聚氨酯是高分子主鏈上含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)結(jié)構(gòu)單元的高分子化合物的總稱(chēng)，由多元有機(jī)異氰酸酯和氫給予體的化合物（如聚醚多元醇、聚酯多元醇等）反應(yīng)制得，基于其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特性——即異氰酸酯構(gòu)成的“硬段”和多元醇構(gòu)成的“軟段”，聚氨酯材料的可設(shè)計(jì)性和可調(diào)整性很強(qiáng)，對(duì)各類(lèi)領(lǐng)域不同環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)。
聚氨酯早期主要應(yīng)用于涂料、泡沫、膠粘劑等功能材料，結(jié)構(gòu)材料方面大多集中于短切纖維增強(qiáng)的聚氨酯,或是用作環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯等改性樹(shù)脂，近幾年，聚氨酯的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
聚氨酯韌性好、抗沖擊能力強(qiáng)、黏度低、常溫下即可快速固化，且?guī)缀鯖](méi)有諸如苯乙烯等易揮發(fā)物，在復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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用拉擠成型制備聚氨酯樹(shù)脂絕緣電力桿，在保持強(qiáng)度的情況下大幅降低成品質(zhì)量，僅為同大小混凝土電力桿的1/10。
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拉擠成型聚氨酯復(fù)合材料門(mén)框的性能，其強(qiáng)度約為傳統(tǒng)鋁合金型材的2—3倍。
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使用氨基型的成膜劑和羥基型的偶聯(lián)劑有效提高玻纖增強(qiáng)聚氨酯材料的界面性能。
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等離子處理過(guò)的碳纖維更容易浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，與聚氨酯樹(shù)脂基體的粘合性更強(qiáng)。
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研究發(fā)現(xiàn)，相較于環(huán)氧樹(shù)脂，基于聚氨酯的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有顯著增強(qiáng)的抗動(dòng)態(tài)破壞性，聚氨酯的粘合性和韌性更高。
在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用聚氨酯方面，除了常規(guī)的研究機(jī)構(gòu)，各大生產(chǎn)商亦是聚氨酯產(chǎn)品研發(fā)的重要助推力量，萬(wàn)華、南京經(jīng)略、鎮(zhèn)江利德?tīng)柼睾吞帐隙加芯郯滨?fù)合材料的相關(guān)專(zhuān)利，萬(wàn)化、南京聚發(fā)、科思創(chuàng)和亨斯曼等國(guó)內(nèi)外廠商都開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料專(zhuān)用聚氨酯產(chǎn)品。
總體來(lái)說(shuō)，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料還處于起步階段，各大廠商正在進(jìn)行積極推廣，相關(guān)性能數(shù)據(jù)較少。
本研究采用復(fù)合材料專(zhuān)用的某國(guó)產(chǎn)雙組分聚氨酯材料體系，制備聚氨酯澆注體和連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料，并與環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料進(jìn)行比對(duì)，為聚氨酯在復(fù)合材料方面的替代應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。
一、聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂性能研究
環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的DSC曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂與聚氨酯的Ti和Tp都隨升溫速率的增大，向高溫偏移，樹(shù)脂的反應(yīng)熱降低。
圖1 環(huán)氧樹(shù)脂(a)和聚氨酯(b)的DSC曲線(xiàn)圖
理論上，樹(shù)脂的反應(yīng)溫度應(yīng)該是升溫速度為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的特征溫度，但這種特征溫度是難以直接測(cè)得的。為了得到準(zhǔn)確的樹(shù)脂特征反應(yīng)溫度，一般采用不同升溫速率下的特征溫度擬合曲線(xiàn)外推法。
由此確定的環(huán)氧樹(shù)脂體系的特征溫度為T(mén)i0=103.1℃,Tp0=128.2℃,聚氨酯樹(shù)脂體系的特征溫度為T(mén)i0=16.4℃,Tp0=87.1℃,這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)為該樹(shù)脂體系凝膠溫度、固化溫度和后固化溫度制度的確定提供了試驗(yàn)依據(jù)。
環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的拉伸測(cè)試典型載荷-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。聚氨酯有明顯的塑性變形區(qū)域，而環(huán)氧樹(shù)脂基本是脆性斷裂，說(shuō)明聚氨酯樹(shù)脂韌性較好。
圖2 環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的拉伸測(cè)試典型載荷－位移曲線(xiàn)圖
圖3為聚氨酯拉伸斷裂后的狀態(tài)圖。由圖可見(jiàn)，斷裂處出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。
圖3聚氨酯拉伸斷裂試樣的“頸縮”現(xiàn)象實(shí)物圖
圖4為環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂延伸率變化趨勢(shì)圖。
圖４ 環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的拉伸強(qiáng)度（ａ）和斷裂延伸率（ｃ）變化趨勢(shì)圖
由圖可見(jiàn)，聚氨酯強(qiáng)度較環(huán)氧樹(shù)脂高20%,但模量較環(huán)氧樹(shù)脂略低，斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹(shù)脂，這也說(shuō)明聚氨酯樹(shù)脂韌性好。
表1為環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的電性能數(shù)據(jù)，聚氨酯樹(shù)脂體系的體積電阻率較環(huán)氧樹(shù)脂低2個(gè)數(shù)量級(jí)，絕緣性能相對(duì)較差。聚氨酯的介電常數(shù)略高于環(huán)氧樹(shù)脂，但差距并不顯著。
表1環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的電性能數(shù)據(jù)
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樣品
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體積電阻率/(Ω·cm)
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介電常數(shù)
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環(huán)氧樹(shù)脂
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3.5×1016
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2.55
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聚氨酯
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2.5×1014
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2.60
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二、聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能研究
圖5為環(huán)氧/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢(shì)圖。
圖５ 環(huán)氧樹(shù)脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢(shì)圖
由圖可見(jiàn)，聚氨酯／玻璃纖維強(qiáng)度、模量與環(huán)氧樹(shù)脂／玻璃纖維相當(dāng)，雖然聚氨酯本身性能較環(huán)氧樹(shù)脂高了20%,但復(fù)合材料性能并不突出，一方面是由于復(fù)合材料性能主要取決于增強(qiáng)體材料，同時(shí)推測(cè)聚氨酯復(fù)合材料缺陷較多以及聚氨酯/玻璃纖維界面結(jié)合較差導(dǎo)致聚氨酯性能無(wú)法充分發(fā)揮。
圖6為環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖。
圖６ 環(huán)氧樹(shù)脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖
由圖可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維的層間剪切強(qiáng)度高于聚氨酯/玻璃纖維，說(shuō)明玻璃纖維和聚氨酯界面結(jié)合相對(duì)較差，推測(cè)可能是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維表面的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氣體，留下較多孔隙缺陷造成的。
圖7為環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的SEM圖。
圖７ 環(huán)氧樹(shù)脂／玻璃纖維（ａ）和聚氨酯／玻璃纖維（ｂ）的ＳＥＭ圖
由圖可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維的孔隙較小，數(shù)量較少，而聚氨酯／玻璃纖維的孔隙遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維，這也從側(cè)面解釋了孔隙缺陷較多導(dǎo)致聚氨酯復(fù)合材料層間剪強(qiáng)度低。
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與環(huán)氧樹(shù)脂相比，聚氨酯反應(yīng)起始溫度及峰值溫度都較低，具有較快固化速度，有利于縮短成型周期；
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聚氨酯的強(qiáng)度高于環(huán)氧樹(shù)脂，模量略低，斷裂伸長(zhǎng)率很高，表明其具有較好的韌性；
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聚氨酯樹(shù)脂的電阻率較低，介電常數(shù)較高，作為高壓電絕緣材料，其綜合電性能整體略差，尚需進(jìn)一步優(yōu)化配方體系。
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聚氨酯/玻璃纖維拉伸性能與環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維相當(dāng)，層間剪切較低，主要是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維復(fù)合時(shí)，生成的孔隙缺陷較多。
因此，需進(jìn)一步改進(jìn)樹(shù)脂以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，減少缺陷，同時(shí)從玻璃纖維表面偶聯(lián)劑及工藝進(jìn)行優(yōu)化，有望制備出性能遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的高性能聚氨酯復(fù)合材料。
參考資料：聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料性能對(duì)比研究，孫曉光等
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦光伏網(wǎng)）：聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂，哪種連續(xù)玻纖復(fù)合材料性能更優(yōu)？
