拉擠工藝制造復(fù)合材料已有數(shù)十年歷史。聚氨酯憑借其出色的力學(xué)性能、低壓成型、快速固化、無(wú)苯乙烯揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)從傳統(tǒng)樹(shù)脂中脫穎而出，成為樹(shù)脂基復(fù)合材料行業(yè)的“新寵”。
一、原材料
01 聚氨酯樹(shù)脂基體
聚氨酯是以低聚物多元醇和異氰酸酯為主要原料合成的一種主鏈含有氨基甲酸酯基團(tuán)（-NHCOO-）的聚合物。與傳統(tǒng)樹(shù)脂相比，聚氨酯與增強(qiáng)材料的結(jié)合更好，因此抗沖擊性能、力學(xué)性能和耐候性更優(yōu)異。
聚氨酯樹(shù)脂中不含苯乙烯等揮發(fā)物，滿足國(guó)家對(duì)“加強(qiáng)綠色產(chǎn)品應(yīng)用研發(fā)，推廣輕量化、低功耗技術(shù)工藝”的相關(guān)要求。
聚氨酯用于拉擠成型具有黏度低、成型速度快的工藝優(yōu)勢(shì)。拉擠用聚氨酯樹(shù)脂典型的相關(guān)性能見(jiàn)下表。
02 增強(qiáng)材料
玻璃纖維
玻璃纖維作為性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)纖維，是一種彈性模量高、拉伸強(qiáng)度大、斷裂伸長(zhǎng)率小的脆性材料，具有力學(xué)性能可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)提高產(chǎn)品整體性能，被廣泛用于樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。下表為兩種玻璃纖維的主要性能。
研究表明，玻璃纖維表面N元素含量的增加可明顯增大玻璃纖維與聚氨酯樹(shù)脂的結(jié)合力，這可能是因?yàn)楹倌軋F(tuán)會(huì)與聚氨酯樹(shù)脂中殘余的異氰酸酯反應(yīng)生成脲基，在兩相界面間起到化學(xué)鍵合作用。
碳纖維
碳纖維作為一種優(yōu)異的增強(qiáng)材料，具有比強(qiáng)度和比模量高、密度低、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、伸長(zhǎng)率低、耐低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)。可根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求選取不同規(guī)格、不同性能的碳纖維。碳纖維的規(guī)格與性能見(jiàn)下表。
聚氨酯樹(shù)脂對(duì)纖維有良好的浸潤(rùn)性，但若要兩者形成良好界面還需要更高的黏結(jié)強(qiáng)度。所以，在碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)碳纖維進(jìn)行上漿處理。主要是防止纖維吸附空氣中的雜質(zhì)和水，保護(hù)纖維表面活性基團(tuán)；同時(shí)可提高纖維的集束功能，改善其浸潤(rùn)性能，具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。
但是，目前關(guān)于碳纖維增強(qiáng)聚氨酯樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究，大多集中在短纖維。相比之下，連續(xù)碳纖維在聚氨酯基復(fù)合材料中應(yīng)用時(shí)，碳纖維的含量大大提高，與聚氨酯樹(shù)脂基體的界面面積大，界面結(jié)合力大，增強(qiáng)強(qiáng)度遠(yuǎn)比短纖維高。
其他纖維增強(qiáng)材料
除碳纖維與玻璃纖維外，常用的纖維增強(qiáng)材料還有玄武巖纖維、芳綸纖維等。
玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料制成的一種高性能纖維增強(qiáng)材料。玄武巖纖維的耐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性較高，而且使用溫度范圍廣，具有高隔熱隔音性。
二、連續(xù)纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的拉擠成型技術(shù)
01 拉擠成型工藝
拉擠成型始于20世紀(jì)50年代，是一種將浸漬的連續(xù)纖維在牽引力的作用下，通過(guò)擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地大規(guī)模生產(chǎn)各種等截面線性型材的成型工藝。
聚氨酯樹(shù)脂體系應(yīng)用于拉擠成型工藝，具有成型周期短、生產(chǎn)效率高、無(wú)苯乙烯揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，這使聚氨酯拉擠成型已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
02 拉擠成型復(fù)合材料的性能特點(diǎn)
輕質(zhì)高強(qiáng)
以拉擠工藝制備的聚氨酯附框?yàn)槔?，其中無(wú)需支撐骨架便具有優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度等性能是PVC（聚氯乙烯）塑料門(mén)窗的10倍以上，遠(yuǎn)大于鋁合金與鋼，而密度僅有鋼材密度的1/4，鋁合金密度的1/2。拉擠成型的纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的性能見(jiàn)表。
耐腐蝕性良好
玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料在室溫條件下，具有良好的耐酸、堿和高濃度鹽的特性，濕熱老化試驗(yàn)中其力學(xué)性能損失小于3%，具有良好的耐老化性能。而且，用作建筑材料時(shí)可與建筑物同壽，表面不需做處理，對(duì)水泥漿等在堿性或酸性環(huán)境下有較強(qiáng)的耐腐蝕能力。
尺寸穩(wěn)定性好
連續(xù)纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的線性收縮率小于0.2%，與設(shè)計(jì)尺寸的偏差很小。此外，以拉擠工藝成型的聚氨酯復(fù)合材料門(mén)窗，線性膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于鋁合金和PVC塑料，而與建筑墻體接近，有效地避免了由于熱脹冷縮引起的裂縫出現(xiàn)，提高了密封性和保溫性能。
可設(shè)計(jì)性強(qiáng)
連續(xù)纖維聚氨酯拉擠成型中的高纖維含量賦予復(fù)合材料優(yōu)異的機(jī)械性能，優(yōu)選的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)60%~90%。聚氨酯樹(shù)脂的性能具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，不同原料配方及助劑所得制品的性能也不同。
三、拉擠成型纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用
01 在電力工程領(lǐng)域的應(yīng)用
傳統(tǒng)電桿在惡劣氣候下易受到嚴(yán)重的破壞，從而使電網(wǎng)遭受毀滅性打擊。連續(xù)纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料電桿輕質(zhì)高強(qiáng)，電絕緣性能好，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)電桿在沿海、山地、高污穢等特殊地區(qū)的使用。
02 在建筑門(mén)窗領(lǐng)域的應(yīng)用
聚氨酯拉擠材料在建筑中的應(yīng)用主要為門(mén)窗型材。鋁合金、PVC塑鋼、鋁包木等門(mén)窗雖然保溫性能良好，但此類材料在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)造成大量能源損耗，易產(chǎn)生固體廢棄物及有害揮發(fā)物，并且耐火性能欠佳。
聚氨酯拉擠門(mén)窗型材成型中，無(wú)苯乙烯揮發(fā)，避免了環(huán)境污染，符合“綠色環(huán)保”理念。由于玻璃纖維具有良好的阻燃性和耐熱性，聚氨酯拉擠門(mén)窗型材傳熱系數(shù)僅有0.22W/(m2·K)，熱阻為9.96mK/W，保溫性能較好。幾種節(jié)能窗戶的傳熱系數(shù)和氣密性見(jiàn)下表。
相比于其它材料門(mén)窗，聚氨酯拉擠門(mén)窗型材尺寸穩(wěn)定、氣密性和隔音性好。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外門(mén)窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》檢測(cè)，聚氨酯復(fù)合材料門(mén)窗的氣密性可達(dá)8級(jí)，水密性達(dá)6級(jí)，隔音性能達(dá)5級(jí)，目前已取得廣泛應(yīng)用。
03 在鐵道枕木領(lǐng)域的應(yīng)用
木質(zhì)軌枕和鋼筋混凝土軌枕是目前兩種主要軌枕材料，前者不耐腐蝕，使用壽命短，且有違環(huán)保；后者原料廉價(jià)易得，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，但其彈性差而硬度高，易發(fā)生破裂。相比之下，纖維增強(qiáng)聚氨酯合成枕木，不論其原材料本身性能還是拉擠工藝特點(diǎn)，都給枕木的施工和應(yīng)用帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)。性能測(cè)試結(jié)果表明，新型聚氨酯復(fù)合材料枕木抗彎曲荷載可達(dá)181kN，螺絲釘抗拔強(qiáng)度可達(dá)76kN。該種枕木不僅在剪切強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能方面具有優(yōu)良表現(xiàn)，在耐腐蝕、耐老化方面同樣性能優(yōu)異。
04 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
汽車地板：這種汽車地板強(qiáng)度高，自重輕，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性；使用過(guò)程中不會(huì)有小分子揮發(fā)，防潮耐腐蝕，并具有一定的阻燃性，安全可靠；纖維增強(qiáng)聚氨酯材料的熱膨脹系數(shù)小，不存在熱變形問(wèn)題，具有較長(zhǎng)的使用壽命。
車身：由于較高的纖維體積分?jǐn)?shù)，復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，較低的質(zhì)量，減少了油耗和環(huán)境損害。
光伏邊框及支架：連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚氨酯拉擠成型復(fù)合材料可用于制作光伏組件邊框和支架，這是一個(gè)快速發(fā)展的新市場(chǎng)，用復(fù)合材料替代鋁合金邊框，可以起到降本、輕量化等作用，而且復(fù)合材料良好的絕緣性、耐化學(xué)品性等性能使其在海面、鹽堿地等領(lǐng)域應(yīng)用更具性能優(yōu)勢(shì)。
文章來(lái)源：復(fù)材產(chǎn)業(yè)圈
