熱固性樹脂基復合材料的發展概況

合成樹脂是一種人工合成的高分子化合物，由于其性能和外形類似于天然樹脂而得名，其表觀可為液態、固態、半固態或假固態。根據固化方式的不同，可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩種。不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等是最常用的熱固性樹脂，加固化劑并受熱后，將形成不溶不熔的固化物，因此稱為熱固性樹脂;聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等具有線型分子鏈的結構，可反復受熱成型，因此稱為熱塑性樹脂，經常稱為塑料。熱固性樹脂中使用最多的是不飽和聚酯樹脂，原因是不飽和聚酯樹脂的原材料來源較為廣泛，價格較為便宜，且有成型工藝簡單、成型溫度較低、生產成本低等優點。不飽和酯樹脂的品種牌號很多可分為通用型、耐腐蝕型、耐熱型、阻燃型、膠衣樹脂、SMC/BMC專用樹脂等兒種。2002年中國生產不飽和聚酯樹脂58.3萬噸，進口14.9萬噸，出口4556噸。2001年美國不飽和聚酯樹脂產量71.96萬噸，出口3.15萬噸。2001年日本產量19.4萬噸。
世界合成樹脂工業經過數十年的發展和變革，生產規模之大、數量品種之多及產品應用之廣泛已形成一定的格局，進人21世紀后，隨著合成樹脂生產企業追求低成本、高效率、專業化、高性能，世界合成樹脂工業的趨勢是生產規模大型化產業結構專業化和產品性能高性能化。熱固性樹脂基復合材料也稱纖維增強塑料(fiber reinforcedplastics)，我國俗稱玻璃鋼，是由熱固性樹脂基體和纖維增強材料所組成的一種多相材料，其性能比單一材料優越，是目前技術比較成熟、應用最為廣泛的一類復合材料。
在熱固性樹脂基復合材料中，樹脂通過固化將纖維增強材料黏結為一個整體，起到傳遞載荷的作用，它賦予復合材料各種優良的綜合性能，如電絕緣性、耐腐蝕性、耐高溫性、工藝性等，在很大程度上決定了材料的最終性能。不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、附醛樹脂是最常用的熱固性樹脂基體。樹脂基體與增強材料的界面黏結狀況對樹脂基復合材料的力學性能、耐腐蝕性、耐老化性有很大影響，一般常用偶聯劑對增強材料進行表面處理來改進界面性能。
熱固性樹脂基復合材料于1932年在美國首先出現，第二次世界大戰期間首次用玻璃纖維增強聚酯樹脂，以手糊工業制造軍用雷達罩、遠航飛機油箱、飛機機身和機翼。第二次世界大戰以后迅速擴展到民用，風靡一時，發展很快。1946年纖維纏繞成型技術在美國出現，為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術儲備。1949年成功研究了玻璃纖維預混料并制出了表面光潔、尺寸和形狀準確的復合材料模壓件。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功，并制出直升飛機的螺旋槳。20世紀60年代美國利用纖維纏繞技術，制造出北極星、土星等大型固體火箭發動機的殼體，為航天技術開辟了輕質高強結構的最佳途徑。在此期間，玻璃纖維-聚酯樹脂噴射成型技術得到了應用，使手糊工藝的質量和生產效率大為提高。1961年片狀模塑料(sheet mnolding compound，SMC)在前聯邦德國問世，利用這種技術可制出大幅面表面光潔、尺寸和形狀穩定的制品，如汽車殼體、船的殼體以及衛生潔具等大型制件，從而更擴大了樹脂基復合材料的應用領域。1963年前后，在美國法國、日本等國先后開發了高產量、大幅寬、連續生產的玻璃纖維復合材料板材生產線，使復合材料制品形成了規模化生產。拉擠成型工藝的研究始于20世紀50年代，20世紀60年代中期實現了連續化生產，在20世紀70年代拉擠技術又有了重大的突破，近年來發展更快。除圓棒狀制品外，還能生產管、箱形、槽形工字形等復雜截面的型材，并還有環向纏繞纖維以增加型材的側向強度。上述拉擠工藝生產的制品斷面可達76cmx20cm。在20世紀70年代樹脂反應注塑成型reaction injection molding，RIM)和增強樹脂反應注塑成型(reinforced reactioninjection molding，RRIM)兩種技術研究成功，進一步改善了手糊工藝，使產品兩面光潔，現已大量用于衛生潔具和汽車的零件生產。1972年美國PPG公司研究成功熱塑性片狀模塑料成型技術，1975年投人生產。這種復合材料的最大特點是改變了熱固性基體復合材料生產周期長、廢料不能回收問題，并能充分利用塑料加工的技術和設備，因而發展得很快。制造管狀構件的工藝除纏繞成型外，20世紀80年代又發展了離心澆注成型法，英國曾使用這種工藝生產10m長的復合材料電線桿、大口徑受外壓的管道等。綜上可知，新生產工藝的不斷出現推動著聚合物復合材料工業的發展。