风力发电是重要的洁净能源,其开发利用受到世界各国越来越多的重视。当今,风力发电向大功率、长叶片方向发展,更加凸显出叶片材料的重要性。纤维增强环氧树脂复合材料和真空辅助浸渗技术以其效率高、成本低、质量好的优点,成为生产大型叶片时材料和工艺的主流方向。真空辅助浸渗技术制备风力发电转子叶片的关键是优选浸渗用的基体树脂,特别要保证树脂的最佳黏度及其流动特殊性[1-2]。目前国外用于真空辅助浸渗技术的树脂主要有Shell公司、3M公司、HEXION公司、荷兰DSM高等复合材料中心等企业的产品[3-6]。国内风电叶片制造业的环氧树脂基本依靠进口,这在很大程度上制约了风电业在国内的发展。本文选用BPA环氧树脂、BPF环氧树脂和活性稀释剂的混合物为基体树脂,以RIMH237为固化剂,在降低树脂黏度的同时保持较好的力学性能,研制出满足真空辅助浸渗工艺的风电叶片用复合型环氧树脂。
1 实验部分
1·1 原料
双酚A环氧树脂1460,环氧值0·52,蓝星材料无锡树脂厂;双酚F环氧树脂,自制,环氧值0·59;黏度,1100mPa·s;环氧稀释剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚,自制,环氧值0·69。
1·2 测试方法及仪器
使用NDJ-79旋转式黏度计(同济大学机电厂)测定树脂黏度。使用WDT-5电子万能试验机测试树脂固化物力学性能:拉伸强度参照GB/T2568-1995测试;弯曲强度参照GB/T2570-1995测试。冲击强度参照GB/T2571-1995,使用摆锤式冲击仪测试。
1.3 环氧树脂的配制及固化
以双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂作为基体树脂,1,4-丁二醇二缩水甘油醚作为稀释剂,混合后加入一定量的固化剂,混合均匀后,抽真空脱除气泡,将已经脱泡的树脂混合物浇注于试样模具中,40℃下固化8h,然后在80℃下固化12h,冷却后脱模,测试其力学性能。
2 结果与讨论
2·1 稀释剂和BPF树脂对BPA树脂性能的影响
1,4-丁二醇二缩水甘油醚作为环氧稀释剂,能够显著降低环氧树脂的黏度,很大程度上拓展了环氧树脂的应用领域。但稀释剂在降低树脂黏度的同时,由于其分子的链状特性,导致树脂固化物质脆,易断裂。为此我们考查了不同质量分数的稀释剂对双酚A型环氧树脂力学性能的影响,见表1。
由表1分析可看出,单纯加入稀释剂,尽管有效地降低了树脂黏度,但由于稀释剂分子链柔性大,未能形成增强网络,加入后使共混物拉伸强度和弯曲强度下降。纯BPA树脂冲击性能较差,添加活性稀释剂时,体系的冲击强度更差,这是因为环氧树脂与二缩水甘油醚不能很好地相容,无法形成一定厚度的界面层,两相间作用力很弱,受外力冲击时,应力无法传递而发生破坏。
BPF环氧树脂作为一种新型环氧树脂,不但具有BPA型环氧树脂所具有的一切优良特性,且其黏度比BPA型树脂低4~5倍,因而应用范围广泛,使用过程中可减少活性稀释剂的用量。为此,我们考查了不同质量分数的BPF环氧树脂和双酚A型环氧树脂共混时所表现出的力学性能,结果见表2。
表2的结果表明,当不添加活性稀释剂时,树脂体系黏度依然较大。随着BPF树脂用量的增加,黏度显著下降,材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度得到增加。这主要是由于BPF树脂中的甲撑基团与BPA树脂中的异丙撑基团有较好的相容性,从而起到较好的增韧作用。
2·2 双酚F树脂中多酚树脂对共混树脂体系性能的影响
以苯酚、甲醛为原料合成的双酚F,因苯酚与甲醛的配比不同而含有一定量高沸点的多酚杂质,这些杂质的分离过程复杂,导致双酚F收率下降,成本增加。高沸点的多酚杂质也可以与环氧氯丙烷反应生成环氧树脂,若杂质不经分离能合成出性能良好的环氧树脂,将简化双酚F的分离过程。因此我们改变双酚F树脂中多酚树脂的含量,并与双酚A环氧树脂共混,BPA树脂/BPF树脂=2·2(质量比),其性能结果见表3。
由表3可知,随着多酚树脂含量的增加,树脂固化物的弯曲强度和拉伸强度有所提高,而冲击强度大幅下降。因此,从保证树脂总体力学性能的角度看,多酚树脂含量应尽量减少。
2·3 正交实验设计
为了更明确地考察稀释剂含量、BPF树脂和多酚树脂含量3个因素对树脂力学性能的交互影响,我们选择了BPA树脂/稀释剂(质量比)、BPA树脂/BPF树脂(质量比)以及BPF树脂中多酚树脂含量作为因素,选定环氧树脂固化物的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度作为评价指标,进行3因素3水平的正交实验(表4),实验结果见表5。
2.4 应用STATISTICA6.0分析实验结果
应用STATISTICA6.0软件对正交试验结果进行统计分析。
2·4·1 拉伸强度
应用STATISTICA6.0根据实验结果做出各影响因素的Pareto图,见图1。
由图1可知,影响拉伸强度的主要因素为稀释剂含量和BPA树脂与BPF树脂的质量比。我们选取这两个主要因素出Surface Plot图,考察其对拉伸性能的交互影响,见图2。
由图2分析可知,适当降低稀释剂在体系中的含量,有利于拉伸强度的提高。另外,适当降低体系中BPA树脂的含量,提高BPF树脂的含量也利于拉伸强度的提高。结果表明,当BPA树脂/稀释剂(质量比)=14,BPA树脂/BPF树脂(质量比)=1·5,拉伸强度可达60MPa。
2.4.2 弯曲强度
应用STATISTICA6.0根据实验结果做出各影响因素的Pareto图,见图3。
图3可知,影响弯曲强度的主要因素为稀释剂含量和BPA树脂与BPF树脂的质量比。我们选取这两个主要因素作Surface Plot图,考察其对弯曲性能的交互影响,见图4。由图4分析可知,降低稀释剂在体系中的含量,有利于弯曲强度的提高。提高BPF树脂的含量适当降低体系中BPA树脂的含量,也利于弯曲强度的提高。结果表明,当BPA树脂/稀释剂(质量比)=12,BPA树脂/BPF树脂=2.7(质量比),弯曲强度可达90MPa以上。
2.4.3 冲击强度
应用STATISTICA6.0根据实验结果做出各影响因素的Pareto图,见图5。
由图5可知,影响冲击强度的主要因素为BPF树脂中多酚树脂含量和BPA树脂与BPF树脂的质量比。我们选取这两个主要因素作Surface Plot图,考察其对冲击性能的交互影响,见图6。
由图6分析可知,BPF树脂中多酚树脂的存在,很大程度上影响了冲击强度。尽量降低BPF树脂中多酚树脂含量,有利于冲击强度的提高,另外,适当提高BPF树脂的含量也利于冲击强度的提高。结果表明,当BPA树脂/稀释剂=14(质量比)=12,BPA树脂/BPF树脂=1·5(质量比)=12,多酚树脂含量为0时,冲击强度可达68kJ·m-2以上。
2·5 预测的环氧树脂的力学性能
正交实验的结果显示,当BPA树脂/稀释剂=8·5,BPA树脂/BPF树脂=1·4,多酚树脂含量为0时,拉伸强度和弯曲强度均可达到与HEXION公司进口树脂相当的水平,需要提高的是冲击强度。我们根据实验结果,以正交试验的三个因素A、B、C为变量,拟合出了拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的方程,如下:
拉伸强度:Y=2·317A-0·057A2-3·294B-0·091B2+18·333C-702·667C2+44·839,拟合度98·86%
弯曲强度:Y=19·337A-1·311A2+27·568B-5·416B2-58·300C+1276·667C2+34·546,拟合度99·99%。
冲击强度:Y=-5·83A+0·529A2-25·157B+5·007B2-65·833C-203·333C2+91·898,拟合度98·86%
根据这三个方程,结合Surface Plot图上预测,我们找出了提高冲击强度的方案:BPA树脂/稀释剂=13·5,BPA树脂/BPF树脂=1·6,多酚树脂=0,实验结果见表6。
实验结果表明,弯曲强度和冲击强度达到了预测值,并且优于标准样条;拉伸强度虽然没有达到预测值,但接近标准样条,误差在允许的范围内。
3 结 论
采用Statistica6.0统计软件,对由BPA环氧树脂、BPF环氧树脂以活性及稀释剂构的的复合树脂配方进行优化,结果表明:树脂固化物的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度与共混树脂体系中的稀释剂含量、BPF环氧树脂含量、以及BPF环氧树脂中多酚树脂含量的三个因素有关,其较好的工艺配方为(质量比):BPA树脂/稀释剂=13·5,BPA树脂/BPF树脂=1·6,多酚树脂=0,其共混树脂固化物的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度三项指标与HEXION公司进口树脂相当,可以满足风电叶片对树脂材料的要求。
鲁ICP备2021047099号