树脂种类及性能选择说明(树脂类型和特点区别)

有两大类树脂构成了我们所说的聚合物材料——热固性塑料热塑性塑料。这些树脂由聚合物(由小分子或单体的长链组成的大分子)制成。

树脂的主要功能是在增强纤维之间传递应力,充当将纤维固定在一起的胶水,并保护纤维免受机械和环境损害。用于增强聚合物复合材料的树脂要么是热塑性的,要么是热固性的。

热固性树脂

用于制造大多数复合材料。它们通过称为聚合或交联的过程从液体转化为固体。当用于生产成品时,热固性树脂通过使用催化剂、热量或两者的结合来“固化”。一旦固化,固体热固性树脂就不能转换回原来的液体形式。常见的热固性材料是聚酯、乙烯基酯、环氧树脂和聚氨酯。

热固性树脂在固化过程中交联形成不可逆的键
热固性树脂在固化过程中交联形成不可逆的键
  • 聚酯纤维:不饱和聚酯树脂 (UPR) 是复合材料行业的主力军,约占所用树脂总量的 75%。一系列原材料和加工技术可用于在配制或加工的聚酯树脂中实现所需的性能。聚酯是通用的,因为它们能够在聚合物链的构建过程中进行改性或定制。已发现它们在复合材料行业的所有领域几乎都具有无限的用途。这些树脂的主要优点是性能(包括机械、化学和电气)尺寸稳定性、成本和易于处理或加工的平衡。聚酯生产商已证明愿意并且有能力提供具有必要性能的树脂,以满足特定最终用户应用的要求。
  • 环氧树脂:环氧树脂在广泛的复合材料零件、结构和混凝土修复方面有着良好的记录。可以对树脂的结构进行设计,以生产出许多具有不同性能水平的不同产品。与不饱和聚酯树脂相比,环氧树脂的一个主要优点是它们的收缩率较低。环氧树脂也可以用不同的材料配制或与其他环氧树脂混合以实现特定的性能特征。环氧树脂主要用于制造具有优异机械性能、耐腐蚀性液体和环境、优异的电气性能、高温下的良好性能、良好的基材附着力或这些优点的组合的高性能复合材料。然而,环氧树脂不具有特别好的抗紫外线性。
  • 乙烯基酯:乙烯基酯的开发结合了环氧树脂的优点与更好的处理/更快的固化,这是典型的不饱和聚酯树脂。这些树脂是通过环氧树脂与丙烯酸或甲基丙烯酸反应生产的。这提供了一个不饱和位点,很像在使用马来酸酐时在聚酯树脂中产生的位点。将所得材料溶解在苯乙烯中以产生类似于聚酯树脂的液体。乙烯基酯也可以用与聚酯树脂一起使用的常规有机过氧化物固化。乙烯基酯提供机械韧性和优异的耐腐蚀性。这些增强的性能无需复杂的加工、处理或特殊的车间制造实践即可获得,这些实践对于环氧树脂来说是典型的。
  • 酚醛树脂:酚醛树脂是一类通常基于苯酚(石炭酸)的树脂。酚醛树脂是通过缩合反应固化的热固性树脂,产生的水应在加工过程中去除。着色应用仅限于红色、棕色或黑色。酚醛复合材料具有许多理想的性能品质,包括耐高温、抗蠕变性、优异的隔热和隔音性能、耐腐蚀性和优异的防火/烟雾/烟雾毒性性能。酚醛树脂用作工程木材(胶合板)、制动衬片、离合器片、电路板等的粘合剂或基质粘合剂。
  • 聚氨酯:聚氨酯是一类具有广泛性质和用途的聚合物,均基于有机多异氰酸酯与多元醇(一种含有多个羟基的醇)的放热反应。一些不同分子量和功能的基本成分用于生产全系列的聚氨酯材料。聚氨酯以多种惊人的形式出现。这些材料就在我们身边,在我们日常生活的更多方面发挥着重要作用,可能比任何其他单一聚合物都要多。它们用作涂层、弹性体、泡沫或粘合剂。当用作外部或内部饰面的涂层时,聚氨酯坚韧、柔韧、耐化学腐蚀和快速固化。聚氨酯作为弹性体在实心轮胎、车轮、保险杠组件或绝缘材料。有许多聚氨酯泡沫配方可以优化绝缘材料、结构夹芯板和建筑组件的密度。聚氨酯通常用于将复合结构粘合在一起。聚氨酯胶粘剂的优点是它们具有良好的抗冲击性,树脂固化迅速,并且树脂可以很好地粘合到各种不同的表面,例如混凝土。

热塑性树脂

另一方面,热塑性树脂没有交联,因此可以熔融、成型、再熔融和再成型。热塑性树脂的特点是材料有 ABS、聚乙烯、聚苯乙烯和聚碳酸酯。

热塑性塑料在链分子内形成极强的键
热塑性塑料在链分子内形成极强的键

这些树脂以其在加热的半流体状态下成型或模塑并在冷却时变硬的能力而著称。我们被热塑性塑料制成的日常家居用品所包围。

深入了解热固性树脂

聚酯纤维

为避免术语混淆,读者应注意有一个热塑性聚酯家族,以用作纺织品和服装的纤维而闻名。热固性聚酯是通过二羧酸和双官能醇(乙二醇)的缩聚反应生产的。此外,不饱和聚酯含有不饱和材料,例如马来酸酐或富马酸,作为二羧酸组分的一部分。将成品聚合物溶解在反应性单体如苯乙烯中,得到低粘度液体。当这种树脂固化时,单体与聚合物上的不饱和位点发生反应,将其转化为固体热固性结构。

不饱和聚酯根据其基本结构单元的结构分为几类。一些常见的例子是邻苯二甲酸(“ortho”)、间苯二甲酸(“iso”)、双环戊二烯(“DCPD”)和双酚 A 富马酸酯树脂。此外,聚酯树脂根据最终用途应用分为通用 (GP) 或特种聚酯,如阻燃剂 (FR)。

环氧树脂

通过正确选择硬化剂和/或催化剂体系,可以控制固化速率以匹配工艺要求。通常,环氧树脂是通过添加酸酐或胺硬化剂作为 2 部分系统来固化的。不同的固化剂以及固化剂的用量会产生不同的固化曲线,并赋予成品复合材料不同的性能。由于环氧树脂的粘度远高于大多数聚酯树脂,因此需要后固化(高温)以获得最终的机械性能,从而使环氧树脂更难使用。然而,与聚酯相比,环氧树脂散发的气味很少。

环氧树脂与许多纤维增强材料一起使用,包括玻璃、碳和芳纶。后一组体积小,成本相对较高,通常用于满足高强度和/或高刚度要求。环氧树脂与大多数复合材料制造工艺兼容,特别是真空袋成型、高压釜成型、压力袋成型、压缩成型、长丝缠绕和手糊成型。

固化聚酯和乙烯基酯树脂

树脂必须以与制造工艺兼容的方式固化。有些零件很小,可以快速铺设。树脂固化得越快,模具的周转速度就越快,生产率就越高。其他部分可能涉及大型叠层,其中层压过程需要更多时间。在压缩成型、拉挤成型和有时 RTM 中,加热模具可提供快速固化。

成品部件的物理性能受到其固化的极大影响。层压板的硬度受固化过程以及层压板表面的耐化学性影响。弯曲、压缩和拉伸性能部分取决于固化效率。固化必须完成才能发挥树脂的全部潜力。厚层压板需要特别注意。必须控制树脂放热以防止过度收缩、层压板翘曲以及与固化过程中的高放热相关的其他问题。

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