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任何用于復(fù)合材料的樹脂體系都需要以下特性：

1.良好的機(jī)械性能

2.良好的粘接性能

3.良好的韌性

4.抗環(huán)境退化性好

樹脂體系的機(jī)械性能

下圖顯示了“理想”樹脂系統(tǒng)的應(yīng)力/應(yīng)變曲線。這種樹脂的曲線顯示出高極限強(qiáng)度，高剛度(由初始梯度表示)和高應(yīng)變失效。這意味著樹脂最初是堅(jiān)硬的，但同時(shí)不會(huì)遭受脆性破壞。

還應(yīng)注意的是，當(dāng)復(fù)合材料處于拉伸狀態(tài)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)纖維組分的全部力學(xué)性能，樹脂必須能夠變形到至少與纖維相同的程度。圖12給出了E-玻璃、s -玻璃、芳綸和高強(qiáng)度碳纖維各自(即非復(fù)合形式)的失效應(yīng)變。從這里可以看出，例如，斷裂伸長(zhǎng)率為5.3%的s型玻璃纖維，將需要斷裂伸長(zhǎng)率至少為該值的樹脂來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的拉伸性能。

樹脂體系的粘接性能

樹脂與增強(qiáng)纖維之間的高附著力對(duì)于任何樹脂體系都是必要的。這將確保載荷有效地轉(zhuǎn)移，并將防止開裂或纖維/樹脂在受到壓力時(shí)脫膠。

樹脂體系的韌性特性

韌性是衡量材料抗裂紋擴(kuò)展能力的指標(biāo)，但在復(fù)合材料中，這很難精確測(cè)量。然而，樹脂體系的應(yīng)力/應(yīng)變曲線本身提供了材料韌性的一些指示。一般來(lái)說(shuō)，樹脂在失效前接受的變形越大，材料就越堅(jiān)韌，越抗裂。相反，具有低應(yīng)變失效的樹脂系統(tǒng)將傾向于創(chuàng)建脆性復(fù)合材料，這很容易開裂。重要的是使這種性能與纖維增強(qiáng)的伸長(zhǎng)率相匹配。

樹脂體系的環(huán)境性能

良好的抗環(huán)境，水和其他侵略性物質(zhì)，以及承受持續(xù)應(yīng)力循環(huán)的能力，是任何樹脂系統(tǒng)所必需的特性。這些特性對(duì)于在海洋環(huán)境中使用尤為重要。

樹脂類型

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中使用的樹脂有時(shí)被稱為“聚合物”。所有的聚合物都有一個(gè)重要的共同特性，即它們是由許多簡(jiǎn)單的重復(fù)單元組成的長(zhǎng)鏈狀分子組成的。人造聚合物通常被稱為“合成樹脂”或簡(jiǎn)稱為“樹脂”。聚合物可以根據(jù)熱對(duì)其性能的影響，可分為兩種類型，“熱塑性”和“熱固性”。

熱塑性塑料，像金屬一樣，加熱軟化，最終融化，冷卻再次硬化。在溫標(biāo)上越過軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)的過程可以根據(jù)需要反復(fù)進(jìn)行，而對(duì)材料在任何一種狀態(tài)下的性能都沒有任何明顯的影響。典型的熱塑性塑料包括尼龍、聚丙烯和ABS，這些都可以增強(qiáng)，盡管通常只能使用短的、切碎的纖維，如玻璃。

熱固性材料，或“熱固性”，是由原位化學(xué)反應(yīng)形成的，樹脂和硬化劑或樹脂和催化劑混合，然后經(jīng)歷不可逆的化學(xué)反應(yīng)，形成堅(jiān)硬的，不粘合的產(chǎn)品。在一些熱固性樹脂中，如酚醛樹脂，揮發(fā)性物質(zhì)作為副產(chǎn)物產(chǎn)生(縮合反應(yīng))。其他熱固性樹脂，如聚酯和環(huán)氧樹脂，通過不產(chǎn)生任何揮發(fā)性副產(chǎn)品的機(jī)制固化，因此更容易加工(“加成”反應(yīng))。一旦固化，熱固性樹脂在加熱時(shí)不會(huì)再次變成液體，盡管超過一定溫度它們的機(jī)械性能會(huì)發(fā)生顯著變化。這個(gè)溫度被稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，根據(jù)所使用的特定樹脂體系、固化程度以及是否正確混合而有很大變化。在Tg以上，熱固聚合物的分子結(jié)構(gòu)從剛性結(jié)晶聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)楦`活的無(wú)定形聚合物。當(dāng)冷卻到Tg以下時(shí)，這個(gè)變化是可逆的。在Tg以上，樹脂模量(剛度)急劇下降，導(dǎo)致復(fù)合材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度也隨之下降。其他性能，如耐水性和顏色穩(wěn)定性也顯著降低以上樹脂的Tg。

雖然在復(fù)合材料工業(yè)中使用的樹脂有許多不同類型，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)件都是用三種主要類型制成的，即聚酯、乙烯酯和環(huán)氧樹脂。

聚酯樹脂

聚酯樹脂是應(yīng)用最廣泛的樹脂體系，特別是在海洋工業(yè)中。到目前為止，大多數(shù)用復(fù)合材料建造的小艇、游艇和工作船都使用這種樹脂系統(tǒng)。

諸如此類的聚酯樹脂屬于“不飽和”型。不飽和聚酯樹脂是一種熱固性樹脂，在適當(dāng)?shù)臈l件下能夠從液體或固體狀態(tài)固化。不飽和聚酯與飽和聚酯(如Terylene™)不同，后者不能以這種方式固化。然而，通常將不飽和聚酯樹脂稱為“聚酯樹脂”，或簡(jiǎn)單地稱為“聚酯”。

在化學(xué)中，堿與酸反應(yīng)生成鹽。同樣，在有機(jī)化學(xué)中，醇與有機(jī)酸反應(yīng)生成酯和水。通過使用特殊的醇，如乙二醇，與雙堿性酸反應(yīng)，將產(chǎn)生聚酯和水。該反應(yīng)與飽和雙堿性酸和交聯(lián)單體等化合物的加入形成了聚酯生產(chǎn)的基本過程。因此，由不同的酸、乙二醇和單體制成的聚酯有一系列不同的性質(zhì)。

在復(fù)合材料工業(yè)中，有兩種主要類型的聚酯樹脂用作標(biāo)準(zhǔn)層合系統(tǒng)。骨科聚酯樹脂是許多人使用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)樹脂。異苯二甲酸聚酯樹脂現(xiàn)在正成為船舶等行業(yè)的首選材料，其優(yōu)越的耐水性是可取的。

圖13顯示了典型聚酯的理想化學(xué)結(jié)構(gòu)。注意分子鏈中酯基(CO - O - C)和反應(yīng)位點(diǎn)(C* = C*)的位置。

圖13 一種典型等鄰苯二甲酸聚酯的理想化學(xué)結(jié)構(gòu)

大多數(shù)聚酯樹脂是粘稠的淡色液體，由聚酯溶液在單體(通常是苯乙烯)中組成。加入高達(dá)50%的苯乙烯有助于降低樹脂的粘度，使其更容易處理。苯乙烯還發(fā)揮了重要的功能，通過“交聯(lián)”聚酯分子鏈，使樹脂從液體固化為固體，而不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物。因此，這些樹脂可以在不使用壓力的情況下成型，被稱為“接觸”或“低壓”樹脂。聚酯樹脂的儲(chǔ)存壽命有限，因?yàn)樗鼈儠?huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)自行凝固或“凝膠”。通常在樹脂制造過程中加入少量的抑制劑來(lái)減緩這種膠凝作用。

為了用于模壓，聚酯樹脂需要添加幾個(gè)輔助產(chǎn)品。這些產(chǎn)品一般是:

■催化劑

■加速器

■添加劑:觸變/顏料/填料/化學(xué)/防火

制造商可以提供樹脂的基本形式或已包含上述添加劑中的任何一種。樹脂可配制成模塑工的要求，只需在模塑前加入催化劑即可。如上所述，給予足夠的時(shí)間，不飽和聚酯樹脂將自行凝固。這種聚合速度對(duì)于實(shí)際用途來(lái)說(shuō)太慢，因此使用催化劑和加速器來(lái)實(shí)現(xiàn)樹脂在實(shí)際時(shí)間內(nèi)的聚合。在使用前不久將催化劑添加到樹脂系統(tǒng)中以啟動(dòng)聚合反應(yīng)。

催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)，而只是激活這個(gè)過程。催化劑被添加到催化樹脂中，以使反應(yīng)在車間溫度和/或以更大的速度進(jìn)行。由于在沒有催化劑的情況下，助推劑對(duì)樹脂的影響很小，因此聚酯制造商有時(shí)會(huì)將助推劑添加到樹脂中，以形成“預(yù)加速”樹脂。

聚酯的分子鏈可以表示如下，其中“B”表示分子中的反應(yīng)位點(diǎn)。

圖14 聚酯樹脂(未固化)示意圖

隨著苯乙烯' S '的加入，在催化劑的存在下，苯乙烯在每個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)上與聚合物鏈交聯(lián)，形成一個(gè)高度復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)，如下所示:

圖15 聚酯樹脂(固化)示意圖

然后聚酯樹脂被稱為“固化”。它現(xiàn)在是一種耐化學(xué)腐蝕(通常)堅(jiān)硬的固體。交聯(lián)或固化過程稱為“聚合”。這是一個(gè)不可逆的化學(xué)反應(yīng)。這種分子鏈交聯(lián)的“并排”性質(zhì)傾向于意味著聚酯層壓板在施加沖擊載荷時(shí)遭受脆性。

在成型之前，需要非常小心地準(zhǔn)備樹脂混合物。在添加催化劑之前，必須仔細(xì)攪拌樹脂和任何添加劑，使所有成分均勻地分散。這種攪拌必須徹底和小心，因?yàn)槿魏慰諝庖霕渲旌衔镉绊懽罱K成型的質(zhì)量。這尤其當(dāng)層壓加固材料層，因?yàn)闅馀菘梢孕纬稍诤铣蓪訅海@可以削弱結(jié)構(gòu)。同樣重要的是，要謹(jǐn)慎地添加加速器和催化劑，以控制聚合反應(yīng)，以獲得最佳的材料性能。過多的催化劑會(huì)導(dǎo)致膠凝時(shí)間過快，而過少的催化劑會(huì)導(dǎo)致欠固化。

樹脂混合物的著色可以用顏料進(jìn)行。選擇合適的顏料材料，即使只添加約3%的樹脂重量，也必須謹(jǐn)慎考慮到使用不合適的顏料容易影響固化反應(yīng)和降解最終層板。

由于各種原因，填充材料與聚酯樹脂廣泛使用，包括:

■降低模具成本

■方便成型過程

■賦予模具特定的性能

填充劑的添加量通常達(dá)到樹脂重量的50%，盡管這樣的添加量會(huì)影響層壓板的彎曲和拉伸強(qiáng)度。填料的使用有利于厚構(gòu)件的層壓或鑄造，否則會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的放熱。添加某些填料也有助于增加層壓板的耐火性能。