聚氨酯是高分子主鏈上含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)結構單元的高分子化合物的總稱，由多元有機異氰酸酯和氫給予體的化合物（如聚醚多元醇、聚酯多元醇等）反應制得，基于其獨有的結構特性——即異氰酸酯構成的“硬段”和多元醇構成的“軟段”，聚氨酯材料的可設計性和可調整性很強，對各類領域不同環境的適應性很強。聚氨酯早期主要應用于涂料、泡沫、膠粘劑等功能材料，結構材料方面大多集中于短切纖維增強的聚氨酯,或是用作環氧樹脂、不飽和聚酯等改性樹脂，近幾年，聚氨酯的應用領域逐漸拓展到連續纖維增強復合材料。聚氨酯韌性好、抗沖擊能力強、黏度低、常溫下即可快速固化，且幾乎沒有諸如苯乙烯等易揮發物，在復合材料領域具有廣闊的應用前景。- 用拉擠成型制備聚氨酯樹脂絕緣電力桿，在保持強度的情況下大幅降低成品質量，僅為同大小混凝土電力桿的1/10。
- 拉擠成型聚氨酯復合材料門框的性能，其強度約為傳統鋁合金型材的2—3倍。
- 使用氨基型的成膜劑和羥基型的偶聯劑有效提高玻纖增強聚氨酯材料的界面性能。
- 等離子處理過的碳纖維更容易浸潤增強材料，與聚氨酯樹脂基體的粘合性更強。
- 研究發現，相較于環氧樹脂，基于聚氨酯的玻璃纖維增強復合材料具有顯著增強的抗動態破壞性，聚氨酯的粘合性和韌性更高。
在連續纖維增強復合材料用聚氨酯方面，除了常規的研究機構，各大生產商亦是聚氨酯產品研發的重要助推力量，萬華、南京經略、鎮江利德爾特和陶氏都有聚氨酯復合材料的相關專利，萬化、南京聚發、科思創和亨斯曼等國內外廠商都開發了復合材料專用聚氨酯產品。總體來說，連續纖維增強聚氨酯復合材料還處于起步階段，各大廠商正在進行積極推廣，相關性能數據較少。本研究采用復合材料專用的某國產雙組分聚氨酯材料體系，制備聚氨酯澆注體和連續玻璃纖維增強聚氨酯復合材料，并與環氧樹脂及其復合材料進行比對，為聚氨酯在復合材料方面的替代應用和創新應用提供數據支撐。環氧樹脂和聚氨酯的DSC曲線見圖1。由圖可見，環氧樹脂與聚氨酯的Ti和Tp都隨升溫速率的增大，向高溫偏移，樹脂的反應熱降低。理論上，樹脂的反應溫度應該是升溫速度為0時所對應的特征溫度，但這種特征溫度是難以直接測得的。為了得到準確的樹脂特征反應溫度，一般采用不同升溫速率下的特征溫度擬合曲線外推法。由此確定的環氧樹脂體系的特征溫度為Ti0=103.1℃,Tp0=128.2℃,聚氨酯樹脂體系的特征溫度為Ti0=16.4℃,Tp0=87.1℃,這些試驗數據為該樹脂體系凝膠溫度、固化溫度和后固化溫度制度的確定提供了試驗依據。環氧樹脂和聚氨酯的拉伸測試典型載荷-位移曲線見圖2。聚氨酯有明顯的塑性變形區域，而環氧樹脂基本是脆性斷裂，說明聚氨酯樹脂韌性較好。圖2 環氧樹脂和聚氨酯的拉伸測試典型載荷－位移曲線圖圖3為聚氨酯拉伸斷裂后的狀態圖。由圖可見，斷裂處出現“頸縮”現象。圖4為環氧樹脂和聚氨酯的拉伸強度、拉伸模量和斷裂延伸率變化趨勢圖。圖４ 環氧樹脂和聚氨酯的拉伸強度（ａ）和斷裂延伸率（ｃ）變化趨勢圖由圖可見，聚氨酯強度較環氧樹脂高20%,但模量較環氧樹脂略低，斷裂伸長率遠遠高于環氧樹脂，這也說明聚氨酯樹脂韌性好。表1為環氧樹脂和聚氨酯的電性能數據，聚氨酯樹脂體系的體積電阻率較環氧樹脂低2個數量級，絕緣性能相對較差。聚氨酯的介電常數略高于環氧樹脂，但差距并不顯著。表1環氧樹脂和聚氨酯的電性能數據
樣品 | 體積電阻率/(Ω·cm) | 介電常數 |
環氧樹脂 | 3.5×1016 | 2.55 |
聚氨酯 | 2.5×1014 | 2.60 |
圖5為環氧/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢圖。圖５ 環氧樹脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的拉伸性能變化趨勢圖由圖可見，聚氨酯／玻璃纖維強度、模量與環氧樹脂／玻璃纖維相當，雖然聚氨酯本身性能較環氧樹脂高了20%,但復合材料性能并不突出，一方面是由于復合材料性能主要取決于增強體材料，同時推測聚氨酯復合材料缺陷較多以及聚氨酯/玻璃纖維界面結合較差導致聚氨酯性能無法充分發揮。圖6為環氧樹脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的層間剪切強度測試結果圖。
圖６ 環氧樹脂／玻璃纖維和聚氨酯／玻璃纖維的層間剪切強度測試結果圖由圖可見，環氧樹脂/玻璃纖維的層間剪切強度高于聚氨酯/玻璃纖維，說明玻璃纖維和聚氨酯界面結合相對較差，推測可能是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維表面的活性物質發生反應生成氣體，留下較多孔隙缺陷造成的。圖7為環氧樹脂/玻璃纖維和聚氨酯/玻璃纖維的SEM圖。圖７ 環氧樹脂／玻璃纖維（ａ）和聚氨酯／玻璃纖維（ｂ）的ＳＥＭ圖由圖可見，環氧樹脂/玻璃纖維的孔隙較小，數量較少，而聚氨酯／玻璃纖維的孔隙遠高于環氧樹脂/玻璃纖維，這也從側面解釋了孔隙缺陷較多導致聚氨酯復合材料層間剪強度低。- 與環氧樹脂相比，聚氨酯反應起始溫度及峰值溫度都較低，具有較快固化速度，有利于縮短成型周期；
- 聚氨酯的強度高于環氧樹脂，模量略低，斷裂伸長率很高，表明其具有較好的韌性；
- 聚氨酯樹脂的電阻率較低，介電常數較高，作為高壓電絕緣材料，其綜合電性能整體略差，尚需進一步優化配方體系。
- 聚氨酯/玻璃纖維拉伸性能與環氧樹脂/玻璃纖維相當，層間剪切較低，主要是由于聚氨酯活性較高，與玻璃纖維復合時，生成的孔隙缺陷較多。
因此，需進一步改進樹脂以提高界面結合強度，減少缺陷，同時從玻璃纖維表面偶聯劑及工藝進行優化，有望制備出性能遠高于環氧樹脂復合材料的高性能聚氨酯復合材料。
參考資料：聚氨酯和環氧樹脂及其復合材料性能對比研究，孫曉光等原文始發于微信公眾號（艾邦光伏網）：聚氨酯和環氧樹脂，哪種連續玻纖復合材料性能更優？
