賈宇婷，楊 忠，劉鮮紅，龍朝勇，張洪銘，王朋飛

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，復(fù)合材料逐漸成為主導(dǎo)材料。復(fù)合材料是由 2種或 2種以上性能不同的材料構(gòu)成的。在風(fēng)電行業(yè)內(nèi)使用的主要是以玻璃纖維作為增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料[1]，其具有優(yōu)異的性能，包括重量輕、耐腐蝕、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)[2]。玻璃纖維分為無(wú)堿、中堿、高堿、耐堿等，風(fēng)電行業(yè)中生產(chǎn)使用的無(wú)堿玻璃纖維織物是目前應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維，主要原因是其具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能。風(fēng)電葉片通常工作在高山、海洋等風(fēng)速較大的位置，工作環(huán)境較為惡劣，采用無(wú)堿玻璃纖維織物作為增強(qiáng)材料，不僅具有良好的絕緣性能，而且具有優(yōu)良的機(jī)械性能，適用于較為惡劣的環(huán)境。隨著不可再生能源日益減少，風(fēng)作為自然界的產(chǎn)物，是清潔無(wú)公害的再生能源，因此，風(fēng)能逐漸被社會(huì)發(fā)展所認(rèn)可，風(fēng)力發(fā)電逐漸出現(xiàn)在人類的生活中?！半p碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的建立加快了不可再生能源到可再生能源的轉(zhuǎn)型，風(fēng)力發(fā)電迎來(lái)了快速發(fā)展的機(jī)遇。

玻璃纖維作為樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其含量越高，靜態(tài)性能越好[3]，生產(chǎn)過(guò)程中滿足工藝灌注要求的前提下，減小樹(shù)脂用量可提高產(chǎn)品性能[4]。隨著風(fēng)電平價(jià)時(shí)代的來(lái)臨，制造成本成為首要考慮因素。纖維織物與樹(shù)脂是風(fēng)電葉片的主要材料，由于纖維織物的價(jià)格低于樹(shù)脂的價(jià)格，使降低樹(shù)脂用量成為降本的重要任務(wù)。本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是研究影響纖維織物吸膠量的重要因素，目的是給風(fēng)電葉片的降本提供可靠依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方案

本實(shí)驗(yàn)所用的材料如表1所示。

表1 材料信息Tab.1 Material information

實(shí)驗(yàn)方案：分析影響纖維織物吸膠量的重要因素；制備不同編織工藝的纖維織物；采用真空灌注工藝分別將不同工藝的纖維織物制備成樹(shù)脂基復(fù)合材料；記錄產(chǎn)品使用的樹(shù)脂用量；進(jìn)行工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 分析影響纖維織物吸膠量的影響因素

玻璃纖維是無(wú)機(jī)材料，而風(fēng)電葉片生產(chǎn)中使用環(huán)氧樹(shù)脂，所以需要通過(guò)浸潤(rùn)劑將樹(shù)脂和纖維進(jìn)行連接。浸潤(rùn)劑是一種表面處理劑，這種涂覆物既能有效潤(rùn)滑玻璃纖維表面，又能將數(shù)百根乃至數(shù)千根玻纖單絲集成一束，還能改變玻璃纖維的表面狀態(tài)，這樣不僅滿足了玻纖原絲后道工序加工性能的要求，而且在復(fù)合材料中還能促進(jìn)玻璃纖維與被增強(qiáng)的高分子聚合物的結(jié)合。其作用有：①潤(rùn)滑保護(hù)作用；②粘結(jié)集束作用；③防止玻璃纖維表面靜電電荷的積累；④為玻璃纖維提供進(jìn)一步加工和應(yīng)用所需要的特性；⑤使玻璃纖維獲得與基材良好的相容性及界面化學(xué)結(jié)合或化學(xué)吸附性能。這里的基體在風(fēng)電行業(yè)中指的是樹(shù)脂，也就是說(shuō)浸潤(rùn)劑可以增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂的結(jié)合能力。

為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，實(shí)驗(yàn)使用的纖維織物使用的浸潤(rùn)劑一致；同時(shí)，玻璃纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料在制備過(guò)程中會(huì)受人為操作和模具影響。為防止人員操作問(wèn)題和模具差異的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中灌注、成型工藝均保持一致，同時(shí)使用同一模具。

通過(guò)分析，纖維織物吸膠量主要受纖維織物編織工藝的影響。就本實(shí)驗(yàn)選擇的單向布而言，單向布為保證織物的成型性，一般都會(huì)在 90°方向增加緯向紗來(lái)固定結(jié)構(gòu)，所以緯向紗的編織工藝影響纖維織物的吸膠量；另外，纖維織物的線圈長(zhǎng)度以及編織過(guò)程中布卷的收卷張力和捆綁紗張力都會(huì)影響纖維織物的吸膠量。

2.2 90°緯紗編織工藝對(duì)纖維織物吸膠量的影響

實(shí)驗(yàn)選取 2種不同 90°緯紗編織工藝的單向布，分別是襯緯工藝和襯布工藝。襯緯工藝是在編織纖維織物的過(guò)程中縫編機(jī) 90°自行掛紗，而襯布工藝是將已經(jīng)編織好的網(wǎng)格布在編織過(guò)程中和 0°紗一起編織結(jié)合在一起。

襯緯工藝由于是將緯紗和纖維織物一起編織而成，緯紗不易移位，纖維織物抗變形能力強(qiáng)；但襯緯工藝中如果緯紗克重小，90°方向紗的間隙便難以控制，從而導(dǎo)致緯紗間隙不均。襯布工藝是將網(wǎng)格布和纖維織物二次編織而成，因此，襯布的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，緯紗分布較為均勻，但是由于網(wǎng)格布的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，在編織過(guò)程中容易發(fā)生移位；另外，襯布是由 0°和90°紗線編織一起，因此，襯布的厚度會(huì)較襯緯大。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

選取 2種不同 90°緯紗工藝的纖維織物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，樣品的線圈長(zhǎng)度和克重相同。首先將織物分別裁成 20塊相同大小的樣塊，然后通過(guò)真空灌注工藝制備成玻璃鋼層合板。為保證樹(shù)脂用量的精準(zhǔn)度，實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算實(shí)際樹(shù)脂用量為準(zhǔn)，即：

表2是不同 90°緯紗工藝?yán)w維織物的吸膠量結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用襯布工藝生產(chǎn)的纖維織物的吸膠量比襯緯工藝生產(chǎn)的纖維織物吸膠量大，主要是由于襯布工藝采用的是網(wǎng)格布，網(wǎng)格布的空隙較大，灌注時(shí)樹(shù)脂有充足的灌注流道以及存儲(chǔ)空間。因此，襯布工藝的纖維織物和吸膠量較多。

表2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab.2 Data from lab tests

2.2.2 工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于受實(shí)驗(yàn)條件、操作人員和操作手法的限制，測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)與正常生產(chǎn)使用時(shí)存在誤差，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，通過(guò)葉片生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選擇某一葉型風(fēng)電葉片的主梁帽進(jìn)行，生產(chǎn)工藝完全按照這一葉型工藝要求進(jìn)行灌注成型?，F(xiàn)場(chǎng)灌注情況如表3所示，可以看出灌注后產(chǎn)品質(zhì)量良好。

表3 現(xiàn)場(chǎng)工藝情況Tab.3 Use of process on site

實(shí)驗(yàn)葉片的現(xiàn)場(chǎng)工藝灌注樹(shù)脂用量結(jié)果如表 4所示。襯布工藝?yán)w維織物比襯緯工藝?yán)w維織物吸收樹(shù)脂量多91kg，脫模后重量多98kg左右，結(jié)果偏差不大。工藝灌注結(jié)果雖然樹(shù)脂含量較小樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果大，經(jīng)過(guò)分析，其主要原因是現(xiàn)場(chǎng)工藝與實(shí)驗(yàn)室工藝存在偏差，但規(guī)律上灌注結(jié)果驗(yàn)證了上述小樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即襯布工藝的纖維織物吸膠量大于襯緯工藝?yán)w維織物的吸膠量。

表4 工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of process experiment

2.3 線圈長(zhǎng)度對(duì)纖維織物吸膠量的影響

由于上文 2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)中襯布工藝?yán)w維織物的吸膠量較多，為解決這一問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整線圈長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)纖維織物的吸膠量。線圈長(zhǎng)度是每一針的距離，線圈長(zhǎng)度與針織物的密度有關(guān)，針織物的線圈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，單位面積針織物內(nèi)的線圈數(shù)越少，即針織物的密度越小，針織物越稀薄。若針織物的線圈長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則線圈中的曲率半徑較大，力圖保持紗線彎曲變性的力較小，而且紗線之間的接觸點(diǎn)較少，故紗線之間的摩擦力也較小。因此，針織物容易變形，尺寸穩(wěn)定性和彈性較差，強(qiáng)度也較低，脫散性較重。也就是說(shuō)線圈長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，針織物的耐磨性、抗起毛起球性和抗鉤絲性等都較差。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取線圈長(zhǎng)度 5.0、4.5、4.0mm 的纖維織物進(jìn)行本次研究。實(shí)驗(yàn)所用纖維織物尺寸、層數(shù)、灌注工藝同 2.2節(jié)一樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 5所示。結(jié)果顯示線圈長(zhǎng)度越大，樹(shù)脂用量越多。主要原因是線圈長(zhǎng)度越小，纖維織物間的空隙越小，適當(dāng)增加紗束間的縫隙將降低織物層內(nèi)整體的空隙率。這樣就提高了樹(shù)脂在織物中的流動(dòng)速度，可降低樹(shù)脂在織物間的滯留時(shí)間，減少樹(shù)脂在織物內(nèi)部的飽和現(xiàn)象，從而降低了纖維織物的吸膠量。

表5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab.5 Data from lab tests

2.3.2 工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，線圈長(zhǎng)度4.5mm和4.0mm的樹(shù)脂用量差不多，分析其中原因和為驗(yàn)證小樣件測(cè)試結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)在葉片主梁帽生產(chǎn)中加以驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)選擇某一葉型風(fēng)電葉片的主梁帽進(jìn)行，生產(chǎn)工藝完全按照這一葉型工藝要求進(jìn)行灌注成型。表 6是現(xiàn)場(chǎng)工藝使用情況，從纖維織物外觀來(lái)看，線圈長(zhǎng)度大，纖維織物的成型性差；另外，從鋪層工藝看，線圈長(zhǎng)度小，纖維鋪層時(shí)容易發(fā)生卷邊情況，不利于鋪層工序的開(kāi)展。所以實(shí)驗(yàn)中線圈長(zhǎng)度 4.5mm為最佳線圈長(zhǎng)度，其既可以降低樹(shù)脂用量，同時(shí)也可以保證操作方便。

表6 現(xiàn)場(chǎng)工藝情況Tab.6 Use of process on site

實(shí)驗(yàn)葉片所用灌注樹(shù)脂用量結(jié)果如表 7所示。結(jié)果顯示線圈長(zhǎng)度 5.0mm和 4.5mm纖維織物的樹(shù)脂用量規(guī)律與上述小樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但線圈長(zhǎng)度4.0mm 纖維織物的樹(shù)脂用量劇增，分析其中原因是由于纖維織物卷邊嚴(yán)重，纖維織物層與層之間的間隙較大，導(dǎo)致主梁帽的整體空隙率增大，從而導(dǎo)致線圈長(zhǎng)度4.0mm纖維織物的樹(shù)脂用量增多。

表7 工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of process experiment

綜上，通過(guò)小樣件實(shí)驗(yàn)和大樣件實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，雖然線圈長(zhǎng)度越小，纖維織物的吸膠量越少，但是過(guò)小的線圈長(zhǎng)度會(huì)影響纖維織物的外觀及織物平整度，從而影響鋪層效果，最終導(dǎo)致纖維織物的吸膠量增加。因此，選擇合適的線圈長(zhǎng)度纖維織物可以有效降低樹(shù)脂用量。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以得出，90°緯紗編織工藝和線圈長(zhǎng)度會(huì)影響纖維織物的吸膠量。90°緯紗采用襯緯工藝會(huì)降低纖維織物的吸膠量，主要原因是襯緯工藝的空隙率低，樹(shù)脂存儲(chǔ)空間??；線圈長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)纖維織物的吸膠量，主要是通過(guò)空隙率調(diào)節(jié)樹(shù)脂用量，但調(diào)節(jié)纖維織物的線圈長(zhǎng)度需要適量，并保證纖維織物工藝適用性。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)和結(jié)論得出可以通過(guò)調(diào)整編織工藝的差異來(lái)控制纖維織物或制備樣件內(nèi)部的空隙率，纖維織物或制備樣件內(nèi)部的空隙率越低，其樹(shù)脂用量就越少。