乙烯基酯:船用樹脂的折衷選擇

    增強塑料船舶用樹脂已經出現了兩極化。聚酯仍然是商船舶的通用材料,而通常由碳纖維增強的環氧樹脂則是高性能船舶的選。因此,許多制造商忽略了性能和價格適中的第三種樹脂-乙烯基酯樹脂,它們具有其自身的優勢。
    乙烯基酯樹脂的力學性能和價格都處于聚酯和環氧樹脂之間,其主要的優勢之一是,比聚酯具有更好的耐吸水性和耐水解性。膠衣和玻纖/聚酯層壓板之間或膠衣之外的乙烯基酯樹脂層可以防止玻纖船舶船主所擔心的水解滲透起泡現象。船舶制造商或所有者不必使用昂貴的環氧樹來預防這一問題,盡管后者是一種更加有效的防水層。同樣的,乙烯基酯樹脂也可以用在整個層壓板上。
    固化的乙烯基酯比聚酯更具彈性,具有更大的強度。也就是說它可以更好地抵抗疲勞作用,防止重載船身和甲板結構的破裂。乙烯基酯樹脂還能承受高達200℃的溫度,且不會變形。(這種樹脂可能受益于高溫后固化工藝,性能達到了佳。)就不利的方面而言,乙烯基酯樹脂比聚酯更難加工,如果需要達到良好的樹脂-纖維粘著性,在固化期間需要進行徹底的表面準備工作和特殊的外界條件。
    乙烯基酯樹脂通常更容易粘附玻璃纖維,而不是芳綸纖維和碳纖維,盡管(通過合適的處理)它們與三種增強材料都能共用。乙烯基酯不是揮發性有機合物(VOC),可以分散(像聚酯一樣)在不飽和單體中(通常為苯乙烯)。大部分苯乙烯在固化過程中會釋放出來。乙烯基酯樹脂在固化過程中放出熱量,就像聚酯。
    就其分子結構而言,乙烯基酯結合了聚酯和環氧樹脂的元素。酯基的存在使它們與聚酯之間具有了相似性,但是它們也可以被看作環氧樹脂的變形,因此它們大多是由丙烯酸或甲基丙烯酸與環氧樹脂(通常為雙酚A)瓜得到的。像聚酯一樣,它們可溶角在苯乙烯中(濃度高可達50%)達到一定的粘度,從而適合徹底的浸濕和層壓。這種單體還促進了樹脂分子間的交聯,因此,液體樹脂可以變成固體。與聚酯一樣,室溫下需要催化劑和促進劑來促進其固化過程。[-page-] 
    乙烯基酯比聚酯更不易受水解作用影響的原因是它們具有更少的酯基。酯易于水解,可能會導致固化的復合材料吸收大量水分。乙烯基酯的這種抗水解性使其成為船身吃水線以下部位的很好選擇。乙烯基酯樹脂還具有耐化學腐蝕性,因為它們比聚酯具有更少的活性基團。(這一特性也使得乙烯基酯樹脂廣泛應用在管道和化學儲罐等領域。)
船舶產品
    與聚酯一樣,乙烯基酯生產商使用分子結構處理方法和添加劑來精確調節樹脂性能,使其復合特定的應用。船舶制造商需要一種容易層壓、室溫下固化、與選增強材料相容的樹脂,且適合于手糊、噴涂和閉模成型工藝。良好的外觀、耐熱性和強度也像水解穩定性一樣重要。近,為滿足新的工業排放標準,較低的苯乙烯含量成為一個重要條件。
    目標性能的混合通過市場上的典型系統使其使用得到了好的說明。
    據稱大約30年前發明了環氧乙烯基酯樹脂的Interplastic Corp公司,通過一項長達15年以上的實驗室研究成果,強調了材料的水解穩定性。據該公司稱,涂有乙烯基酯層壓樹脂和表面涂層的試驗板于室溫下在水中浸沒了15年之后沒有滲透起泡現象。又一年的分析結果表明,該板只受到了輕微的物理性能損傷一彎曲強度和模量、沖擊強度等。
    該公司的CoREZYN乙烯基酯樹脂具有許多型號。廣受船舶制造商歡迎的通用層壓產品VE8110和低VOC的VE8121都適合手糊和噴涂工藝。固化快速,15分鐘之內就能達到放熱曲線的峰值,凝膠時間在15-40分鐘之間。低VOC產品苯乙烯含量大為35%(重量比)。Corvex169-826是適合真空灌注工藝的低粘度配方。船級社Det Norske Veritas已經對這種樹脂和COR C-1036-NCUclear iso/NPG膠衣一起進行了認證。
    機動船制造商Advantage Boats、Cigarette Racing和Fountain Powerboats全部采用了Interplastic公司的乙烯基酯樹脂。Advantage公司發現,CoREZYN取代聚酯解決了他們曾經遇到過的預釋放問題。新材料還超出了他們對層壓強度和流速的期望。乙烯基酯樹脂的使用幫助該公司使其40英尺長時速達40mph的Poker Run重量不到8000磅。Cigarette Racing公司在其生產的所有船舶上使用Interplastic的乙烯基酯樹脂,包括F-2系列賽艇和38英尺長的Top Gun型號系列。CoREZYN VE8121幫助該公司生產了一種非常受歡迎的高性能船舶,該船舶具有堅固輕質的船身,船身為巴伐木芯材、碳纖維蒙皮的三明治結構。Fountain Powerboats公司發現,采用CoREZYN VE8155乙烯基酯樹脂能夠以較低的成本生產出更堅固精確的玻纖復合材料部件,這種樹脂在船身固化過程中能夠承受較高的溫度。[-page-] 
    高性能帆船制造商J Boats公司使用Interplastic公司的乙烯基酯樹脂連同TPI的Seemann Composites Resin Infusion Moulding Process(SCIMP)工藝生產堅固耐久的船身結構。豪華摩托艇制造商Lazzara Yachts過去使用雙層聚酯涂層仍存在滲透起泡問題,便現在使用單層CoREZYN VE8123屏蔽涂層后,幾年時間內從未出現起泡或船身失效問題。
    Reichhold公司提供幾種Dion和Hydrex乙烯基酯樹脂配方,以適應不同的船舶制造工藝。乙烯基酯樹脂的歐洲和中東業務經理Mike Papamichael說,例如,Dion9100-710是一種觸變性乙烯基酯樹脂,被意大身Azimu Benetti等的船舶制造商用于船身表皮的層壓。該等級產品結合了較高的結構性能和快速的浸濕特性,適用于手糊或噴涂。Hydrex100-HF是一種低VOC產品,適用于在室溫下采用真空灌注工藝制造FRP結構。Hydrex100-LV(3600)是一種低苯乙烯含量的乙烯基酯樹脂,可以使船舶制造商滿足新排放法規的要求。該樹脂的苯乙烯含量低于35%,可以幫助制造商滿足美國Maximum Achievable Control Technology(MACT)法規的要求。除了較低的苯乙烯含量,這種樹脂還容易流動,在固化時具有良好的物理性能。據說,該樹脂適于室溫下的高速生產,也同樣適合船舶表皮涂層或完全的層壓。
    Reichhold還生產Norpol屏蔽涂層,用于提高船舶的外表質量。一層非增強乙烯基酯樹脂被涂敷在膠衣的背面,Norpol VBC則進一步提高其耐水解性和耐氣泡性,同時改善表面質量。
    美國佛羅里達州的Velocity Powerboats公司已經在其幾種型號的船舶中使用Hydrex100,包括41英尺長、時速達100mph的Super Sport機動船。樹脂與玻纖、芳綸纖維和碳纖維增強材料一起用于船舶三明治單體結構的特殊部位。這種乙烯基酯樹脂的低吸水速率使其具有較高的抗起泡性,同時較高的強度和硬度使其具有優異的抗沖擊性能、耐熱和耐脫模破裂性。較高的熱變形溫度是層壓材較在較高溫度和較暗的吸熱顏色下可以保持它們的物理特性。
    當英國哥倫比亞的West Bay SonShip Yachts公司決定將其復合材料生產工藝從噴涂轉為閉模真空灌注工藝時,它們選擇乙烯基樹脂大量取代過去用于半定制豪華GRP摩托艇的聚酯樹脂。IBEX船舶制造展上一次現場的真空灌注工藝展示使West Bay的玻纖管理者Mike Kluftinger決定作出這一轉變。[-page-] 
    Kluftinger說:“我們發現灌注工藝是制造更高質量部件的一種清潔的方法,同時也節約了材料和人力成本。”
    West Bay與經銷商Compositer One緊密合作,選擇Hydrex 100-HF低苯乙烯含量樹脂用于他們開發的灌注工藝。
    Kluftinger說:“這種樹脂的粘度較低,因此滲透性好,而且放熱很少。我們找不到比Reichhold產品放熱更少的樹脂?!狈艧嵘僖馕吨〉氖湛s。打磨和拋光過程也可以去除。
    一臺強有力的真空泵用來輔助灌注過程。West Bay SonShip公司先灌注較小的部件,然后開始灌注較大的部件(例如完整地艙壁和縱梁),不斷完善了這一藝。重量減輕高達到了30%以及較高的玻纖/樹脂比例得到的更堅固的部件都是采用灌注工藝和新材料所獲得的好處。
    帝斯曼復合材料樹脂公司提供的Atlac580ACT乙烯基酯樹脂正為Windy Boats公司52英尺系列摩托艇的真空灌注結構帶來較高的耐滲透性和低收縮性。Atlac-580ACT是一種觸變性乙烯基聚氨酯,用于浸漬玻纖表層/聚氯乙烯(PVC)泡沫芯材組成的三明治層壓材料。在個船身制造過程中,薄層中實現了良好的固化,較厚的龍骨部位放熱峰值沒有超過70℃。帝斯曼說,該船身在不到兩小時內完成灌注。2007年年初帝斯曼推出了Atlac E-coat65乙烯基酯屏蔽涂層,其苯乙烯含量低于35%,可以噴涂到涂有膠衣的模具上,該公司期望通過取代耗時的手糊工藝提高生產力。產品的表面質量也得到了提高。
    亞什蘭復合材料聚合物公司的AME6000乙烯基酯樹脂被歐洲豪華摩托艇制造商Sunseeker采用,用于其著名的124英尺的Sunseeker 37M,這是市場上較大的復合材料游艇之一。該產品適合Sunseeker的開模手糊制造工藝。亞什蘭歐洲技術服務代表Olli Piiroinen表示,AME 6000的優勢包括較低的苯乙烯含量和良好的表面質量。這種樹脂乙經被Lloyds Register批準用于船舶領域。亞什蘭還生產Hetron系列環氧乙烯基酯樹脂。[-page-] 
    美國北加利福尼亞州的Hatteras Yachts公司在其新的摩托艇中使用樹脂專家AOC公司的Hydropel乙烯基酯樹脂,該游艇采用SCRIMP工藝制造。此乙烯基酯樹脂灌注的船身在膠衣后面還具有一層乙烯基酯樹脂表面涂層。Hatteras Yachts的結構和復合材料工程經理Chris Walker表示,AOC隨時為初的灌注提供幫助,以確保滿足游艇制造商的需求。
    Walker說:“要一次性填充60英尺的船身,我們需要優化的粘度和開模時間。要得到良好的外觀則需要保持較低的熱量釋放,同時還要維持固化部件所需的結構特性?!?BR>大型船舶
    乙烯基酯樹脂由于其彈性(通常延長5%后斷裂)被越來越多的大型船舶采用和青睞,包括軍用船舶。Rodriquez Cantieri Navali船艇制造集團成員Intermarine公司選擇乙烯基酯樹脂用于其新的13米長的V2000 Class復合材料巡邏艇。同時,瑞典的Visby級輕巡洋艦具有三明治結構的船身,乙烯基酯樹脂/碳纖維表層包覆PVC芯材。這里采用的是橡膠添加劑增強的乙烯基酯樹脂,特殊的浸潤劑被用于提高纖維-樹脂間的粘著性。Visby船舶制造商Kockums的一名發言人表示,新型浸潤劑比之前的標準浸潤劑將層壓材料的分層強度提高了1/4,另外,橡膠改性的乙烯基酯樹脂處理過的纖維化合物產生了幾乎與環氧樹脂層壓材料相同的力學性能。
    挪威的小型Skjold級氣墊巡邏艇同樣在包覆聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫芯材的玻纖表層中采用乙烯基酯樹脂(與聚酯一起)。乙烯基酯樹脂也被英國VT Shipbuilders公司建造的大型游艇Mirabella V用作船身層壓材料。玻纖和芳綸纖維增強材料被用于這艘244長的船艇的三明治結構中。 一層乙烯基酯樹脂底漆形成膠衣層,消除了出現針孔的可能性,而在使用標準脫厝蠟時,針孔會破壞傳統的膠衣層。上甲板在泡沫芯材上包覆有碳纖維/乙烯基酯樹脂表層。所有的內部甲板、儲罐和艙壁都以平滑的玻纖/乙烯基酯樹脂表層-泡沫芯材三明治板形式由真空灌注工藝制成。[-page-] 
    Reichhold的Mike Papamichael說,越來越多的乙烯基酯樹脂和碳纖維被用于輕質、 高性能船艇的生產。例如,挪威的Brodrene公司使用一種與碳纖維具有良好粘著性的強化乙烯基酯樹脂Dion 9500-501制造27米長的船舶。所得到的層壓材料具有較高的強度、剛度和剪切強度。用乙烯基酯樹脂/碳纖維制成的這種船舶比鋁制的船舶重量輕的很多。這一點在這些時速達30節的高性能船舶中可以反映出來。
動力傳動系統
    后,乙烯基酯樹脂的彈性和多功能性在船舶動力傳動系統中的創新應用中得到了證實,表明其應用不僅限于船身和甲板。
    不同的金屬(鋁制外殼、不銹鋼轉軸、軸承等)浸沒在鹽水(一種電解質)中時,船尾驅動系統器是一個與舷內發動機緊密相連的舷外驅動器,Volvo Penta用SMC和乙烯基酯樹脂制成的裝置取代了其Ocean系列驅動器中的外部鑄部件,鋁制部件通常暴露于鹽水中。這保證了較高的耐腐蝕性和耐久性,也使得該公司可以提供外觀和水力性能更好的產品。
    Volvo Penta希望有一種可以壓塑成型的“像鋁一樣”的材料,以便達到所需的量產速度。經過長時間的研究和評估過程,該公司選擇了Quantum Composites公司的QC-8700工程結構復合材料成型化合物。這是一種63%一英寸玻纖增強的乙烯基酯樹脂SMC,作為金屬替代材料。這種材料在66℃高溫下仍能保持室溫下80%以上的強度。成型艙口蓋、發動機蓋和萬向節外殼的部件厚度平均為5毫米,與之前的鋁制部件不同。連接驅動器和船尾板的高載荷萬向節環高為1.5英寸厚。內部的鋁制框架由于完全被復合材料包覆,免受了海水的侵蝕。
    Ocean系列發動機已受到使用者(特別是漁船和娛樂船艇)的歡迎,其重量比鋁制的船尾驅動器輕1/5。成型在兩片式SMC發動機蓋上的排氣通道降低了背壓,因此提高了發動機性能和燃沒經濟性。