于雪梅，劉曉燕，孫立，田豐，曹程溪，馮立超

(1.江蘇海洋大學 機械與海洋工程學院，江蘇 連云港 222005；2.連云港市科技情報研究所，江蘇 連云港 222005)

由于環(huán)氧樹脂原料遍及世界各地，產(chǎn)量占環(huán)氧樹脂(也稱為通用型環(huán)氧樹脂)消耗量的80%以上。在物理、化學因素作用下能夠保持原有的穩(wěn)定性能，機械性能良好，以及具有室溫固化、操作方便和收縮率低等優(yōu)點，已普遍應用于許多行業(yè)，來替代傳統(tǒng)的金屬材料[1-2]。在風力發(fā)電行業(yè)，風電葉片的制造過程中用于澆注的樹脂在室內進行，真空澆注時由于相對大氣壓的負壓存在，最初溶解在環(huán)氧樹脂中的氣體，在制造過程中出現(xiàn)沉淀和聚集，生產(chǎn)的葉片出現(xiàn)氣孔(或半干沙)[3]，導致葉片各部位力學性能衰減，同時抵抗水破壞能力、抗老化性和抗疲勞性變差[4-5]，嚴重影響產(chǎn)品質量，提高了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。脫泡技術在一些工業(yè)領域的應用不勝枚舉[6]。目前，環(huán)氧樹脂脫泡的方法主要有化學法和物理法。本文探討了風電葉片用環(huán)氧樹脂復合材料氣泡的成因，對比分析了不同環(huán)氧樹脂脫泡技術的優(yōu)劣，以便為風電葉片用環(huán)氧樹脂脫泡技術的研究和推廣提供幫助。

1 氣泡的理論建模分析

氣泡通常是氣體高度分布到液體中形成的體系。由于氣液兩相密度不同，氣泡受浮力上升時，因重力產(chǎn)生壓差，液膜變薄，最終使氣泡破裂形成氣體[7]。除壓力外，液體粘度、表面張力和密度等也是影響氣泡生成的因素。Vincent F Cheerier[8]發(fā)現(xiàn)，在曳力作用下，氣泡由于內部壓力上升到液面并向外脹大破碎時不能持續(xù)發(fā)展，只有當張力足夠大時才破裂成氣體[9]。Kendoush A A[10]給出了氣泡破裂曳力系數(shù)的預測公式。通常假定氣泡為球體，并且上升運動符合牛頓流體[11]。氣泡受力可以參考Navier-Stokes方程，上浮過程的受力分析見圖1。

氣泡的上升速度V由多種因素決定：

(1)

式中V——氣泡的上升速度,m/s；

ρ——原液密度,kg/m3；

ρ0——氣泡密度,kg/m3；

d——氣泡直徑,m；

g——重力加速度,m/s2；

δ——矯正值；

η0——氣泡動力粘度,Pa·s；

η——原液動力粘度,Pa·s。

圖1 氣泡在環(huán)氧樹脂中受力分析

可知，影響氣泡排出因素的氣泡運動速度由氣泡的大小以及環(huán)氧樹脂的動力粘度決定。常溫下環(huán)氧樹脂表面氣泡的情況見圖2。

圖2 環(huán)氧樹脂表面的氣泡

2 氣泡形成的原因

將理論模型與環(huán)氧樹脂的實際生產(chǎn)過程相結合，可以發(fā)現(xiàn)以下因素可能是造成氣泡存在的直接原因[12-13]：

(1)環(huán)氧樹脂中氣泡多且出現(xiàn)聚集連接現(xiàn)象，不易快速消除；

(2)環(huán)氧樹脂粘度高導致阻力過大，氣泡運動速度慢來不及排出；

(3)現(xiàn)場管理和調度的影響增加了灌注時間，不利于氣泡排出；

(4)部件泄漏，或高速攪拌和加入添加劑時，空氣進入物料產(chǎn)生氣泡；

(5)輸送過程中，壓力或溫度的變化產(chǎn)生氣泡。

3 脫泡方法研究現(xiàn)狀

目前，工業(yè)上對環(huán)氧樹脂進行脫泡有兩種方法：(1)向溶液里面添加消泡劑，降低氣泡的穩(wěn)定性，使氣泡破裂;(2)采用物理脫泡方式，利用氣液兩相密度不同，氣泡能上升到液面而被清除。

3.1 消泡劑脫泡

消泡劑是破壞氣泡周圍表面活性劑雙電層的一種化學助劑，降低氣泡壁穩(wěn)定性，使氣泡破裂釋放出包裹氣體[14]。根據(jù)化學成分不同可分成許多種類[15]。環(huán)氧樹脂中往往采用聚硅氧烷類。某款產(chǎn)品使用0.3%～0.5%硅烷類，并配合抽真空，產(chǎn)品優(yōu)良率由原來93%～92%提高到99.5%[16]。其消泡劑脫泡過程可劃分成脫泡和消泡兩個過程[17]。作用原理見圖3。

圖3 消泡劑作用原理圖

3.2 離心脫泡

物質作圓周運動，在慣性力作用下依靠離心力場中粒子移動速度或高分子物質的密度不同，進行分離和凈化提純。

王德祥等[18]發(fā)明專利中將樹脂放入提籃式離心機中。離心條件：離心半徑10～20 cm，轉速400～600 r/min，1～2 min后取出，水平放置，常溫固化。陳凱等[19]通過大量試驗探索出高溫離心脫泡的最優(yōu)方案(轉速2 400 r/min，時間25 min)，其結構見圖4，離心機高速旋轉加速膠液中顆粒沉降，同時設置外部高溫環(huán)境，分離膠液中的空氣，試驗表明，此方案滿足技術要求。

圖4 高溫離心設備結構圖[19]

3.3 真空靜置脫泡

真空靜置脫泡是將裝有混合樹脂的密閉容器進行抽真空，靜置一段時間后，氣泡自動膨脹溢出表面。對于一些脫泡要求不太高的聚合物的加工，傳統(tǒng)上采用真空靜置脫泡[20]。

魏秀斌[21]針對企業(yè)使用的脫泡箱生產(chǎn)成本高昂、清洗麻煩、每次脫泡的樹脂量有限等問題，設計了一種實用新型涉及風力(特別是兆瓦級)發(fā)電機葉片成型技術的裝置，見圖5。提高了灌注質量。

圖5 靜止脫泡[20]

3.4 真空薄膜脫泡

真空薄膜脫泡原理：(1)使流體成膜，沿著容器壁向下流動；(2)對容器抽真空，由于壓力降低氣泡膨脹、上升與原液分離。

馮梅琳等[22]提出了一種實用型在線脫泡裝置(圖6)，利用薄膜脫泡原理將脫泡器放在脫泡罐中。經(jīng)分析，此裝置增加了脫泡時間，提高了效率，達到了完全脫泡的效果。

3.5 真空攪拌脫泡

劉曉波等[23]對高粘度液體真空攪拌脫泡理論分析計算得出，真空攪拌脫泡過程關鍵是在液體表面進行，生產(chǎn)時應首先關注主流體重復出現(xiàn)在液體表面的頻率和阻滯時間。紀軍等[24]專利中提出一種用于制備風力發(fā)電葉片的混合樹脂真空脫泡裝置(圖7)，通過真空攪拌消除在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣泡，改善產(chǎn)品質量，減少次品維修率，進而提高生產(chǎn)效率。

圖6 一種實用型在線脫泡裝置脫泡罐部分[22]

圖7 真空攪拌脫泡[24]

幸志剛[25]發(fā)明了在攪拌裝置的主軸上安裝滑動浮板，浮板上開通氣孔，浮板下方設有浮子，浮板下方還裝有多個尖刺。使用時浮子支撐的浮板可隨液位上升下降，隨時處于液體表面，同時浮板下方的尖刺可以有效刺破液體表面的氣泡，從而有效的防止氣泡堆積，大大提高了脫泡效率。

3.6 超聲波脫泡

在超聲波的刺激下，液體中的微小氣泡活躍，隨聲波的稀疏相和壓縮相發(fā)展又迅速破裂[26]，產(chǎn)生高速的空化微射流，將聚集起來的聲能量瞬間釋放，并伴有高溫、高壓和高速微射流等一系列現(xiàn)象的動力學過程[27-29]。

鄭媛心等[30]通過聯(lián)合超聲波和機械攪拌分散的方法生產(chǎn)了環(huán)氧樹脂/NIA復合材料。分析了產(chǎn)品加工時，超聲波脫泡、真空脫泡及消泡劑對脫泡結果的影響。

試驗表明，超聲波脫泡不能提高脫泡效果，真空脫泡和消泡劑可以達到預期目的。

4 脫泡方式對比分析

幾種環(huán)氧樹脂脫泡技術的對比分析見表1。

表1 脫泡技術比較Table 1 Comparison of defoaming techniques

5 結束語

(1)從理論上闡明了環(huán)氧樹脂中氣泡的受力情況和脫泡的影響要素。脫泡效率由其運動速度和離表面的距離決定，而運動速度由氣泡尺寸和環(huán)氧樹脂的動力粘度決定。

(2)根據(jù)環(huán)氧樹脂產(chǎn)生的氣泡的實際情況，分析了風電葉片用環(huán)氧樹脂產(chǎn)生氣泡的原因。

(3)對消泡劑脫泡、離心脫泡、真空靜置脫泡、真空薄膜脫泡、真空攪拌脫泡和超聲波脫泡的機理進行分析，它們均能起到減少或消除氣泡的作用，有利于氣泡迅速溢出，從而減少表面氣孔的出現(xiàn)。