國(guó)內(nèi)外高性能熱固性樹脂基復(fù)合材料發(fā)展概況
時(shí)間:2004-09-21
熱固性樹脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。
樹脂基復(fù)合材料自1932年在美國(guó)誕生之后，至今已有近70年的發(fā)展歷史。1940～1945年期間美國(guó)首次用玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂、以手糊工藝制造軍用雷達(dá)罩和飛機(jī)油箱，為樹脂基復(fù)合材料在軍事工業(yè)中的應(yīng)用開辟了途。1944年美國(guó)空軍第一次用樹脂基復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼；1946年纖維纏繞成型在美國(guó)獲得專利；1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功并試制成功直升飛機(jī)的螺旋槳；1949年玻璃纖維預(yù)混料研制成功，利用傳統(tǒng)的對(duì)模法壓制出表面光潔的樹脂基復(fù)合材料零件；20世紀(jì)60年代美國(guó)用纖維纏繞工藝研制成功"北極星A"導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。為了提高手糊成型工藝的生產(chǎn)率，在此期間噴射成型工藝得到了發(fā)展和應(yīng)用，使生產(chǎn)效率提高了2－4倍。1961年德國(guó)研制成功片狀模塑料（SMC），使模壓成型工藝達(dá)到新水平（中壓、中溫、大臺(tái)面制品）；1963年樹脂基復(fù)合材料板材開始工業(yè)化生產(chǎn)，美、法、日等國(guó)先后建起了高產(chǎn)量、大寬幅連續(xù)生產(chǎn)線，并研制成功透明復(fù)合材料及其夾層結(jié)構(gòu)板材；1965年美國(guó)和日本用SMC壓制汽車部件、浴盆、船上構(gòu)件等；拉擠成型工藝始于20世紀(jì)50年代，60年代中期實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，除棒材外還生產(chǎn)細(xì)管、方形、工字形、槽形等型材，到了70年代，拉擠技術(shù)有了重大突破，目前美國(guó)生產(chǎn)拉擠成型機(jī)組最先進(jìn)，其制品斷面達(dá)76×20cm2，并設(shè)計(jì)有環(huán)向纏繞機(jī)構(gòu)；進(jìn)入70年代，樹脂反應(yīng)注射成型（RRIM）研究成功，改善了手糊工藝，使產(chǎn)品兩面光潔，已用于生產(chǎn)衛(wèi)生潔具、汽車零件等。70年代初熱塑性復(fù)合材料得到發(fā)展，其生產(chǎn)工藝主要是注射成型和擠出成型，只用于生產(chǎn)短纖維增強(qiáng)塑料。1972年美國(guó)PPG公司研制成功玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性片狀模塑料（GMT），1975年投入生產(chǎn)，其最大特點(diǎn)是成型周期短，廢料可回收利用。80年代法國(guó)研究成功濕法生產(chǎn)熱塑性片狀模塑料（GMT）并成功地用于汽車制造工業(yè)。離心澆鑄成型工藝于20世紀(jì)60年代始于瑞士，80年代得到發(fā)展，英國(guó)用此法生產(chǎn)10m。長(zhǎng)復(fù)合材料電線桿，而用離心法生產(chǎn)大口徑壓力管道用于城市給水工程，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果十分顯著。到目前為止，樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝已有近20種之多，而且新的生產(chǎn)工藝還在不斷的出現(xiàn)。
關(guān)于樹脂基復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用，各國(guó)的發(fā)展途徑有所不同。美國(guó)首先在軍工方面應(yīng)用，二次大戰(zhàn)后逐漸轉(zhuǎn)為民用為主。西歐各國(guó)則直接從發(fā)展民用開始（如波形板、防腐材料、衛(wèi)生潔具等）兼顧軍工。就全世界而言，目前已形成了從原材料、成型工藝、機(jī)械設(shè)備、產(chǎn)品種類及性能檢驗(yàn)等較完整的工業(yè)體系，與其它工業(yè)相比，發(fā)展速度很快。
當(dāng)今復(fù)合材料的樹脂基體仍以熱固性樹脂為主。根據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)，全世界樹脂基復(fù)合材料制品種類超過40000種，總產(chǎn)量達(dá)600萬(wàn)噸，其中高性能樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)量超過300萬(wàn)噸，高性能熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)量為120多萬(wàn)噸。樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，美國(guó)、西歐、日本等幾個(gè)主要國(guó)家的樹脂基復(fù)合材料在汽車、建筑和造船等工業(yè)中用量比例。
我國(guó)樹脂基復(fù)合材料始于1958年，當(dāng)年以手糊工藝研制了樹脂基復(fù)合材料漁船，以層壓和卷制工藝研制成功樹脂基復(fù)合材料板、管和火箭筒等。1961年研制成耐燒蝕端頭。1962年引進(jìn)不飽和聚酯樹脂和蜂窩成型機(jī)及噴射成型機(jī)，開發(fā)了飛機(jī)螺旋槳和風(fēng)機(jī)葉片。1962年研究成功纏繞工藝并生產(chǎn)一批氧氣瓶等壓力容器。1970年用手糊夾層結(jié)構(gòu)板制造了直徑44米的大型樹脂基復(fù)合材料雷達(dá)罩。1971年以前我國(guó)的樹脂基復(fù)合材料工業(yè)主要是軍工產(chǎn)品，70年代后開始轉(zhuǎn)向民用。1987年起各地大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)如池窯拉絲、短切氈、表面氈生產(chǎn)線及各種牌號(hào)的聚酯樹脂（美、德、荷、英、意、日）和環(huán)氧樹脂（日、德）等生產(chǎn)技術(shù)；在成型工藝方面，引進(jìn)了纏繞管、罐生產(chǎn)線、拉擠工藝生產(chǎn)線、SMC生產(chǎn)線、連續(xù)制板機(jī)組、樹脂傳遞模塑（RTM）成型機(jī)、噴射成型技術(shù)、樹脂注射成型技術(shù)及漁竿生產(chǎn)線等，形成了從研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料配套的完整的工業(yè)體系，截止2000年底，我國(guó)樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)3000多家，已有51家通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，產(chǎn)品品種3000多種，總產(chǎn)量達(dá)73萬(wàn)噸/年，居世界第二位。產(chǎn)品主要用于建筑、防腐、輕工、交通運(yùn)輸、造船等工業(yè)領(lǐng)域。近年來碳纖維片材補(bǔ)強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)、拉擠復(fù)合材料門窗、SMC或BMC模壓電表箱、RTM制品等興起。
在建筑方面，樹脂基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于內(nèi)外墻板、透明瓦、冷卻塔、空調(diào)罩、風(fēng)機(jī)、玻璃鋼水箱、衛(wèi)生潔具、凈化槽等。
在石油化工方面，主要用于管道及貯罐。其中玻璃鋼管道有定長(zhǎng)管、離心澆鑄管及連續(xù)管道。按壓力等級(jí)分為中低壓管道和高壓管道。我國(guó)"八五"、"九五"期間引進(jìn)管罐生產(chǎn)線40條，現(xiàn)場(chǎng)纏繞大型貯罐最大直徑12米，貯罐最大容積1萬(wàn)立方米。國(guó)內(nèi)研制與生產(chǎn)的玻璃鋼管罐生產(chǎn)設(shè)備部分技術(shù)指標(biāo)已超過國(guó)外同類設(shè)備的技術(shù)水平。
在交通運(yùn)輸方面，為了使交通工具輕型化、節(jié)約耗油量、提高使用壽命和安全系數(shù)，目前在交通工具上已經(jīng)大量使用復(fù)合材料。汽車上主要有車身、引擎蓋、保險(xiǎn)杠等配件；火車上有車廂板、門窗、座椅等；在船艇方面主要有氣墊船、救生艇、偵察艇、漁船等，目前我國(guó)制造的玻璃鋼漁船最長(zhǎng)達(dá)33米。在機(jī)械及電器領(lǐng)域如屋頂風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、電纜橋架、絕緣棒、集成電路板等產(chǎn)品都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。
在航空航天及軍事領(lǐng)域，如輕型飛機(jī)、尾翼、衛(wèi)星天線、火箭噴管、防彈板、防彈衣、魚雷等都取得了重大突破，為我國(guó)的國(guó)防事業(yè)作出了重大貢獻(xiàn)。
高性能熱固性樹脂基復(fù)合材料所采用的基體主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等。
（1）環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性。良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。1993年世界環(huán)氧樹脂生產(chǎn)能力為130萬(wàn)噸，1996年遞增到143萬(wàn)噸，1997年為148萬(wàn)噸，1999年150萬(wàn)噸，2003年達(dá)到180萬(wàn)噸左右。我國(guó)是從1975年開始研究環(huán)氧樹脂。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)約有170多家，總生產(chǎn)能力為50萬(wàn)多噸，設(shè)備利用率為80%左右。
（2）酚醛樹脂。酚醛樹脂具有耐熱性、耐磨擦性、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性優(yōu)異、低發(fā)煙性和耐酸性優(yōu)異等特點(diǎn)，因而在復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來在某些高新技術(shù)如電子行業(yè)、汽車行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。1997年全球酚醛樹脂的產(chǎn)量為300萬(wàn)噸，其中美國(guó)為164萬(wàn)噸。我國(guó)的產(chǎn)量為18萬(wàn)噸，進(jìn)口4萬(wàn)噸。酚醛樹脂的應(yīng)用包括汽車剎車片、酚醛電容包封料、深層過濾材料、航空航天等行業(yè)。
（3）乙烯基酯樹脂。乙烯基酯樹脂是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一類新型熱固性樹脂，其特點(diǎn)是耐腐蝕性好、耐溶劑性好、機(jī)械強(qiáng)度高、延伸率大、與金屬、塑料、混凝土等材料的粘結(jié)性能好、耐疲勞性能好、電性能佳、耐熱老化、固化收縮率低、可常溫固化也可加熱固化。南京金陵帝斯曼樹脂有限公司引進(jìn)荷蘭的先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的Atlac系列強(qiáng)耐腐蝕性乙烯基酯樹脂，已廣泛用于貯罐、容器、管道等，有的品種還能用于防水和熱壓成型。南京費(fèi)隆復(fù)合材料有限公司、上海新華樹脂廠、南通明佳聚合物有限公司等廠家也生產(chǎn)乙烯基酯樹脂。
