風電葉片用雙酚A環氧樹脂體系的研究
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摘 要:為了降低E51環氧樹脂體系的黏度,採用在其中添加適量活性稀釋劑的方法,製成了以雙酚A型E51環氧樹脂為基體的風電葉片用低黏度環氧樹脂體系。探討了活性稀釋劑、E51型環氧樹脂以及固化劑的配比對澆鑄體力學性能以及黏度的影響。結果表明,體系最佳配比為20∶100∶40。該樹脂體系可望用於風電葉片的製造。
關鍵詞:環氧樹脂,風電葉片,活性稀釋劑
隨著世界能源危機的日益嚴重,以及公眾對於改善生態環境要求的呼聲日益高漲,風能作為一種清潔的可再生能源日益受到重視。世界各國在風能開發利用方面投資的持續增長,導致風力發電設備製造業成為許多國家最熱門的經濟領域,相應的市場規模獲得急劇擴大[1]。風力發電葉片作為風電機組的核心部件之一,其好壞直接影響到風力發電機轉換風能的效率,因此業內對於葉片材料的性能要求越來越嚴格。環氧樹脂是葉片的重要材料之一,國內葉片廠家長期以來均依靠進口,不僅價格居高不下,葉片製造成本偏高,很大程度上制約了我國風電行業的發展[2]。
普通的環氧樹脂黏度大,直接應用於風電葉片層合板製作的話,不僅滲透困難、注射壓力高、充模時間長,而且樹脂中夾帶的氣泡不易除盡。目前業界普遍採用的是使用單官能團的環氧稀釋劑或者非反應型稀釋劑來降低環氧樹脂的黏度,但是經過稀釋後的環氧樹脂力學性能以及熱性能明顯降低[3-4]。為了保持環氧樹脂所固有的優良性能的同時,降低黏度,使其適應風力發電葉片製作工藝的要求,需要研製一種環氧樹脂,其低黏度以及優良的力學性能,可以滿足風電葉片生產工藝的要求。
1 實驗部分
1·1 材料
A組分:E51型環氧樹脂,嶽化生產; B組分:1,4-丁二醇二縮水甘油醚,安徽恆遠化工有限公司生產;C組分:胺類固化劑,自製,胺值498。
1·2 方法
環氧樹脂澆鑄體製備:按照比例配置好的環氧樹脂體系攪拌均勻後室溫脫泡,澆入模具中,待穩定後升溫至預定溫度固化8h,然後自然冷卻脫模,供性能測試使用。
1·3 儀器以及測試方法
彎曲、衝擊性能採用GB/T 2570-1995在GOPOINT-TS2000S萬能實驗機測試;黏度在SNB-1數字旋轉黏度計上依據GB 10247-88測試。
2 結果與討論
2.1 樹脂與固化劑配比對體系拉伸性能的影響
以B∶A為20∶100為例,探討固化劑的用量對於澆鑄體拉伸性能以及斷裂伸長率的影響,由表1可知,固化劑含量由23%增加到25%時,澆鑄體樣條的拉伸強度達到最高值63·9MPa,拉伸模量也達到最大值2880MPa;含量達到28%時,拉伸強度、拉伸模量反而下降。其原因可能是固化劑含量少,會使得澆鑄體系反應速度變慢,在同樣的固化速度下固化不完全,仍有未反應的原料在室溫下緩慢反應,從而影響其力學性能;而固化劑過多,使得固化反應速度過快,分子鏈未得到充分舒展便已經發生反應成為交聯網狀結構,降低了澆鑄體的韌性。考慮到固化劑的用量不僅僅影響力學性能,而且也會決定樹脂體系的適用期,因此獲得較佳綜合性能的固化劑含量應為25%。
2.2 活性稀釋劑的用量對體系拉伸性能的影響
隨著稀釋劑用量的增加,環氧樹脂體系中環氧基團的含量也在同步增加,所需固化劑的量隨之增大,以便在不同稀釋劑用量下仍能使環氧體系性能達到最優。將優化過的固化劑與1,4-丁二醇二縮水甘油醚、CYD128按照比例混合後,真空脫泡並於80℃下固化8h,對其拉伸性能進行考察,可以看出,增加1,4-丁二醇二縮水甘油醚的量,體系拉伸性能隨之提高;當活性稀釋劑與環氧樹脂比例達到20∶100時,拉伸強度與斷裂伸長率達到最高。(見圖1)其原因可能在於適量加入這種帶有反應基團的稀釋劑,降低了體系黏度,可以使得樹脂與固化劑分子之間充分接觸,有利於分子鏈運動形成鏈狀或者三維網狀結構,一定程度上改善了環氧樹脂的韌性;但是稀釋劑含量過多,也會使得體系交聯密度降低,導致拉伸強度反而有所下降。
2.3 活性稀釋劑的用量對體系黏度的影響
雙酚A型環氧樹脂25℃時的黏度在8000mPa·s以上,如此高黏度的樹脂直接用於風力發電葉片的製作,不僅體系流動速度慢,而且樹脂體系對複合材料的浸潤能力太低,容易產生氣泡,因此需要加入適量的活性稀釋劑來降低體系的黏度。
如表2所示,純環氧樹脂固化體系的黏度為419mPa·s,按照20∶100比例加入稀釋劑,則固化體系的黏度可以降低至171mPa·s,考慮到需要盡量保持環氧樹脂體系的力學性能,確定稀釋劑與環氧樹脂的配比為20∶100。
3 結論
研究了雙酚A型環氧樹脂體系,所使用的1,4-丁二醇二縮水甘油醚是一種稀釋效果良好、對產物力學性能影響較小的性能優異的活性稀釋劑,當這種稀釋劑與E51型環氧樹脂CYD128及固化劑的配比為20∶100∶40時,性能達到最佳拉伸強度為63·9MPa,拉伸模量為2880MPa,斷裂伸長率為7·0%,25℃時體系黏度為171mPa·s,可望用於風電葉片的製作。
參考文獻
[ 1 ] 董永祺.國外風力發電用環氧樹脂[J].玻璃鋼, 2008,(1): 10-12.
[ 2 ] 呂金艷,王雷,柴紅梅.低粘度中溫固化環氧體系的基本性能[J].玻璃鋼,2008,(7):16-18.
[ 3 ] 楊學忠,楊小利,段華軍,等. RTM用低粘度環氧樹脂研究[J].武漢理工大學學報, 2003,(3): 10-12.
[ 4 ] 夏建陵,萬厲,楊小華,等.風力發電機葉片用環氧樹脂膠粘劑的研究[J].玻璃鋼,2008,(8):9-12.
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