什么是树脂——简单介绍

树脂是来自有机或合成来源的粘稠液体聚合物。它们的优势在于能够从液体转变为可定制的固体均质结构。

在聚合物化学和材料科学中，树脂是一种固体或高粘性的植物或合成物质，通常可转化为聚合物。

植物在受到伤害时会分泌树脂，以起到保护作用。树脂可以保护植物免受昆虫和病原体的侵害。昆虫被包裹在琥珀中，这是树脂寿命和耐久性的一个明显例子。

如今，许多天然树脂都有实际用途，而且已用石化产品制造出等同的树脂。

树脂以单一、均质的形式使用，通常用于模具以及保护衬里和涂层。

聚合物本身是由大量相似单元结合在一起形成的结构物质。合成聚合物的典型例子包括树脂和塑料。

树脂主要有两种类型：热固性树脂和热塑性树脂。见下文。

复合材料生产以及衬里和涂层所涉及的树脂主要有两种类型：(1)热固性树脂和(2)热塑性树脂。

树脂类型

树脂主要有两种类型：热塑性树脂和热固性树脂。

热塑性树脂

热塑性塑料在树脂行业中占比较小。它们以非反应性固体的形式出售，因此在加工过程中不会发生化学反应。与热固性塑料不同，它们需要热量和压力才能制成成品。也可以重新加热和重新成型。

热塑性树脂在受热时能够软化并形成粘稠液体。然后它们可以在冷却下转变为固体。热塑性树脂的主要优点之一是其快速成型周期的能力，因为固化过程与化学反应无关。然而，本文主要关注热固性树脂，这种树脂可用于建筑、航空航天、海洋和汽车领域。

热固性树脂

热固性树脂的设计目的是在沉积后发生化学反应，形成三维网络。热固性树脂需要在浸渍到增强材料之前添加固化剂。这种材料的固化会产生无法重新熔化或重新形成的凝固结构。

对于增强复合材料，化合物通常包括树脂体系（固化剂、硬化剂、抑制剂）和填料/增强材料。

热固性树脂制成的复合材料由于具有三维交联结构，因此具有较高的尺寸稳定性、耐高温性和良好的耐溶剂性。最常用的热固性树脂是聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺(PA)和双马来酰亚胺(BMI)。

热固性树脂示例

聚酯

聚酯树脂有两类：饱和聚酯树脂和不饱和聚酯树脂。

不饱和聚酯树脂是一种大分子，即分子量在1,000至3,000 kDa范围内的树脂。

它是二羧酸和二醇发生缩聚反应的结果。部分二羧酸含有碳碳双键，即不饱和键。未固化且在室温下，这种树脂是一种粘稠度极高、基本透明的粉红色液体。

“聚酯树脂”是“不饱和聚酯树脂”的缩写。聚酯树脂通常用于玻璃纤维层压应用。添加玻璃纤维作为增强材料来制造玻璃纤维，可用于建造平屋顶、修理游艇船体等。

环氧树脂

环氧树脂有助于提高复合材料的强度、耐久性和耐化学性。它们在高温下具有高性能，热/湿使用温度高达121°C。

环氧树脂有液体、固体和半固体三种形态，通常通过与胺或酸酐反应固化。

与聚酯树脂不同，环氧树脂固化时不需要催化剂。而是需要硬化剂（也称为固化剂）。硬化剂（B部分）和基体树脂（A部分）按照指定比例在“加成反应”中共同反应。

树脂与硬化剂的混合比例必须正确，才能确保固化效果。混合比例不正确会导致固化不完全，性能有缺陷。

环氧树脂可以使用凯夫拉纤维和碳纤维等添加剂进行增强和增韧。这克服了环氧树脂因高度交联而导致的脆性。

当树脂处于液态时，反应条件和成分（结合层压步骤和增强材料）最终将决定复合材料的质量和性能特性。抗拉强度、杨氏模量、柔韧性以及吸水能力和耐化学性是用于评估此类性能的一些测量指标。

聚氨酯

聚氨酯树脂是一种粘稠度更高的树脂，固化后会形成比环氧树脂或聚酯更柔软、更灵活的结构。

它的应用范围很广，用于建筑和土木工程以及海洋和医疗行业。

在建筑中，它用于树脂地板和树脂粘合车道，结合了聚氨酯的柔韧性和骨料的高机械强度。

酚醛树脂

酚醛树脂是由苯酚和甲醛制成的热固性聚合物。它们以出色的耐热性、阻燃性和尺寸稳定性而闻名。酚醛树脂通常用于需要高温性能的应用中，例如用于生产汽车和航空航天工业的刹车片、电气元件和模制部件。这些树脂的特点是交联密度高，这有助于它们具有出色的机械和热性能，尤其是与碳纤维增强材料结合使用时。

乙烯基酯树脂

乙烯基酯树脂是聚酯和环氧树脂的混合物，兼具两者的优点。它们具有耐腐蚀性和出色的耐化学性，非常适合在化学加工厂和海洋结构等腐蚀性环境中使用。与传统的聚酯树脂相比，乙烯基酯具有出色的抗疲劳性和韧性。它们通常用于需要结构完整性和耐腐蚀性化学品的应用，例如储罐、管道和储存容器。

树脂固化

树脂固化是通过聚合物链的交联来改变树脂性质的过程。这种转变涉及将树脂从液态转化为固态，在热固性聚合物生产中起着根本性的作用。

固化过程背后的驱动力多种多样。本质上，单个单体和低聚物结合在一起，有时与固化剂（通常是催化剂）相结合，引发反应，从而形成三维聚合物网络。最初，反应会产生具有不同结构的分子。

随着反应的进行，结构的分子量与反应速率成比例增加。除了化学变化外，还会发生物理变化，例如溶解度降低、粘度增加和密度增加。这种变化持续到反应完成，从而形成均匀、同质的网络。

固化由多种因素引发

• 热固化

热固化，也称为热固化，是复合材料制造中广泛使用的方法。它涉及将复合材料置于高温下一段时间。该过程激活热固性树脂内的化学反应，使其变硬并凝固。热固化对环氧树脂和聚酯等树脂有效，通常在烤箱或高压釜中进行，以确保温度分布均匀。

• 辐射固化

辐射固化使用高能辐射源（如电子束或紫外线）来引发某些树脂系统中的聚合反应。使用紫外线的光引发在复合材料中很常见，因为快速固化是必不可少的。这种方法可以精确控制固化过程，非常适合牙科复合材料或涂层等应用。

• 湿气固化

湿气固化涉及利用环境湿度来触发特定树脂配方（例如某些聚氨酯粘合剂和密封剂）的固化过程。湿气的存在会引发树脂内的交联反应，从而产生硬化材料。对于温度控制具有挑战性的应用，这是一种方便的方法。

• 活化剂或催化剂

许多热固性树脂需要活化剂或催化剂的存在来促进固化。这些添加剂通过降低发生化学反应所需的活化能来加速固化过程。常见的催化剂包括环氧树脂的胺和聚酯树脂的过氧化物。它们通常在应用前混入树脂体系中。

根据树脂类型，大量研究致力于研究新方法和优化现有方法。

固化方式的选择取决于树脂类型、应用和所需收缩程度等因素。

大多数情况下，固化由两个主要因素决定：最终，固化类型取决于几个因素，包括但不限于树脂类型、应用和可接受的收缩水平。

• 化学诱导固化：环氧树脂和聚酯等树脂通过添加添加剂进行固化。此类添加剂称为硬化剂，可诱导树脂固化。
• 无化学硬化：某些树脂不需要添加剂就可以固化，而是依靠热量，就像热塑性塑料一样。

加热会导致粘度在交联开始之前降低。这会导致低聚物链增加，这一过程称为凝胶化。此时，树脂变得无法移动且坚硬。结构内分子的质量传输受到限制，直到最终固化。为了实现玻璃化，凝胶化后需要升高温度。

某些树脂可能含有紫外线激活的催化剂。固化过程是一个研究得很好的领域，因为固化决定了所得树脂结构的质量，是改善物理和化学结果的一种手段。

什么才是好的树脂？

树脂的特性与项目本身高度相关；没有万能的解决方案，特别是当项目变得更加专业时。这导致了各种类别和子类别的出现。下表详细列出了一些被认为有益的更普遍的品质。

• 粘合性：与各种材料有很强的粘合力。
• 阻燃性：增强火灾时的安全性
• 机械强度：强度高，可承受负载。
• 柔韧性：吸收能量、抵抗开裂。
• 耐化学性：耐化学物质和环境因素。
• 热稳定性：固化后可在很宽的温度范围内保持性能。
• 低收缩：最大限度地减少内部应力和翘曲。
• 粘度：确保纤维容易浸渍，并最大限度地减少空隙。
• 固化时间：高效的加工和生产。
• 抗紫外线：防止紫外线辐射。

树脂复合材料

虽然树脂涂料本身可以提供有效的表面保护，但在更苛刻的情况下，其性能有限。例如，没有玻璃纤维增​​强的聚酯树脂比有增强的聚酯树脂脆性大得多，应用范围有限。

木材作为支撑结构的历史已有数千年。由于木材的局限性（即强度和耐用性），钢材成为一种流行的选择。然而，钢材很重，容易生锈，限制了其应用范围。此外，钢材和铝一样，需要热处理（焊接）才能获得正确的尺寸和形状。

树脂以表面保护和独立结构的形式提供了有用的解决方案。树脂与增强材料（例如玻璃纤维或碳纤维）的结合产生了复合材料。

树脂基复合材料是两种或多种具有不同化学和物理特性的材料的组合。当它们结合在一起时，它们会形成一种优于这些材料各自特性的材料。这通常会在强度、柔韧性、耐化学性和耐用性方面带来卓越的性能。

就树脂而言，复合材料结合了树脂和增强成分，最初处于可塑状态，树脂在固化前为液态。

固化后，树脂从液态转变为固态，形成坚固、刚性和不透水的结构。这种结构克服了这些单个成分的局限性（树脂易碎，增强材料可渗透且柔软），最终形成玻璃纤维或碳纤维等优质结构。

典型的例子包括玻璃纤维和碳纤维，它们具有无缝、无接缝的特点，耐锈蚀、耐多种化学品，同时还耐用并具有较高的强度重量比。

常见问题(FAQ)

问：哪种树脂适合我的项目？

答：这取决于项目要求和所用的加固材料。除非采用更灵活的面漆形式，否则不应单独使用聚酯树脂。例如，环氧树脂可用作表面涂层，通过修复层保护现有复合材料。在树脂库，我们提供一系列玻璃纤维和碳纤维套件。它们分别与聚酯和环氧树脂配对。

问：层压树脂需要多长时间才能固化？

答：固化时间因树脂类型而异。固化时间通常为几小时至24小时，但使用高压釜可进一步增强性能或缩短固化时间。

问：层压树脂的保质期是多长？

答：保质期因品牌而异，但储存在阴凉干燥处通常为几个月到一年。聚酯树脂通常为6个月，而环氧树脂为12个月。

问：热固性树脂的3个固化阶段是什么？

A.热固性树脂固化过程：（1）树脂与固化剂混合，但化学反应尚未开始；（2）化学反应已开始，混合物的粘度和粘着性开始增加；（3）树脂完全固化。