玻璃钢复合材料中常用的基体被称为聚合物，所有的聚合物都是由包含连续重复单元的长分子链构成，人工合成的聚合物通常称为合成树脂或简称为树脂。聚合物按照热行为不同分为两类，热塑性和热固性。

　　热塑性聚合物，与金属类似在受热时会发生软化并最终融化，在冷却时会重新硬化。这个过程可以反复进行而不会对材料性能产生任何影响。典型的热塑性聚合物有尼龙，聚丙烯和ABS，通常采用短切玻璃纤维增强。

　　热固性聚合物，是通过化学反应进行结合，在树脂和固化剂或催化剂混合后经过一个不可逆的化学反应过程形成坚硬的，不会软化的固态产物。有些热固性树脂例如酚醛树脂在反应中会产生挥发性副产物。其他的热固性树脂如聚酯树脂或环氧树脂则不会产生挥发性副产物，工艺较为简单。

　　热固性聚合物在固化以后再加热时不会再成为液态，尽管在加热到一定温度以上时其性能会发生明显变化。这个温度就是玻璃化转变温度（Tg），玻璃化转变温度取决于树脂系统，体系固化程度和混合比例。在Tg以上热固性聚合物的分子结构从硬质晶态聚合物转变成柔软的非晶态聚合物，这种形态的转变是可逆的，即在冷却到Tg以下时，分子结构会从非晶态聚合物转变成晶态聚合物。在Tg以上树脂基体的模量会显著降低，复合材料的整体剪切和压缩性能也相应降低，其它性能例如吸水性和颜色稳定性也会相应降低。

　　在复合材料行业中，有多种不同类型的树脂在使用，而结构件生产中最为常用的树脂是以下三种：聚酯树脂，乙烯基酯树脂和环氧树脂。

　　聚酯树脂是使用最为广泛的树脂，尤其是在造船行业中被大量使用。目前大部分采用复合材料生产的小型船只，游艇和作业船只都会用到聚酯树脂。

　　这里提到的聚酯树脂属于不饱和聚酯树脂，属于热固性树脂的一种，在适当的条件下可以发生固化，这与饱和聚酯树脂不同（如涤纶）。通常不饱和聚酯树脂都被简称为聚酯树脂。

　　在化学理论中酸发生反应生成盐，在有机化学中乙醇和有机酸反应的产物为酯和水。当乙二醇和二元酸发生缩聚反应时，其产物就是聚酯和水。在这个反应基础上加上饱和二元酸和交联单体就构成了聚酯树脂的基本生产过程。因此聚酯树脂按照合成酸，乙二醇和单体的不同可以分成很多种，不同的聚酯树脂性能也不尽相同。

　　在复合材料工业中使用到的聚酯树脂主要有两种：邻苯聚酯因为成本低廉被广泛使用，间苯聚酯因为具有优异的防水性能而在造船行业中得到大量应用。

　　下图表明了聚酯树脂的典型分子结构，表明了酯基和活泼双键在分子链中的位置。

　　米乐M6 米乐官方入口

　　大多数聚酯树脂都是含有苯乙烯单体的白色粘性液态物质。苯乙烯含量最多可达50%，目的是降低聚酯树脂的黏度，易于操作。此外苯乙烯的重要作用就是促使聚酯树脂发生交联固化，同时不产生副产物。如此聚酯树脂就不需要加压固化。聚酯树脂在超出储存期限后会发生凝胶现象。通常在聚酯树脂生产时会加入少量的抑制剂减慢凝胶速度，延长储存期限。

　　聚酯树脂在使用中需要加入一些辅助添加剂，主要包括：催化剂、加速剂、添加剂、触变剂，颜料，填充颗粒，化学稳定剂，阻燃剂。

　　通常情况下生产商在供货时可以提供聚酯树脂本体，或是加入以上某些添加剂的混合体，并可以根据客户的需要选择添加剂。上面提到过经过一段时间后不饱和聚酯树脂会发生凝胶，在实际使用中这一过程往往要持续很长时间，因此不能满足实际需要，可以在聚酯树脂中加入加速剂或催化剂来提高反应速度。催化剂本身并不参加化学反应，只是起到加速反应进行的作用。在缺少催化剂的情况下，加速剂对于树脂产生的影响很小，因此一般情况下在生产时可以加入到树脂中作为预加速，而在后续使用中当加入催化剂后，加速剂才开始发挥作用。

　　通过添加苯乙烯单体和催化剂，通过交联反应在聚酯树脂分子中的活性基团上形成复杂的三维网络结构。

　　此时的聚酯树脂已经完成固化，形成了稳定的固态物质。交联固化的过程也被称为聚合。聚合过程是一个不可逆的化学反应。这种并排的分子链结构决定了聚酯树脂的韧性较差，在受到冲击载荷时易发生破坏。

　　所有组分在使用前必须充分混合，混合中尽量不要引入气泡。气泡的引入会对性能产生很大影响。催化剂和加速剂的用量也需要精确控制，催化剂过多会导致凝胶时间过短，过少导致固化不完全。

　　通过添加颜料可以调整树脂的颜色，颜料的用量同样需要精确控制，尽管其只占有3%的重量比。因为颜料会对固化反应产生影响。填料的加入起到以下作用：

　　填料的最大用量约为总量的50%，用量的多少会对弯曲和拉伸强度产生影响。在固化铺层较厚的部件时，容易产生较大的放热，填料的加入也起到抑制放热的作用。另外对阻燃性能也有一定的改善。

　　乙烯基酯树脂的分子结构与聚酯树脂类似。区别在于活性基团的位置不同，所有的活性基团都分布在分子链段的两端。长分子链可以有效地吸收冲击能量，使得乙烯基酯树脂的韧性优于聚酯树脂。乙烯基酯树脂的酯基少于聚酯树脂，因为酯基容易发生水解反应而发生降解，因此乙烯基酯树脂具有更好的防水性能和防化学试剂性能，广泛地用于制备存放化学试剂的管道或容器。

　　从下图的分子结构示意图中可以清楚地发现乙烯基酯树脂和聚酯树脂的活性基团位置的不同。

　　因为含有的酯基较少使得乙烯基酯树脂比聚酯树脂具有更高的防水性，所以可以用为聚酯树脂结构的表面层，以增强整体的防水性能。固化后的分子结构也表明乙烯基酯树脂具有更高的韧性，一般情况下需要经过升温后固化来获得更高的韧性。

　　环氧树脂家族产品众多，是目前广为应用的高性能树脂的代表。与其它树脂相比环氧树脂具有更高的机械性能，更好的环境稳定性和防降解性，这些优异的性能决定了环氧树脂成为飞机部件制造的首选材料。优异的粘结性能和防水性使其在造船行业同样得到广泛应用。

　　环氧基团是由一个氧原子和两个碳原子构成，最简单的环氧是三原子环形结构，被称为α-环氧或1，2-环氧，典型的分子结构如下图所示。

　　环氧树脂呈棕褐色，根据固化剂的不同其固化温度可以从5度到150度。环氧树脂的优点之一就是其低收缩率，有效地减少了表面收缩织纹和内应力。环氧树脂同时还具备高粘结性，高机械性能，高电绝缘性和化学稳定性。大量用于食品罐涂装，涂料和胶粘剂等。

　　环氧树脂的分子结构与乙烯基酯类似，活性基团同样分布在分子链段的两端。不同的是环氧树脂中的活性基团是环氧基而不是酯基，不含有酯基使环氧树脂具有优异的防水性能。分子结构中包含的两个苯环比线性结构可以吸收更多的外部能量，使环氧树脂具有更好的刚性，韧性和热稳定性。

　　环氧树脂的固化原理与聚酯树脂不同，通过与固化剂而不是催化剂反应进行。固化剂（常见是胺类）与树脂发生反应完成固化过程。通常分子结构中含有两个环氧基团分别与氨基发生反应并形成三维分子结构，如下图所示。

　　使用中需要注意树脂和固化剂混合比例的控制，如果配比不当就会导致多余的树脂或固化剂残留在基体中影响最终的性能。为了便于使用树脂供应商通常会提供两组分的重量比或体积比供参照。

　　主要用在对阻燃性要求较高的场合，酚醛树脂的耐高温性能较好。固化过程中的浓缩特性使得表面会出现一些孔洞类缺陷。酚醛树脂脆性较大，机械性能不高。

　　主要用于航天航空工业，这种材料优异的介电性能非常适合与低介电性石英纤维配合使用制造雷达天线度。

　　分子结构中采用硅取代碳作为主链基本元素，具有优异的阻燃性和耐高温性，需要高温固化。应用于导弹制造中。

　　高韧性材料，因其压缩性能较差而常与其它树脂混合使用，使用异氰酸酯作为固化剂。

　　主要用于航天工业中需要耐高温的场合（230度潮湿条件，250度干燥条件）。如发动机进气口，高速飞机表层。

　　主要用于超高温度下（250度潮湿条件，300度干燥条件）。例如导弹和航空发动机部件价格昂贵（£80/kg） ，制造时使用毒性原料。聚酰亚胺固化过程中释放小分子水，脆性较大，PMR15和LaRC160是复合材料工业中常用的两种聚酰亚胺树脂。

　　免责声明：中国复合材料学会微信公众号发布的文章，仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑议，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。

　　本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。

　　米乐M6 米乐官方入口