拉擠成型工藝是指將粗紗和氈在牽引設(shè)備的拉引作用下經(jīng)過樹脂槽浸漬，然后進(jìn)入到加熱模具中固化，經(jīng)過切割形成最終制品。
采用拉擠工藝制造復(fù)合材料制品已有數(shù)十年歷史。拉擠工藝使用的傳統(tǒng)樹脂有聚酯、不飽和樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。高度自動化的拉擠成型技術(shù)能充分發(fā)揮纖維的力學(xué)性能，適用于連續(xù)生產(chǎn)樹脂基復(fù)合材料。
聚氨酯憑借其出色的力學(xué)性能、低壓成型、快速固化、無苯乙烯揮發(fā)等優(yōu)點從傳統(tǒng)樹脂中脫穎而出，成為樹脂基復(fù)合材料行業(yè)的“新寵”。
一、原材料
01 聚氨酯樹脂基體
聚氨酯是以低聚物多元醇和異氰酸酯為主要原料合成的一種主鏈含有氨基甲酸酯基團(tuán)（-NHCOO-）的聚合物。與傳統(tǒng)樹脂相比，聚氨酯與增強材料的結(jié)合更好，因此抗沖擊性能、力學(xué)性能和耐候性優(yōu)異。
聚氨酯樹脂中不含苯乙烯等揮發(fā)物，完全滿足國家對“加強綠色產(chǎn)品應(yīng)用研發(fā)，推廣輕量化、低功耗技術(shù)工藝”的相關(guān)要求。
聚氨酯用于拉擠成型具有黏度低、成型速度更快的工藝優(yōu)勢。拉擠用聚氨酯樹脂典型的相關(guān)性能見下表（科思創(chuàng) BaydurPUL2500）。
連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料尚有一些問題需要解決：目前國內(nèi)多存在聚氨酯樹脂配方設(shè)計和制備工藝與聚氨酯復(fù)合材料制造工藝相隔離的現(xiàn)象；聚氨酯反應(yīng)劇烈，釋放出大量的熱而不易控制，對環(huán)境溫度和濕度敏感而容易發(fā)泡。
因此，制備過程中應(yīng)采用合適的工藝設(shè)備（如閉模成型），控制環(huán)境溫度和濕度，降低原料的反應(yīng)活性或采用不發(fā)泡聚氨酯。
02 增強材料
玻璃纖維
玻璃纖維作為性能優(yōu)異的無機纖維，是一種彈性模量高、拉伸強度大、斷裂伸長率小的脆性材料，具有力學(xué)性能可設(shè)計的優(yōu)勢，可根據(jù)需要靈活設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品整體性能，被廣泛用于樹脂基復(fù)合材料的增強材料。下表為兩種玻璃纖維的主要性能。
兩種玻璃纖維的主要性能
研究表明，玻璃纖維表面N元素含量的增加可明顯增大玻璃纖維與聚氨酯樹脂的結(jié)合力，這可能是因為含氮官能團(tuán)會與聚氨酯樹脂中殘余的異氰酸酯反應(yīng)生成脲基，在兩相界面間起到化學(xué)鍵合作用。
碳纖維
碳纖維作為一種優(yōu)異的增強材料，具有比強度和比模量高、密度低、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、伸長率低、耐低溫性能良好等優(yōu)點。可根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求選取不同規(guī)格、不同性能的碳纖維。碳纖維的規(guī)格與性能見下表。
碳纖維的規(guī)格與性能
聚氨酯樹脂對纖維有良好的浸潤性，但若要兩者形成良好界面還需要更高的黏結(jié)強度。所以，在碳纖維的生產(chǎn)過程中，通常會對碳纖維進(jìn)行上漿處理。主要是防止纖維吸附空氣中的雜質(zhì)和水，保護(hù)纖維表面活性基團(tuán)；同時可提高纖維的集束功能，改善其浸潤性能，具有一定的補強作用。
但是，目前關(guān)于碳纖維增強聚氨酯樹脂基復(fù)合材料的研究，大多集中在短纖維。相比之下，連續(xù)碳纖維在聚氨酯基復(fù)合材料中應(yīng)用時，碳纖維的含量大大提高，與聚氨酯樹脂基體的界面面積大，界面結(jié)合力大，增強強度遠(yuǎn)比短纖維高。
其它纖維增強材料
除碳纖維與玻璃纖維外，常用的纖維增強材料還有玄武巖纖維、芳綸纖維等。
玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料制成的一種高性能纖維增強材料。玄武巖纖維的耐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性較高，而且使用溫度范圍廣，具有高隔熱隔音性。
玄武巖纖維增強聚氨酯復(fù)合材料制作的門窗型材，保溫性能好，節(jié)能效果佳，相比于玻璃纖維窗擁有更高的耐腐蝕和抗老化性能。
芳綸纖維，即芳香族聚酰胺纖維，具有高強度、高模量、低密度和耐磨性好等優(yōu)點，與碳纖維、高強高模聚乙烯纖維并稱當(dāng)今世界三大高科技纖維。
03 填料和輔料
纖維增強樹脂基復(fù)合材料的主要原料是基體和增強材料，在實際生產(chǎn)中加入填料不但可改善復(fù)合材料性能和成型工藝性，還可降低生產(chǎn)成本，滿足外觀需求等。
此外還有一些輔料，如著色劑、脫模劑等。著色劑一般以顏料糊的形式使用；脫模劑應(yīng)具有極低的表面自由能，能均勻浸濕模具表面，以達(dá)到脫模效果。
二、連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的拉擠成型技術(shù)
01 拉擠成型工藝
拉擠成型始于20世紀(jì)50年代，目前仍處于高速發(fā)展階段，是一種將浸漬的連續(xù)纖維在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地大規(guī)模生產(chǎn)各種截面尺寸不變線性型材的成型工藝。
聚氨酯樹脂體系應(yīng)用于拉擠成型工藝，具有成型周期短、生產(chǎn)效率高、無苯乙烯揮發(fā)等優(yōu)點，這使聚氨酯拉擠制品成為研發(fā)熱點。經(jīng)過數(shù)年開發(fā)，聚氨酯拉擠成型已實現(xiàn)商業(yè)化，國內(nèi)外已出現(xiàn)拉擠制品專用的聚氨酯樹脂體系。
02 拉擠成型工藝的優(yōu)點
連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料采用拉擠工藝成型，具有以下優(yōu)點：
①常使用玻纖無捻粗紗而非玻纖氈。降低了成本，還避免了因玻纖氈易破碎而影響生產(chǎn)。
②無需更換原有的拉擠設(shè)備，拉擠系統(tǒng)裝配簡單經(jīng)濟。
③纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)60%——90%，浸膠在張力下進(jìn)行，可充分發(fā)揮纖維的作用，制品強度更高。
④生產(chǎn)過程連續(xù)，長度可任意切割。
⑤生產(chǎn)過程可完全自動化控制，生產(chǎn)效率高。
克勞斯瑪菲集團(tuán)新的iPul拉擠系統(tǒng)已將生產(chǎn)速度從通常的0.5——1.5m/min提高到大約3m/min（實驗室數(shù)據(jù)），為拉擠成型技術(shù)開辟了全新的市場。
3.拉擠成型復(fù)合材料的性能特點
03 拉擠成型復(fù)合材料的性能特點
在連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料拉擠成型過程中，可使用更多的增強纖維，使制品強度大幅提高，樹脂和纖維在性能上形成良好的優(yōu)勢互補。因此，以聚氨酯樹脂為基體，采用拉擠成型工藝生產(chǎn)的纖維增強材料，具有如下性能和特點：
①輕質(zhì)高強
以拉擠工藝制備的聚氨酯附框為例，其中無需支撐骨架便具有優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強度和比強度等性能是PVC（聚氯乙烯）塑料門窗的10倍以上，遠(yuǎn)大于鋁合金與鋼，而密度僅有鋼材密度的1/4，鋁合金密度的1/2。拉擠成型的纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的性能見表。
②耐腐蝕性良好
玻璃纖維增強聚氨酯復(fù)合材料在室溫條件下，具有良好的耐強酸、強堿和高濃度鹽的特性，濕熱老化試驗中其力學(xué)性能損失小于3%，具有良好的耐老化性能。
而且，用作建筑材料時可與建筑物同壽，表面不需做處理，對水泥漿等在堿性或酸性環(huán)境下有較強的耐腐蝕能力。
③尺寸穩(wěn)定性好
連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的線性收縮率小于0.2%，與設(shè)計尺寸的偏差很小。此外，以拉擠工藝成型的聚氨酯復(fù)合材料門窗，線性膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于鋁合金和PVC塑料，而與建筑墻體接近，有效地避免了由于熱脹冷縮引起的裂縫出現(xiàn)，提高了密封性和保溫性能。
④可設(shè)計性強
連續(xù)纖維聚氨酯拉擠成型中高的纖維含量賦予復(fù)合材料優(yōu)異的機械性能，優(yōu)選的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%——90%。聚氨酯樹脂的性能具有較強的可設(shè)計性，不同原料配方及助劑所得制品的性能也不同。
三、拉擠成型纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用
01 在電力工程領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著我國經(jīng)濟和電網(wǎng)的快速發(fā)展，新型復(fù)合材料的應(yīng)用趨勢逐年凸顯。傳統(tǒng)電桿在惡劣氣候下易受到嚴(yán)重的破壞，從而使電網(wǎng)遭受毀滅性打擊。
聚氨酯復(fù)材電線桿 圖源 巴斯夫
連續(xù)纖維增強聚氨酯復(fù)合材料電桿輕質(zhì)高強，電絕緣性能好，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)電桿在沿海、山地、高污穢等特殊地區(qū)的使用。因此，中電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《配網(wǎng)復(fù)合材料電桿》中規(guī)定必須采用聚氨酯樹脂，電桿宜以拉擠工藝成型。
聚氨酯復(fù)材電線桿 圖源：巴斯夫
聚氨酯樹脂絕緣電力桿塔，其質(zhì)量僅為混凝土桿的1/10，并可直接成型到支撐件中，節(jié)省了運輸、安裝和勞動力成本。由于聚氨酯本身的優(yōu)良特性，在成型中不需要添加固化劑、防老化劑等，降低了電力桿塔的制作成本。但玻璃纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的抗漏電起痕性能不足，難以直接用于高電場處。
02 在建筑門窗領(lǐng)域的應(yīng)用
連續(xù)纖維增強聚氨酯拉擠材料在建筑中的應(yīng)用主要為門窗型材。鋁合金窗、PVC塑鋼窗、鋁包木窗等門窗雖然保溫性能良好，廣受市場歡迎，但此類材料在生產(chǎn)過程中會造成大量能源損耗，易產(chǎn)生固體廢棄物及有害揮發(fā)物，并且耐火性能欠佳。
聚氨酯拉擠門窗型材 圖源：四通集團(tuán)
聚氨酯拉擠門窗型材成型中，無苯乙烯揮發(fā)，避免了環(huán)境污染，符合“綠色環(huán)保”理念。由于玻璃纖維具有良好的阻燃性和耐熱性，使聚氨酯拉擠材料本身具有防火性能；而且聚氨酯拉擠門窗型材傳熱系數(shù)僅有0.22W/(m2·K)，熱阻為9.96mK/W，保溫性能較好。幾種節(jié)能窗戶的傳熱系數(shù)和氣密性見下表。
相比于其它材料門窗，聚氨酯拉擠門窗型材尺寸穩(wěn)定、氣密性和隔音性好。按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能分級及檢測方法》檢測，聚氨酯復(fù)合材料門窗的氣密性可達(dá)8級，水密性達(dá)6級，隔音性能達(dá)5級，目前已取得廣泛應(yīng)用。
03 在鐵道枕木領(lǐng)域的應(yīng)用
木質(zhì)軌枕和鋼筋混凝土軌枕是目前兩種主要軌枕材料，前者不耐腐蝕，使用壽命短，且有違環(huán)保；后者原料廉價易得，性能穩(wěn)定，使用壽命長，但其彈性差而硬度高，易發(fā)生破裂。相比之下，纖維增強聚氨酯合成枕木，不論其原材料本身性能還是拉擠工藝特點，都給枕木的施工和應(yīng)用帶來了巨大優(yōu)勢。
復(fù)合材料枕木 圖源：德毅隆
喬冬平等采用拉擠成型工藝制備了一種新型合成枕木。性能測試結(jié)果表明，新型聚氨酯復(fù)合材料枕木抗彎曲荷載可達(dá)181kN，螺絲釘抗拔強度可達(dá)76kN。該種枕木不僅在剪切強度、沖擊強度等力學(xué)性能方面具有優(yōu)良表現(xiàn)，在耐腐蝕、耐老化方面同樣性能優(yōu)異。
04 在其它領(lǐng)域的應(yīng)用
汽車地板：這種汽車地板強度高，自重輕，提高了燃油經(jīng)濟性；使用過程中不會有小分子揮發(fā)，防潮耐腐蝕，并具有一定的阻燃性，安全可靠；纖維增強聚氨酯材料的熱膨脹系數(shù)小，不存在熱變形問題，具有較長的使用壽命。
車身：由于較高的纖維體積分?jǐn)?shù)，復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，較低的質(zhì)量，減少了油耗和環(huán)境損害。
光伏邊框及支架：連續(xù)玻纖增強聚氨酯拉擠成型復(fù)合材料可用于制作光伏組件邊框和支架，這是一個快速發(fā)展的新市場，用復(fù)合材料替代鋁合金邊框，可以起到降本、輕量化等作用，而且復(fù)合材料良好的絕緣性、耐化學(xué)品性等性能使其在海面、鹽堿地等領(lǐng)域應(yīng)用更具性能優(yōu)勢。
目前，多家企業(yè)已經(jīng)完成了相關(guān)認(rèn)證，處于部分量產(chǎn)階段，復(fù)材邊框甚至已經(jīng)成為光伏組件的特殊賣點。
復(fù)合材料邊框光伏組件 圖源：英辰新能源
目前，聚氨酯拉擠復(fù)材在光伏邊框和支架要取得大規(guī)模應(yīng)用，仍需解決一些問題，一方面是長期耐候及強度等性能的充分驗證，目前主要依托第三方檢測認(rèn)證背書；另一方面，目前聚氨酯拉擠成型速度一般不到1m/min，對于動輒GW級的裝機需求，難以滿足生產(chǎn)需要，這需要拉擠成型生產(chǎn)設(shè)備的不斷進(jìn)步。
