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几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析

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74 几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析 2018年4月 几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析 邓双辉 ,一,冯云龙 ,刘坐镇 , (1.华东理工大学华昌聚合物有限公司,上海 200241;2.上海防腐蚀新材料丁程技术研究中心,上海 200241) 摘要:将风电叶片用真空灌注型环氧树脂体系MERICAN 3311A/B与同类两款产品进行了对比分析,研究了三种树脂体 系对玻纤的浸润性;采用真空导入成型技术制备了复合材料板,并对复合材料的力学性能进行了研究。结果表明,MERICAN 3311A/B粘度低、浸润性良好、FRP力学性能高,与纤维的匹配性良好,达到甚至某些方面已超越国内外同类进口产品的水平, 能够满足风电叶片对树脂的性能要求 关键词:大型风电叶片;环氧树脂;浸润性;力学性能 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1003—0999(2018)04-0074—06 1 引 言 风能具有储量大、分布广和清洁可再生性的特 型号为EBX808(+45/一45)EP,三向纤维布型号为 ETL1200(0/+45/一45)EP。 点,现在各国都在积极开发风能…。风力发电叶片 是风电机组的重中之重.结构合理、材料先进的叶 MERICAN 331 1A/B环氧树脂体系:1二业级,华东 理工大学华昌聚合物有限公司,其中MERICAN 3311A 为双酚A环氧树脂,MERICAN 3311B为改性胺类固 片.是提高发电效率的重要保证。随着国内风电行 业的迅速发展,国内风电树脂企业开发出适用于真 空灌注工艺的环氧树脂体系,从实验测试评估到第 三方认证,然后到商业运用.虽然国内风电叶片树脂 应用比例在增加,但是还需要进一步的优化I2]。 化剂;进口环氧树脂体系:工业级。美国瀚森化工有 限公司.牌号为EPIKOTETM Resin MGS ̄RIMR035c/ RIMH 037:国产环氧树脂体系:工业级,上纬(天津) 风电材料有限公司。牌号为251 1A/BS。所有环氧树 脂体系的基本参数如表1所示。 表1 三种环氧树脂体系的基本参数对比 Table 1 Comparation on basic parameters of three kinds of epoxy resin system MERICAN 331 1 A/B Imported pr(Muct Domestic pr(xlu(‘t 对于树脂.纤维复合材料,界面是树脂与纤维之 间的桥梁,复合材料的性能与树脂和纤维本身的性 能息息相关.而两者之间的界面性能也至关重要。 树脂基体对纤维的浸润性和粘附作用直接影响复合 材料的界面陛能[3.4 J。在真空导入成型工艺中,树脂 胶液要经过长程渗透、浸润纤维等过程,然后固化成 型.故该成型工艺的关键在于树脂在工艺操作温度 下对纤维要有较好的流动性和浸润性.因此.树脂基 项目 树脂固齐( 331IA )(33 11 )B  脂 同化剂 脂 同化剂 体胶液与纤维之间的浸润性研究显得尤为重要l5一 ]。 本文将三种风电叶片环氧树脂体系进行了对比, 测试并研究了三种树脂体系与玻纤的浸润性以及相 关复合材料的力学性能的差异,为大型风电叶片用 环氧树脂体系的研究和运用提供了一定的指导。 2实验 2.1 原材料 玻璃纤维:1 业级,泰山玻璃纤维有限公司,单 2.2仪器 旋转式粘度测试仪:美国Brookfield LV DV.Ⅱ; 精密电子万能材料试验机:英斯特朗(上海)试验设 备贸易有限公司,型号为INSTRON3382;示差扫描 轴向纤维布型号为EULI200(0)EP,双轴向纤维布 O9.27 收稿日期: 2017.基金项目: 上海 程技术研究中心能力提升项目(15DZ2280700) 作者简介: 邛双辉(1986一),女,博士,主要从事岛分子材料及复合材料方面的研究。 通讯作者: 刘坐镇(1965一),男,教授,主要从事热同性树脂及其复合材料方面的研究,Izz@hchp.COll1.Ci3。 FRP/CM 2O18.No.4 2018年第4期 玻璃铜/复合材料 75 量热仪:美国TA仪器,型号为DSCQ20;恒温恒湿 箱:重庆五环试验仪器有限公司,型号为HTP002:温 度记录仪:上海亚度电子科技有限公司。 树脂体系的流动速度基本保持一致,随着阻力的增 加以及树脂粘度的增大,流动速度逐渐减慢.同等时 间下的流动距离见图2(b)。在60 min以后,如图2 (a)所示,其他两种进口和国产的树脂产品的流动 2.3试验方法 2.3.1 浸润性 距离基本一致,且明显小于MERICAN 33l1A/B树脂 体系,其流动速度减慢程度也相对较为平缓,这与=三 种树脂体系的粘度随H ̄lhq的变化曲线是一致的. 从 图3的增粘曲线对比可以看到, 种树脂前期的粘 度相差不大,60 min后,粘度开始以不同的速度增加, 树脂对纤维平面浸润性测试:玻璃纤维单向布 的尺寸为600 minX300 lllm,层数为2层。 树脂对纤维厚度浸润性测试:具体测试方法参 考中文专利[8],其中玻璃纤维单向布的尺寸为400 mmx300 mm,层数为3O层。 2.3.2机械性能 其中MERICAN 33llA/B树脂体系的粘度上升相对 最为缓慢,故最终MERICAN 33l1 A/B的流动前沿 复合材料制样:将一定量的树脂和同化剂按照 配比混合均匀.以玻璃纤维做增强材料,采用真空灌 注法制备树脂基玻璃纤维复合材料。根据ISO 527、 ISO 14125、ISO 14126和ASTM 7078标准进行裁样, 位置最为靠前,即该树脂在纤维方向的流动性最佳。 每组制备6根至8根样条(包括拉伸和弯曲试样), 然后在万能试验机上进行测试,其中拉伸速度为1 mm/min.弯曲速度为2 mm/min。 3结果与讨论 3.1复合工艺研究 树脂体系与玻璃纤维的浸润性是影响复合材料 最终性能的一个重要因素,也是提高复合材料成品 强度,解决气泡、干斑等T艺缺陷的关键|’)。树脂在 增强材料中流动的难易程度决定了树脂/纤维的界 面状态.从而影响制品的固化过程和最终质量。树 脂在纤维增强材料中的流动分为纤维束内的微观流 动和纤维束之间的宏观流动两种,这与树脂的粘度、 树脂与纤维的表面张力、 艺环境等息息相关【 一。 渗透率常采用单向流动法和径向流动法来测量, 为产品厚度大.树脂还要浸润纤维厚度方向 。 。 l 1 Fig.1 种树脂体系 单轴向纤维布平面方向 的渗透测试流动前沿 in the uniaxial fiber glass rloth the impregnatinn flow front of three kinds of resins 本文分别用单向流动法和径向流动法研究了树脂在 纤维平面方向和厚度方向的浸润性 3.1.1 树脂对纤维平面方向的浸润性研究 i种树脂体系在单轴向纤维布平面方向的渗透 测试流动前沿网见图1。从冈l中可以看出,树脂在 单轴向布中流动前沿基本均一 真空负压控制纤维 束问树脂的宏观流动,毛细作用力控制纤维束内树 脂的微观流动,由于单轴向纤维布的束与束之间排列 非常紧密,树脂的流动方向与纤维布的排列方向一致, 树脂的流动主要是靠真空负压作用使树脂沿着束与 柬之间的细小缝隙向前流动,进而浸润周边纤维束 的。因前期流动阻力较小,在真空负压作用下,i种 2 单轴向平面渗透测试中树脂的流动距离干u 速率随时问/间隔的变化曲线 Fig.2 The flow rate—time('HIVES and the flow distance if)r the impregnation in t}le uniaxial fibe ̄‘glass eh)th FRP/CM 2018.No.4 76 几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析 2018年4月 罔4 i种树脂体系在单轴向纤维布厚度方向的 渗透测试流动前沿网 Fig.4 rhe impregnation flow front ahmg thickness direction of three kinds of resins in the uniaxial fiber glass cloth I羽3 j种树脂体系在28℃环境温度F的 粘度随时问的变化曲线图 Fig.3 The viscosity—time of the three kinds of resins at 28 oC 3.1.2树脂对纤维厚度方向的浸润性研究 图4为三种树脂体系对30层三轴向纤维布厚 度方向上的浸透测试流动前沿图。从图4中可以看 到.i种树脂体系对纤维表层的浸润边缘呈现椭圆 形,这是因为树脂胶液是在真空负压的驱动下从纤 维底部的入胶口沿纤维厚度方向逐层渗透至表层, 进而浸润周边纤维束的,由于纤维是单轴向布,树脂 在纤维轴向方向浸润速度快于径向方向,故在表层 呈现为图中的椭圆形图案。从实验结果得到进口、 MERICAN 33l 1A/B和国产树脂体系渗透至表层所 需的时间分别为30 min、21 min和20 min。显然,初 始阶段,树脂在纤维巾的流动性和渗透性主要与树 脂胶液的初始粘度有关(如表l所示),由Darcy定 律可知 玻璃纤维中树脂的流动速率随着树脂粘度 的降低而增加,其他变量不变时.浸润速率与树脂的 粘度成反比关系 “’ 。三种树脂的混合初始粘度 大小趋势为进口>MERICAN 33 l1 A/B>国产,树脂粘 度越低.在同样的真空负压作用下,树脂的流动速度 越快,故从底部渗透至表层的时问越短。当树脂渗 透至表层之后.因MERICAN 33l lA/B的粘度增长 速度相对于另两种树脂的要慢,故无论是在纤维轴 向方向还是径向方向(见图5(a)和图5(b)),MER— ICAN 331 1A/B的流动距离都要比进口树脂的流动 距离长很多,并且逐渐追赶和超越国产树脂,直至最 终l20 min时,MERICAN 3311A/B树脂的流动面积 反倒比国产树脂要更大一点,见图5(c)。实验结果 因为环境温度、压力、玻纤不均匀性等不确定因素会 有一定的偏差,但是从宏观上可以直观地对比树脂 流动前沿位置和灌注时间的关系.定性分析树脂的 图5单轴向厚度渗透测试中树脂的流动距离和 面积随时间的变化曲线图 Fig.5 The area—time curves and the flow distance for the impregnation along thickness direction in the uniaxial fiber glass cloth 浸润性,对实际运用也有一定的借鉴意义 :。 FRP/CM 20l8.No.4 2018年第4期 玻璃钢/复合材料 77 以上三种树脂体系在纤维平面和厚度方向上的 ¥ J^ a2 uII目 ^o 浸润性实验研究结果表明.MERICAN 33 1 1 A/B环氧 树脂体系对玻纤的浸润性良好,和国产树脂体系具 有相似的浸润性,相比进口树脂体系还有一定的优 势,能够满足叶片生产的工艺要求。 3.2复合材料性能研究 对复合材料而言,树脂与纤维的基本性能、纤维 的体积含量、树脂与纤维的界面性能、纤维分布情况 和制品有无缺陷等五个因素决定复合材料的力学性 能。对于复合材料结构件,主要研究沿纤维方向的 拉伸和压缩性能以及垂直于纤维方向的拉伸性能。 在上一章研究中,我们已经论证了MERICAN 3311A/ B环氧树脂体系和进口树脂固化物的热性能和力学 性能均达到了GL认证的要求。MERICAN 331 1A/B 树脂固化物拉伸和弯曲相关参数高于进口树脂[1 。 本文将三种用于风电叶片制造的玻璃纤维织物(单、 双和三向布)分别与MERICAN 3311A/B和其余两 个树脂体系进行复合,研究了室温下复合材料板的 拉伸性能、弯曲性能、压缩性能和剪切性能等基本力 学性能。 三种树脂体系的单、双和三轴向纤维复合材料 的拉伸性能如图6所示。由图6可以看出,对于单 轴纤维复合材料0。和90。拉伸性能而言,MERICAN 3311A/B和国内产品强度相近.同时高出国外产品 10%左右。三种树脂体系的双轴纤维复合材料和三 轴纤维复合材料0。拉伸强度虽然相差不大,但MERI. CAN 3311A/B依然有着优势。 l 毳 =耋 图6三种树脂体系复合材料的拉伸性能 日 芝 甚a占∞一 宝蓉【l。0 Fig.6 The tensile prope ̄y of the composites for the three kinds of resins 三种树脂体系的单、双和三轴向纤维复合材料 的弯曲性能如图7所示。三种树脂体系的单向纤维 复合材料的弯曲强度相差不大,MERICAN 3311A/B 和进口树脂体系相当并优于国产树脂体系。对于双 轴复合材料的弯曲强度,进口树脂优于MERICAN 3311A/B。三种树脂体系的三轴复合材料的弯曲强 度性能相当。 78 几种大型风力发电叶片用环氧树脂复合材料的对比分析 2018年4月 图7三种树脂体系复合材料的弯曲性能 Fig.7 The flexural property of the composites for the three kinds of resins 三种树脂体系的单、双和三轴向纤维复合材料 的压缩性能如图8所示。 图8三种树脂体系复合材料的压缩性能 Fig.8 The compression property of the composites ofr the three kinds of resins FRP/CM 20l8.No。4 对于单轴纤维复合材料的压缩强度,国内树脂< MERICAN 331 1A/B<进口树脂。对于双轴纤维复合 材料的压缩强度,MERICAN 3311A/B最优。对于三 轴纤维复合材料的压缩强度,MERICAN 33 1 1 A/B相 比其他两种树脂有着明显的优势.比进口树脂强度 高出15%左右。 三种树脂体系的单轴和双轴向纤维复合材料的 剪切性能如图9所示。单轴纤维复合材料中MERI— CAN 3311A/B依然拥有最好的剪切强度。对于双 轴纤维复合材料剪切强度,MERICAN 3311A/B和国 内树脂体系强度相似,并明显高于进口树脂。 图9 三种树脂体系复合材料的剪切性能 Fig.9 The sheaF property of the composites for the three kinds of resins 通过对比分析。MERICAN 331 1A/B体系制备的 纤维复合材料拥有良好的力学性能,在强度和模量 上优势明显,均达到或超过进口树脂和国产树脂体 系。因为MERICAN 331 1A/B树脂体系粘度较低,在 凝胶过程中体系粘度增加缓慢.与玻璃纤维浸润性 良好 因此.在真空树脂传递成型工艺过程中.MERI. CAN 3311A/B能够均匀渗透在纤维表面,充满纤维 问隙,形成机械铰合,获得优良的界面。复合材料在 受力情况下.环氧树脂与增强纤维之间的界面起到 桥梁作用,并有效传递树脂基体和纤维之间的载荷。 增强纤维和环氧树脂同时断裂时,能够吸收更多的 2018年第4期 玻璃铜/复合材料 维.1997(5):31-31. 79 能量,提高复合材料的力学性能 H’ 。结合各方面 性能来看,MERICAN 3311A/B体系可以满足制备风 电叶片的要求。 [5]刘文凤.高性能复合材料用环氧树脂体系的研究[D].湘潭:湘 潭大学.2011. [6]Hijikata K,Sakaguchi K.Epoxy resin-bitumen material composition: US 4360608 A[P].1982. [7]Doi T,Takahashi H.Process for preparation of asphalt—epoxy resin composition:US 4162998 A[P].1979. 4结论 本文重点研究了三种树脂体系的工艺性能和相 对应复合材料的力学性能。结果分析表明: (1)MERICAN 331 1A/B体系对玻璃纤维有良好的 浸润性,对比进口树脂有着明显优势,能有效避免干 [8]邓双辉,付建辉,冯云龙,等.一种测试树脂在纤维铺层厚度方 向浸润性的装置:CN205981993U[P].2017-02—22. [9]周百能,杨红,钟连兵.风力发电机叶片灌注环氧树脂的研制 [J].东方电气评论,2012,26(2):62-67. 斑、气泡等灌注风险,完全满足真空灌注工艺的要求; (2)MERICAN 3311A/B拥有优异的FRP性能, 强度均达到或超过进口树脂,甚至优于国内树脂,可 以满足风电叶片生产的技术要求。 参考文献 [1]何显富,卢霞,杨跃进,等.风力机设计、制造与运行[M].北 京:化学工业出版社,2009. [2]柳伟钧,杨萍,张锦南.风电叶片用环氧树脂的应用研究[J]. [1O]李敏,张佐光,孙志杰,等.炭纤维的环氧树脂浸润特性[J]. 新型炭材料,2006(1):75_80. [1 1]任六波,Renliu—Bo.风电叶片用真空灌注树脂体系的研究[J]. 玻璃钢/复合材料,2012(3):51—54. [12]肖红波.树脂表面张力及粘度对浸润速率的影响研究[D].武 汉:武汉理工大学,2006. [13]邓双辉,冯云龙,李晗,等.两种大型风力发电叶片用真空灌 注环氧树脂的对比分析[J].玻璃钢/复合材料,2016(11): 70.74. 上海建材.2014(3):17—20. [3]贾智源,宋秋香,王海珍,等.碳纤维真空灌注成型用环氧树脂 的流变特性分析[J].玻璃钢/复合材料,2013(2):7-10. [14]王辉,王书秋.树脂基体对玻璃纤维浸润性的测定[J].纤维复 合材料,1988(3):11—14. 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Key words:wind turbine blade;epoxy resin;wettability;mechanical property G i 偶 : l 

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