熊高虎 周百能 符羅坪 彭 豪 王恩東 張 麗

(四川東樹新材料有限公司 四川 德陽 618000)

自2005年拜耳公司開始研發(fā)風(fēng)電葉片用聚氨酯樹脂以來，聚氨酯在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸走向市場(chǎng)。2021年株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司已經(jīng)制備出全球最長(zhǎng)的EN156型聚氨酯葉片，兼具成本和性能優(yōu)勢(shì)的聚氨酯樹脂有望成為制造風(fēng)機(jī)葉片的備選。聚氨酯風(fēng)電葉片契合了全球風(fēng)電葉片大型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，也為我國2030實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰提供了重要支撐。聚氨酯基復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用有大量的研究[1-8]，其中也包括用于風(fēng)電葉片。賈智源等[7]研究了聚氨酯和環(huán)氧樹脂在黏度特性、工藝窗口、力學(xué)性能上的差異，認(rèn)為聚氨酯灌注效率高、綜合表現(xiàn)優(yōu)異，用于制作風(fēng)電葉片潛力巨大。梁自祿等[8]對(duì)聚氨酯制備葉片過程中的除濕工藝條件進(jìn)行了詳細(xì)研究。

本研究采用自制雙組分聚氨酯樹脂制備了聚氨酯澆注試片，并與玻纖采用真空灌注方法制備了玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)，討論了聚氨酯樹脂混合流變性能及其澆注體和FRP的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與儀器設(shè)備

聚氨酯樹脂 DQ3010A/DQ3010B、環(huán)氧樹脂DQ200E/DQ204H，四川東樹新材料有限公司；聚氨酯專用玻纖(E8-UD1250、E6-UD1200和 E7-UD650型)，浙江恒石纖維基業(yè)有限公司。

MV1012型放熱峰無紙記錄儀，日本橫河電機(jī)(蘇州)有限公司；ACIC-100kN型精密電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，日本Shimadzu公司；8801-100kN疲勞試驗(yàn)機(jī)，英國Instron公司；YK-Y0196型熱變形溫度測(cè)試儀，東莞耀科儀器設(shè)備廠；真空烘箱，上海精宏試驗(yàn)儀器廠；MCR302型流變儀，奧地利安東帕公司。

1.2 純聚氨酯及環(huán)氧樹脂澆注試片的制備

聚氨酯澆注試片制備:將DQ3010A/DQ3010B按比例混合均勻，加入真空脫泡機(jī)內(nèi)，-0.095 MPa真空脫泡10 min，倒入提前準(zhǔn)備好的玻璃夾層中。室溫放置24 h后，在70～80℃烘箱內(nèi)后固化2～8 h，冷卻至室溫，取出澆注體制品切割后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

環(huán)氧樹脂DQ200E/DQ204H澆注試片的制備方法與上述方法一致，80℃烘箱內(nèi)后固化4 h。

1.3 聚氨酯FRP的制備

將裁剪好的玻纖逐層鋪設(shè)，預(yù)設(shè)好抽氣管和進(jìn)膠管，鋪好真空袋，用密封膠帶將四周密封，開啟負(fù)壓，控制平臺(tái)加熱板溫度為50℃，保持真空2 h，降溫至30℃以下。按比例稱量聚氨酯樹脂的DQ3010A和DQ3010B兩個(gè)組分，攪拌混合均勻，置于真空脫泡箱內(nèi)，保持-0.09 MPa真空脫泡20 min。取出物料后，插入真空導(dǎo)料管，開始灌注，灌注結(jié)束后開啟平臺(tái)底板溫度到50℃保持2 h，再在70℃下保持2 h，取出后按要求切割制樣。

1.4 分析與測(cè)試

樹脂澆注試片拉伸性能參照ISO527-2:2012測(cè)試；FRP力學(xué)性能參照ISO527-5:2009測(cè)試。

疲勞測(cè)試參照ISO13003:2003進(jìn)行，其中R指的是應(yīng)力(應(yīng)變)比，即一個(gè)循環(huán)內(nèi)力或應(yīng)力的最小值同最大值的比率，R＝0.1表示的是拉拉疲勞，R＝-1代表拉壓疲勞；m代表應(yīng)力S與應(yīng)力循環(huán)數(shù)N取對(duì)數(shù)后的斜率，m值越大，表明材料的抗疲勞性越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯樹脂混合料黏度變化研究

圖1為在不同溫度條件下采用流變儀測(cè)試的雙組分聚氨酯混合料的黏度變化曲線。

圖1 不同溫度下聚氨酯混合料黏度變化曲線

由圖1可知，溫度越高，聚氨酯混合料初始混合黏度越低，反應(yīng)也越快。如以混合料黏度達(dá)到600 mPa·s作為標(biāo)準(zhǔn)，可以看出30℃下混合料凝膠時(shí)間可達(dá)120 min，此溫度既可獲得較低的灌注黏度又可保持較長(zhǎng)的凝膠時(shí)間，是葉片灌注的最佳參考溫度。

圖2為聚氨酯樹脂兩組分混合1 min時(shí)黏度隨環(huán)境溫度的變化曲線。

圖2 兩組分混合1 min時(shí)黏度隨溫度的變化曲線

由圖2可見，25℃時(shí)聚氨酯樹脂混合料黏度約為70 mPa·s，即便是在10℃的低溫下，聚氨酯樹脂混合料依然保持較低的黏度，約為230 mPa·s，具備良好的灌注工藝性能。

2.2 聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱行為研究

圖3是不同水浴溫度下100 g聚氨酯樹脂混合料的凝膠放熱曲線。圖4是在空氣氛圍下不同環(huán)境溫度時(shí)，100 g聚氨酯樹脂混合料的凝膠放熱曲線。

圖3 水浴條件下聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱曲線

圖4 空氣氛圍下聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱曲線

由圖3可見，在水浴環(huán)境下混合樹脂凝膠時(shí)間由25℃的350 min縮短至50℃的30 min，水浴溫度可以有效調(diào)節(jié)灌注不同部位時(shí)的操作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

由圖4可知，在空氣氛圍下的凝膠時(shí)間總體短于水浴環(huán)境下，這是因?yàn)樗r(shí)介質(zhì)水能帶走熱量。在空氣氛圍下25℃凝膠時(shí)間為120 min，混合樹脂的凝膠時(shí)間隨溫度變化可以在30～120 min之間調(diào)節(jié)，按通常模具溫度在25～30℃計(jì)算，混合樹脂可具有90～120 min的有效灌注時(shí)間，由于聚氨酯樹脂混合料黏度僅60～70 mPa·s，黏度低、流速快，可滿足大型風(fēng)電葉片的灌注。

2.3 聚氨酯澆注試片的熱變形測(cè)試

圖5是制備的聚氨酯澆注試片在不同后固化溫度時(shí)測(cè)得的熱變形溫度數(shù)據(jù)。

圖5 不同后固化溫度下聚氨酯樹脂的熱變形溫度

由圖5可知，70℃進(jìn)行后固化2 h，測(cè)試得到的熱變形溫度即可達(dá)到72℃，后固化4 h可達(dá)78℃，達(dá)到了現(xiàn)行葉片設(shè)計(jì)熱變形溫度65℃以上的要求。若按照現(xiàn)在葉片廠灌注環(huán)氧樹脂的固化條件80℃固化4 h，則聚氨酯熱變形溫度可以達(dá)到90℃，超出設(shè)計(jì)要求38%。這充分證實(shí)聚氨酯具有后固化溫度低、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在葉片制造過程中可以提高效率，降低能耗。更好的耐熱表現(xiàn)可以給葉片設(shè)計(jì)留出更多的余量。

2.4 澆注試片的力學(xué)性能

為了驗(yàn)證聚氨酯和環(huán)氧樹脂在不同溫度下的力學(xué)性能表現(xiàn)，本研究分別對(duì)這兩種澆注試片在常溫23℃、高溫50℃和低溫-40℃的拉伸性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下聚氨酯和環(huán)氧樹脂澆注試片的力學(xué)性能

由表1可知，聚氨酯樹脂澆注試片常溫23℃時(shí)拉伸強(qiáng)度接近90 MPa，模量3.72 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率在5%以上，比環(huán)氧樹脂澆注試片拉伸強(qiáng)度高出31.7%，模量高出24.4%。高溫50℃時(shí)聚氨酯澆注體表現(xiàn)依然良好，各指標(biāo)均高于同條件下的環(huán)氧樹脂。低溫-40℃時(shí)，聚氨酯澆注試片拉伸強(qiáng)度比環(huán)氧樹脂高46.9%，模量高出2.2%，斷裂伸長(zhǎng)率高出18%。這些數(shù)據(jù)說明所采用的聚氨酯材料的力學(xué)性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂。

2.5 FRP性能研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證制品的綜合性能，測(cè)試了由聚氨酯樹脂與不同玻纖制得的FRP的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果見表2。

表2 聚氨酯樹脂與不同玻纖制得FRP的力學(xué)性能

由表2可知，采用3種型號(hào)的玻纖布制得的聚氨酯FRP的0°方向(平行于玻纖纖維方向)拉伸強(qiáng)度均在1 000 MPa以上，模量分別為48.12 GPa、45.75 GPa和 41.69 GPa；90°方向(垂直于玻纖纖維方向)拉伸強(qiáng)度均在52 MPa以上，完全滿足現(xiàn)行風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)要求。R＝0.1的拉拉疲勞m值均在10以上，選用E6-UD1200玻纖時(shí)，聚氨酯FRP的拉拉疲勞m值為10.68，而同型號(hào)的玻纖采用環(huán)氧樹脂灌注的疲勞m值為10.15[9]，聚氨酯FRP的高出約5%。二者相比，聚氨酯具有更好的耐疲勞性。不同類型玻纖在R＝-1時(shí)拉壓疲勞測(cè)試表明，m值均在11以上，具有良好的抗疲勞性。

3 結(jié)論

(1)對(duì)自主開發(fā)的DQ3010系列風(fēng)電葉片灌注聚氨酯樹脂性能進(jìn)行分析，該樹脂體系常溫水浴25℃的凝膠時(shí)間可達(dá)350 min，空氣25℃凝膠時(shí)間為120 min，25℃時(shí)的混合黏度僅為70 mPa·s。

(2)聚氨酯澆注試片在70℃時(shí)進(jìn)行后固化2 h，熱變形溫度即可達(dá)到72℃，80℃后固化4 h，熱變形溫度可達(dá)到90℃；-40℃、23℃和50℃下拉伸性能均高于現(xiàn)用環(huán)氧樹脂。

(3)聚氨酯樹脂與3種玻纖布 E8-UD1250、E6-UD1200、E7-UD650通過制作FRP復(fù)合材料進(jìn)行匹配性測(cè)試，聚氨酯FRP的0°方向的拉伸強(qiáng)度均在1 000 MPa以上，90°方向的拉伸強(qiáng)度均在52 MPa以上，拉拉疲勞m值在10以上，拉壓疲勞m值均在11以上，具有良好的機(jī)械性能和耐疲勞性。