聚氨酯和环氧树脂，哪种连续玻纤复合材料性能更优？

聚氨酯是高分子主链上含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)结构单元的高分子化合物的总称，由多元有机异氰酸酯和氢给予体的化合物（如聚醚多元醇、聚酯多元醇等）反应制得，基于其独有的结构特性——即异氰酸酯构成的“硬段”和多元醇构成的“软段”，聚氨酯材料的可设计性和可调整性很强，对各类领域不同环境的适应性很强。

聚氨酯早期主要应用于涂料、泡沫、胶粘剂等功能材料，结构材料方面大多集中于短切纤维增强的聚氨酯,或是用作环氧树脂、不饱和聚酯等改性树脂，近几年，聚氨酯的应用领域逐渐拓展到连续纤维增强复合材料。

聚氨酯韧性好、抗冲击能力强、黏度低、常温下即可快速固化，且几乎没有诸如苯乙烯等易挥发物，在复合材料领域具有广阔的应用前景。

• 用拉挤成型制备聚氨酯树脂绝缘电力杆，在保持强度的情况下大幅降低成品质量，仅为同大小混凝土电力杆的1/10。
• 拉挤成型聚氨酯复合材料门框的性能，其强度约为传统铝合金型材的2—3倍。
• 使用氨基型的成膜剂和羟基型的偶联剂有效提高玻纤增强聚氨酯材料的界面性能。
• 等离子处理过的碳纤维更容易浸润增强材料，与聚氨酯树脂基体的粘合性更强。
• 研究发现，相较于环氧树脂，基于聚氨酯的玻璃纤维增强复合材料具有显著增强的抗动态破坏性，聚氨酯的粘合性和韧性更高。

在连续纤维增强复合材料用聚氨酯方面，除了常规的研究机构，各大生产商亦是聚氨酯产品研发的重要助推力量，万华、南京经略、镇江利德尔特和陶氏都有聚氨酯复合材料的相关专利，万化、南京聚发、科思创和亨斯曼等国内外厂商都开发了复合材料专用聚氨酯产品。

总体来说，连续纤维增强聚氨酯复合材料还处于起步阶段，各大厂商正在进行积极推广，相关性能数据较少。

本研究采用复合材料专用的某国产双组分聚氨酯材料体系，制备聚氨酯浇注体和连续玻璃纤维增强聚氨酯复合材料，并与环氧树脂及其复合材料进行比对，为聚氨酯在复合材料方面的替代应用和创新应用提供数据支撑。

一、聚氨酯与环氧树脂性能研究

01 DSC分析

环氧树脂和聚氨酯的DSC曲线见图1。由图可见，环氧树脂与聚氨酯的Ti和Tp都随升温速率的增大，向高温偏移，树脂的反应热降低。

图1 环氧树脂(a)和聚氨酯(b)的DSC曲线图

理论上，树脂的反应温度应该是升温速度为0时所对应的特征温度，但这种特征温度是难以直接测得的。为了得到准确的树脂特征反应温度，一般采用不同升温速率下的特征温度拟合曲线外推法。

由此确定的环氧树脂体系的特征温度为Ti0=103.1℃,Tp0=128.2℃,聚氨酯树脂体系的特征温度为Ti0=16.4℃,Tp0=87.1℃,这些试验数据为该树脂体系凝胶温度、固化温度和后固化温度制度的确定提供了试验依据。

02 力学性能分析

环氧树脂和聚氨酯的拉伸测试典型载荷-位移曲线见图2。聚氨酯有明显的塑性变形区域，而环氧树脂基本是脆性断裂，说明聚氨酯树脂韧性较好。

图2 环氧树脂和聚氨酯的拉伸测试典型载荷－位移曲线图

图3为聚氨酯拉伸断裂后的状态图。由图可见，断裂处出现“颈缩”现象。

图3聚氨酯拉伸断裂试样的“颈缩”现象实物图

图4为环氧树脂和聚氨酯的拉伸强度、拉伸模量和断裂延伸率变化趋势图。

图４ 环氧树脂和聚氨酯的拉伸强度（ａ）和断裂延伸率（ｃ）变化趋势图

由图可见，聚氨酯强度较环氧树脂高20%,但模量较环氧树脂略低，断裂伸长率远远高于环氧树脂，这也说明聚氨酯树脂韧性好。

03 电性能分析

表1为环氧树脂和聚氨酯的电性能数据，聚氨酯树脂体系的体积电阻率较环氧树脂低2个数量级，绝缘性能相对较差。聚氨酯的介电常数略高于环氧树脂，但差距并不显著。

表1环氧树脂和聚氨酯的电性能数据

样品	体积电阻率/(Ω·cm)	介电常数
环氧树脂	3.5×1016	2.55
聚氨酯	2.5×1014	2.60

 

二、聚氨酯和环氧树脂复合材料性能研究

01 拉伸性能分析

图5为环氧/玻璃纤维和聚氨酯/玻璃纤维的拉伸性能变化趋势图。

图５ 环氧树脂／玻璃纤维和聚氨酯／玻璃纤维的拉伸性能变化趋势图

由图可见，聚氨酯／玻璃纤维强度、模量与环氧树脂／玻璃纤维相当，虽然聚氨酯本身性能较环氧树脂高了20%,但复合材料性能并不突出，一方面是由于复合材料性能主要取决于增强体材料，同时推测聚氨酯复合材料缺陷较多以及聚氨酯/玻璃纤维界面结合较差导致聚氨酯性能无法充分发挥。

02 层间剪切性能分析

图6为环氧树脂/玻璃纤维和聚氨酯/玻璃纤维的层间剪切强度测试结果图。

图６ 环氧树脂／玻璃纤维和聚氨酯／玻璃纤维的层间剪切强度测试结果图

由图可见，环氧树脂/玻璃纤维的层间剪切强度高于聚氨酯/玻璃纤维，说明玻璃纤维和聚氨酯界面结合相对较差，推测可能是由于聚氨酯活性较高，与玻璃纤维表面的活性物质发生反应生成气体，留下较多孔隙缺陷造成的。

图7为环氧树脂/玻璃纤维和聚氨酯/玻璃纤维的SEM图。

图７ 环氧树脂／玻璃纤维（ａ）和聚氨酯／玻璃纤维（ｂ）的ＳＥＭ图

由图可见，环氧树脂/玻璃纤维的孔隙较小，数量较少，而聚氨酯／玻璃纤维的孔隙远高于环氧树脂/玻璃纤维，这也从侧面解释了孔隙缺陷较多导致聚氨酯复合材料层间剪强度低。

综上，结论如下：

• 与环氧树脂相比，聚氨酯反应起始温度及峰值温度都较低，具有较快固化速度，有利于缩短成型周期；
• 聚氨酯的强度高于环氧树脂，模量略低，断裂伸长率很高，表明其具有较好的韧性；
• 聚氨酯树脂的电阻率较低，介电常数较高，作为高压电绝缘材料，其综合电性能整体略差，尚需进一步优化配方体系。
• 聚氨酯/玻璃纤维拉伸性能与环氧树脂/玻璃纤维相当，层间剪切较低，主要是由于聚氨酯活性较高，与玻璃纤维复合时，生成的孔隙缺陷较多。

因此，需进一步改进树脂以提高界面结合强度，减少缺陷，同时从玻璃纤维表面偶联剂及工艺进行优化，有望制备出性能远高于环氧树脂复合材料的高性能聚氨酯复合材料。

参考资料：聚氨酯和环氧树脂及其复合材料性能对比研究，孙晓光等

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原文始发于微信公众号（艾邦光伏网）：聚氨酯和环氧树脂，哪种连续玻纤复合材料性能更优？