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风电叶片用真空导入型聚氨酯的性能分析

2016-09-21  来源:中国风力发电网  [已有0人评论]  [有偿投稿]
核心提示:真空导入工艺对所使用的树脂体系有严格的技术要求,一方面要求树脂具有合适的初始粘度、适用期和放热等工艺性能,满足叶片的实际生产需要二另一方面还要求树脂具有良好的力学性能以及与纤维的匹配性,能够尽可能提高纤维性能的转化率和最终复合材料的综合性能。
中国风力发电网讯:风电是目前最具开发与推广价值的可再生能源,近年来在世界范围内得到了快速的发展。作为捕获风能的核心部件,风电叶片在很大程度上决定了风电机组的发电效率、成本和使用寿命,因此其选材、设计与制造非常关键。由于纤维增强树脂基复合材料具有出色的耐疲劳特性和可设计性,大型风电叶片基本上都以此类材料为主体,应用真空导入工艺制造。真空导入工艺是一种先进的适合大型结构件制造的低成本成型技术,该工艺的核心是使用导流介质将树脂快速地分散到厚制件的表面,垂直浸透,固化成型,通常使用单面模具单面真空袋,具有成型效率高、污染小和质量稳定的优点。
真空导入工艺对所使用的树脂体系有严格的技术要求,一方面要求树脂具有合适的初始粘度、适用期和放热等工艺性能,满足叶片的实际生产需要二另一方面还要求树脂具有良好的力学性能以及与纤维的匹配性,能够尽可能提高纤维性能的转化率和最终复合材料的综合性能。此外该类树脂体系还要具有相对低的成本,否则市场难以接受。目前国内的风电叶片厂全部使用真空导入型环氧树脂进行大型风电叶片的制造,并且已经接近10年没有大的变化,几乎所有的树脂供应商都在提供类似性能的树脂体系。这主要是由于叶片真空导入用环氧树脂本身优良的性能和非常强的适应能力:环氧树脂本身性能稳定,适于长期储存;具有可靠而稳定的适用期,使得真空导入过程不令人担心;固化过程对环境温度和湿度不敏感,国内的车间环境完全适用;对玻纤有良好的粘接能力,能够充分发挥纤维的性能。
风电的一个重要的发展方向是不断地降低度电成本,而风电叶片是整个风电机组成本的重要组成,降低其制造成本也就成为叶片生产领域一个不变的主题。树脂技术的进步被认为是一种可以考虑的降低叶片制造成本的方向。具体的想法是通过开发新型的树脂体系来缩短叶片生产时间,提高生产效率,同时提高复合材料的性能,实现减重。聚氨酯被认为是一种潜在的可以考虑的环氧树脂替代品。与环氧树脂相比,聚氨酯树脂具有更快的反应速率和更优的粘接性能。但同时将聚氨酷应用于大型结构件的真空导入成型也是相当大的技术挑战,树脂的适用期、真空状态的适应、对水的敏感性都会是障碍。
本文针对新开发成功的真空导入型聚氨酯树脂体系进行了深入分析,应用流变仪、DSC和力学试验机等分析手段,探究了该聚氨酯树脂体系的化学流变特性、固化特性和基本力学性能,并与目标替换的环氧树脂体系进行了比对。该项研究有助于揭示目前所能获得的真空导入型聚氨树脂的性能特点,为推动风电叶片的降低成本华提供必要的科学依据。
1实验
1.1原材料
真空导入型聚氨酯树脂体系采用由拜耳材料科技(中国)有限公司提供的Bayer-78BD075/44CP20聚氨酯,简称PU;用于对比的真空导入型环氧树脂体系采用由上纬精细化工有限公司提供的2511-1ABS环氧树脂,简称EP;单向玻纤织物采用由宏发纵横新材料科技股份有限公司提供的E-L1200-ECT无屈曲单向织物。
1.2仪器与测试
等温粘度测试:利用德国HAAKE公司的Rheostress6000流变仪(采用平板系统),样品厚度为1.Omm,温度分别为20℃、30℃、,40℃;固化特性测试使用同样的设备,条件为:频率1Hz,温度从30℃以2℃/min的升温速率升温到85℃,恒温。
拉伸与压缩测试:采用Instron3382电子万能试验机,其最大载荷为100kN,夹具采用楔形剖面摩擦夹紧装置。实验时将样条放在固定位置上,保持样条的轴线与上下夹头中心线一致,控制加载速率为2mm/min,通过在样条中部安装引伸计测量其延伸率,连续加载直至样条破坏,测试数据系统自动采集并保存。浇铸体拉伸性能的测试标准为GB/T2567-2008。单向复合材料拉伸性能的测试标准为ISO5274:压缩性能测试标准为ISO14126。断面扫描电镜照片由拜耳材料科技有限公司测试并授权提供。
2结果与讨论
2.1等温粘度特性
风电叶片用真空导入型聚氨醋与环氧树脂的等温粘度曲线如图1所示。根据应用经验,选取了20℃,30℃和40℃三个温度进行了等温粘度测试。等温粘度测试结果表明,PU与EP具有类似的粘度变化规律。同一温度下,PU与EP的粘度均随时间增加而增大。不同温度下,PU和EP的初始粘度均随温度升高而降低,粘度随时间增长的速率则随温度升高而升高。这是由于不论是PU还是EP,初始粘度主要与温度相关,温度升高,树脂内部分子动能增加,促进分子间流动,分子间的作用力减弱,从而导致初始粘度降低。但温度对固化反应速率的影响也很大,温度升高,反应速率急剧升高,导致粘度随时间的增长,速率升高。
图1不同等温条件下的EP与PU的粘度变化趋势
PU与EP的区别之一在于,与EP相比,相同温度下PU的粘度增长速率更快,达到1.0Pa·s,所需的时间大约是EP的一半。这一现象与PU的高化学活性有关:聚氨酯是一种主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称,其含有的高活性的异氰酸酯基团可以与轻基快速反应二环氧树脂中含有的活泼环氧基团通常在氨基或酸酐的存在下开环聚合形成三维网状结构,活性相对较低。
PU与EP的区别之二在于,如图2所示,不同温度条件下PU的初始粘度远远低于EP。在较低的温度,如20℃条件下,PU仍保持低于IOOmPa·s的粘度,而此时EP的粘度已经超过了400mPa·s,这表明PU在较低温度下也能实现快速的树脂导入。这与其各自的化学结构有关。环氧树脂通常是低聚物,具有一定的重复单元数,而聚氨酯通常都是小分子,分子间相互作用力偏弱,宏观上更容易变形。

 
 

(来源:玻璃钢/复合材料)

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