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树脂体系简介

任何用于复合材料的树脂体系都需要以下特性：

1.良好的机械性能

2.良好的粘接性能

3.良好的韧性

4.抗环境退化性好

树脂体系的机械性能

下图显示了“理想”树脂系统的应力/应变曲线。这种树脂的曲线显示出高极限强度，高刚度(由初始梯度表示)和高应变失效。这意味着树脂最初是坚硬的，但同时不会遭受脆性破坏。

还应注意的是，当复合材料处于拉伸状态时，为了实现纤维组分的全部力学性能，树脂必须能够变形到至少与纤维相同的程度。图12给出了E-玻璃、s -玻璃、芳纶和高强度碳纤维各自(即非复合形式)的失效应变。从这里可以看出，例如，断裂伸长率为5.3%的s型玻璃纤维，将需要断裂伸长率至少为该值的树脂来实现最大的拉伸性能。

树脂体系的粘接性能

树脂与增强纤维之间的高附着力对于任何树脂体系都是必要的。这将确保载荷有效地转移，并将防止开裂或纤维/树脂在受到压力时脱胶。

树脂体系的韧性特性

韧性是衡量材料抗裂纹扩展能力的指标，但在复合材料中，这很难精确测量。然而，树脂体系的应力/应变曲线本身提供了材料韧性的一些指示。一般来说，树脂在失效前接受的变形越大，材料就越坚韧，越抗裂。相反，具有低应变失效的树脂系统将倾向于创建脆性复合材料，这很容易开裂。重要的是使这种性能与纤维增强的伸长率相匹配。

树脂体系的环境性能

良好的抗环境，水和其他侵略性物质，以及承受持续应力循环的能力，是任何树脂系统所必需的特性。这些特性对于在海洋环境中使用尤为重要。

树脂类型

纤维增强复合材料中使用的树脂有时被称为“聚合物”。所有的聚合物都有一个重要的共同特性，即它们是由许多简单的重复单元组成的长链状分子组成的。人造聚合物通常被称为“合成树脂”或简称为“树脂”。聚合物可以根据热对其性能的影响，可分为两种类型，“热塑性”和“热固性”。

热塑性塑料，像金属一样，加热软化，最终融化，冷却再次硬化。在温标上越过软化点或熔点的过程可以根据需要反复进行，而对材料在任何一种状态下的性能都没有任何明显的影响。典型的热塑性塑料包括尼龙、聚丙烯和ABS，这些都可以增强，尽管通常只能使用短的、切碎的纤维，如玻璃。

热固性材料，或“热固性”，是由原位化学反应形成的，树脂和硬化剂或树脂和催化剂混合，然后经历不可逆的化学反应，形成坚硬的，不粘合的产品。在一些热固性树脂中，如酚醛树脂，挥发性物质作为副产物产生(缩合反应)。其他热固性树脂，如聚酯和环氧树脂，通过不产生任何挥发性副产品的机制固化，因此更容易加工(“加成”反应)。一旦固化，热固性树脂在加热时不会再次变成液体，尽管超过一定温度它们的机械性能会发生显著变化。这个温度被称为玻璃化转变温度(Tg)，根据所使用的特定树脂体系、固化程度以及是否正确混合而有很大变化。在Tg以上，热固聚合物的分子结构从刚性结晶聚合物转变为更灵活的无定形聚合物。当冷却到Tg以下时，这个变化是可逆的。在Tg以上，树脂模量(刚度)急剧下降，导致复合材料的抗压和抗剪强度也随之下降。其他性能，如耐水性和颜色稳定性也显著降低以上树脂的Tg。

虽然在复合材料工业中使用的树脂有许多不同类型，但大多数结构件都是用三种主要类型制成的，即聚酯、乙烯酯和环氧树脂。

聚酯树脂

聚酯树脂是应用最广泛的树脂体系，特别是在海洋工业中。到目前为止，大多数用复合材料建造的小艇、游艇和工作船都使用这种树脂系统。

诸如此类的聚酯树脂属于“不饱和”型。不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂，在适当的条件下能够从液体或固体状态固化。不饱和聚酯与饱和聚酯(如Terylene™)不同，后者不能以这种方式固化。然而，通常将不饱和聚酯树脂称为“聚酯树脂”，或简单地称为“聚酯”。

在化学中，碱与酸反应生成盐。同样，在有机化学中，醇与有机酸反应生成酯和水。通过使用特殊的醇，如乙二醇，与双碱性酸反应，将产生聚酯和水。该反应与饱和双碱性酸和交联单体等化合物的加入形成了聚酯生产的基本过程。因此，由不同的酸、乙二醇和单体制成的聚酯有一系列不同的性质。

在复合材料工业中，有两种主要类型的聚酯树脂用作标准层合系统。骨科聚酯树脂是许多人使用的标准经济树脂。异苯二甲酸聚酯树脂现在正成为船舶等行业的首选材料，其优越的耐水性是可取的。

图13显示了典型聚酯的理想化学结构。注意分子链中酯基(CO - O - C)和反应位点(C* = C*)的位置。

图13 一种典型等邻苯二甲酸聚酯的理想化学结构

大多数聚酯树脂是粘稠的淡色液体，由聚酯溶液在单体(通常是苯乙烯)中组成。加入高达50%的苯乙烯有助于降低树脂的粘度，使其更容易处理。苯乙烯还发挥了重要的功能，通过“交联”聚酯分子链，使树脂从液体固化为固体，而不产生任何副产物。因此，这些树脂可以在不使用压力的情况下成型，被称为“接触”或“低压”树脂。聚酯树脂的储存寿命有限，因为它们会在很长一段时间内自行凝固或“凝胶”。通常在树脂制造过程中加入少量的抑制剂来减缓这种胶凝作用。

为了用于模压，聚酯树脂需要添加几个辅助产品。这些产品一般是:

■催化剂

■加速器

■添加剂:触变/颜料/填料/化学/防火

制造商可以提供树脂的基本形式或已包含上述添加剂中的任何一种。树脂可配制成模塑工的要求，只需在模塑前加入催化剂即可。如上所述，给予足够的时间，不饱和聚酯树脂将自行凝固。这种聚合速度对于实际用途来说太慢，因此使用催化剂和加速器来实现树脂在实际时间内的聚合。在使用前不久将催化剂添加到树脂系统中以启动聚合反应。

催化剂不参与化学反应，而只是激活这个过程。催化剂被添加到催化树脂中，以使反应在车间温度和/或以更大的速度进行。由于在没有催化剂的情况下，助推剂对树脂的影响很小，因此聚酯制造商有时会将助推剂添加到树脂中，以形成“预加速”树脂。

聚酯的分子链可以表示如下，其中“B”表示分子中的反应位点。

图14 聚酯树脂(未固化)示意图

随着苯乙烯' S '的加入，在催化剂的存在下，苯乙烯在每个反应位点上与聚合物链交联，形成一个高度复杂的三维网络，如下所示:

图15 聚酯树脂(固化)示意图

然后聚酯树脂被称为“固化”。它现在是一种耐化学腐蚀(通常)坚硬的固体。交联或固化过程称为“聚合”。这是一个不可逆的化学反应。这种分子链交联的“并排”性质倾向于意味着聚酯层压板在施加冲击载荷时遭受脆性。

在成型之前，需要非常小心地准备树脂混合物。在添加催化剂之前，必须仔细搅拌树脂和任何添加剂，使所有成分均匀地分散。这种搅拌必须彻底和小心，因为任何空气引入树脂混合物影响最终成型的质量。这尤其当层压加固材料层，因为气泡可以形成在合成层压，这可以削弱结构。同样重要的是，要谨慎地添加加速器和催化剂，以控制聚合反应，以获得最佳的材料性能。过多的催化剂会导致胶凝时间过快，而过少的催化剂会导致欠固化。

树脂混合物的着色可以用颜料进行。选择合适的颜料材料，即使只添加约3%的树脂重量，也必须谨慎考虑到使用不合适的颜料容易影响固化反应和降解最终层板。

由于各种原因，填充材料与聚酯树脂广泛使用，包括:

■降低模具成本

■方便成型过程

■赋予模具特定的性能

填充剂的添加量通常达到树脂重量的50%，尽管这样的添加量会影响层压板的弯曲和拉伸强度。填料的使用有利于厚构件的层压或铸造，否则会发生相当大的放热。添加某些填料也有助于增加层压板的耐火性能。

Panny 译本