树脂选择(选择树脂的种类和考虑因素)

从不同树脂的众多选择中,高性能复合材料的主要类别是环氧树脂、聚酯和乙烯基酯。这三种树脂类型负责制造数十亿的航空航天、汽车和海洋应用,但不仅限于家庭维修,甚至不限于建筑物和桥梁的基础设施。随着树脂的设计改变人们对速度、效率和强度的看法,可能性几乎是无限的。

树脂选择(选择树脂的种类和考虑因素)

并非所有的树脂都是一样的。尽管固化部件在视觉上具有相似性,但树脂类型的分子式差异很大。这些化学差异严重影响复合材料的最终性能。树脂类型会影响固化参数、模量、总强度、主要和次要粘合性能、剪切强度、化学相容性和许多其他
方面。

触变树脂

作为流体,树脂属于牛顿或非牛顿两类之一。大多数树脂等牛顿流体在恒定温度下的所有剪切速率下都保持恒定的粘度(厚度)。(为什么加热树脂使其更容易流动)触变性环氧树脂不同。这种非牛顿树脂在静止时像凝胶一样开始,但在工作或搅​​拌时变得不那么粘稠,并且在静置时会恢复到原来的粘稠度。

否则意味着触变性树脂不会流下部件(流挂)或在静止时容易流动。当对裂缝或垂直表面施加力时,触变性树脂更容易工作到位,但工作完成后,它会恢复到其原始凝胶状状态。触变树脂通常用于增强玻璃纤维、凯夫拉尔纤维和碳纤维,用于粘合具有不规则表面或缝隙的物品,而大多数环氧树脂在固化周期中无法接触这些缝隙。因为它更像是一种粘合剂而不是一种树脂,所以它主要用于在金属、皮革、木材、陶瓷、毛毡、水泥、大多数塑料和橡胶等多种不同基材上进行裂缝填充和表面密封。众所周知,某些触变性粘合剂可用于汽车制造,用于将硬件粘合到面板上,因为无论将其应用在何处,它不会从表面流出。此外,它需要环氧树脂的高粘合强度和较短的凝固和固化时间来形成高弹性粘合(耐化学腐蚀)。

环氧树脂

传统方法中使用的环氧树脂由两部分组成;液体树脂和选定的硬化剂,基于所需的固化时间。通过适当混合和应用这种树脂,环氧树脂将产生比树脂最高的强度重量比。在许多应用中,环氧树脂的性能完全优于其他树脂。它被放置在从一般艺术品、航空级发动机部件到一些海洋应用的所有事物中的原因之一。在某些设计的环氧树脂上,使用温度高达 350F 的可能性几乎是无穷无尽的。环氧树脂提供强度,比其他树脂更好的初级和次级粘合,也使其成为小型维修的理想选择。然而,它因此更昂贵。对于较大的部件,例如船体或皮划艇,如果成本是设计因素,则可能需要考虑使用不同的树脂。

环氧树脂的最佳使用:当与碳纤维、凯夫拉尔或玻璃纤维编织或单向织物一起使用时,环氧树脂比任何其他树脂都具有强度优势。但是,当与玻璃纤维 CSM(短切原丝毡)一起使用时,树脂很难完全浸湿,尤其是在没有真空袋的帮助下。这会导致树脂不足,无法满足预期或所需的强度特性。

聚酯树脂

由于环氧树脂非常昂贵,许多海洋工业都使用聚酯树脂来制造较大的零件和制造船体。然而,聚酯树脂并不局限于船体或海洋工业,它实际上是世界上最常用的树脂。

聚酯树脂通常具有较低的粘度并且具有不受空气控制固化的两部分固化体系。“层压树脂”为叠层提供粘性,通常允许在涂上最后一层“整理树脂”进行固化之前更重地堆积织物层。聚酯树脂使用酸以在室温下加速固化。这些树脂成分的选定混合物允许根据部件铺层过程所需的时间来控制固化时间。总的来说,聚酯树脂提供了一种低成本的解决方案,可与令人印象深刻的表面处理(如凝胶涂层)兼容。然而,聚酯树脂比环氧树脂更脆弱并且储存时间更短。与大多数环氧树脂的三年相比,大多数聚酯树脂的保质期不到一年。

聚酯的最佳使用:大多数聚酯和乙烯基酯树脂的粘度要低得多。这使得它甚至可以穿过最厚的玻璃纤维 (CSM)。当一起使用时,该材料很容易浸湿,为复合材料提供强度以承受冲击,同时提供更低成本的解决方案。

乙烯基酯树脂

乙烯基酯树脂与聚酯树脂结合使用时性能最佳。乙烯基酯和聚酯在化学组成上高度相似并且彼此结合良好。例如,它可以作为外层在聚酯树脂体系中提供化学保护和额外的强度和起泡保护。无论是使用 Kevlar 还是玻璃纤维,这些优势共同为高性能复合材料提供了机会。全国各地的高性能船制造商继续使用这些树脂来突破水上可能的水极限。

把它放在一起

从表面上看,环氧树脂优于乙烯基酯和聚酯很简单。在许多方面都是如此。特别是在航空航天应用中,环氧树脂很难被击败,因为它需要最坚固、最轻的复合材料,而且成本与效率有关。然而,在许多应用中,聚酯和乙烯基酯更适合给定的工艺。

树脂的选择在很大程度上取决于要使用的织物以及最终复合材料部件所需的最终使用能力。最常用的织物是碳纤维、芳纶(凯夫拉)和玻璃纤维。

例如,在海洋工业中,FG CSM 的优势在于它能够利用每根玻璃纤维束之间的摩擦来吸收施加在其上的大部分能量。应用聚酯或乙烯基酯树脂是利用这种材料的最有效方法。

选择正确的树脂

选择正确的树脂将决定您的项目成败。虽然有很多事情需要考虑,但确定这五个问题的答案应该会让你直截了当。铺层和装袋过程需要多少时间?

由于零件中的设计限制,叠层过程的重要因素可能会控制使用的织物。使用给定树脂的任何湿法叠层都会有一个工作时间或“适用期”或凝胶时间。尽管这些时间略有不同,但“适用期”是树脂粘度加倍的测试量,这段时间允许完成铺层,并且最适合用于接近完成的装袋工艺(如果使用真空装袋)。这个时间对于任何项目来说都非常重要,因为不应仓促完成铺层和装袋过程。

零件有多大?

适用于许多大型部件,如船体、皮划艇、大型整流罩等;聚酯或乙烯基酯树脂具有优势。而使用环氧树脂可以实现更小的尺寸。除非使用其固化变化对仅加热固化过程有限制的预浸料,否则提供以天而不是小时为单位的铺层时间。

是否正在进行维修?

如果选择用于修复的树脂,在不知道以下任何成分的分子构成时,环氧树脂会让您高枕无忧。环氧树脂可用于在适当准备的凝胶涂层和聚酯/乙烯基酯表面之间提供粘合。可以用聚/乙烯基酯修复类似的表面,但不能修复环氧树脂表面。最终零件会被涂漆还是复合材料会暴露在水或阳光下?然而,环氧树脂提供了很好的防水保护;如果环氧树脂在部件上的织物上是裸露的(没有油漆),则需要采取额外的措施。某些环氧树脂会随着时间的推移在阳光下“变黄”或降解。这可以通过使用一些环氧树脂添加剂来减轻或消除。

零件在其使用寿命期间会遇到什么温度?

在设计零件时应注意使用温度和玻璃化转变点,以确保给定的树脂能够在所需条件下发挥作用。玻璃化转变 (Tg) 是任何材料最重要的特性之一。Tg 是刚性固化聚合物转变为软橡胶材料的温度。是的,它在某些意义上可以被超越,但是,作为热固性材料,它不会永远恢复到与以前相同的材料特性。

常用的两组分环氧树脂的一般使用温度约为 250F。但是,某些环氧树脂经过设计可达到高达 600F 的使用温度。聚酯和乙烯基酯树脂的使用寿命通常在 180-250F 之间。

如果工作温度真的成为一个因素,那么有一个解决方案:BMI 树脂通常用于需要高工作温度的航空航天工业。BMI 树脂具有复合材料的所有强度能力,能够承受 450 华氏度以上的工作温度。这归类为发动机进气口、车身面板和任何可能会出现更高温度的结构区域。例如,它被用于一些领先的直升机公司的尾部。

在 BMI 树脂使用温度以上使用的聚酰亚胺树脂。这些应用包括导弹和各种防御系统。然而,它极其昂贵,而且所用材料有毒。此外,这些复合部件的加工受到缩合反应的阻碍,缩合反应会导致在固化过程中形成水。聚酰亚胺在形成时被化学限制为脆性复合材料。

热固性聚合物树脂

上述树脂中的每一种都被归类为所谓的热固性聚合物。热固性塑料是用于对每个交联聚合物结构进行分类的两个系统之一,该结构是树脂本身的全部存在。热固性树脂(或聚合物)通过分子交联固化(解释为什么大多数树脂具有“A 部分”和“B 部分”)或通过热机制固化。(用于预浸料)一旦热固性材料固化,分子就会凝固。暴露在高于其 Tg 的高温条件下,会导致材料降解,复合材料会变得非常脆。

如果热塑性塑料这个词是新的,那么看看水瓶、垃圾桶、电脑鼠标……就知道了。无穷无尽的塑料遍布世界各地。塑料不仅用于
命名日常生活中使用的许多此类物品,还用于按类别对聚合物进行分类。

第二类聚合物,热塑性塑料,最初是通过熔化处理的颗粒。当在相应温度下施加热量时,颗粒会液化并填充几乎所有模具设计的型腔。一旦热量被移除,液体就会恢复到液体原来的玻璃状。(简而言之,塑料制造)然而,热塑性塑料在高温下不会降解,当加热时,热塑性塑料会重新熔化。在材料性能退化到无法使用之前,该循环可以重复有限次数。热塑性塑料通常不以高极限强度或高温能力而著称。但它们更坚韧,更灵活。此外,由于完全的规模经济,热塑性塑料的制造成本更低。

就树脂而言,与基于热固性树脂的碳纤维层压板相比,仅热塑性塑料在刚度/极限强度/耐热能力方面通常无处可去。然而,当塑料被像碳纤维这样坚硬的东西增强时,结果对于许多应用来说都是理想的。低重量、高强度和刚度、高耐化学性和增加的疲劳强度使 CFRTP 对许多行业具有吸引力。热塑性碳纤维部件的优点包括增强的抗冲击性和在其生命周期结束时改造复合材料的能力。

有几种不同的方法来处理 CFRTP。(碳纤维增强热塑性塑料)一种是改进的树脂灌注工艺,在将热塑性颗粒/粉末拉入模具表面至碳增强层之前,将其加热至液态。这些层可以使用“粘合剂”树脂来铺设,以帮助铺设过程。另一种,建立在“简单”的树脂灌注工艺之上,由加热的“注塑成型”压力机成型。(这通常是该过程花费最多的地方)将由碳纤维层或短切 CF(但仍可与粘合剂树脂一起使用以便于铺层)组成的干铺层放置在模具上,并使加热的树脂通过在真空的帮助下。这也称为 RTM。(树脂传递模塑成型)压力机本身通常用作加热机构,用于控制通过工具的热塑性树脂的温度。此外,压力机将为
更严格的表面光洁度公差,并将产生接近最终形状的复合层压板。

CFRTP 也可用于预浸料、多层片材,可以热压成最终所需的形状。这些预浸料的热冲压采用较旧的金属技术,正在重新定义世界对碳增强材料及其大规模生产能力的看法。CFRTP 加工有可能改变行业对碳纤维层压板制造的看法。大规模生产周期时间的减​​少等同于可负担性,不仅限于航空航天、汽车、技术、海洋和工业。几十年来,汽车行业一直在寻找成本更低的复合增强材料解决方案!

某些类型的热塑性树脂:聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE) 提供坚固且对水不敏感的树脂。然而,这两种成本较低的树脂解决方案受到约 200 F 的较低使用温度的限制。PEEK 和 PEI 提供更高的温度能力,但由于成本通常仅限于航空航天工业。

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