聚氨酯是高分子主鏈上含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)結構單元的高分子化合物的總稱，由多元有機異氰酸酯和氫給予體的化合物（如聚醚多元醇、聚酯多元醇等）反應制得，基于其獨有的結構特性——即異氰酸酯構成的“硬段”和多元醇構成的“軟段”，聚氨酯材料的可設計性和可調(diào)整性很強，對各類領域不同環(huán)境的適應性很強。

聚氨酯早期主要應用于涂料、泡沫、膠粘劑等功能材料，結構材料方面大多集中于短切纖維增強的聚氨酯,或是用作環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等改性樹脂，近幾年，聚氨酯的應用領域逐漸拓展到連續(xù)纖維增強復合材料。

聚氨酯韌性好、抗沖擊能力強、黏度低、常溫下即可快速固化，且?guī)缀鯖]有諸如苯乙烯等易揮發(fā)物，在復合材料領域具有廣闊的應用前景。

• 用拉擠成型制備聚氨酯樹脂絕緣電力桿，在保持強度的情況下大幅降低成品質(zhì)量，僅為同大小混凝土電力桿的1/10。

• 拉擠成型聚氨酯復合材料門框的性能，其強度約為傳統(tǒng)鋁合金型材的2—3倍。

• 使用氨基型的成膜劑和羥基型的偶聯(lián)劑有效提高玻纖增強聚氨酯材料的界面性能。

• 等離子處理過的碳纖維更容易浸潤增強材料，與聚氨酯樹脂基體的粘合性更強。

• 研究發(fā)現(xiàn)，相較于環(huán)氧樹脂，基于聚氨酯的玻璃纖維增強復合材料具有顯著增強的抗動態(tài)破壞性，聚氨酯的粘合性和韌性更高。

在連續(xù)纖維增強復合材料用聚氨酯方面，除了常規(guī)的研究機構，各大生產(chǎn)商亦是聚氨酯產(chǎn)品研發(fā)的重要助推力量，萬華、南京經(jīng)略、鎮(zhèn)江利德爾特和陶氏都有聚氨酯復合材料的相關專利，萬化、南京聚發(fā)、科思創(chuàng)和亨斯曼等國內(nèi)外廠商都開發(fā)了復合材料專用聚氨酯產(chǎn)品。

總體來說，連續(xù)纖維增強聚氨酯復合材料還處于起步階段，各大廠商正在進行積極推廣，相關性能數(shù)據(jù)較少。

本研究采用復合材料專用的某國產(chǎn)雙組分聚氨酯材料體系，制備聚氨酯澆注體和連續(xù)玻璃纖維增強聚氨酯復合材料，并與環(huán)氧樹脂及其復合材料進行比對，為聚氨酯在復合材料方面的替代應用和創(chuàng)新應用提供數(shù)據(jù)支撐。

一、聚氨酯與環(huán)氧樹脂性能研究

01 DSC分析

環(huán)氧樹脂和聚氨酯的DSC曲線見圖1。由圖可見，環(huán)氧樹脂與聚氨酯的Ti和Tp都隨升溫速率的增大，向高溫偏移，樹脂的反應熱降低。

圖1 環(huán)氧樹脂(a)和聚氨酯(b)的DSC曲線圖

理論上，樹脂的反應溫度應該是升溫速度為0時所對應的特征溫度，但這種特征溫度是難以直接測得的。為了得到準確的樹脂特征反應溫度，一般采用不同升溫速率下的特征溫度擬合曲線外推法。

由此確定的環(huán)氧樹脂體系的特征溫度為Ti0=103.1℃,Tp0=128.2℃,聚氨酯樹脂體系的特征溫度為Ti0=16.4℃,Tp0=87.1℃,這些試驗數(shù)據(jù)為該樹脂體系凝膠溫度、固化溫度和后固化溫度制度的確定提供了試驗依據(jù)。

02 力學性能分析

環(huán)氧樹脂和聚氨酯的拉伸測試典型載荷-位移曲線見圖2。聚氨酯有明顯的塑性變形區(qū)域，而環(huán)氧樹脂基本是脆性斷裂，說明聚氨酯樹脂韌性較好。

圖2 環(huán)氧樹脂和聚氨酯的拉伸測試典型載荷－位移曲線圖圖3為聚氨酯拉伸斷裂后的狀態(tài)圖。由圖可見，斷裂處出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。

圖3聚氨酯拉伸斷裂試樣的“頸縮”現(xiàn)象實物圖圖4為環(huán)氧樹脂和聚氨酯的拉伸強度、拉伸模量和斷裂延伸率變化趨勢圖。

圖４ 環(huán)氧樹脂和聚氨酯的拉伸強度（ａ）和斷裂延伸率（ｃ）變化趨勢圖由圖可見，聚氨酯強度較環(huán)氧樹脂高20%,但模量較環(huán)氧樹脂略低，斷裂伸長率遠遠高于環(huán)氧樹脂，這也說明聚氨酯樹脂韌性好。

03 電性能分析

表1為環(huán)氧樹脂和聚氨酯的電性能數(shù)據(jù)，聚氨酯樹脂體系的體積電阻率較環(huán)氧樹脂低2個數(shù)量級，絕緣性能相對較差。聚氨酯的介電常數(shù)略高于環(huán)氧樹脂，但差距并不顯著。表1環(huán)氧樹脂和聚氨酯的電性能數(shù)據(jù)樣品體積電阻率/(Ω·cm)介電常數(shù)環(huán)氧樹脂3.5×10162.55聚氨酯2.5×10142.60

二、聚氨酯和環(huán)氧樹脂復合材料性能研究

01 拉伸性能分析

圖5為環(huán)氧/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢圖。

圖５ 環(huán)氧樹脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢圖由圖可見，聚氨酯／玻璃纖維強度、模量與環(huán)氧樹脂／玻璃纖維相當，雖然聚氨酯本身性能較環(huán)氧樹脂高了20%,但復合材料性能并不突出，一方面是由于復合材料性能主要取決于增強體材料，同時推測聚氨酯復合材料缺陷較多以及聚氨酯/玻璃纖維界面結合較差導致聚氨酯性能無法充分發(fā)揮。

02 層間剪切性能分析

圖6為環(huán)氧樹脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的層間剪切強度測試結果圖。

圖６ 環(huán)氧樹脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的層間剪切強度測試結果圖由圖可見，環(huán)氧樹脂/玻璃纖維的層間剪切強度高于聚氨酯/玻璃纖維，說明玻璃纖維和聚氨酯界面結合相對較差，推測可能是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維表面的活性物質(zhì)發(fā)生反應生成氣體，留下較多孔隙缺陷造成的。圖7為環(huán)氧樹脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的SEM圖。

圖７ 環(huán)氧樹脂／玻璃纖維（ａ）和聚氨酯／玻璃纖維（ｂ）的ＳＥＭ圖由圖可見，環(huán)氧樹脂/玻璃纖維的孔隙較小，數(shù)量較少，而聚氨酯／玻璃纖維的孔隙遠高于環(huán)氧樹脂/玻璃纖維，這也從側面解釋了孔隙缺陷較多導致聚氨酯復合材料層間剪強度低。綜上，結論如下：

• 與環(huán)氧樹脂相比，聚氨酯反應起始溫度及峰值溫度都較低，具有較快固化速度，有利于縮短成型周期；

• 聚氨酯的強度高于環(huán)氧樹脂，模量略低，斷裂伸長率很高，表明其具有較好的韌性；

• 聚氨酯樹脂的電阻率較低，介電常數(shù)較高，作為高壓電絕緣材料，其綜合電性能整體略差，尚需進一步優(yōu)化配方體系。

• 聚氨酯/玻璃纖維拉伸性能與環(huán)氧樹脂/玻璃纖維相當，層間剪切較低，主要是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維復合時，生成的孔隙缺陷較多。

因此，需進一步改進樹脂以提高界面結合強度，減少缺陷，同時從玻璃纖維表面偶聯(lián)劑及工藝進行優(yōu)化，有望制備出性能遠高于環(huán)氧樹脂復合材料的高性能聚氨酯復合材料。參考資料：聚氨酯和環(huán)氧樹脂及其復合材料性能對比研究，孫曉光等

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