摘　要

　　一种新型聚氨酯预浸料综合了聚氨酯基体优异的力学性能和预浸料的易操作性。优异的力学性能、高效自动化工艺以及快速固化周期――全部融合在―个单一的系统中。

　　在过去的几十年中，预浸渍纤维或预浸料的应用在复合材料生产上起到许多重要的作用。这归于其优越的操作性能。
　　与纤维和树脂组分(通常是双组份)单独操作相比，当采用预浸料时，复合材料部件可以用单一组份制造。这大大减少了应用中的误差源。另外，预浸料在灌注或浸渍阶段没有液态树脂流经纤维层，这使纤维错位较少发生。因此，预浸料复合材料的机械质量常常比类似的RTM或湿法成型部件的要高。
　　然而，预浸料技术并不是适合所有的应用领域。尤其是，当涉及到快速循环周期的高度自动化工艺时，预浸料显得不合适。
　　另一个重要的缺点是系统的动力学。因为在预浸料基体中所有的反应组分混合在一起，所以在B阶段过后，不可避免地发生固化过程。根据Arrhenius定律，在120℃几分钟固化的配方在室温下需要几天。所以大多数预浸料在室温下储存不稳定，必须储存在-18℃，或者在高温下具有不符合要求的较长固化时间。

1　PU基预浸料

　　采用赢创聚氨酯基预浸料系统，能够解决两个问题(图1)。聚氨酯在复合材料行业中变得越来越重要。它们具有快速固化周期和良好的力学性能，更不必说聚氨酯复合材料优于环氧体系的优异韧性。但是，高度反应和快速固化使得这些体系不适合预浸料系统，需要一定的潜伏期确保储存稳定性。

　　赢创聚氨酯预浸料以脂肪族二异氰酸酯Vestanat^®IPDI为原料，具有所需的潜伏期，这是因为它使用了经无封闭剂的脲二酮化学反应的可逆封闭型异氰酸酯。脂肪族异氰酸酯可转换成稳定的二聚体(脲二酮，图2)；生成异氰酸酯逆反应的起始温度通常在180℃左右。使用合适的催化剂，这个温度可以降低到约120℃。

　　二异氰酸酯的一个脲二酮共有四个异氰酸酯基团。其中两个闭合成脲二酮环，另外两个异氰酸酯基处于自由状态。当把这个脲二酮和一定化学计量的多元醇组分配制，使所有四个异氰酸酯基发生反应时，固化聚氨酯的整个反应分为完全分开的两步进行：自由的异氰酸酯基立刻反应成带有封闭异氰酸酯基的聚氨酯链。这类似于预聚物或B阶。如果脲二酮环中仍有异氰酸酯基团未封闭，第二步才会发生，这只有温度高于120℃时才发生。
　　结果是在室温下稳定储存的预浸料在高温下仍提供快速固化。
　　但是，针对固化过程的速率限制步骤不是聚氨酯的形成而是开环反应。这导致140℃的固化时间是30分钟，而190℃是2分钟。这些固化时间与配方中添加的催化剂用量有很大的关系，储存稳定性也同样如此。完全催化的预浸料在室温下可稳定保存10周，甚至在40℃下也可保存4周。使用较少催化剂的配方固化明显减慢(180℃30分钟)，但是室温储存稳定性大幅提高到2年以上。

2　适用于自动化

　　快速固化周期和改进的储存稳定性的独特结合并不是赢创PU预浸料的唯一特点。另一个显著影响复合材料制造工艺的重要性能是B阶预聚物在室温下是固态。这使预浸料具有相对稳定形态和无粘性。同时加上具有~50℃相对低的Tg，这为PU预浸料提供各种工艺选择。适度地加热到60~80℃，该系统可铺覆和发粘，这样可以像其它预浸料一样进行操作，尤其是因为固化反应在此温度下不会开始。这对需要花费几个小时的手工铺层过程很重要。对于复合材料的自动化生产，这就意味着预浸料可以在适当温度下热塑性成型。只有在后的固化步骤中是热固性成型。所以预浸料可适用于预成型，不需要额外的粘结剂，并在冷却后回到原始固态、稳定和无粘性的状态(图3，左边)；大幅度简化了自动化操作，即采用机器人。所以与通常用于汽车工业中大批量应用的RTM成型工艺相比，PU预浸料具有两个主要加工优点。，织物无需任何其它的粘结剂进行预成型，这节省了生产链中的一个加工步骤，并且节省的粘结剂不会影响基体体系，它可能在浸透纤维或自身固化反应中。第二个主要优点是不再需要灌注过程。这一点尤其重要，因为这节省了实际RTM压机中的时间。由于固化反应比目前类似的环氧RTM体系快，因此可通过灌注时间缩短总的固化周期。

3　外饰应用

　　除了加工性能外，该系统也具有优异的复合材料性能。这适用于对表面性能高要求的外饰产品和高力学应力的结构部件。
　　在复合材料的外饰应用中，达到A级表面是需要解决的主要问题之一。赢创PU预浸料可能是基体收缩率低至0.9％的这些表面的一个解决方案。与之相比，环氧树脂的收缩率常常超过4％。另外，PU预浸料是只基于脂肪族异氰酸酯。这意味着，根据所用的多元醇配方，我们可以配制出紫外线稳定的树脂，它们大大超过目前对于环氧和PU类似配方是常见的芳香族体系的耐候性(图4)。

　　对于结构部件，显然更感兴趣的是典型的力学性能值。在典型的纤维主导性能如拉伸强度、压缩强度中，PU预浸料可以与目前先进的高技术环氧配方相比。但是对于基体主导的性能如柔韧性，该材料具有显著的优点。对于这种纯树脂。其弹性模量是3500MPa，K1C是1.7MN／M3／2，断裂延伸率是8％，这些数值超过类似环氧树脂30~50％(图5)。

　　在复合材料的这些数值中也可发现高柔韧性――在300g／m²±45°的NCF碳纤维增强的情况下，剪切强度(103kJ／m²)和剪切模量(5200kJ／m²)明显高于环氧基体系。因此在一定程度上明显有助于平衡复合材料各向异性的缺点。这对应力和载荷发生在非纤维方向特别有利――即冲击情况，它可能是小石头碎片或是较大的碰撞。

4　结　论

　　总而言之，赢创新型聚氨酯预浸料具有两方面的优点：一方面，它具有非常好的综合性能，很高的柔韧性以及优秀的表面性能。另一方面，提供一种加工半成品的全新方法。不再需要粘结剂和灌注过程；缩短了总的周期时间。而且，这种PU预浸料储存稳定(室温下约10周)。