引言
块状模塑料和片状模塑料是密切相关的两类可直接模塑的玻璃纤维增强热固性复合材料，用于通过压缩模塑制造耐用且尺寸稳定的部件，就BMC而言，也可采用注射和传递模塑。这两种材料在塑料价值链中占据重要位置，因为它们结合了预混原料的加工效率与增强热固性材料的性能，使其在需要电气绝缘、耐热、耐腐蚀和可重复部件质量的场合特别有用。
BMC，也称为团状模塑料，通常以类似油灰的团块、棒料或绳状形式供应，含有树脂、短切玻璃纤维、填料、催化剂和添加剂。SMC通常以片材形式供应，具有更长的玻璃纤维，其配方针对较大部件的压缩模塑进行了优化，尤其适用于需要更高机械性能和更好表面光洁度的场合。在实际工业应用中，BMC常用于紧凑、复杂的部件，而SMC则更常用于较大的半结构面板和车身部件。
这两种材料通常基于热固性树脂体系，如不饱和聚酯、乙烯基酯或环氧，矿物填料和短玻璃增强材料提供刚度、尺寸控制和成本平衡。它们的发展反映了纤维增强塑料从手工铺层和基本模塑料向高度工程化、工厂控制的原料的更广泛演变，这些原料专为高通量工业模塑而设计。
可持续性考虑正在日益影响这一产品类别。传统BMC和SMC严重依赖石化树脂，固化后不易重新熔化，这使机械回收变得复杂；同时，行业工作重点放在生物基树脂、低苯乙烯配方、回收填料以及减少排放和废物的工艺改进上。未来增长可能来自电气化、轻量化运输、耐腐蚀基础设施以及同时增强性能和循环性的改进配方。
历史与发展
当制造商寻求更快、更一致的替代方案来替代手工制造的玻璃纤维部件和传统增强模塑工艺时，SMC和BMC作为工业实用的热固性复合原料出现。它们的兴起与汽车、电气、家电和工业设备市场的扩张密切相关，这些市场需要尺寸稳定、重复性更好且单位成本低于许多金属或劳动密集型复合材料替代品的模塑部件。
其发展的关键一步是转向标准化预混配方，包含树脂、增强材料、填料和加工助剂，使部件能够从受控原料模塑，而不是在压机处从单独成分组装。随着时间的推移，SMC与较大的外部和结构部件更紧密相关，而BMC则特别重要用于紧凑精密部件和电气元件。
最近的发展集中在低轮廓和低收缩配方、改进的表面质量、更高的耐热性、阻燃性以及针对电动汽车、母线支架和其他苛刻电气用途的定制配方。
化学结构与关键性能
BMC和SMC不是单一聚合物，而是由几种功能成分构建的配方热固性复合材料。典型配方包括：
- 热固性树脂基体，最常见的是不饱和聚酯、乙烯基酯或环氧。
- 玻璃纤维增强材料，通常BMC中切得较短，SMC中较长。
- 矿物填料，如碳酸钙、粘土或云母，用于降低成本、控制收缩并调整刚度和流变性。
- 加工添加剂，如催化剂、脱模剂、增稠剂、颜料和稳定剂。
性能特征源于该结构。玻璃纤维承载载荷，固化热固性基体传递应力并提供热和化学抗性，填料改善尺寸稳定性同时降低材料成本。
| 性能 | 典型意义 |
|---|---|
| 尺寸稳定性 | 固化后低收缩和良好重复性；对电气外壳和精密部件很重要。 |
| 电气绝缘 | 高介电强度和耐电弧性适合开关设备、绝缘子和外壳。 |
| 耐热性 | 适用于高温服务，尤其在发动机舱和电气应用中。 |
| 耐腐蚀性 | 在潮湿、盐或化学侵蚀环境中优于许多金属。 |
| 可模塑性 | BMC流入复杂腔体；SMC支持具有更好结构性能的较大部件。 |
两个特别重要的实际限制是：
- 限制： 热固性固化防止重新熔化和重塑 → 原因： 固化过程中不可逆交联 → 解决方法： 尽可能设计用于再生料使用，对未固化边角料使用闭环废料回收，或在性能允许时将选定应用转向可回收热塑性塑料。
- 限制： 紧凑BMC的机械性能通常低于纤维更长的SMC → 原因： 较短纤维长度降低载荷传递效率 → 解决方法： 提高纤维结构质量，优化取向和加料放置，或在结构需求更高时选择SMC。
配方工程中的一个有用经验法则是更高的纤维长度和更好的取向提高强度，而更高的填料负载改善成本控制和收缩管理，但可能降低韧性。在BMC中，玻璃增强材料通常被描述为相对于整个混合物的少数部分，短玻璃纤维在许多商业体系中通常从几毫米到约12.5毫米不等。
生产工艺与原料
BMC通常通过将树脂、填料、引发剂体系、颜料、润滑剂和短切玻璃纤维预混成面团状混合物制成，可切割成加料或以棒料形式交付。工艺必须平衡纤维的浸润与过度的纤维断裂，因为最终部件性能强烈依赖于增强长度保留。
SMC以片材形式生产，通常通过在载体膜上沉积树脂糊和短切玻璃，然后在卷绕或堆叠成片材形式以便储存和模塑之前进行受控增稠。片材结构使大型加料压缩模塑的处理更容易，并支持大型面板中更均匀的部件几何形状。
典型原料包括：
- 树脂： 不饱和聚酯最常见，在化学抗性或性能要求更高时使用乙烯基酯和环氧。
- 增强材料： 耐碱或标准E玻璃短切原丝是行业主流。
- 填料： 碳酸钙常用于成本和流变控制；当阻隔性、刚度或收缩控制重要时使用云母和粘土。
- 添加剂： 引发剂、增稠剂、脱模剂、颜料和阻燃包用于调整模塑行为和最终使用性能。
代表性添加剂示例是低水平使用脱模剂以减少粘连并改善脱模；这些通过降低模具表面的界面粘附起作用，可缩短周期时间并改善表面质量。另一个示例是SMC中的增稠剂，它随时间增加粘度，使片材易于处理，同时保留在压机热和压力下模塑期间流动的能力。
应用与终端市场
BMC和SMC用于电气、运输、工业、建筑和消费市场，但最佳等级和工艺因部件几何形状和性能目标而异。
| 终端使用部门 | 典型材料选择 | 典型工艺 | 适合原因 |
|---|---|---|---|
| 电气外壳、绝缘子、断路器、母线支架 | BMC | 压缩或注射模塑 | 高介电强度、耐电弧性、精密模塑。 |
| 汽车车身面板、发动机罩、后备箱盖、前端模块 | SMC | 压缩模塑 | 大面积部件、刚度、耐腐蚀性、表面质量。 |
| 卡车、公交、轨道面板和盖板 | SMC | 压缩模塑 | 轻量化、耐用、良好的可涂漆性和耐腐蚀性。 |
| 家电外壳和工业设备盖板 | BMC和SMC | 压缩或注射模塑 | 耐热性、阻燃性、尺寸控制。 |
| 浴室、卫生和建筑部件 | SMC | 压缩模塑 | 耐潮湿性、表面光洁度、大型形状的成本效益。 |
| 紧凑精密部件、灯壳、接线端子 | BMC | 注射或压缩模塑 | 良好流入复杂腔体。 |
BMC特别适合较小、更复杂、具有电气功能的部件，其中流入复杂腔体形状的能力很有价值。SMC更适合较大的车身面板和半结构部件，其中较长纤维提供优越的机械性能和更好的抗冲击或弯曲载荷性能。
这些材料相对不适合的用途是高度透明的光学部件，因为玻璃填充热固性混合物本质上不透明，且未设计用于光学透明度。在这种情况下，热塑性塑料如聚碳酸酯或丙烯酸通常更合适。
环境与可持续性方面
BMC和SMC的主要环境挑战是它们是交联热固性材料，这意味着固化后的材料不能像热塑性塑料那样重新熔化和重新模塑。这限制了直接机械回收，使大型复合结构的使用寿命结束管理更加复杂。
同时，正在追求几种可持续性途径：
- 生物基树脂： 研究已证明源自大豆油和相关生物衍生原料的SMC配方，旨在降低化石碳强度同时保持可加工性和性能。
- 回收矿物填料： 用回收或低影响填料替代原生矿物填料可减少 embodied 排放和成本，尽管质量控制至关重要。
- 低排放配方： 减少苯乙烯排放和改善工艺密闭仍是热固性复合中的主要工业优先事项。
- 耐用性设计： 在腐蚀或电气恶劣环境中的长使用寿命可通过减少更换频率抵消一些生命周期影响。
需要平衡评估。BMC和SMC的环境概况在寿命结束可回收性方面不利，但它们的耐用性、相对于金属的轻量化潜力以及整合部件的能力可在某些应用中减少使用阶段排放和制造废物。对于运输应用而言，益处通常来自部件集成和耐腐蚀性，而非单纯的材料替代。
经济与全球市场影响
BMC和SMC是成熟但具有战略重要性的市场，因为它们服务于仍需求高性能的成本敏感部门。需求与汽车生产周期、电气基础设施投资、家电制造和建筑活动相关，而电气化正在电池盖、绝缘部件和配电硬件中创造新机会。
市场还受树脂价格、玻璃纤维供应、能源成本以及排放和复合废物监管压力的影响。根据最近的行业讨论，主要生产商和复合商包括全球树脂和复合专家，如Polynt-Reichhold、IDI Composites以及汽车和电气供应链中的几家区域制造商。
竞争优势日益取决于配方专有技术，而非仅靠规模。能够提供更好表面光洁度、更低收缩、更快固化、改进阻燃性和稳定电气性能的供应商在高端应用中最具优势。
当前挑战与创新
当前技术挑战包括：
- 改善表面质量 以用于可见外部部件，同时不损害流动或周期时间。
- 减少厚或复杂几何形状的收缩和翘曲。
- 在复合和模塑过程中保持纤维长度和取向 以最大化强度。
- 在受监管应用中平衡阻燃性、电气性能和可持续性。
- 管理热固性复合产品产生的寿命结束废物。
创新正在多个方面推进：
- 低轮廓配方，减少表面波纹并改善可涂漆表面。
- 生物基和部分生物基树脂体系，降低对化石碳的依赖。
- 混合增强策略，结合玻璃与其他纤维或填料以获得更好的性能平衡。
- 加料放置和模塑自动化，提高重复性和减少废料。
- 针对电动汽车和电力系统的应用特定等级，尤其是绝缘外壳和结构电气部件。
未来展望
BMC和SMC很可能保持相关性，因为它们解决了一个持久的工业问题：如何以受控成本和快速周期时间大规模制造坚固、电气绝缘、耐腐蚀的部件。它们最强劲的增长前景在电气化、运输轻量化、工业电气和基础设施部件中，这些领域热塑性塑料或金属无法提供相同的综合性能集。
未来材料开发可能集中在三个方向：低碳树脂化学、改进的可回收性或可回收策略，以及可与金属在更苛刻半结构角色中竞争的更高性能等级。SMC很可能继续向更大的可见和结构面板发展，而BMC将特别重要用于精密电气和紧凑工业部件。
总结
BMC和SMC是热固性复合原料，将树脂、玻璃增强材料、填料和添加剂结合成适用于压缩模塑的直接模塑材料，就BMC而言还包括注射和传递模塑。BMC通常是更易流动、紧凑且以电气为导向的等级，而SMC是较大面板、更高强度、较长纤维的对应物。它们的主要优势是尺寸稳定性、耐热性、耐腐蚀性和电气绝缘，而主要缺点是固化后可回收性有限。
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