复合材料高性能聚氨酯

高性能聚氨酯/玻纤复合材料

（GRPU）

青岛科技大学高分子科学与工程学院

1、聚氨酯/玻纤复合材料简介

近年来，聚氨酯树脂以其韧性好、固化快、无苯乙烯烟雾等优点使其复合材料脱颖而出。随着人们对聚氨酯成型技术的掌握和在控制其反应性以延长其适用期方面的进步，聚氨酯已进入长期由不饱和聚酯和乙烯基酯树脂主宰的复合材料领域。在过去，聚氨酯复合材料主要是用结构反应注射法（SRIM）成型的汽车内饰件和外部件，如皮卡车箱、车底板、行李架、内门板等（聚氨酯经过发泡）。然而在近几年中，聚氨酯复合材料发展了拉挤、缠绕、真空灌注和长纤维喷射等技术，主要用不发泡的聚氨酯复合材料来制造窗框、浴缸、电灯杆和卡车、越野车的大型部件等。聚氨酯拉挤聚氨酯拉挤一般具有低粘度、中度至高度反应性、良好的冲击强度和韧性以及短梁剪切性能。与其他材料相比，用聚氨酯拉挤可产生多种效益。它可以提高制品中玻璃纤维含量而使制品强度大大提高。例如，用玻璃纤维与聚氨酯树脂拉挤窗框，所得窗框的强度比PVC窗框高8倍，其导电性比铝低40倍，因而绝缘性能好得多。同时，因为聚氨酯拉挤窗框的脆性更小，它们不会开裂而经久耐用。

高性能聚氨酯/玻璃纤维复合材料是一种以高硬度聚氨酯弹性体为基体材料,玻璃行为为增强材料,采用连续拉挤工艺生产的一种具有高强度、高模量、轻质高分子复合材料。

聚氨酯拉挤技术的产品不仅比传统材料具有更高的强度、更好的隔热保温效果，而且更轻质环保。其应用领域十分宽广，从最初的华丽浴缸，到冲浪和滑雪板，再到今天的窗框、集装箱地板等创新应用，聚氨酯复合材料已融入了我们日常生活的方方面面。

据报道，在过去的几年中，中国对于复合材料的需求已呈现逐步增长的态势。复合材料是一种高科技材料，是将几种材料的特性整合成为一种具有卓越新性能的全方位解决方案。正是因为材料的独特性能，比如轻质、高强度和刚性、以及能够帮助实现更高的成本效率和生态责任，所以聚氨酯复合材料已备受各行业的关注。尤其是在建筑和运输行业，创新的技术与应用，更是备受瞩目。

2、聚氨酯/玻纤复合材料性能特点

经过数年开发，国外聚氨酯拉挤成型已实现商业化。在聚氨酯拉挤过程中，可以使用更多的增强纤维，使制品强度大大增高。同时，由于聚氨酯本身优异的

冲击强度、拉伸强度和层间剪切强度，制品可制得更薄更轻。例如，可用更少的连续原丝毡而更多的无捻粗纱来制得更薄的工字梁，使工字梁的厚度从 3.3mm 减少到2.6mm，同时保持其纵向刚度不变。这样,制品就减少了13%重量和7%成本。另外，由于拉挤聚氨酯制品脆性更小，从而可用常规方式装配而不开裂和破碎。

具体看，采用聚氨酯拉挤技术，有以下几方面的明显优点。

(1)用传统树脂拉挤某些型材时，可能要求使用多达4 或5 种不同的玻璃纤维毡。这些毡必须裁切造形。采用聚氨酯拉挤，常常可以用玻纤无捻粗纱来代替玻纤毡。取消玻纤毡后就减少了原料成本以及操作毡所耗的劳力成本。毡还容易破碎，碎片可能堵塞机器，影响生产。取消毡后，在很多情况下都能提高生产线速度，从而提高成本效益。

另一方面，用无捻粗纱代替毡后，纤维体积含量可以增至80%左右，而大多数非聚氨酯拉挤制品的纤维含量为60%。这样，更高的玻纤含量与性能更好的树脂相结合，打造了强度和刚度更好的聚氨酯拉挤型材。

(2) 聚氨酯拉挤制品更高的强度性能开拓了一些新的应用。这些制品可以用于聚酯树脂不能胜任的用途，在建筑、基础设施和交通运输市场代替钢和铝材。 (3) 将原有的拉挤系统转换成聚氨酯拉挤系统比较简单、方便和经济，无需大的投资。原有的模头、加热器和机组仍可使用。

(4) 除了上述物理性能和成型优点之外，聚氨酯拉挤制件还具有装配优点，特别是紧固方便。由于聚氨酯的强度，在聚氨酯拉挤制品上装入螺钉时，不需预先钻孔，这样就可节省时间和劳力。反过来，在聚氨酯拉挤制品中拔出螺钉所需的力量是在聚酯拉挤制品中拔出螺钉所需力量的两倍多。

(5)同样纤维结构下，聚氨酯/玻纤拉挤产品的所有性能均好于普通热固性树脂，弯曲模量接近，冲击强度大大提高，螺钉拉拔强度高，开口抗裂口扩展性好，耐磨性优，很好的二次加工能力，耐热240度以上。

主要热固性树脂/玻纤复合材料性能对比

（6）、纯聚氨脂/玻纤是目前性能最好的拉挤复合材料，材料截面复杂，表面光滑，拉挤速度快，耐水、酸、碱、盐是最好的，耐燃好，可涂装，脂肪族聚氨脂体系，无溶剂，无苯乙烯，环境友好，

3、聚氨酯/玻纤复合材料主要用途

1）用于建筑材料

近年来，建筑节能已然成为了中国可持续发展的重要组成部分，而在建筑中，门窗、外墙、屋面和地面为建筑主要能耗的四大部位,而门窗的绝热性最差。据估计，就我国的典型围护部件而言，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍,约占围护部件总能耗的40%～50%。因此增强门窗的保温隔热性能,减少门窗能耗, 是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。复合材料在应用中的兴起，带给了我们新的思路，使其应用于建筑节能门窗的改造成为可能。

聚氨酯拉挤窗框，相较于传统材料，它具有更强的尺寸稳定性、更高的横向力学性能，更高的比强度和刚性，同时具备更好的隔热保温效果。再加聚氨酯材料科技的独特拉挤工艺，该材料不含有机挥发物(VOC)，因此也十分环保。

玻璃纤维增强聚氨酯拉挤门窗型材，是以玻璃纤维为增强材料，以聚氨酯为基体，通过先进的注射浸胶拉挤工艺生产出的门窗型材。GRPU 门窗型材的开发，是为了向高层建筑提供总传热系数K ≤ 2.0 W/(m?K) 的节能窗解决方案。聚氨酯（PU）拥有先天的隔热能力，在节能门窗行业内早已被用来制造泡沫填缝剂、密封胶条、隔热条，将聚氨酯用于制造节能窗整个窗框，这在国内尚属首创。GRPU窗框的优势是由 GRPU 材料本身的性能特性决定的，GRPU 作为一种新型的复合材料，窗框是新的增长点，使用这种树脂，可以制得更大、更薄而强度足够的型材，用于大窗框甚至幕墙。据称这种窗框比铝、木和塑料窗框好得多。具有优良的胀缩性能，可耐受各种气候条件，从北极严寒到到沙漠酷热以及海边潮湿。可经涂漆或后加工而形成木质外观。聚氨酯复合窗框有如下基本特性：

高隔热性

GRPU型材和实木、PVC一样，拥有很低的导热系数，室温下为0.22 W/m?K，

只有铝合金的约1/700，是优良的绝热材料。

低热膨胀

GRPU的线性热膨胀系数约为7×10-6/K，远低于铝合金，与墙体的线性热膨胀系数相近；因此，在温度变化时，GRPU 材质的框体不会与墙体产生缝隙，密封性良好，同时保证了整窗在温差较大的环境下的隔热性。

耐腐蚀

GRPU型材对大部分酸、碱、盐、有机物，以及海水、潮湿空气都有很强的抗蚀力；而且不锈不朽，耐腐蚀性能优于其他材质门窗型材。尤其适用于沿海、有腐蚀性的以及一般潮湿场所。

电性能佳

GRPU型材是良好的绝缘材料，不受电磁波作用，不反射无线电波；对通讯系统的建筑有特殊的用途。

2）聚氨酯/玻纤复合材料用于集装箱地板

更“轻盈”、更耐用的集装箱

拜耳公司与Conforce公司开发的EKO-FLOR复合地板系统。由于材料的高拉挤效率、高强度和刚性以及出色的抗冲性和耐磨性，为集装箱运输行业增色不少。Conforce是德国化工企业拜耳的合作伙伴，这种复合增强材料经过研发者多年的研制，至少被认为有五大优点：一是低重量，可降低运输中的能源量；二具备一个可完整抵抗所有类型产品（水、油、异味、微生物）；三是生产所需能源整体很低；四是增加货柜容器的使用寿命；五是具有可重复使用和回收的地板。新的货柜用料特别讲究，一个40尺大柜可减少重量550公斤，从而减少运输所需的能源。

与传统的以木质为基础的材料相比，使用聚氨酯挤拉工艺的材料，重量会减轻22%，整船整车集装箱的油耗和运输成本也就大大降低了。在轻质的同时，又保持了足够的坚韧性能，这一特性也降低了维护成本，增加了集装箱的使用寿命。传统集装箱木地板使用寿命只有5～10年，而EKO-FLOR聚氨酯拉挤地板的使用寿命可超过20年。

法国达飞轮船最近与加拿大Conforce国际公司合作，开发一种非实木的复合集装箱地板，名称：Eko-flor，期望用此新科技研制的辅件来替代实木地板，

以减少对环境的污染和雨林木材的砍伐。

3）铁路枕木

在欧洲，铁路建造者越来越多地关注用日本积水化学公司拉挤的FFU（纤维增强泡沫聚氨酯）枕木来代替木质或混凝土枕木。经过几次成功应用之后，最近在德国勒弗库森化工园又安装了一支路系统，共使用了136根FFU枕木。这些枕木由积水化学公司提供，所用聚氨酯来自拜耳材料科学公司设在日本的供应商。据称这种枕木看似木材，结合了天然产品和现代设计的所有优点。它可用普通木工工具进行锯、刨、钉、上螺丝和胶粘等加工。其热膨胀系数和导热率都很低。由于有纤维增强，其抗压、抗拉、抗弯强度都很高，使用寿命比传统枕木长3倍多。由于其闭孔结构，它即使在暴雨中也吸水极少，因而不影响其优良的电绝缘性能。该材料还耐水解、油脂、海水、霜冻和除冰盐，在长期气候条件下也保持稳定。其重量和现场加工性能大大优于混凝土，可制成任意长度，不需为每种长度另制模具。其生态性能也是一大优点，制造时不使用溶剂，使用后可以循环利用。由于这些优点，FFU枕木特别适于在隧道、桥梁使用。在日本，每年要铺设9万多根聚氨酯枕木，现在已有130多万根投入使用。日本著名的高速列车“新干线”的铁轨就使用了这种枕木。

4）其它用途

聚氨酯的拉挤制品包括型材、杆件和板材，如梯子杆、工具柄、电线杆横担、电杆、曲棍球杆、码头片桩、货柜板材等。

4、聚氨酯复合材料生产原料及设备

1）主要材料

聚氨酯材料（包括多元醇、异氰酸酯、催化剂、消泡剂、润滑剂、脱模剂等）及玻璃行为，其中玻纤占80%-85%。

2）主要设备：

玻纤导开架、聚氨酯浇注机、成型牵引机、切割机等，拉挤设备造价大约20万元（20吨牵引力），聚氨酯设备10-15万元。

5、聚氨酯复合材料生产流程

工艺流程：

根据不同规格，拉挤速度1.2-3m/min不等。宽度大于50cm。