風力發(fā)電是重要的潔凈能源,其開發(fā)利用受到世界各國越來越多的重視。當今,風力發(fā)電向大功率、長葉片方向發(fā)展,更加凸顯出葉片材料的重要性。纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料和真空輔助浸滲技術以其效率高、成本低、質量好的優(yōu)點,成為生產(chǎn)大型葉片時材料和工藝的主流方向。真空輔助浸滲技術制備風力發(fā)電轉子葉片的關鍵是優(yōu)選浸滲用的基體樹脂,特別要保證樹脂的最佳黏度及其流動特殊性[1-2]。目前國外用于真空輔助浸滲技術的樹脂主要有Shell公司、3M公司、HEXION公司、荷蘭DSM高等復合材料中心等企業(yè)的產(chǎn)品[3-6]。國內風電葉片制造業(yè)的環(huán)氧樹脂基本依靠進口,這在很大程度上制約了風電業(yè)在國內的發(fā)展。本文選用BPA環(huán)氧樹脂、BPF環(huán)氧樹脂和活性稀釋劑的混合物為基體樹脂,以RIMH237為固化劑,在降低樹脂黏度的同時保持較好的力學性能,研制出滿足真空輔助浸滲工藝的風電葉片用復合型環(huán)氧樹脂。

1　實驗部分

1·1　原料

雙酚A環(huán)氧樹脂1460,環(huán)氧值0·52,藍星材料無錫樹脂廠;雙酚F環(huán)氧樹脂,自制,環(huán)氧值0·59;黏度,1100mPa·s;環(huán)氧稀釋劑1,4-丁二醇二縮水甘油醚,自制,環(huán)氧值0·69。

1·2　測試方法及儀器

使用NDJ-79旋轉式黏度計(同濟大學機電廠)測定樹脂黏度。使用WDT-5電子萬能試驗機測試樹脂固化物力學性能:拉伸強度參照GB/T2568-1995測試;彎曲強度參照GB/T2570-1995測試。沖擊強度參照GB/T2571-1995,使用擺錘式?jīng)_擊儀測試。

1.3　環(huán)氧樹脂的配制及固化

以雙酚A環(huán)氧樹脂、雙酚F環(huán)氧樹脂作為基體樹脂,1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為稀釋劑,混合后加入一定量的固化劑,混合均勻后,抽真空脫除氣泡,將已經(jīng)脫泡的樹脂混合物澆注于試樣模具中,40℃下固化8h,然后在80℃下固化12h,冷卻后脫模,測試其力學性能。

2　結果與討論

2·1　稀釋劑和BPF樹脂對BPA樹脂性能的影響

1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為環(huán)氧稀釋劑,能夠顯著降低環(huán)氧樹脂的黏度,很大程度上拓展了環(huán)氧樹脂的應用領域。但稀釋劑在降低樹脂黏度的同時,由于其分子的鏈狀特性,導致樹脂固化物質脆,易斷裂。為此我們考查了不同質量分數(shù)的稀釋劑對雙酚A型環(huán)氧樹脂力學性能的影響,見表1。

由表1分析可看出,單純加入稀釋劑,盡管有效地降低了樹脂黏度,但由于稀釋劑分子鏈柔性大,未能形成增強網(wǎng)絡,加入后使共混物拉伸強度和彎曲強度下降。純BPA樹脂沖擊性能較差,添加活性稀釋劑時,體系的沖擊強度更差,這是因為環(huán)氧樹脂與二縮水甘油醚不能很好地相容,無法形成一定厚度的界面層,兩相間作用力很弱,受外力沖擊時,應力無法傳遞而發(fā)生破壞。

BPF環(huán)氧樹脂作為一種新型環(huán)氧樹脂,不但具有BPA型環(huán)氧樹脂所具有的一切優(yōu)良特性,且其黏度比BPA型樹脂低4~5倍,因而應用范圍廣泛,使用過程中可減少活性稀釋劑的用量。為此,我們考查了不同質量分數(shù)的BPF環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂共混時所表現(xiàn)出的力學性能,結果見表2。

表2的結果表明,當不添加活性稀釋劑時,樹脂體系黏度依然較大。隨著BPF樹脂用量的增加,黏度顯著下降,材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度得到增加。這主要是由于BPF樹脂中的甲撐基團與BPA樹脂中的異丙撐基團有較好的相容性,從而起到較好的增韌作用。

2·2　雙酚F樹脂中多酚樹脂對共混樹脂體系性能的影響

以苯酚、甲醛為原料合成的雙酚F,因苯酚與甲醛的配比不同而含有一定量高沸點的多酚雜質,這些雜質的分離過程復雜,導致雙酚F收率下降,成本增加。高沸點的多酚雜質也可以與環(huán)氧氯丙烷反應生成環(huán)氧樹脂,若雜質不經(jīng)分離能合成出性能良好的環(huán)氧樹脂,將簡化雙酚F的分離過程。因此我們改變雙酚F樹脂中多酚樹脂的含量,并與雙酚A環(huán)氧樹脂共混,BPA樹脂/BPF樹脂=2·2(質量比),其性能結果見表3。

由表3可知,隨著多酚樹脂含量的增加,樹脂固化物的彎曲強度和拉伸強度有所提高,而沖擊強度大幅下降。因此,從保證樹脂總體力學性能的角度看,多酚樹脂含量應盡量減少。

2·3　正交實驗設計

為了更明確地考察稀釋劑含量、BPF樹脂和多酚樹脂含量3個因素對樹脂力學性能的交互影響,我們選擇了BPA樹脂/稀釋劑(質量比)、BPA樹脂/BPF樹脂(質量比)以及BPF樹脂中多酚樹脂含量作為因素,選定環(huán)氧樹脂固化物的沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度作為評價指標,進行3因素3水平的正交實驗(表4),實驗結果見表5。

2.4　應用STATISTICA6.0分析實驗結果

應用STATISTICA6.0軟件對正交試驗結果進行統(tǒng)計分析。

 

2·4·1　拉伸強度

應用STATISTICA6.0根據(jù)實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖1。

由圖1可知,影響拉伸強度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素出Surface Plot圖,考察其對拉伸性能的交互影響,見圖2。

由圖2分析可知,適當降低稀釋劑在體系中的含量,有利于拉伸強度的提高。另外,適當降低體系中BPA樹脂的含量,提高BPF樹脂的含量也利于拉伸強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑(質量比)=14,BPA樹脂/BPF樹脂(質量比)=1·5,拉伸強度可達60MPa。

2.4.2　彎曲強度

應用STATISTICA6.0根據(jù)實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖3。

圖3可知,影響彎曲強度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素作Surface Plot圖,考察其對彎曲性能的交互影響,見圖4。由圖4分析可知,降低稀釋劑在體系中的含量,有利于彎曲強度的提高。提高BPF樹脂的含量適當降低體系中BPA樹脂的含量,也利于彎曲強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑(質量比)=12,BPA樹脂/BPF樹脂=2.7(質量比),彎曲強度可達90MPa以上。

2.4.3　沖擊強度

應用STATISTICA6.0根據(jù)實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖5。

由圖5可知,影響沖擊強度的主要因素為BPF樹脂中多酚樹脂含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素作Surface Plot圖,考察其對沖擊性能的交互影響,見圖6。

由圖6分析可知,BPF樹脂中多酚樹脂的存在,很大程度上影響了沖擊強度。盡量降低BPF樹脂中多酚樹脂含量,有利于沖擊強度的提高,另外,適當提高BPF樹脂的含量也利于沖擊強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑=14(質量比)=12,BPA樹脂/BPF樹脂=1·5(質量比)=12,多酚樹脂含量為0時,沖擊強度可達68kJ·m-2以上。

2·5　預測的環(huán)氧樹脂的力學性能

正交實驗的結果顯示,當BPA樹脂/稀釋劑=8·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·4,多酚樹脂含量為0時,拉伸強度和彎曲強度均可達到與HEXION公司進口樹脂相當?shù)乃?需要提高的是沖擊強度。我們根據(jù)實驗結果,以正交試驗的三個因素A、B、C為變量,擬合出了拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度的方程,如下:

拉伸強度:Y=2·317A-0·057A2-3·294B-0·091B2+18·333C-702·667C2+44·839,擬合度98·86%

彎曲強度:Y=19·337A-1·311A2+27·568B-5·416B2-58·300C+1276·667C2+34·546,擬合度99·99%。

沖擊強度:Y=-5·83A+0·529A2-25·157B+5·007B2-65·833C-203·333C2+91·898,擬合度98·86%

根據(jù)這三個方程,結合Surface Plot圖上預測,我們找出了提高沖擊強度的方案:BPA樹脂/稀釋劑=13·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·6,多酚樹脂=0,實驗結果見表6。

實驗結果表明,彎曲強度和沖擊強度達到了預測值,并且優(yōu)于標準樣條;拉伸強度雖然沒有達到預測值,但接近標準樣條,誤差在允許的范圍內。

3　結　論

采用Statistica6.0統(tǒng)計軟件,對由BPA環(huán)氧樹脂、BPF環(huán)氧樹脂以活性及稀釋劑構的的復合樹脂配方進行優(yōu)化,結果表明:樹脂固化物的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度與共混樹脂體系中的稀釋劑含量、BPF環(huán)氧樹脂含量、以及BPF環(huán)氧樹脂中多酚樹脂含量的三個因素有關,其較好的工藝配方為(質量比):BPA樹脂/稀釋劑=13·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·6,多酚樹脂=0,其共混樹脂固化物的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度三項指標與HEXION公司進口樹脂相當,可以滿足風電葉片對樹脂材料的要求。