不飽和聚酯樹脂在復合材料中的應用和發展

摘要：隨著科技的不斷發展，復合材料在各個領域得到了廣泛的應用。不飽和聚酯樹脂（UPR）作為一種重要的熱固性樹脂基體，因其良好的性能和低成本優勢，成為復合材料制造中的首選材料。從不飽和聚酯樹脂的改性、添加增強材料以及在復合材料中的應用和發展等方面進行詳細的探討。

關鍵詞：不飽和聚酯樹脂；復合材料；增強材料隨著科技的不斷發展，材料科學在各個領域中扮演著越來越重要的角色。復合材料作為一種新型材料，憑借其優異的力學性能、耐磨性、耐高溫性和抗老化性等特點，已經成為現代工業中不可或缺的一部分。不飽和聚酯樹脂（Unsaturated Polyester Resin，簡稱UPR）作為一種具有廣泛應用前景的樹脂基體，在復合材料領域中占據著舉足輕重的地位［1］。本文將從UPR的基本性質、改性方法、添加增強材料以及在復合材料中的應用和發展等方面進行詳細的探討，以期為復合材料的研究和應用提供參考。

1不飽和聚酯樹脂改性

隨著科技的不斷發展，不飽和聚酯樹脂（UPR）在復合材料領域的應用越來越廣泛。然而，UPR的性能仍有待提高，以滿足不同應用領域的需求。為此，研究人員對UPR進行了一系列的改性研究，包括化學改性、納米改性等。通過這些改性方法，UPR的性能得到了顯著提高，進一步拓寬了其在復合材料中的應用領域。其中，化學改性法是通過改變UPR分子結構或引入新的基團來提高其性能的方法，主要有引入柔性鏈段、引入剛性鏈段、調整交聯密度等，可以顯著提高抗沖擊性能、耐腐蝕性能等。而納米改性法是通過添加納米材料來提高UPR性能的方法，納米材料具有極大的比表面積和特殊的表面效應，可以顯著提升UPR的力學性能、熱穩定性和耐磨性等［2］。常見的納米改性材料有納米黏土、納米硅酸鹽、納米氧化物等。

通過化學改性和納米改性，UPR的性能得到了顯著提高，進一步拓寬了其在復合材料中的應用領域。然而，改善UPR的性能仍然受到許多因素的影響，如改性劑的種類、含量、分散性等。因此，在實際應用中，需要根據具體需求選擇合適的改性方法和改性劑，以實現UPR性能的最大化。

2添加增強材料的不飽和聚酯樹脂

本章將詳細介紹添加增強材料的不飽和聚酯樹脂的種類、性能及其在復合材料中的應用。

2.1添加增強材料的種類

增強材料是一類具有優異性能的材料，可以顯著提高UPR的性能。根據增強材料的性質和來源，可以分為以下幾類：

（1） 無機增強材料：主要包括玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維等。這些材料具有良好的力學性能、熱穩定性和化學穩定性，可以顯著提高UPR的強度、剛度和耐磨性。

（2） 有機增強材料：主要包括芳綸纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維等。這些材料具有較好的柔性和韌性，可以有效提高UPR的抗沖擊性能和抗裂性能。

（3） 金屬增強材料：主要包括鋁粉、鋅粉、銅粉等。這些材料具有良好的導電性和導熱性，可以提高UPR的導電性能和散熱性能。

（4） 納米增強材料：主要包括納米碳管、納米氧化物、納米黏土等。這些材料具有極大的比表面積和特殊的表面效應，可以顯著提高UPR的力學性能、熱穩定性和耐磨性等。

2.2添加增強材料對UPR性能的影響

添加增強材料的UPR復合材料因其優異的性能，在各個領域得到了廣泛的應用。本節將以添加香蕉（莖）纖維作為增強材料，研究以不飽和聚酯樹脂作為基體時，添加增強材料對不飽和聚酯性能的影響。

2.2.1材料與儀器

實驗材料：香蕉（莖）纖維，15 cm，10.4 tex，191#不飽和聚酯樹脂，環烷酸鈷，過氧化甲乙酮，NaOH（顆粒），DH8023脫模劑。

實驗儀器：FA2004B電子天平，JJ1型精密增力電動攪拌器，Y802A型八籃恒溫干燥箱，INSTRON4302型電子萬能測試機，QLB25T平板硫化機。

2.2.2實驗方法

（1） 香蕉纖維堿處理

首先，使用NaOH顆粒制備2%的堿性溶液。接著，在預備好的堿溶液中加入香蕉纖維。然后，在常溫下浸泡，5 h后從蒸餾水中取出并進行中性水洗。最后，將用中性水洗過后的纖維放進Y802A型的八籃恒溫干燥箱，溫度設定為80 ℃，恒溫烘干直至質量不變后取出密封保存。采用掃描電鏡對熱處理前后的香蕉纖維進行微觀形貌觀察。通過堿處理，可以有效去除香蕉纖維中的雜質、膠質等，并且減小微纖的旋轉角度，進一步優化纖維表面，為不飽和聚酯樹脂基體產生反應提供了更加有利的條件。

（2） 配制UPR樹脂膠液

取191#UPR樹脂100 g，加入2 mL的固化劑過氧化甲乙酮，攪拌均勻后，再加入1 mL的促進劑環烷酸鈷，攪拌均勻后立刻使用。

（3） 熱壓成型與測試

a） 首先，將堿處理過的香蕉纖維進行切割，每份纖維的長度為5 mm。然后，依據10%的質量比調配混入預制好的UPR樹脂膠液中。接著，將得到的預混料經過模具處理后，采用單因子實驗進行復合材料制備，材料方案的參數設定參見表1和表2。

b） 根據GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，參見表2中不同條件（成型壓力、溫度、時間）開展復合材料的力學性能測試，最終得到最優的熱壓工藝。

c） 分別制定方案1、方案2、方案3、方案4以及方案5依次將香蕉纖維5%、10%、15%、20%、25%分別加入到預先配制好的UPR樹脂膠液中，接著，按照前面的熱壓工藝開展材料制備。

d） 根據GB/T 1447—2005標準，借助電子多功能實驗機開展復合材料的力學性能測試。該測試需要在不同纖維含量的變量下進行，以確定最佳的纖維添加量。

復合材料在不同的成型壓力條件下，其力學性能先緩慢增加，然后急劇上升，最后趨于平穩。隨著壓力值的增加，材料的屈服強度、抗拉強度以及彈性模量均有明顯變化。在0～5 MPa的壓力范圍內，由于壓力相對較低，對于復合材料的拉伸和彎曲強度的影響較小；當超過該范圍時，隨著載荷的增加，材料的性能迅速惡化，最終導致失效破壞。在5～15 MPa的壓力范圍內，拉伸和彎曲強度曲線的斜率開始逐步上升，其增長速度達到頂峰；當壓力超過15 MPa時，斜率漸漸趨向穩定，并且拉伸以及彎曲強度的增長速度漸漸變慢，致使機械性能的增速也變緩。通過分析發現，壓力對香蕉纖維增強樹脂基復合材料性能的影響主要是由其內部應力分布狀態所決定的。在其他因素保持不變的情況下，伴隨著壓力的增加，復合材料內部的結構會產生變化，使香蕉纖維緊緊附牢在基材上，這將顯著提升復合材料的力學性能。同時由于擠壓成型工藝中擠出過程所產生的殘余應力也會引起材料力學性能的損失，所以要想獲得良好的機械性能，必須保證擠出機的真空度。當壓力達到某一特定值之后，復合材料的密度達到了峰值，此時，壓力對該材料的機械性質產生的影響幾乎可以忽略不計。

3結語

不飽和聚酯樹脂（UPR）作為一種具有優異性能的熱固性樹脂，在各個領域都有著廣泛的應用。隨著科技的不斷發展和創新，UPR的性能將不斷提高，應用領域將不斷拓展。未來UPR將在航空航天、汽車制造、建筑工程、電子電器等領域發揮更大的作用，為人類的發展做出更大的貢獻。同時，UPR的環保化、功能化、低成本化等發展趨勢也將成為研究的重點，以滿足市場對UPR的不斷變化的需求。

參考文獻：

［1］李梟銘，楊士山，吳淑新，等.不飽和聚酯樹脂阻燃改性技術研究進展［J］.工程塑料應用，2023，51（3）：157164.

［2］李洋，彌陽麗，崔偉，等.填料對不飽和聚酯樹脂包覆層耐熱性影響研究［J］.化工新型材料，2023，51（3）：160165.