0.4/(60+40)=16 phr St=40*(1-0.4)+60*(1-0.65)=45 phr 2. 矿物填料的添加量矿物填料的种类很多,目前常用的是碳酸钙CaCO3和水合氧化铝(ATH—alumina trihydrate)即含三个结晶水的氧化铝,分子式为Al2O3.3H2O。也可称谓氢氧化铝Al(OH)3主要是利用着火时,结晶水被炽热而释放出水蒸汽能阻隔火焰而起到阻燃作用。矿物填料在BMC组份中的单价最低,是降低成本的主要贡献者,同时矿物填料可以采用不同颗粒直径的级配,对提高制品的密实度和表观质量有很大好处,故配方设计中贯彻尽可能高的填料含量是配方设计长期追求的目标。通常矿物填料的加入量,取 F=180 ~250 phr [3] 当然根据填料的吸油值、液体树脂糊的基础粘度和是否添加降粘助剂等因素,F的数值可以大大超出上述水平,达到300phr,欧洲更有推出400phr填料加入量的BMC配方。填料加入量的多少主要取决于能否在后序混料中将要加入的短切玻纤被完全分散并充分浸渍,又不露白纤。而为了取得足够的强度,又必须要加入足量的玻纤时,故予混料(树脂+粉料)的粘度是关键影响因子,一定要寻求填料加入量与BMC强度要求的平衡点。 3.其它辅料的添加量根椐大量的工厂实践,其它辅料的配比如下: 脱模剂(硬脂酸锌ZnSt,硬脂酸钙CaSt): 4phr左右 增稠剂(氢氧化钙Ca(OH)2,氧化镁MgO): 1~1.2phr 引发剂(过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB, 过氧化(2-乙基)己酸叔丁酯TBPO): 1.0phr左右 颜料(颜料糊或色粉): 另定 3.1脱模剂 BMC脱模剂通常使用硬脂酸锌,应对供应商的品质如纯度和细度提出严格的要求,尤其是不能带有结块。脱模剂的用量也与成型制品的复杂程度有关,形状比较简单脱模容易的制品可以少加一些,一般原则是能少加尽量少一些。如果模具刚刚试用、形状又较复杂不易脱模时可适量按4phr或略增一些投料。成型时硬脂酸锌在120℃即开始熔融并迁移到制品表面引成第二相,隔离模具,它是不应该残存在固化后的制品内部的,然而它会粘留在制品表面,对于要进行涂装等二次处理时,例如车灯反射镜,这层粘膜需要化相当的功夫方能去尽。好在当今为了克服这一弊病,又可防止硬脂酸锌在亮灯高温下升华,引起灯罩雾影,导入了新的工艺助剂,兼有脱模剂的作用,即BYK-P9050。这是另一个题目,只能另外讨论。 3.2增稠剂 BMC的增稠机理与SMC的增稠机理是完全一致的,只是增稠行为没有像SMC那样严格。但是绝不是有人提议的,BMC不必增稠也可以成型出好的制品。BMC配料中添加增稠剂,同样是希望经捏合机充分混和已经均相的粘弹体能基本保持其均质、均相的状态,不发生相分离,更不希望有液态树脂析出,而且希望在成型流动其间予混料还能带着玻纤一起流动,充满型腔的各个部位。故增稠不良、或达不到相当高的粘度都是造成制品多种表观缺陷的重要原因。 BMC选用的增稠剂大多是氢氧化钙Ca(OH)2 ,只是到了冬天,气温较低时,有选用氧化镁MgO,以达到快速稠化的目的。这些增稠剂大多选用粉体与填料同时加入捏合机,故推荐的增稠剂的用量是:1.0~1.2phr 。只是到了黄梅季节,环境湿度居高不下,不仅填料粉体吸湿,玻纤表面也吸湿,Ca(OH)2 粉更易吸湿,水的存在,会严重影响增稠行为,产生不稳定因素,宜应注意防控。 3.3引发剂常用的引发剂是TBPB ,添加量取1.0phr,这时侯的成型品之固化速率通常取1min/1mm。目前,为了提高成型速率,已较多地采用复合型引发剂,寻找固化速率和模塑料存放寿命之间的相对合理,一般选择TBPB和TBPO混用,总添加量还保持在1.0phr左右,两者的分配可按:TBPB 0.70phr,TBPO 0.30phr。这时侯的固化速率可达到1min/2.5mm。 3.4颜料也称着色剂,对客户来讲目前对BMC制品外表颜色的追求愈发显得重要了,因为这对他们而言,即最终推到市场上的产品被顾客的吸引力如何,制品的色彩鲜艳,色泽明亮是极为重要的因素。BMC的着色最直接的就是使用色粉,如黑色,则直接选用炭黑投入,一般控制在3.0phr左右即可,如白色则直接选用钛白粉,用量在4.5phr左右。选择与样品较接近的色粉,但要保证其分解温度高于成型温度,遮盖力强,易于分散均可选用,但其用量都只能在试验捏合机中小量试验后确定。有的样品的颜色无市场可采购的色粉,则必需外购颜料糊,或自己用三辊研磨机配混颜料糊,这时侯的颜料糊的添加量更要通过试验捏合机混练后来确定。 4.玻璃纤维的加入量以上讨论时都使用phr为单位,而论及玻纤的加入量时就使用BMC组份的质量百分数 % 为计算单位。周知,玻纤含量直接与制品的强度有关,我们曾经使用过美国欧文斯,康宁的短切纱101C牌号,6毫米长度 ,OCF提供了玻纤加入量与BMC抗弯强度的参考曲线,见图二。实践中,玻纤的添加范围可参照表一。表一:不同BMC品种的玻纤添加量典型零件的名称 制品大致的抗弯强度MPa 建议玻纤的添加量%微型马达的塑封 60 12~14 汽车前照灯反射镜 80 14~16 塑壳断路器外壳 100 18~20 地下管网的电缆支承架 120 20~25 上表仅仅是推荐用量,因为与采购的品种,加入的玻纤长度,是否采用长短玻纤混用等多种因子有关。 5.BMC配方表表二:典型的BMC配方表物料的品名及代号 品种或规格 配合量 在300L捏合机中的投料量Kg 不饱和聚酯树脂UP 65%UP邻苯 60phr 23.9 低收缩添加剂LSA 40%PS 40phr 15.9 矿物填料碳酸钙CaCO3 500目 200phr 79.6 脱模剂ZnSt 200目 3.5phr 1.39 增稠剂Ca(OH)2 试剂级 1.2phr 0.50 引发剂TBPB 99%纯度 1.0phr 0.40 颜料 炭黑CB 炉黑 3.3phr 1.31 玻纤G.F 6毫米 18.0Wt% 27.0 合计 150 配方表计算步骤: A. 确定在哪一种捏合机中拌料,一般取捏合机理论容积的一半,即正常的出料量Kg; B. 依椐上述4小节的建议确定配合量一列的全部数值; C. 首先计算出玻纤的加入量,本例为:150*0.18=27.0Kg; D. 除玻纤之外,各组份的配合量之总和,本例为:309phr; E. 计算每一个phr在投料时的份量,本例为:(150-27)/309=0.398Kg/phr; F. 计算每一个组份的投料量,本例的UP为:60*0.398=23.9Kg,其余类推,数值园整。后记:本稿对阻聚剂、降粘湿润剂及其它工艺助剂都未提及,希望在另外的篇幅中继续讨论;即使已经提到的各个组份,如何细分,如填料中的CaCO3与ATH如何细分,粒径如何细分等等均未讨论,也希望在以后的文稿中给予补充。本稿供有兴趣者作为参考,不妥之处,敬请指正。
 
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