聚氨酯預浸料――一種用于CFRP加工的新概念 zund s3 m800-濾心台中雕刻裁切加工 @ 許志成焦點新聞熱搜

　　摘　要

　　一種新型聚氨酯預浸料綜合了聚氨酯基體優異的力學性能和預浸料的易操作性。優異的力學性能、高效自動化工藝以及快速固化周期――全部融合在―個單一的系統中。

　　在過去的幾十年中，預浸漬纖維或預浸料的應用在復合材料生產上起到許多重要的作用。這歸于其優越的操作性能。
　　與纖維和樹脂組分(通常是雙組份)單獨操作相比，當采用預浸料時，復合材料部件可以用單一組份制造。這大大減少了應用中的誤差源。另外，預浸料在灌注或浸漬階段沒有液態樹脂流經纖維層，這使纖維錯位較少發生。因此，預浸料復合材料的機械質量常常比類似的RTM或濕法成型部件的要高。
　　然而，預浸料技術并不是適合所有的應用領域。尤其是，當涉及到快速循環周期的高度自動化工藝時，預浸料顯得不合適。
　　另一個重要的缺點是系統的動力學。因為在預浸料基體中所有的反應組分混合在一起，所以在B階段過后，不可避免地發生固化過程。根據Arrhenius定律，在120℃幾分鐘固化的配方在室溫下需要幾天。所以大多數預浸料在室溫下儲存不穩定，必須儲存在-18℃，或者在高溫下具有不符合要求的較長固化時間。

1　PU基預浸料

　　采用贏創聚氨酯基預浸料系統，能夠解決兩個問題(圖1)。聚氨酯在復合材料行業中變得越來越重要。它們具有快速固化周期和良好的力學性能，更不必說聚氨酯復合材料優于環氧體系的優異韌性。但是，高度反應和快速固化使得這些體系不適合預浸料系統，需要一定的潛伏期確保儲存穩定性。

　　贏創聚氨酯預浸料以脂肪族二異氰酸酯Vestanat^®IPDI為原料，具有所需的潛伏期，這是因為它使用了經無封閉劑的脲二酮化學反應的可逆封閉型異氰酸酯。脂肪族異氰酸酯可轉換成穩定的二聚體(脲二酮，圖2)；生成異氰酸酯逆反應的起始溫度通常在180℃左右。使用合適的催化劑，這個溫度可以降低到約120℃。

　　二異氰酸酯的一個脲二酮共有四個異氰酸酯基團。其中兩個閉合成脲二酮環，另外兩個異氰酸酯基處于自由狀態。當把這個脲二酮和一定化學計量的多元醇組分配制，使所有四個異氰酸酯基發生反應時，固化聚氨酯的整個反應分為完全分開的兩步進行：自由的異氰酸酯基立刻反應成帶有封閉異氰酸酯基的聚氨酯鏈。這類似于預聚物或B階。如果脲二酮環中仍有異氰酸酯基團未封閉，第二步才會發生，這只有溫度高于120℃時才發生。
　　結果是在室溫下穩定儲存的預浸料在高溫下仍提供快速固化。
　　但是，針對固化過程的速率限制步驟不是聚氨酯的形成而是開環反應。這導致140℃的固化時間是30分鐘，而190℃是2分鐘。這些固化時間與配方中添加的催化劑用量有很大的關系，儲存穩定性也同樣如此。完全催化的預浸料在室溫下可穩定保存10周，甚至在40℃下也可保存4周。使用較少催化劑的配方固化明顯減慢(180℃30分鐘)，但是室溫儲存穩定性大幅提高到2年以上。

2　適用于自動化

　　快速固化周期和改進的儲存穩定性的獨特結合并不是贏創PU預浸料的唯一特點。另一個顯著影響復合材料制造工藝的重要性能是B階預聚物在室溫下是固態。這使預浸料具有相對穩定形態和無粘性。同時加上具有~50℃相對低的Tg，這為PU預浸料提供各種工藝選擇。適度地加熱到60~80℃，該系統可鋪覆和發粘，這樣可以像其它預浸料一樣進行操作，尤其是因為固化反應在此溫度下不會開始。這對需要花費幾個小時的手工鋪層過程很重要。對于復合材料的自動化生產，這就意味著預浸料可以在適當溫度下熱塑性成型。只有在后的固化步驟中是熱固性成型。所以預浸料可適用于預成型，不需要額外的粘結劑，并在冷卻后回到原始固態、穩定和無粘性的狀態(圖3，左邊)；大幅度簡化了自動化操作，即采用機器人。所以與通常用于汽車工業中大批量應用的RTM成型工藝相比，PU預浸料具有兩個主要加工優點。，織物無需任何其它的粘結劑進行預成型，這節省了生產鏈中的一個加工步驟，并且節省的粘結劑不會影響基體體系，它可能在浸透纖維或自身固化反應中。第二個主要優點是不再需要灌注過程。這一點尤其重要，因為這節省了實際RTM壓機中的時間。由于固化反應比目前類似的環氧RTM體系快，因此可通過灌注時間縮短總的固化周期。

3　外飾應用

　　除了加工性能外，該系統也具有優異的復合材料性能。這適用于對表面性能高要求的外飾產品和高力學應力的結構部件。
　　在復合材料的外飾應用中，達到A級表面是需要解決的主要問題之一。贏創PU預浸料可能是基體收縮率低至0.9％的這些表面的一個解決方案。與之相比，環氧樹脂的收縮率常常超過4％。另外，PU預浸料是只基于脂肪族異氰酸酯。這意味著，根據所用的多元醇配方，我們可以配制出紫外線穩定的樹脂，它們大大超過目前對于環氧和PU類似配方是常見的芳香族體系的耐候性(圖4)。

　　對于結構部件，顯然更感興趣的是典型的力學性能值。在典型的纖維主導性能如拉伸強度、壓縮強度中，PU預浸料可以與目前先進的高技術環氧配方相比。但是對于基體主導的性能如柔韌性，該材料具有顯著的優點。對于這種純樹脂。其彈性模量是3500MPa，K1C是1.7MN／M3／2，斷裂延伸率是8％，這些數值超過類似環氧樹脂30~50％(圖5)。

　　在復合材料的這些數值中也可發現高柔韌性――在300g／m²±45°的NCF碳纖維增強的情況下，剪切強度(103kJ／m²)和剪切模量(5200kJ／m²)明顯高于環氧基體系。因此在一定程度上明顯有助于平衡復合材料各向異性的缺點。這對應力和載荷發生在非纖維方向特別有利――即沖擊情況，它可能是小石頭碎片或是較大的碰撞。

4　結　論

　　總而言之，贏創新型聚氨酯預浸料具有兩方面的優點：一方面，它具有非常好的綜合性能，很高的柔韌性以及優秀的表面性能。另一方面，提供一種加工半成品的全新方法。不再需要粘結劑和灌注過程；縮短了總的周期時間。而且，這種PU預浸料儲存穩定(室溫下約10周)。

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