什么是树脂（树脂类型和特点介绍）

树脂是源自有机或合成来源的恶性液体聚合物。他们的优势在于他们能够从液体转变为可定制的固体、均匀结构。在高分子化学和材料科学中，树脂是植物或合成来源的固体或高粘性物质，通常可转化为聚合物。植物会分泌树脂来应对伤害，从而发挥保护作用。树脂保护植物免受昆虫和病原体的侵害。树脂的长寿和耐用性的一个明显例子是将昆虫包裹在琥珀中。许多这些天然存在的树脂在今天都有实际用途，并且已经从石化产品中制造出等同物。树脂以单一、均质的形式使用，通常以模具以及保护衬里和涂层的形式使用。聚合物本身是由大量键合在一起的相似单元构成的组合结构组成的物质。合成聚合物的典型例子包括树脂和塑料。树脂主要有两种类型：热固性和热塑性树脂。见下文。复合材料生产中涉及的树脂以及衬里和涂层主要有两种类型：(1) 热固性树脂和 (2) 热塑性树脂。

树脂类型：

热塑性树脂

热塑性塑料占树脂行业的一小部分。它们以非反应性固体形式出售，因此在加工过程中不会发生化学反应。与热固性材料不同，它们需要热量和压力才能制成成品材料。再加热和重整也是可能的。热塑性树脂在受热时能够软化并形成粘性液体。然后它们可以在冷却下转变为固体。热塑性树脂的主要优点之一是它们具有快速成型周期的能力，因为固化过程与化学反应无关。然而，本文的主要重点是热固性树脂，这是一类在建筑、航空航天、船舶和汽车领域都有应用的树脂。

热固性树脂

热固性树脂被设计成在沉积后发生化学反应以形成三维网络。热固性树脂需要在浸渍到增强材料之前添加固化剂。这种材料的固化会产生无法重新熔化或重新形成的固化结构。对于增强复合材料，化合物通常包括树脂系统（固化剂、硬化剂、抑制剂）和填料/增强剂。用热固性树脂形成的复合材料因其三维交联结构而具有高尺寸稳定性、耐高温性和良好的耐溶剂性。最常用的热固性树脂是聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺 (PA) 和双马来酰亚胺 (BMI)。

热固性树脂的例子

涤纶

聚酯树脂有两类：饱和聚酯树脂和不饱和聚酯树脂。不饱和聚酯树脂是一种大分子，即分子量在 1,000 至 3,000 kDa 之间的大分子。它是转化二羧酸和二醇的缩聚反应的结果。一部分二羧酸含有碳-碳双键——称为不饱和键。未固化且在室温下，这种树脂是一种高粘性、基本透明的粉红色液体。术语“聚酯树脂”是术语“不饱和聚酯树脂”的缩写。聚酯树脂通常用于玻璃纤维层压应用。添加玻璃纤维作为增强材料制成玻璃纤维，可用于建造平屋顶、修理游艇船体等。

环氧树脂

环氧树脂有助于复合材料的强度、耐久性和耐化学性。它们在高温下提供高性能，热/湿工作温度高达 121°C。环氧树脂以液体、固体和半固体形式存在。它们通常通过与胺或酸酐反应来固化。与聚酯树脂不同，环氧树脂不需要催化剂来固化。相反，硬化剂（也称为固化剂）。硬化剂（B 部分）和基础树脂（A 部分）根据特定比例在“加成反应”中共同反应。需要树脂与固化剂的正确混合比例以确保固化有效。不正确的混合比例会产生未完全固化且性能有缺陷的固化物。环氧树脂可以使用 Kevlar 等添加剂进行增强和增韧。这克服了由高度交联引起的环氧树脂的脆性。当树脂处于液态时，反应的条件和成分（结合层压步骤和增强材料）将最终决定复合材料的质量和性能。拉伸强度、杨氏模量、柔韧性以及吸水能力和耐化学性是用于评估此类性能的一些测量指标。

聚氨酯

聚氨酯树脂是一种更粘稠的树脂，固化后形成比环氧树脂或聚酯更柔软、更灵活的结构。它具有广泛的应用范围，用于建筑和土木工程以及海洋和医疗行业。在建筑中，它用于树脂地板和树脂粘合车道，它结合了聚氨酯的柔韧性和集料的高机械强度。

树脂固化

树脂固化对于通过聚合物链的交联实现其硬化状态的好处是必要的。简而言之，这个过程见证了树脂从液态到固态的转变。它是热固性聚合物生产的主要特征。驱动固化过程的因素可能会有所不同。简而言之，将单一单体和低聚物与或不与固化剂（通常是催化剂）混合以驱动反应，从而形成三维聚合物网络。最初，反应将分支具有不同结构的分子。此处，结构的分子量将以与反应成正比的速率增加。除了发生化学结构的变化外，还会发生物理变化，例如溶解度降低、粘度增加和密度增加。这个过程一直持续到反应结束，由此所有分子结合形成一个单一的均质网络。固化是由几个因素触发的：

热
辐射
电子束
化学助剂

根据树脂类型，有大量研究致力于研究新方法和优化现有方法。在大多数情况下，固化是由两个主要类别驱动的：

化学诱导固化：指基于添加剂的固化
无化学固化：指光、热、辐射等非化学固化方式引起的固化

固化类型取决于几个因素，包括但不限于树脂类型、应用和可接受的收缩水平。

化学诱导固化

环氧树脂和聚酯等树脂通过添加添加剂进行固化。此类添加剂被称为硬化剂并诱导树脂固化。

无化学硬化

某些树脂在没有添加剂的情况下固化，而是依靠热量来固化，热塑性塑料就是这种情况。在交联开始之前，加热会导致粘度降低。这导致存在的低聚物链增加——这一过程称为凝胶化。在这一点上，树脂变得不可移动和僵硬。在最终固化之前，结构内分子的传质受到限制。为了实现玻璃化，凝胶化后需要提高温度。某些树脂可能含有被紫外线激活的催化剂。固化过程是一个经过充分研究的领域，因为固化决定了所得树脂结构的质量，以此作为更好地改善物理和化学结果的手段。研究这些特性的能力是优化设计的关键因素。

树脂基复合材料

虽然树脂涂料单独提供有效的表面保护，但它们的性能在更苛刻的情况下受到限制。例如，没有玻璃纤维增强的聚酯树脂比有增强的聚酯树脂更脆和易碎，应用受到限制。木材作为支撑结构的引入已经存在了几千年。木材的局限性，即强度和耐用性锯钢成为一种流行的选择。然而，钢很重并且容易生锈，限制了可用的应用数量。此外，与铝一样，钢需要进行热处理（焊接）以确保获得正确的尺寸和形状。树脂以表面保护和独立结构本身的形式提供了一种有用的解决方案。树脂与增强材料（例如玻璃纤维或碳纤维）的组合产生了复合材料。树脂基复合材料是两种或多种具有不同化学和物理特性的材料的组合。当组合在一起时，它们形成了一种优于这些材料各自特性的材料。这通常会在强度、柔韧性、耐化学性和耐用性方面产生卓越的性能。在树脂方面，复合材料结合了树脂和增强成分，最初处于可延展状态，因此树脂在固化前为液体。固化后，树脂从液态转变为固态，形成坚固、坚硬且不透水的结构。这种结构克服了这些单独成分的局限性（树脂易碎，增强材料可渗透且柔软），最终创造出玻璃纤维或碳纤维等优质结构。典型的例子包括玻璃纤维和碳纤维，它们具有无缝、无接缝的特点，可以防锈、耐多种化学品，同时也很耐用，并且具有很高的强度重量比。