聚氨酯拉擠材料:為輕質而生


在過去,聚氨酯複合材料主要是用結構反應注射法(SRIM)成型的汽車內飾件和外部件,如皮卡車箱、車底板、行李架、內門板等(聚氨酯經過發泡)。然而在近幾年中,聚氨酯複合材料發展了拉擠、纏繞、真空灌注和長纖維噴射等技術,主要用不發泡的聚氨酯複合材料來製造窗框、浴缸、電燈杆和卡車、越野車的大型部件等。

聚氨酯樹脂以其韌性好、固化快、無苯乙烯揮發等優點,使其複合材料脫穎而出。隨著人們對聚氨酯成型技術的掌握和在控製其反應性以延長其適用期方麵的進步,聚氨酯已進入長期由不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂主宰的複合材料領域。

近年來,聚氨酯拉擠成型技術得到了廣泛的應用,尤其是在門窗領域,開拓了一種全新的產品類別。它是否會像LED燈替換傳統白熾燈那樣,成為一款顛覆性的產品呢?希望通過本文,能帶給大家比較全麵的視角,了解一下聚氨酯拉擠材料的特性,以及未來可能進入的應用領域。

什麼是聚氨酯拉擠材料?


聚氨酯拉擠材料是一種以高硬度聚氨酯彈性體為基體材料,玻璃纖維為增強材料,采用連續拉擠工藝生產的一種具有高強度、高模量、輕質高分子複合材料。此外,聚氨酯拉擠材料比傳統材料具有更好的隔熱保溫效果。

主要熱固性樹脂 / 玻纖複合材料性能對比
價格 工藝性 力學性能 電性能 耐候性 燃燒性 耐熱性
聚氨酯 較高→高 較好→好 很好 較好→好
環氧樹脂 較高 較好→好 較好→好 較好→好 較好→好 一般→好 一般→好
不飽和樹脂 中→高 好→很好 一般→好 一般→好 一般→好 一般→好 一般→好
酚醛樹脂 低→中 一般 一般→好 一般→好 一般→好

與其他樹脂相比,聚氨酯拉擠材料材料的優勢明顯。它可以提高製品中的玻璃纖維含量而使製品強度大大提高。聚氨酯樹脂中不含苯乙烯等揮發物,生產場所沒有刺激性氣味,很大限度地減少了對環境和工人健康的影響。

聚氨酯拉擠材料的優勢


經過數年開發,國外聚氨酯拉擠成型已實現商業化。在聚氨酯拉擠過程中,可以使用更多的增強纖維,使製品強度大大增高。同時,由於聚氨酯本身優異的衝擊強度、拉伸強度和層間剪切強度,製品可製得更薄更輕。例如,可用更少的連續原絲氈而更多的無撚粗紗來製得更薄的工字梁,使工字梁的厚度從3.3mm減少到2.6mm,同時保持其縱向剛度不變。這樣,製品就減少了13%重量和7%成本。另外,由於拉擠聚氨酯製品脆性更小,從而可用常規方式裝配而不開裂和破碎。

具體看,采用聚氨酯拉擠技術,有以下幾方麵的明顯優點。

  1. 用傳統樹脂拉擠某些型材時,可能要求使用多達4或5種不同的玻璃纖維氈,這些氈必須裁切造形。采用聚氨酯拉擠,通常可以用玻纖無撚粗紗來代替玻纖氈。玻璃纖維氈容易破碎,碎片可能堵塞機器,影響生產。取消玻璃纖維氈後,減少了原料成本和操作氈所耗的人力成本,同時可以提高生產線速度,提高成本效益。

  2. 用無撚粗紗代替玻璃纖維氈後,纖維體積含量可以增至80%左右,而大多數非聚氨酯拉擠製品的纖維含量為60%。這樣,更高的玻纖含量與性能更好的樹脂相結合,打造了強度和剛度更好的聚氨酯拉擠型材。聚氨酯拉擠製品更高的強度性能開拓了一些新的應用。這些製品可以用於聚酯樹脂不能勝任的用途,在建築、基礎設施和交通運輸市場代替鋼和鋁材。

  3. 將原有的拉擠係統轉換成聚氨酯拉擠係統比較簡單、方便和經濟,無需大的投資。原有的模頭、加熱器和機組仍可使用。

  4. 聚氨酯拉擠材料具有裝配的優點,特別是緊固方便。由於聚氨酯的強度,在聚氨酯拉擠製品上裝入螺釘時,不需預先鑽孔,這樣就可節省時間和勞力。

  5. 在同樣纖維結構下,聚氨酯/玻纖拉擠產品的所有性能均好於普通熱固性樹脂,彎曲模量接近,衝擊強度大大提高,螺釘拉拔強度高,開口抗裂口擴展性好,耐磨性優,很好的二次加工能力,耐熱240℃以上。

  6. 純聚氨脂/玻纖是目前性能最好的拉擠複合材料,材料截麵複雜,表麵光滑,拉擠速度快,耐水、酸、堿、鹽是最好的,耐燃好,可塗裝。聚氨酯樹脂中不含苯乙烯等揮發物,生產場所沒有刺激性氣味,很大限度地減少了對環境和工人健康的影響。

比較成功的應用領域——建築材料(門窗型材)



近年來,建築節能已逐漸成為中國可持續發展的重要組成部分。在建築中,門窗、外牆、屋麵和地麵是建築主要能耗的四大部位,而其中門窗的隔熱性能最差。

據估計,以我國的典型圍護部件為例,門窗的能耗約為牆體的4倍、屋麵的5倍、地麵的20多倍。門窗的熱損失率高達40%,其中傳熱損失大約占25%,通過縫隙的冷熱風滲透熱損失約占15%。因此,增強門窗的保溫隔熱性能減少其能耗是改善室內熱環境質量和提高建築節能水平的重要環節。聚氨酯拉擠材料的優異性能,帶給了我們新的思路,使其應用於建築節能門窗的改造成為可能。

關鍵性能
隔熱性好

聚氨酯拉擠材料和實木、PVC一樣,擁有很低的導熱係數,室溫下為0.22 W/m•K,隻有鋁合金的約1/700,是優良的絕熱材料。

熱膨脹係數低

聚氨酯拉擠材料的線性熱膨脹係數約為7×10-6/K,遠低於鋁合金,與牆體的線性熱膨脹係數相近;因此,在溫度變化時,GRPU 材質的框體不會與牆體產生縫隙,密封性良好,同時保證了整窗在溫差較大的環境下的隔熱性。

耐腐蝕

聚氨酯拉擠材料對大部分酸、堿、鹽、有機物,以及海水、潮濕空氣都有很強的抗蝕力;而且不鏽不朽,耐腐蝕性能優於其他材質門窗型材。尤其適用於沿海、有腐蝕性的以及一般潮濕場所。

尺寸穩定性好

聚氨酯拉擠窗框,相較於傳統材料,它具有更強的尺寸穩定性、更高的橫向力學性能,更高的比強度和剛性。

電性能佳

聚氨酯拉擠型材是良好的絕緣材料,不受電磁波作用,不反射無線電波;對通訊係統的建築有特殊的用途。

一些企業的嚐試

亨斯邁聚氨酯事業部研發了RIMLINE® 聚氨酯拉擠係統,該係統黏度低,具有很好的浸潤性,滿足快速固化和較低的牽引力要求,同時又能在走線速度增加的情況下提供光澤的表麵。此外,VOC 釋放也極低甚至幾乎為零,不會對環境構成威脅。

聚氨酯與國內的一些客戶合作,已經成功將聚氨酯拉擠材料用於商業化應用:

早在2013年1月,亨斯邁就與上海克絡蒂材料科技發展有限公司正式簽署聯合研究“聚氨酯門窗型材”的戰略合作協議。亨斯邁與上海克絡蒂材料科技發展有限公司聯合開發了TICO聚氨酯節能係統門窗,用於解決中國正在麵臨的建築節能降耗的緊迫問題。


亨斯邁與集韌科技推出了全斷熱聚氨酯拉擠材料門窗,創新地在牆體縫隙中填充了聚氨酯發泡材料,達到了更好的保溫隔熱效果。亨斯邁在國內也有一些示範性項目,比如第九人民醫院新建的頂樓使用了聚氨酯拉擠材料門窗。

聚氨酯複合材料提供了足夠的設計自由度,它的表麵光滑、附著力好,有利於施加塗層和粘合;突出的力學性能,適合窄邊沿設計,使門窗的采光麵更大。

此外,在建築領域,極其注重高層建築的防火性能。近年來,全球範圍內,英國的兩次高層建築火災事故,引起了人們的高度重視。聚氨酯拉擠材料的防火性能表現出色,它的耐火極限,可以達到1-1.5個小時,維持窗框的結構完整性。而傳統的彩鋁、鋼窗,隻能保持30-40分鍾。國內建築部門也在起草法規,考慮在54米(18層)以上,每一戶設置逃難間,並對其耐火極限提出相應要求。如果法規進一步成文並落實,聚氨酯複合材料在門窗係統上的應用將迎來更廣闊的的空間。

亨斯邁表示:“據測算,如果把中國需要改造的既有建築門窗和新增建築門窗全部換成歐洲標準的聚氨酯節能門窗係統,每年可以節約標準煤4.2億噸,這相當於中國全年煤炭總量的20%。”

科思創、重慶國際及克勞斯瑪菲合作開發節能門窗市場

2020年6月,科思創與玻纖生產商重慶國際和機械生產商克勞斯瑪菲日前簽署合作備忘錄,合作開發基於科思創拜多®聚氨酯拉擠複合材料的節能窗解決方案,引領門窗型材的節能升級。

2019年,住房和城鄉建設部發布的《近零能耗建築技術標準》正式實施,如何在滿足舒適居住要求的前提下減少建築能耗並兼顧環境可持續性,已成為我國建築行業的發展重點。相關研究數據顯示,以北京為例, 經門窗散失的熱量就占建築能耗的25%之多,因此應用節能型創新材料提升門窗保溫性能是實現建築節能的關鍵。近日,北京《居住建築節能設計標準》開始進行修訂,其中門窗節能標準重磅升級,要求整窗傳熱係數K值低至1.1 w/m2•k。

拜多®玻纖增強聚氨酯節能窗以無堿玻璃纖維作為增強材料,聚氨酯樹脂作為基體樹脂,通過閉模注射拉擠工藝成型的型材打造而成,集保溫節能、耐火安全、隔音降噪等性能於一體。傳統的斷橋鋁門窗係統使用玻纖增強尼龍PA66+GF25作為隔熱材料,隨著隔熱節能要求越來越高,隔熱條寬度不斷增加,型材結構越來越複雜,成本直線上升。

而拜多®玻纖增強聚氨酯拉擠複合材料型材加寬了隔熱間距,傳熱係數低,隔熱性能好。在具體設計中,係統門窗K值可低至0.77 w/m2•k。此外,通過簡化型材的截麵結構,可以降低係統門窗的整體成本。型材出色的隔音性也可降低室內噪音。同時,該係統窗已經通過了國標一小時耐火完整性實驗。


科思創為中國建科院“未來建築”定製保溫門窗解決方案

2019年,科思創參與了由中國建築科學研究院發起的“未來居住建築能源與環境實驗平台”項目,並攜手行業夥伴浙江德毅隆科技股份有限公司以及德國格屋集團,共同為該項目打造定製化拜多®玻纖增強聚氨酯節能耐火窗解決方案。


針對該項目對“未來建築”提出的能源環境要求,共同定製了以下三種門窗解決方案:

針對整窗K值(傳熱係數)低於1.5的要求,科思創提供了兩種方案。其中,“純隔熱65平開係列”采用全聚氨酯型材,適用於各種門窗項目。此型材具備超低的熱傳導、可靠的耐低溫能力、出眾的力學性能及更長的使用壽命等優勢。同時,由於材料的線性熱膨脹係數非常接近混凝土,可以避免窗框與牆體因熱脹冷縮差異而產生縫隙。

而“大斷橋65平開係列”門窗則使用科思創聚氨酯型材作為隔熱斷橋,並在表麵使用鋁型材包覆。聚氨酯複合材料作為內部的隔熱芯,足以承擔上牆的固定力,以及所有玻璃層重量,確保整窗的抗風壓性能,並使隔熱與受力承載融為一體。

為滿足整窗K值低於0.8的要求,科思創定製了“85平開係列”全聚氨酯型材。該型材整體采用聚氨酯複合材料,可以滿足“被動房”的節能要求。外窗采用玻纖增強聚氨酯,配備雙層Low-E充氬氣中空玻璃,整窗K值低至0.77W/(m2•K)。此外,該方案采用專用副框,節能性、耐腐蝕性和防水密封功能佳。

伴隨技術發展,進入更多終端市場

當聚氨酯遇上碳纖維——進入更多終端市場

用於卡車底盤

用複合材料代替鋼製造汽車零件是一種輕便、可持續的解決方案,可減少燃料消耗和二氧化碳排放量。這也適用於例如卡車等每天大量使用的商用車輛。 Carbon Truck&Trailer GmbH(CarbonTT)用碳纖維增強複合材料設計卡車底盤,並擁有專有和專利技術來製造和組裝它們。

更輕質的卡車還可以讓物流公司運輸更多貨物,實現更高效運營。同時,隨著電動汽車的持續發展,包括複合材料底盤在內的輕型零部件可彌補電池重量的影響,有助於提升電池續航時間。

材料供應商科思創已經開發了這種複合部件。它采用了Baydur® PUL聚氨酯樹脂體係,以及碳纖維材料,通過拉擠成型工藝生產。

該複合材料部件,提供許多優於傳統材料的優勢。在幾秒鍾內,Baydur® PUL聚氨酯樹脂依靠低粘度完美地滲透了數百萬根碳纖維,並使CarbonTT獲得了可觀的生產率提升。CarbonTT開發並優化了複合材料零件的輪廓設計,以滿足機械要求,最大程度地減輕了重量,並將成本降至最低。

策劃:馮天溢 設計:郎迪