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材 (matrix)在纖維複合材料中的主要功能是傳送應力,保護並固定纖維,使其避免直接的模擦及侵蝕。通常基材的選擇關係到複合材料將使用的溫度、所需的 電氣特性、及使用環境侵蝕作用的大小等因素。常用的高分子基材依其化學特性可分為熱塑性塑膠(thermoplastic) 及熱固性塑膠(thermoset) 兩大類,本文僅就一般常用之高分子基材做介紹。

 

熱固性塑膠

不飽和聚酯樹脂(Unsaturated Polyester)

  不飽和聚酯樹脂價格低,有良好的機械及電氣性質,能夠抗酸腐蝕。不飽和聚酯樹脂之聚合反應,需加硬化劑,經硬化劑之分解產生自由基而促使樹脂進行連結,而 形成共聚合體。一般硬化劑的種類不同,其硬化程序可在室溫或高溫下進行,而其反應溫度則與硬化劑之分解溫度有關。

室溫硬化:
一般 硬化反應在室溫下進行,可以省去加熱裝置,使大型物件製作上更為容易。但為便於儲存,硬化劑之分解溫度都較室溫為高,在室溫下不易進行分解,因此短時間內 反應不易完成。此時可加入促進劑來加速反應。促進劑需加於樹脂中,經混合後再加入硬化劑,直接與硬化劑混合易造成過速反應,甚至導致爆炸。常用硬化劑有 MEKP。

高溫硬化:
樹脂與硬化劑混合後即進行加工,有些加工程序耗時較久,為防止樹脂在加工完前硬化,可使用高溫硬化之硬化 劑,待加工最後階段再加溫促使反應進行,而完成硬化程序。常用硬化劑有BPO、TBPO。

使用上經常加入一些添加物,以達成不同的特性。

搖變劑(Thixotropy)

  加入搖變劑後,於靜止狀態下樹脂黏度增加,以防止加工時樹脂流失,經攪拌後樹脂黏度可暫時下降以利纖維含浸樹脂。因此加工時,先攪拌樹脂使黏度下降,然後 使將纖維含浸樹脂,而樹脂含浸於纖維內後,黏度增加,以防止流失。

防火劑

氫氧化鋁可增加防火性,但使樹脂黏度增加。

Low profile additives(LPA)

  加入塑性塑膠粉,可以減少收縮,以改善材料表面平整度。常用的有聚乙烯、聚苯乙烯及聚酯類等。

增稠劑(thickening)

  使用氫氧化物或鈣鎂氧化物以增加樹脂黏度,便利材料的傳遞,常用於模造成形如SMC及BMC。

環 氧樹脂(Epoxy)

環氧樹脂中含有多個環氧乙烷基,環氧乙烷基是由一個氧及兩個碳所形成之環。常見的環氧樹脂有以下幾型:

BPA型的環氧樹脂是在鹼性鈉的環境下,將丙二酚A(BPA)與環氧 -1-2-綠-3-丙烷(EPI)反應所合成。由 BPA/EPI之不同比例,可製出不同分子量和環氧當量的液態或固態的BPA環氧樹脂。此型樹脂廣泛的使用在塗料、土木建築、電氣材料、及接著劑等。

酚 醛型環氧樹脂(novolac)係將phenolic novolac 或 cresol novolac聚合而形成的樹脂,俱耐熱及耐藥品的特性,常用於IC封裝及積層板之改質劑。

氫化BPA型的環氧樹脂是 將BPA型環氧樹脂,去除苯環之雙鍵後獲得,因此其耐候性良好。

溴化型環氧樹脂係指分子結構中的苯環 含有溴,其他分子結構與BPA型相同,除具有BPA型之優良物性及電氣特性外,本身有耐燃性,因此廣泛的使用在積層板的製作上。

氨 型環氧樹脂(amine type)具有四個環氧基,因此硬化後之架橋密度高,所以具有優良的機械性質。廣泛的使用在纖維強化複合材料的基材。

環氧樹脂的硬化劑有氨類、酸干類、甲醛類等,由於機械性質優良,廣泛的使用在高分子複合材料的基材中。

酚樹脂 (Phenolic)

酚類和甲醛反應形成酚樹脂或稱酚醛樹脂,反應時以酸或鹼當作催化劑,聚合物的化學組成跟所使用的催化劑 及反應物的比例有關。酚醛樹脂具有良好的耐熱及耐腐蝕的特性,其安定性佳,低可燃性及吸濕性,並有優良的黏著性質。酚醛樹脂可製成預浸布,以製作疊層板。

Bismaleimide(BMI)

  BMI的工作環境約在177到230°C,較環氧樹脂為高,具有良好的機械強度及勁度,但比環氧樹脂性脆,縮收率也較大。因耐熱性佳,在高性能戰機上應用 逐漸顯著。

熱塑性塑膠

  熱塑性塑膠在飛機上的使用已有一段時間,主要是在內裝及其他非結構性零組件。一般常用於複合材料基材的熱塑性塑膠以機械強度較佳為主,這類塑膠統稱為工程 塑膠,工程塑膠有較高的熔點,其使用的溫度可從121°C到200°C。熱塑性塑膠為基材的複合材料其耐溼性佳,有良好的耐撞擊性質。而相對於熱固性塑膠 的主要優點為成形速度快,及可回收再利用。一般熱塑性塑膠先以熱熔膠法或溶劑法將塑膠均勻散佈於纖維之間,以形成預浸布,爾後再經其他加工法加工成所需的 形狀。

  熱塑性塑膠分為兩大類,一為部份結晶塑膠,一為非結晶塑膠,其特性差別如下

部份結晶塑膠(semi- crystalline)

  • 有固定熔點(melting point, Tm)。
  • 溫度高於玻璃轉移溫度 (glass transition point, Tg)時,強度逐漸降低。
  • 依結晶度的不同,材料的密度有少許變動。
  • 機 械性質與結晶度有關,而結晶度則依製造程序而定。

非結晶塑膠(amorphous)

  • 並無固定熔 點。
  • 比結晶塑膠易溶於溶劑中。
  • 製造上無需考慮結晶的問題,程序較為容易。
  • 比結晶塑膠耐腐蝕 性差。

  常用的有如:

耐龍(Nylon)

聚苯乙烯(Polystyrene)

聚碳酸酯(Polycarbonate)

聚乙烯(Polyethylene)

聚丙烯 (Polypropylene)

乙烯類樹脂(Vinyl)

 

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