樹脂基體

用于纖維增強復(fù)合材料的樹脂一般都是聚合物，所有聚合物高分子的一個共同的特點就是其長鏈分子由許多簡單的重復(fù)單元組成。人造聚合物通常被稱為‘合成樹脂’或‘樹脂’。根據(jù)熱對這些材料的作用高分子分為‘熱塑性’和‘熱固性’兩種。

熱塑性材料，如金屬，加熱后會軟化并最終融化，冷卻以后又凝固硬化。這一過程能夠反復(fù)可逆的多次重復(fù)，而且對材料性能沒有顯著影響。典型的熱塑性塑料包括尼龍、聚丙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）,用來增強的通常是一些短的、碎的纖維如玻纖。

熱固性材料或‘熱固塑料’經(jīng)過原位化學(xué)反應(yīng)形成，樹脂和固化劑混合或樹脂和催化劑混合后，經(jīng)過不可逆的化學(xué)反應(yīng)形成硬質(zhì)、不熔的高分子結(jié)構(gòu)。一些熱固樹脂，如酚醛樹脂，反應(yīng)中會產(chǎn)生易揮發(fā)的副產(chǎn)品（縮合反應(yīng)）。其它熱固性樹脂，如聚酯和環(huán)氧樹脂，固化過程不產(chǎn)生任何揮發(fā)性的副產(chǎn)品從而更容易加工成型。

固化后，熱固性材料在加熱條件下就不會再變成液體，但超過一定的溫度后，力學(xué)性能會有顯著的變化，這個溫度我們稱為玻璃化溫度（Tg）。樹脂系統(tǒng)的不同、固化程度的不同以及混合是否正確等因素對玻璃化溫度都有很大的影響。在玻璃化溫度以上，熱固性塑料的分子結(jié)構(gòu)從相對剛性的晶態(tài)聚合物變成相對柔韌的非晶態(tài)聚合物，這種變化是可逆的。當(dāng)溫度達到材料的玻璃化溫度以上時，材料性能會發(fā)生明顯變化，如樹脂模量（剛度）會急劇下降，導(dǎo)致復(fù)合材料的壓縮強度和剪切強度下降，其他性能如耐水性和顏色穩(wěn)定性也會顯著的減弱。

雖然在復(fù)合材料行業(yè)中使用的樹脂類型很多，但最主要的有以下三種類型：聚酯、乙烯基脂和環(huán)氧樹脂。

 聚酯樹脂

聚酯樹脂是目前使用最廣泛的樹脂體系，特別在造船業(yè)。迄今為止，大多數(shù)的帆船、游艇和作業(yè)船舶都使用的聚酯體系的復(fù)合材料建造。

聚酯類樹脂屬于‘不飽和’的類型。不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂，只要具備正確的條件，在液態(tài)或固態(tài)下都能反應(yīng)。不飽和聚酯不同于飽和聚酯,例如滌綸^TM ，飽和聚酯不能以相同的方式固化。然而，我們經(jīng)常習(xí)慣性的把不飽和聚酯樹脂稱為‘聚酯樹脂’或簡單的稱為‘聚酯’。

在化學(xué)反應(yīng)中用酸和堿生產(chǎn)鹽。同樣的，在有機化學(xué)反應(yīng)中用醇和有機酸反應(yīng)產(chǎn)生酯和水。通過使用特殊的醇，比如乙二醇，與二元酸反應(yīng)，生成聚酯和水。以這個反應(yīng)為基礎(chǔ)，在反應(yīng)物中加入飽和二元酸和交聯(lián)單體，就形成了聚酯樹脂制造的基本過程。結(jié)果在聚酯生產(chǎn)過程使用不同的酸、乙二醇和單體就會使聚酯樹脂具有不同的性能。

在復(fù)合材料行業(yè)中，作為復(fù)合材料鋪層樹脂的聚酯主要有兩類。鄰苯二甲酸聚酯樹脂是最廣泛使用的樹脂，間苯二甲酸聚酯樹脂由于其卓越的耐水性而在造船工業(yè)中成為首選。

圖13顯示一個典型的聚酯樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)。請注意在分子鏈中酯鍵（CO-O-C）和反應(yīng)活性部位(C=C)的位置。

大多數(shù)聚酯樹脂是粘稠的灰白色液體，為聚酯溶解在單體(通常是苯乙烯)中形成的混合物。把苯乙烯的總量增加到50%將有助于幫助樹脂降低粘度，方便操作。苯乙烯還發(fā)揮著重要的作用，通過反應(yīng)實現(xiàn)聚酯分子鏈的交聯(lián)使樹脂固化，而不產(chǎn)生任何副產(chǎn)品。這些樹脂成型時可以不加壓，也被稱為‘接觸型’或‘低壓’類樹脂。聚酯樹脂存儲時間很短，當(dāng)被放置一段時間后會凝膠。通常在樹脂生產(chǎn)過程中加入少量反應(yīng)抑制劑以推遲這種凝膠反應(yīng)。

在成型過程中，聚酯樹脂要求添加一些輔助性原料。這些產(chǎn)品一般是：催化劑、促進劑、添加劑（觸變劑、顏料、填充物、化學(xué)藥品/阻燃劑等）

通常供應(yīng)商可提供基礎(chǔ)樹脂，也可提供添加后的樹脂。樹脂可以根據(jù)成型在使用前添加特定量的催化劑。正如上文提到的，給不飽和聚酯樹脂足夠的時間它會自己凝固。這個速度對于實際生產(chǎn)來說太慢，因此催化劑和促進劑用于實現(xiàn)樹脂在合適的時間內(nèi)聚合。催化劑應(yīng)在聚合反應(yīng)開始前加入，催化劑本身不參加化學(xué)反應(yīng)，只起到激活反應(yīng)的作用。促進劑可以加速加入催化劑樹脂的反應(yīng)速度，使其在車間溫度下達到較快的速度。因為在不含催化劑的樹脂中加入促進劑對樹脂反應(yīng)沒有多大的影響，所以有時聚酯制造商會在樹脂中不加入催化劑而生產(chǎn)出一個‘預(yù)加速’的樹脂。

聚酯的分子鏈可以被描述成如下形式，那里的‘B’表明是分子的反應(yīng)活性部位。

外加苯乙烯的‘S’和反應(yīng)催化劑后，苯乙烯使聚合物鏈在反應(yīng)活性部位交聯(lián)，從而形成一個極為復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)之后，聚酯樹脂就‘固化’了，成為化學(xué)穩(wěn)定的硬質(zhì)固體（通常情況下）。交聯(lián)和固化過程也被稱為‘聚合’，是不可逆的化學(xué)反應(yīng)過程。

聚酯樹脂分子鏈交聯(lián)耦合的并列特性意味著其在加載沖擊時將呈現(xiàn)脆性。

在樹脂混合成型之前的準(zhǔn)備工作需要注意很多事項。在催化劑加入之前，樹脂和其他各種添加劑必須仔細(xì)攪拌均勻并使所有的組成均勻分散。攪拌必須徹底和細(xì)心，任何空氣的進入都會影響最終成品的質(zhì)量。鋪層時也尤其要注意避免層間氣泡的產(chǎn)生，因其會嚴(yán)重削弱復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強度。同樣，需要謹(jǐn)慎地精確添加促進劑和催化劑，通過控制聚合反應(yīng)的速度從而得到最好的材料性能。催化劑太多會導(dǎo)致凝膠時間太快，催化劑太少的結(jié)果是不能很快固化。

需要有顏色的樹脂可以添加一些顏料。即使只是添加3%左右的顏料，也一定要仔細(xì)選擇，顏料的微小作用也應(yīng)當(dāng)考慮，如果使用不合適的顏料會影響固化反應(yīng)和最后復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能。

填料廣泛用于聚酯樹脂中有多種原因包括：為了降低成品成本；成型工藝方便；成品容易塑造特定的性能。