风电叶片材料：不饱和树脂

zhang2005sun

1．不饱和聚酯树脂的定义

　　人类最早发现的树脂是从树上分泌物中提炼出来的脂状物，如松香等，这是“脂”前有“树”的原因。直到1906年第一次用人工合成了酚醛树脂，才开辟了人工合成树脂的新纪元。1942年美国橡胶公司首先投产不饱和聚酯树脂，后来把未经加工的任何高聚物都称作树脂。但是早就与“树”无关了。
; {# z  c7 S( O0 t" [- ?* P' W　　树脂又分为热塑性树脂和热固性树脂两大类。对于加热熔化冷却变固，而且可以反复进行的可熔的树脂叫做热塑性树脂，如聚氯乙烯树脂（PVC）、聚乙烯树脂（PE）等；对于加热固化以后不再可逆，成为既不溶解，又不熔化的固体，叫做热固性树脂，如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。
8 P+ t. r! j7 l) T# x; U) b　　“聚酯”是相对于“酚醛”“环氧”等树脂而区分的含有酯键的一类高分子化合物。这种高分子化合物是由二元酸和二元醇经缩聚反应而生成的，而这种高分子化合物中含有不饱和双键时，就称为不饱和聚酯，这种不饱和聚酯溶解于有聚合能力的单体中（一般为苯乙烯）
　　而成为一种粘稠液体时，称为不饱和聚酯树脂（英文名Unsaturated Polyester Resin 简称UPR）。
　　因此，不饱和聚酯树脂可以定义为由饱和的或不饱和的二元酸与饱和的或不饱和的二元醇缩聚而成的线型高分子化合物溶解于单体（通常用苯乙烯）中而成的粘稠的液体。

) K; _* Z) x: E) |( u　　2．不饱和聚酯树脂的特性

　　不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂，当其在热或引发剂的作用下，可固化成为一种不溶不融的高分子网状聚合物。但这种聚合物机械强度很低，不能满足大部分使用的要求，当用玻璃纤维增强时可成为一种复合材料，俗称“玻璃钢”（英文名Fiber Reinforced Plastics 简称FRP）。“玻璃钢”的机械强度等各方面性能与树脂浇铸体相比有了很大的提高。
　　以不饱和树脂为基材的玻璃钢（UPR-FRP）具有以下特性：
6 r; w" q6 k7 i4 w　　1）轻质高强
8 ~) r# n! p5 {2 ~　　FRP的密度为1.4-2.2g/cm3，比钢轻4-5倍，而其强度却不小，其比强度超过型钢、硬铝和杉木。这对于航空、航天、火箭、导弹、军械及运输等需要减轻自重的产品具有非常重要的意义。例如波音747喷气客机在主要结构上应用的FRP部件达2.2吨，有效地节省了飞机燃料，提高了航速，延长了续航时间，增加了有效载荷。见表1。
　　表1 UPR-FRP与其他材料的性能
, }3 w& T1 V, r; C7 c  w5 U( X　　材料 相对密度（g/cm3） 极限拉伸强度（Mpa） 比强度
3 N% T% k& T; s9 S+ r& V　　（×103cm） 拉伸弹性模量（Gpa） 比模量
  a5 p! n1 q" n1 `　　（×103cm）
　　UPR-FRP 1.5-1.7 352 2076.6 19.71 115.9
0 [' o- b. |6 \　　钢 7.8 880 1128.2 204.16 261.7
　　硬铝 2.8 457.6 1634.2 70.4 251.4
) E$ \7 w! @/ t8 c' Y% |2 z　　杉木 0.5 70.4 1408.0 9.86 197.2
( p: p4 A* m* y　　2） 耐腐蚀性能良好
　　UPR-FRP是一种良好的耐腐蚀性材料，能耐一般浓度的酸、碱、盐类，大部分有机溶剂、海水、大气、油类，对微生物的抵抗力也很强，正广泛应用于石油、化工、农药、医药、染料、电镀、电解、冶炼、轻工等国民经济诸领域，发挥着其他材料无法替代的作用。
　　3） 电性能优异
　　UPR-FRP绝缘性能极好，在高频作用下仍能保持良好的介电性能。它不反射无线电波，不受电磁的作用，微波透过性良好，是制造雷达罩的理想材料。用它制造仪表、电机、电器产品中的绝缘部件能提高电器的使用寿命和可靠性。见表2。
, [% ?. J3 ^- ]# v* j　　表2 UPR-FRP的介电性能
+ y4 ~- o( W, D1 S　　体积电阻率
. [9 [( g( u2 t& @4 k0 L　　（Ω cm） 介电强度
　　（KV mm-1） 介电常数
　　（60Hz） 功率因数
　　（60Hz） 耐电弧性
　　（S）
　　1012～1014 15-20 3.0-4.4 0.003 125
1 h3 g* j2 k4 p　　4）独特的热性能
$ S$ a: w8 }6 b2 [2 W　　UPR-FRP的导热系数为0.3-0.4Kcal/mh℃，只有金属的1/100-1/1000，是一种优良的绝热材料，用其制成的门窗是第五代新型节能建材。另外，FRP线胀系数也很小，与一般金属材料接近，所以FRP和金属连接不致受热膨胀产生应力，有利于其与金属基材或混凝土结构粘接。
( W3 A/ O( p  Y- Y" G9 p2 t/ W　　5） 加工工艺性能优异
　　UPR的加工工艺性能优异，工艺简单，可一次成型，既可常温常压成型，又可以加温加压固化，而且在固化过程中无低分子副产物生成，可制造出比较均一的产品。由于其工艺性能优异，近年来已被广泛用于制作工艺品、仿大理石制品、聚酯漆等非玻璃纤维增强型材料。
% k% b4 e( o8 h; D( W) Z' ^3 R　　6）材料的可设计性好
　　UPR-FRP是以UPR为基体，以玻璃纤维为增强骨材的复合材料，二者经过一次性加工成型为最终形状的制品。所以FRP不仅仅是一种材料，同时也是一种结构。所谓可设计性包含两方面内容：（1）功能设计；通过选择合适的UPR和玻璃纤维可以制成具有各种特殊功能的FRP制品，如：可以制成耐腐蚀的产品；可以制成耐瞬时高温的产品；可制成透光板材；可制成耐火阻燃制品；可制成耐紫外线制品……（2）结构设计：可以根据需要，灵活地设计出各种产品结构，如玻璃钢门窗、玻璃钢格栅、玻璃钢管、玻璃钢槽、玻璃钢罐等。
　　任何一种材料都不是万能的，FRP也不例外。首先FRP与金属相比有许多本质上差别，例如金属是各向同性材料，而FRP是各向异性材料，金属在应力作用下，一般分为弹性变形与塑性变形两个阶段，而FRP在应力作用下一般没有显著的塑性变形阶段，没有屈服点，在受力过程中有分层现象，在超负荷时容易突然断裂。其次FRP的模量较低，比钢材差10倍，因此凡对刚性要求高的产品必须进行精心设计。第三，FRP的耐热比金属材料相差甚远，到目前为止FRP的长期使用温度还只限于200℃以下。

0 N$ N  L$ L/ g& c) {& u　　3．不饱和聚酯树脂的分类和用途

2 R- g* K- {  F5 N0 J8 Z　　根据不饱和聚酯树脂的结构可分为邻苯型、间苯型、对苯型、双酚A型、乙烯基酯型等；根据其性能可分为通用型、防腐型、自熄型、耐热型、低收缩型等；根据其主要用途可分为玻璃钢（FRP）用树脂与非玻璃钢用树脂两大类，所谓玻璃钢制品是指树脂以玻璃纤维及其制品为增强材料制成的各种产品，也称为玻璃纤维增强塑料（简称FRP或玻璃钢）；非玻璃钢制品是树脂与无机填料相混合或其本身单独使用制成的各种制品，也称为非增强型玻璃钢制品。
: m$ G! \8 q' d0 `+ R. K( ~; t　　按具体专用品种分类包括有缠绕树脂、喷射树脂、RTM树脂、拉挤树脂、SMC、BMC树脂、阻燃树脂、食品级树脂、防腐蚀树脂、气干型树脂、宝丽板树脂、工艺品树脂、纽扣树脂、玛瑙树脂、人造石树脂、高透明树脂水晶树脂、原子灰树脂等。作为FRP表面装饰的防老化阻燃胶衣、耐热胶衣、喷涂胶衣、模具胶衣、不开裂胶衣、辐射固化胶衣、高耐磨胶衣等。
　　UPR的玻璃钢制品广泛地应用于下述领域：
2 G# ]& \  F2 Z2 @; M　　建筑领域：制冷却塔，8米3/小时-3000米3/小时的横流、逆流、喷射式塔及风筒、风机、收水器等辅件。门、窗、轻型采光建筑、格栅、活动房、冷库、公园亭、台、报亭等。
　　玻璃钢管、罐、槽等防腐产品及工程：包括大、中、小口径管道、管件、阀门、贮罐、贮槽、格栅、填仓板、塔器、烟囱、防腐地面及建筑防腐等。
8 \' f1 b+ }2 H  q3 t　　玻璃钢车辆：火车双层客车及零部件、窗框、汽车车身、保险杠、火车通风道、弹簧板等。
　　玻璃钢船艇：包括游艇、救生艇、交通艇、渔船、快艇、舢舨、养殖船、冲锋舟等。
　　玻璃钢游乐设备：包括大型游艺机、大型水上乐园、儿童乐园。
4 ?% d% V& P  k　　玻璃钢交通设备、劳保及保安用品：包括公路牌、路标、人行桥、灯具、电缆盒、测量标尺、头盔、收亭、防爆器材、井盖等。
　　玻璃钢卫生设备：浴缸、洗漱台、便器、镜架、整体卫生间、垃圾箱。
; d0 s# a( @$ Y. a$ s- {8 H　　节能玻璃钢产品；包括轴流风机、离心风机、太阳能热水器、风力发电机等。
) [9 `1 [9 v6 H  W　　玻璃钢食品容器：高位水箱、食品运输罐、饮料罐。
　　玻璃钢城市雕塑、字体、工艺品和贴骨工艺。
　　玻璃钢家具：包括座椅、快餐桌、成套家具、电话亭、柜台等。
. t; B# m$ q% e5 k; s　　玻璃钢机电、矿用、轻纺产品：包括防护罩、格栅、干式变压器、互感器、高压拉杆、计算机房、电器开关、SMC卫星天线、铜箔板、服装模特、通风管道、棉条筒等。
# m1 D0 H' L! G　　玻璃钢运动器材和音乐舞蹈器材：包括网球拍、双杠、单杠、助跳板、赛艇、道具等。
$ I  m- s' B* n- ?- h　　UPR的非玻璃钢应用领域大致如下：
1 g% \$ R6 H* B6 ~. ~9 ^　　浇铸工艺品；包括水晶工艺品、不透明各种造型工艺品等
4 e1 Q/ U! n) a, o7 J　　钮扣 ：各种聚酯钮扣制品。
　　人造石：包括人造大理石、人造玛瑙、人造花岗岩等
0 K/ H# _& e5 X1 L2 {+ }* T: h0 K　　涂层：包括家俱涂层、钢琴、电视机、收音机外壳、缝纫机台板以及自行车罩光漆等。
　　原子灰 ：汽车修补用聚酯腻子等。
　　其它：包括锚固剂、电器浇铸、增韧剂、粘接剂等

peterwei

我知道叶片许多是用玻璃纤维结构做成的，不知道这种材料性能怎么样