復合材料行業的發展日新月異，聚氨酯樹脂因其韌性好、固化快、環保無揮發等優點，以往長期被不飽和樹脂和環氧樹脂主導的應用領域，正逐漸被替代。

 

復合材料常用樹脂的優缺點

聚氨酯復合材料的優勢

聚氨酯復合材料的發展

 

♦ 1937年，德國奧托·拜耳發明了聚氨酯。

 

♦ 20世紀60年代，拜爾與瑞士CIBA公司開發了RIM（反應注射成型工藝）；

 

♦ 20世紀70年代，美國GE公司推出RIM自動線；玻纖開始用于RIM增強。

 

♦ 20世紀80年代，出現了S-RIM（結構反應注射成型工藝）；我國引入了RIM技術

 

♦ 20世紀80年代以來20多年間，作為FRSP聚氨酯復合材料工藝主要是RIM

 

♦至今，纖維增強聚氨酯復合材料發展了長纖維注射(LFI)、拉擠、纏繞、樹脂傳遞成型等工藝，主要用不發泡的聚氨酯復合材料生產窗框、電線桿、浴缸、汽車大型部件等制品。

 

工藝發展使聚氨酯復合材料的適用性更廣

 

1、R-RIM（反應注射成型）

 

標準的RIM不增強，增強的RIM按增強的材料不同分為R-RIM和S-RIM。

 

R-RIM（Reinforced Reaction Injection Moulding，增強反應注射成型）：以磨碎玻璃纖維等粉狀材料增強。

S-RIM（Structural Reaction Injection Moulding，結構反應注射成型）：以玻璃纖維織物、短切氈/連續氈、預成型料增強。

 

VFI（Variable Fiber Injection，可變纖維注射成型）：為克服SRIM預放氈和玻璃纖維加入量有限（玻璃纖維量增加，樹脂流動性下降，有小氣泡）的不足，德國、意大利開發了VFI，直接將玻璃纖維無捻粗紗短切分散進入混料腔，然后與聚氨酯一起注入模具，固化成型。與S-RIM工藝相比，VFI高密度制品性能更好。

 

2、LFI（長纖維注射成型）

 

LFI （Long fiber Injection，長纖維注射成型），主要用于生產對力學性能要求較低，但設計更為復雜的車內部件，如儀表盤、內飾板、車身底板等。

 

該工藝中，切割機從合股紗中切割出25-50毫米長的短切紗，輸入溫控模具。同時，含有異氰酸酯、多元醇和催化劑的混合物也被輸入模具。LFI能夠高效地生產出輕質高強的聚氨酯部件。

 

LFI是令人關注的可替代S-RIM的成型方法。LFI基本是一次作業，而S-RIM需要多道工序：準備玻纖氈，把氈鋪入模具，然后注入聚氨酯。由于LFI工藝中纖維和樹脂被同時輸入，成型時間更短。LFI比S-RIM達到更高的玻璃纖維加入量，還適用于更多的聚氨酯配方，能夠制得更輕的制品，性能更好。

 

汽車行業首先采用了LFI工藝制造的聚氨酯復合材料，用于結構和半結構板材，如車頂組件。據報道，一輛跑車的LFI聚氨酯車頂，比鋼制車頂輕20%，剛度比鋁車頂或其他玻璃鋼車頂高一倍多。

 

在農用和商業車行業，LFI聚氨酯復合材料用于拖拉機罩、重卡板材、推土機外車身板、公共汽車行李架等。

 

3、FCS（纖維噴射成型）

 

聚氨酯復合材料的FCS（纖維復合噴射）技術是一種新穎的解決方案。可應用于大型纖維復合材料制品市場。典型應用是一般用途車輛（如公共汽車、拖拉機等）的車身部件和卡車的擋風板、駕駛室等，同時在建筑和基礎設施行業中也有很多潛在應用。

 

手糊法在復合材料制品生產中仍舊很普遍，手糊法的明顯優點是設備成本最低，能夠制造形狀非常復雜的制品。其缺點是人力成本很高，周期長，并且產品質量不穩定。此外，生產中所排放的苯乙烯對健康不利，為減少這一風險，需要額外增加運營成本。而纖維復合噴射技術在滿足制品制作要求的同時，可以一定程度避免手糊工藝中存在的不利因素，并且能夠得到品質優越的制品。

 

FCS工藝中采用的4組分混合頭提供了選用多種材料的可能性。例如，選擇不同的多元醇（最多達3種），就可在同一產品中兼容致密層和泡沫層。泡沫層可減輕產品重量，還可改善聲學性能。另一變異方法是使用兩種不同的多元醇和兩種異氰酸酯。換句話說，該系統可做成兩種完全不同的聚氨酯體系，例如產品外層是用脂族聚氨酯制成的耐紫外線皮層，而內層則是一般的聚氨酯。

 

Baypreg法：這是一種夾芯板的制造工藝。把紙蜂窩等芯材埋在兩層玻纖氈之間，用雙組份聚氨酯噴射浸漬，然后在閉合模具中壓塑并加熱固化。這種板材比其他夾芯產品更輕，因而對汽車等用途很有吸引力。典型用途有車身底板、行李倉底板、備胎罩、天窗板等。

 

Baypreg可用多種纖維材料如玻璃纖維、碳纖維或天然纖維增強。適用于各種壓塑工藝，與各類型的芯材相容，整個過程不使用溶劑。

 

Multitec法：這是更新的敞模噴射技術。經短切的玻璃纖維和快速固化的聚氨酯混合料中在室溫下被噴射入模，并在敞模中固化。制造少量制件可以人工噴射，而大批量生產則可用機械手自動噴射。這種工藝典型的制品是水療設備、魚缸、淋浴盤、休閑車輛部件、拖拉機防護罩和翼子板等。

 

4、拉擠成型

 

近年來，聚氨酯拉擠成型已經實現了商業化。北美的拉擠廠商看到了中國拉擠產品市場的競爭激烈，希望通過聚氨酯更高的韌性和強度來尋求發展機遇。

 

在聚氨酯拉擠過程中，可以使用更多的增強纖維，使制品的強度大大提高。同時，由于聚氨酯本身優異的沖擊強度、拉伸強度和層間剪切強度，制品可制得更薄更輕。例如，可用更少的連續原絲氈，而用更多的無捻粗紗來制得更薄的工字梁，同時保持其縱向剛度不變，不但減輕了重量，還降低了成本。此外，聚氨酯拉擠材料的脆性更小，可用常規方式裝配而不開裂和破碎。

 

聚氨酯拉擠材料包括型材、桿件和板材，如梯子桿、工具柄、電線桿橫擔、電線桿、曲棍球桿、貨柜板材等。

 

聚氨酯拉擠材料最新的應用是門窗系統，它能夠制得更大、更薄而強度足夠的型材，用于大窗框甚至幕墻。這種窗框比鋁、木和塑料窗框更好，具有良好的脹縮性能、耐候性好、外觀經涂漆后可形成木質外觀。

 

另一個新的用途是鐵路枕木。日本積水化學已成功將其用于鐵路建造，所用的聚氨酯樹脂來自科思創。這種枕木看似木材，結合了天然產品和現代設計的所有優點。它可用普通木工工具進行鋸、刨、釘、上螺絲和膠粘加工。其熱膨脹系數和導熱率很低。由于有纖維增強，其抗壓、抗拉、抗彎強度都很高，使用壽命比傳統枕木長3倍多。用于其閉孔機構，即使在暴雨中吸水極少，不會影響其電絕緣性能能。其重量和現場加工性能也大大優于混泥土，可制成任意長度，不用為每種長度另制模具。此外，它非常環保，制造時不使用溶劑，生命周期結束后可循環利用。日本著名的高速列車“新干線”的鐵軌就使用了這種枕木。

 

5、纏繞成型

 

在纏繞成型中，用聚氨酯代替聚酯引起了聚氨酯供應商的很大興趣。一大突破是加拿大的RS技術公司使用其專有的聚氨酯樹脂和纖維纏繞專利技術制造了裝配式復合材料電線桿。這是第一種聚氨酯復合材料電線桿。聚氨酯復合材料可以制造更長的電線桿，而聚酯復合材料多用于較小的電線桿。這個電線桿的內層用芳族聚氨酯，外面兩層用脂族聚氨酯。這種樹脂體系的強度、韌性更高，減輕了45%的重量。

 

巴斯夫在聚氨酯纏繞成型方面一直很活躍，特別在歐洲，其目標用途是耐腐蝕的“長效基礎設施”。

 

另一個潛在應用領域是耐腐蝕管道和在中東、東南亞地區的飲用水設施。熱水箱也很有發展前景。利用纏繞成型工藝，聚氨酯復合材料制成的水箱，比聚酯水箱的爆破強度提高40%-50%。

 

6、樹脂傳遞成型（RTM）

 

幾十年以來，樹脂傳遞成型(RTM)工藝一直都被用來制造復合材料部件。用于此工藝的樹脂包括有聚酯、乙烯酯和環氧樹脂。科思創致力于聚氨酯樹脂在RTM工藝的開發工作。在RTM工藝中，纖維玻璃墊被置于雙面模具之中。當模具閉合時聚氨酯樹脂被注射入內。當部件進行固化后，模具再次打開從而得到最終部件。

 

真空灌注成型是RTM的一種形式，通過纖維滲透讓真空將樹脂吸入模具之中，而不是注射入模具。真空灌注成型確保了纖維玻璃墊的完全浸潤，并且消除了可能會造成部件缺陷的干燥點。

 

據悉，把聚氨酯適用期延長到30分鐘以上的進展，使各種灌注成型工藝成為可能。亨斯邁、科思創都研發了適用于真空灌注成型的聚氨酯樹脂。

 

利用RTM工藝制程的聚氨酯復合材料，比其他樹脂如不飽和樹脂或乙烯酯的物理性能更優異。它們常被用于防爆防彈和體育器械等領域。

 

聚氨酯復材：一些有前景的應用領域

 

1、風電葉片

 

采用工藝：真空灌注成型

 

2016年4月，科思創成功試制全球第一支1.5MW新型高性能聚氨酯樹脂體系風機葉片。這支長達37.5米，重約6噸的聚氨酯葉片使用了重慶國際復合材料公司的玻纖布，通過德國旭百世的聚氨酯在線澆注設備在上海玻璃鋼研究院成功試制。聚氨酯在大型葉片灌注工藝上的成功引起業界反響一片。與傳統的基于環氧樹脂的復合材料相比，聚氨酯復材有更優異的機械性能、固化速度更快、其更低的有機揮發物更加環保。更輕更長的葉片，意味著更高的發電效率以及更低的發電成本，這是全球風電行業的發展趨勢。聚氨酯復材突破了現有材料的限制，為行業帶來全新的解決方案。

 

2018年10月，科思創首套使用聚氨酯樹脂制造的風機葉片成功安裝投入運營，此次安裝的風機葉片（型號WB113-PU）長55.2米，功率為2兆瓦，其主梁和腹板均采用科思創聚氨酯樹脂材料制成。風機在位于遼寧省鐵嶺市的一座風電場完成安裝，該風電場由遼寧大唐國際新能源有限公司負責運營。為了獲得相關認證，新的風機葉片必須通過各種嚴格的第三方測試。為確保風機葉片能在惡劣環境下實現長時間穩定運轉的要求，科思創對風機葉片性能進行了全面測試，并成功通過了北京鑒衡認證中心（CGC）的靜力和疲勞測試（包括擺振和揮舞方向）。借此，科思創向行業傳遞一個強有力的信號，使用聚氨酯制造更長更強的風機葉片的時代已經到來。

 

2019年6月，科思創向中國交付首批用于風力葉片的聚氨酯原材料訂單。科思創為中國最大的風力葉片制造商之一株洲時代新材料技術有限公司（TMT）提供聚氨酯樹脂，用于生產長度為59.5米的18根聚氨酯風力葉片，也用于翼梁帽和抗剪腹板。這些葉片交付給Envision，預示著科思創的聚氨酯樹脂在葉片中的部署，用于商業風電場項目。

 

2、門窗型材

 

采用工藝：拉擠成型

 

亨斯邁與合作伙伴集韌科技有限公司共同推出了聚氨酯復材全斷橋系統門窗。該聚氨酯復合材料全斷橋系統門窗使用輕質高強的聚氨酯復合材料，并采用了資源和能源友好型材料。這套系統還擁有優異的防火性能，配合耐火玻璃及五金配件，整窗耐火可長達1小時。因此，進入市場以來，這款系統門窗廣受業界好評。

 

2019年8月，科思創積極參與由中國建筑科學研究院發起的“未來居住建筑能源與環境實驗平臺”項目，并攜手行業伙伴浙江德毅隆科技股份有限公司以及德國格屋集團，共同為該項目打造定制化拜多®玻纖增強聚氨酯節能耐火窗解決方案。該型材以無堿玻璃纖維紗為增強材料，聚氨酯樹脂為基體樹脂，通過閉模注射拉擠工藝成型，集節能、耐火、高強度功于一體。

 

針對該項目對“未來建筑”提出的能源環境要求，科思創聯手合作伙伴，通過對該材料的應用，共同定制了以下三種門窗解決方案：

 

針對整窗K值（傳熱系數）低于1.5的要求，科思創提供了兩種方案。其中，“純隔熱65平開系列”采用全聚氨酯型材，適用于各種門窗項目。此型材具備超低的熱傳導、可靠的耐低溫能力、出眾的力學性能及更長的使用壽命等優勢。同時，由于材料的線性熱膨脹系數非常接近混凝土，可以避免窗框與墻體因熱脹冷縮差異而產生縫隙。

 

而“大斷橋65平開系列”門窗則使用科思創聚氨酯型材作為隔熱斷橋，并在表面使用鋁型材包覆。聚氨酯復合材料作為內部的隔熱芯，足以承擔上墻的固定力，以及所有玻璃層重量，確保整窗的抗風壓性能，并使隔熱與受力承載融為一體。

 

為滿足整窗K值低于0.8的要求，科思創定制了“85平開系列”全聚氨酯型材。該型材整體采用聚氨酯復合材料，可以滿足“被動房”的節能要求。外窗采用玻纖增強聚氨酯，配備雙層Low-E充氬氣中空玻璃，整窗K值低至0.77W/(m2•K)。此外，該方案采用專用副框，節能性、耐腐蝕性和防水密封功能佳。

 

3、電線桿

 

采用工藝：纏繞成型

 

巴斯夫一直嘗試將聚氨酯復合材料用于電線桿。2018年9月，巴斯夫表示計劃計劃與菲律賓的小型獨立電力生產商和電信供應商合作，以滿足這些公司對聚氨酯復材電線桿的需求。巴斯夫在菲律賓推廣Boldur電線桿，因為該國是受臺風和其他自然災害影響最嚴重的地區之一。菲律賓每年平均有19次臺風襲擊。在極端天氣條件下，Boldur的超強強度可以提高配電基礎設施的恢復能力。Boldur電線桿堅固且輕量，重量不到傳統混凝土電線桿重量的四分之一，該電線桿的安裝只需要很少的人力和起重設備，可以穿越偏遠的山區和沼澤地區，安裝在困難地形。

 

巴斯夫的聚氨酯復材電線桿，在今年7月被一家日本大型電線桿經銷商采用，首次實現商業銷售。巴斯夫Boldur電線桿由Elastolit®聚氨酯制成，采用纖維纏繞技術，能夠抵抗極端惡劣的天氣條件，為受災地區維持可靠的電力供應。Boldur電線桿重量僅為220千克，抗彎強度為其重量的10倍。巴斯夫Boldur電線桿目前在韓國生產。Boldur電線桿可依照電線桿經銷商和能源供應商的不同需求，對長度、強度和硬度進行定制。長度從小于8米至12米不等，斷裂強度范圍為小于4至大于20千牛頓（kN）。電線桿同時具有防火性，能夠迅速自熄。

 

4、5G通信塔

 

采用工藝：纏繞成型

 

隨著5G時代的降臨，巴斯夫將聚氨酯復合材料應用于5G通訊塔，使用了Elastolit®聚氨酯。安徽匯科恒遠復合材料有限公司（匯科）采用Elastolit®制成60座通信塔，分布在北京、蘇州以及黑龍江和江西的多個城市。

 

相比傳統混凝土或鋼基材料，采用Elastolit®制成的通訊塔質量更輕，即便在偏遠地區亦可快速安裝，同時能夠抵御大雪和強風等惡劣天氣。

 

采用巴斯夫聚氨酯復合材料制成的35米高通信塔重約1,500至1,800千克，其斷裂強度是自身重量的十倍。不僅如此，Elastolit®制成的通訊塔較傳統鋼塔更具成本效益。Elastolit®具有耐銹和耐腐蝕特性，所需維護量更小。表面覆蓋有一層特殊配方的耐紫外線涂層，能夠延長其使用壽命。同時具有防火性，能夠迅速自熄。