別春華 （天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300456）

淺談葉片用環(huán)氧樹脂的固化

別春華 （天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300456）

環(huán)氧樹脂憑借其優(yōu)異的理化性能，成為風力發(fā)電機葉片生產(chǎn)的主要材料之一。但環(huán)氧樹脂在固化過程中的集中放熱、收縮應力等固有缺點一直困擾著葉片的生產(chǎn)制造。經(jīng)過長期摸索，從熱源溫度控制、保溫和降溫措施等方面著手，較好的解決了放熱及固化收縮這一問題，提高了葉片質(zhì)量。

復合材料 環(huán)氧樹脂 固化 收縮

0 引言

環(huán)氧樹脂作為三大熱固性樹脂之一，憑借著其優(yōu)良的物理機械和電絕緣性能，與各種材料的粘接性能，以及使用工藝的靈活性，被廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領域，尤其是對綜合性能要求非常高的場所。隨著風力發(fā)電越來越多的被人們所重視，風力發(fā)電機葉片制造行業(yè)也開始逐步興起。作為大型葉片主要原材料之一的環(huán)氧樹脂開始被大規(guī)模地應用于葉片制造中。

環(huán)氧樹脂雖然綜合性能非常卓越，但也有它的不足之處。比如環(huán)氧固化物的收縮與內(nèi)應力，對于葉片成型制造來說是非常不利的。環(huán)氧樹脂在固化和使用過程中，由于樹脂的交聯(lián)以及溫度的變化等原因，都會產(chǎn)生收縮。當收縮不均勻時，就會在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力。內(nèi)應力能夠引起制品尺寸及外形的變化和翹曲，或在材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，大大降低材料的性能，甚至會導致材料被破壞。本文主要是對葉片制造過程中因環(huán)氧樹脂固化所產(chǎn)生的問題做一些探討。

1 實驗過程

1.1 葉根收縮原因分析

風電葉片殼體通常分為葉根區(qū)和非葉根區(qū)。非葉根區(qū)由于鋪層較少，灌注完成后單位體積所含樹脂總量相對較低，固化放熱較低，外形變化及內(nèi)應力都很小，這里不做過多討論。葉根區(qū)鋪層較厚一般在80～110 mm之間，固化時放熱量非常大，固化溫度高，很容易產(chǎn)生固化收縮變形及內(nèi)應力。目前，大多數(shù)葉片制造廠家生產(chǎn)葉片時，葉根還是采用與殼體同步灌注成型的生產(chǎn)方式（非預制法），這種同步灌注固化對葉根整體質(zhì)量的提高是很有幫助的。但是，如果固化工藝不合理的話，往往會導致葉片根部與模具分離開來，也就是通常所說的離模。對葉片結構有一定了解的人應該知道，1.5 WM級風力發(fā)電機葉片由兩個半模膠合而來，葉根纖維布鋪層厚度一般在90 mm以上，而葉根半周長約為2.95 m，在半圓形的弧面上，該收縮會以離模的形式表現(xiàn)出來，葉根收縮示意圖如圖1所示：

通過觀察發(fā)現(xiàn)，葉根處固化溫度過高時往往會導致離?，F(xiàn)象的產(chǎn)生。圖2是一組升溫速率10℃/h、設定固化溫度為50℃的殼體預固化加熱及放熱曲線（葉根未施加保溫措施）。

由圖2不難看出，電加熱開啟約3 h后，葉根被加熱至50℃，自身反應放熱加劇，4.5 h后達到放熱峰值（反饋溫度約75℃），表面溫度會達到80℃。若在表面覆蓋一層棉被，放熱峰可以達到110℃。研究表明，放熱峰值高是由于反應過于劇烈，而反應釋放出來的熱量無法及時散發(fā)出去，熱量的積累再次加劇了反應的進行，蓋保溫棉被會阻礙熱量的散發(fā)。大量事實表明，放熱峰值越高，葉根出現(xiàn)離模的概率也就越大。但離模究竟是怎么產(chǎn)生的呢？可以通過樹脂固化過程中的膨脹與收縮行為來尋找答案。

樹脂在固化過程中因交聯(lián)和溫度的變化會產(chǎn)生脹縮，其體積變化如圖3所示。Tr表示室溫，Tc表示固化溫度，Tg表示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。A為體系初始體積，B為體系受熱膨脹后的體積，C表示凝膠點，D表示體系進入高彈態(tài)的體積，E表示體系進入玻璃態(tài)的體積。從A到B為體系熱膨脹，為反應溫度下的反應收縮，或稱為聚合收縮，D到E為高彈態(tài)收縮，E到F為玻璃態(tài)收縮。AF表示固化體系固化前后在室溫下的體積變化。樹脂體系處于液態(tài)時，大分子是自由的，它與纖維表面的相對位置尚未固定，因此不會產(chǎn)生內(nèi)應力。只有當樹脂凝膠形成網(wǎng)絡結構后的收縮才會產(chǎn)生內(nèi)應力，主要是環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的線脹系數(shù)差別較大導致的。研究表明，內(nèi)應力主要產(chǎn)生在玻璃態(tài)收縮過程中。當Tg值與室溫溫差增大時，高彈態(tài)的收縮率縮小，玻璃態(tài)收縮率會相應的增大，導致內(nèi)應力增加。固化溫度在60～120℃之間變化時，環(huán)氧固化物的Tg值會隨著固化溫度的升高而快速增大，內(nèi)應力也相應增加。結合圖1，就不難明白為什么固化溫度過高會導致葉根離模了。

葉根固化溫度過高會導致離模，對葉片的生產(chǎn)是有害的，在實際生產(chǎn)過程中應該盡可能避免葉根溫度過高的情況發(fā)生。經(jīng)過實驗，從升溫速率和保溫控制上做了改進。

1.2 葉根收縮對比試驗

1.2.1 相同加熱曲線、不同保溫措施 第一組曲線為相同固化程序，掀開保溫棉被的時間不同。圖4a為最初覆蓋保溫棉被，當殼體表面溫度高于50℃時去除保溫棉被；而圖4b為整個固化過程都覆蓋保溫棉被。

通過數(shù)據(jù)圖對比，結合實測測溫，發(fā)現(xiàn)未覆蓋保溫棉被的一側(cè)（4a）整個固化過程實測最高溫度為70℃，固化完全；葉根切割完畢后沒有發(fā)現(xiàn)離?，F(xiàn)象。覆蓋過保溫棉被的一側(cè)（圖4b）實測最高溫度為97℃，固化完全。葉根冷卻后切割，葉根與模具離模，0～1.2 m平均離模間隙為5 mm。

1.2.2 相同保溫措施、不同加熱曲線 第二組曲線為都不覆蓋保溫棉被，圖4c升溫速率為10℃/h，最終溫度為50℃；圖4d升溫速率為20℃/h，最終溫度為50℃。

結合實測測溫，發(fā)現(xiàn)升溫速率較慢的葉根（4c）最高溫度為68℃，固化時間為7 h，固化完全；葉根切割完畢后沒有發(fā)現(xiàn)離?，F(xiàn)象。升溫速率較高（4d）的葉根，實測最高溫度為93℃，固化完全。葉根冷卻后切割，葉根與模具離模，0～1.2 m平均離模間隙為3.5 mm。

2 結論

通過上述兩組實驗，結合樹脂固化時的膨脹與收縮理論，基本確定了實際生產(chǎn)過程中，熱源溫度控制、保溫降溫措施是影響葉根離模的兩個重要外界因素。根據(jù)實驗，制定了相應的固化工藝，在保證葉根按時固化的前提下，適當調(diào)低葉根的固化溫度及升溫速率，同時明確了葉根棉被的覆蓋準則。經(jīng)過一段時間的驗證，固化效果正常，離?，F(xiàn)象基本消除。

環(huán)氧樹脂的應力收縮不是只出現(xiàn)在葉根和葉片制作當中，它普遍存在葉片制作的整個過程中。對于那些看不見的收縮同樣需要引起重視。這些都有待去進一步的研究并解決?！?/p>

[1]王德中.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001：464-469.

2012-05-09