1、聚氨酯/玻纖復合材料簡介

  近年來，聚氨酯樹脂以其韌性好、固化快、無苯乙烯煙霧等優(yōu)點使其復合材料脫穎而出。隨著人們對聚氨酯成型技術的掌握和在控制其反應性以延長其適用期方面的進步，聚氨酯已進入長期由不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂主宰的復合材料領域。

  在過去，聚氨酯復合材料主要是用結(jié)構反應注射法（SRIM）成型的汽車內(nèi)飾件和外部件，如皮卡車箱、車底板、行李架、內(nèi)門板等（聚氨酯經(jīng)過發(fā)泡）。然而在近幾年中，聚氨酯復合材料發(fā)展了拉擠、纏繞、真空灌注和長纖維噴射等技術，主要用不發(fā)泡的聚氨酯復合材料來制造窗框、浴缸、電燈桿和卡車、越野車的大型部件等。

  聚氨酯拉擠：聚氨酯拉擠一般具有低粘度、中度至高度反應性、良好的沖擊強度和韌性以及短梁剪切性能。

  與其他材料相比，用聚氨酯拉擠可產(chǎn)生多種效益。它可以提高制品中玻璃纖維含量而使制品強度大大提高。例如，用玻璃纖維與聚氨酯樹脂拉擠窗框，所得窗框的強度比PVC窗框高8倍，其導電性比鋁低40倍，因而絕緣性能好得多。同時，因為聚氨酯拉擠窗框的脆性更小，它們不會開裂而經(jīng)久耐用。

  高性能聚氨酯/玻璃纖維復合材料是一種以高硬度聚氨酯彈性體為基體材料,玻璃纖維為增強材料,采用連續(xù)拉擠工藝生產(chǎn)的一種具有高強度、高模量、輕質(zhì)高分子復合材料。

  聚氨酯拉擠技術的產(chǎn)品不僅比傳統(tǒng)材料具有更高的強度、更好的隔熱保溫效果，而且更輕質(zhì)環(huán)保。其應用領域十分寬廣，從最初的華麗浴缸，到?jīng)_浪和滑雪板，再到今天的窗框、集裝箱地板等創(chuàng)新應用，聚氨酯復合材料已融入了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

  據(jù)報道，在過去的幾年中，中國對于復合材料的需求已呈現(xiàn)逐步增長的態(tài)勢。復合材料是一種高科技材料，是將幾種材料的特性整合成為一種具有卓越新性能的全方位解決方案。正是因為材料的獨特性能，比如輕質(zhì)、高強度和剛性、以及能夠幫助實現(xiàn)更高的成本效率和生態(tài)責任，所以聚氨酯復合材料已備受各行業(yè)的關注。尤其是在建筑和運輸行業(yè)，創(chuàng)新的技術與應用，更是備受矚目。

  2、聚氨酯/玻纖復合材料性能特點

  經(jīng)過數(shù)年開發(fā)，國外聚氨酯拉擠成型已實現(xiàn)商業(yè)化。在聚氨酯拉擠過程中，可以使用更多的增強纖維，使制品強度大大增高。同時，由于聚氨酯本身優(yōu)異的沖擊強度、拉伸強度和層間剪切強度，制品可制得更薄更輕。例如，可用更少的連續(xù)原絲氈而更多的無捻粗紗來制得更薄的工字梁，使工字梁的厚度從3.3mm減少到2.6mm，同時保持其縱向剛度不變。這樣,制品就減少了13%重量和7%成本。另外，由于拉擠聚氨酯制品脆性更小，從而可用常規(guī)方式裝配而不開裂和破碎。

  具體看，采用聚氨酯拉擠技術，有以下幾方面的明顯優(yōu)點。

  (1)用傳統(tǒng)樹脂拉擠某些型材時，可能要求使用多達4或5種不同的玻璃纖維氈。這些氈必須裁切造形。采用聚氨酯拉擠，常?？梢杂貌＠w無捻粗紗來代替玻纖氈。取消玻纖氈后就減少了原料成本以及操作氈所耗的勞力成本。氈還容易破碎，碎片可能堵塞機器，影響生產(chǎn)。取消氈后，在很多情況下都能提高生產(chǎn)線速度，從而提高成本效益。

  另一方面，用無捻粗紗代替氈后，纖維體積含量可以增至80%左右，而大多數(shù)非聚氨酯拉擠制品的纖維含量為60%。這樣，更高的玻纖含量與性能更好的樹脂相結(jié)合，打造了強度和剛度更好的聚氨酯拉擠型材。

  (2)聚氨酯拉擠制品更高的強度性能開拓了一些新的應用。這些制品可以用于聚酯樹脂不能勝任的用途，在建筑、基礎設施和交通運輸市場代替鋼和鋁材。

  (3) 將原有的拉擠系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成聚氨酯拉擠系統(tǒng)比較簡單、方便和經(jīng)濟，無需大的投資。原有的模頭、加熱器和機組仍可使用。

  (4) 除了上述物理性能和成型優(yōu)點之外，聚氨酯拉擠制件還具有裝配優(yōu)點，特別是緊固方便。由于聚氨酯的強度，在聚氨酯拉擠制品上裝入螺釘時，不需預先鉆孔，這樣就可節(jié)省時間和勞力。反過來，在聚氨酯拉擠制品中拔出螺釘所需的力量是在聚酯拉擠制品中拔出螺釘所需力量的兩倍多。

  (5)同樣纖維結(jié)構下，聚氨酯/玻纖拉擠產(chǎn)品的所有性能均好于普通熱固性樹脂，彎曲模量接近，沖擊強度大大提高，螺釘拉拔強度高，開口抗裂口擴展性好，耐磨性優(yōu)，很好的二次加工能力，耐熱240度以上。

  主要熱固性樹脂/玻纖復合材料性能對比

  價格

  工藝性

  力學性能

  電性能

  耐候性

  燃燒性

  耐熱性

  聚氨脂

  較高-高

  較好-好

  很好

  好

  較好-很好

  好

  好

  環(huán)氧

  較高

  較好-好

  較好-好

  較好-好

  較好-好

  一般-好

  一般-好

  不飽和樹脂

  中-高

  好-很好

  一般-好

  一般-好

  一般-好

  一般-好

  一般-好

  酚醛

  低-中

  一般

  一般-好

  一般-好

  一般-好

  好

  好

  (6)純聚氨脂/玻纖是目前性能最好的拉擠復合材料，材料截面復雜，表面光滑，拉擠速度快，耐水、酸、堿、鹽是最好的，耐燃好，可涂裝，脂肪族聚氨脂體系，無溶劑，無苯乙烯，環(huán)境友好。

  3、聚氨酯/玻纖復合材料主要用途

  1）用于建筑材料

  近年來，建筑節(jié)能已然成為了中國可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，而在建筑中，門窗、外墻、屋面和地面為建筑主要能耗的四大部位,而門窗的絕熱性最差。據(jù)估計，就我國的典型圍護部件而言，門窗的能耗約為墻體的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍,約占圍護部件總能耗的40%～50%。因此增強門窗的保溫隔熱性能,減少門窗能耗, 是改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié)。復合材料在應用中的興起，帶給了我們新的思路，使其應用于建筑節(jié)能門窗的改造成為可能。

  

  聚氨酯拉擠窗框，相較于傳統(tǒng)材料，它具有更強的尺寸穩(wěn)定性、更高的橫向力學性能，更高的比強度和剛性，同時具備更好的隔熱保溫效果。再加上聚氨酯材料科技的獨特拉擠工藝，該材料不含有機揮發(fā)物(VOC)，因此也十分環(huán)保。

  玻璃纖維增強聚氨酯拉擠門窗型材，是以玻璃纖維為增強材料，以聚氨酯為基體，通過先進的注射浸膠拉擠工藝生產(chǎn)出的門窗型材。GRPU門窗型材的開發(fā)，是為了向高層建筑提供總傳熱系數(shù)K ≤ 2.0 W/(m?K) 的節(jié)能窗解決方案。聚氨酯（PU）擁有先天的隔熱能力，在節(jié)能門窗行業(yè)內(nèi)早已被用來制造泡沫填縫劑、密封膠條、隔熱條，將聚氨酯用于制造節(jié)能窗整個窗框，這在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。

  

  GRPU窗框的優(yōu)勢是由GRPU材料本身的性能特性決定的，GRPU 作為一種新型的復合材料，窗框是新的增長點，使用這種樹脂，可以制得更大、更薄而強度足夠的型材，用于大窗框甚至幕墻。據(jù)稱這種窗框比鋁、木和塑料窗框好得多。具有優(yōu)良的脹縮性能，可耐受各種氣候條件，從北極嚴寒到到沙漠酷熱以及海邊潮濕。可經(jīng)涂漆或后加工而形成木質(zhì)外觀。聚氨酯復合窗框有如下基本特性：

  高隔熱性

  GRPU型材和實木、PVC一樣，擁有很低的導熱系數(shù)，室溫下為0.22 W/m?K，只有鋁合金的約1/700，是優(yōu)良的絕熱材料。

  低熱膨脹

  GRPU的線性熱膨脹系數(shù)約為7×10-6/K，遠低于鋁合金，與墻體的線性熱膨脹系數(shù)相近；因此，在溫度變化時，GRPU 材質(zhì)的框體不會與墻體產(chǎn)生縫隙，密封性良好，同時保證了整窗在溫差較大的環(huán)境下的隔熱性。

  耐腐蝕

  GRPU型材對大部分酸、堿、鹽、有機物，以及海水、潮濕空氣都有很強的抗蝕力；而且不銹不朽，耐腐蝕性能優(yōu)于其他材質(zhì)門窗型材。尤其適用于沿海、有腐蝕性的以及一般潮濕場所。

  電性能佳

  GRPU型材是良好的絕緣材料，不受電磁波作用，不反射無線電波；對通訊系統(tǒng)的建筑有特殊的用途。

  2）聚氨酯/玻纖復合材料用于集裝箱地板

  更“輕盈”、更耐用的集裝箱

  與Conforce公司開發(fā)的EKO-FLOR復合地板系統(tǒng)。由于材料的高拉擠效率、高強度和剛性以及出色的抗沖性和耐磨性，為集裝箱運輸行業(yè)增色不少。Conforce是德國化工企業(yè)拜耳的合作伙伴，這種復合增強材料經(jīng)過研發(fā)者多年的研制，至少被認為有五大優(yōu)點：一是低重量，可降低運輸中的能源量；二是具備一個可完整抵抗所有類型產(chǎn)品（水、油、異味、微生物）；三是生產(chǎn)所需能源整體很低；四是增加貨柜容器的使用壽命；五是具有可重復使用和回收的地板。新的貨柜用料特別講究，一個40尺大柜可減少重量550公斤，從而減少運輸所需的能源。

  與傳統(tǒng)的以木質(zhì)為基礎的材料相比，使用聚氨酯擠拉工藝的材料，重量會減輕22%，整船整車集裝箱的油耗和運輸成本也就大大降低了。在輕質(zhì)的同時，又保持了足夠的堅韌性能，這一特性也降低了維護成本，增加了集裝箱的使用壽命。傳統(tǒng)集裝箱木地板使用壽命只有5～10年，而EKO-FLOR聚氨酯拉擠地板的使用壽命可超過20年。

  法國達飛輪船最近與加拿大Conforce合作，開發(fā)一種非實木的復合集裝箱地板，名稱：Eko-flor，期望用此新科技研制的輔件來替代實木地板，以減少對環(huán)境的污染和雨林木材的砍伐。

  3）鐵路枕木

  在歐洲，鐵路建造者越來越多地關注用拉擠的FFU（纖維增強泡沫聚氨酯）枕木來代替木質(zhì)或混凝土枕木。經(jīng)過幾次成功應用之后，最近在德國勒弗庫森化工園又安裝了一支線路系統(tǒng)，共使用了136根FFU枕木。這些枕提供，所用聚氨酯來自設在日本的供應商。據(jù)稱這種枕木看似木材，結(jié)合了天然產(chǎn)品和現(xiàn)代設計的所有優(yōu)點。它可用普通木工工具進行鋸、刨、釘、上螺絲和膠粘等加工。其熱膨脹系數(shù)和導熱率都很低。由于有纖維增強，其抗壓、抗拉、抗彎強度都很高，使用壽命比傳統(tǒng)枕木長3倍多。由于其閉孔結(jié)構，它即使在暴雨中也吸水極少，因而不影響其優(yōu)良的電絕緣性能。該材料還耐水解、油脂、海水、霜凍和除冰鹽，在長期氣候條件下也保持穩(wěn)定。其重量和現(xiàn)場加工性能大大優(yōu)于混凝土，可制成任意長度，不需為每種長度另制模具。其生態(tài)性能也是一大優(yōu)點，制造時不使用溶劑，使用后可以循環(huán)利用。由于這些優(yōu)點，F(xiàn)FU枕木特別適于在隧道、橋梁使用。在日本，每年要鋪設9萬多根聚氨酯枕木，現(xiàn)在已有130多萬根投入使用。日本著名的高速列車“新干線”的鐵軌就使用了這種枕木。

  4）其它用途

  聚氨酯的拉擠制品包括型材、桿件和板材，如梯子桿、工具柄、電線桿橫擔、電桿、曲棍球桿、碼頭片樁、貨柜板材等。

  4、聚氨酯復合材料生產(chǎn)原料及設備

  1）主要材料

  聚氨酯材料（包括多元醇、異氰酸酯、催化劑、消泡劑、潤滑劑、脫模劑等）及玻璃纖維，其中玻纖占80%-85%。

  2）主要設備：

  玻纖導紗架、聚氨酯澆注機、成型牽引機、切割機等，拉擠設備造價大約20萬元（20噸牽引力），聚氨酯設備10-15萬元。

  5、聚氨酯復合材料生產(chǎn)流程

  工藝流程：

  

  生產(chǎn)效率：

  根據(jù)不同規(guī)格，拉擠速度1.2-3m/min不等。寬度大于50cm。

  南京｜2021年聚氨酯復合材料全產(chǎn)業(yè)鏈研討會

  6、聚氨酯長纖維注射復合材料技術及應用

  7、聚氨酯復合材料生產(chǎn)工藝及應用介紹

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