热固性树脂基复合材料的发展概况

合成树脂是一种人工合成的高分子化合物，由于其性能和外形类似于天然树脂而得名，其表观可为液态、固态、半固态或假固态。根据固化方式的不同，可分为热固性树脂和热塑性树脂两种。不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等是最常用的热固性树脂，加固化剂并受热后，将形成不溶不熔的固化物，因此称为热固性树脂;聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等具有线型分子链的结构，可反复受热成型，因此称为热塑性树脂，经常称为塑料。热固性树脂中使用最多的是不饱和聚酯树脂，原因是不饱和聚酯树脂的原材料来源较为广泛，价格较为便宜，且有成型工艺简单、成型温度较低、生产成本低等优点。不饱和酯树脂的品种牌号很多可分为通用型、耐腐蚀型、耐热型、阻燃型、胶衣树脂、SMC/BMC专用树脂等儿种。2002年中国生产不饱和聚酯树脂58.3万吨，进口14.9万吨，出口4556吨。2001年美国不饱和聚酯树脂产量71.96万吨，出口3.15万吨。2001年日本产量19.4万吨。
世界合成树脂工业经过数十年的发展和变革，生产规模之大、数量品种之多及产品应用之广泛已形成一定的格局，进人21世纪后，随着合成树脂生产企业追求低成本、高效率、专业化、高性能，世界合成树脂工业的趋势是生产规模大型化产业结构专业化和产品性能高性能化。热固性树脂基复合材料也称纤维增强塑料(fiber reinforcedplastics)，我国俗称玻璃钢，是由热固性树脂基体和纤维增强材料所组成的一种多相材料，其性能比单一材料优越，是目前技术比较成熟、应用最为广泛的一类复合材料。
在热固性树脂基复合材料中，树脂通过固化将纤维增强材料黏结为一个整体，起到传递载荷的作用，它赋予复合材料各种优良的综合性能，如电绝缘性、耐腐蚀性、耐高温性、工艺性等，在很大程度上决定了材料的最终性能。不饱和聚酯树脂、环氧树脂、附醛树脂是最常用的热固性树脂基体。树脂基体与增强材料的界面黏结状况对树脂基复合材料的力学性能、耐腐蚀性、耐老化性有很大影响，一般常用偶联剂对增强材料进行表面处理来改进界面性能。
热固性树脂基复合材料于1932年在美国首先出现，第二次世界大战期间首次用玻璃纤维增强聚酯树脂，以手糊工业制造军用雷达罩、远航飞机油箱、飞机机身和机翼。第二次世界大战以后迅速扩展到民用，风靡一时，发展很快。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术储备。1949年成功研究了玻璃纤维预混料并制出了表面光洁、尺寸和形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制出直升飞机的螺旋桨。20世纪60年代美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(sheet mnolding compound，SMC)在前联邦德国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁、尺寸和形状稳定的制品，如汽车壳体、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963年前后，在美国法国、日本等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于20世纪50年代，20世纪60年代中期实现了连续化生产，在20世纪70年代拉挤技术又有了重大的突破，近年来发展更快。除圆棒状制品外，还能生产管、箱形、槽形工字形等复杂截面的型材，并还有环向缠绕纤维以增加型材的侧向强度。上述拉挤工艺生产的制品断面可达76cmx20cm。在20世纪70年代树脂反应注塑成型reaction injection molding，RIM)和增强树脂反应注塑成型(reinforced reactioninjection molding，RRIM)两种技术研究成功，进一步改善了手糊工艺，使产品两面光洁，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模塑料成型技术，1975年投人生产。这种复合材料的最大特点是改变了热固性基体复合材料生产周期长、废料不能回收问题，并能充分利用塑料加工的技术和设备，因而发展得很快。制造管状构件的工艺除缠绕成型外，20世纪80年代又发展了离心浇注成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。综上可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。