劉艷霞，別春華，楊 忠，劉鮮紅，賈宇婷

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

風(fēng)電葉片作為捕獲風(fēng)能的核心部件，通常以纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為其材料體系[1]。“30·60”碳中和目標(biāo)的提出為大力發(fā)展風(fēng)電行業(yè)提供了契機(jī)，輕量化、大型化和精益化是風(fēng)電葉片發(fā)展的趨勢，隨之對葉片成型的工藝要求也越來越高。風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)桿電價不斷下降，葉片的成本壓力促使行業(yè)積極尋求新的降本增效途徑，降低葉片材料成本和尋求更廉價樹脂體系尤為重要。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂材料在風(fēng)電葉片上的大規(guī)模應(yīng)用已超過 30年，但隨著葉片越做越長，環(huán)氧樹脂在價格、工藝等方面的瓶頸已經(jīng)顯現(xiàn)，相比環(huán)氧樹脂，聚氨酯樹脂材料更能適應(yīng)葉片的發(fā)展趨勢。聚氨酯樹脂并非新材料，其優(yōu)良的綜合性能特點(diǎn)早已被國內(nèi)領(lǐng)先葉片生產(chǎn)廠商深度研究，聚氨酯樹脂低黏度、快固化的特性為葉片精益化生產(chǎn)提供了新的思路，也將更有力地推動風(fēng)電單位千瓦造價的下降。

聚氨酯(PU)是指分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—NH—COO—)聚合物，一般由異氰酸酯和多元醇反應(yīng)獲得，自發(fā)明以來，因其配方靈活、產(chǎn)品形式多樣、制品性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[2]。聚氨酯樹脂應(yīng)用于葉片真空灌注工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是聚氨酯樹脂黏度低，在較低溫度下仍能保持良好的流動性和浸潤性；二是聚氨酯樹脂的可操作時間較長，且可在加熱條件下快速凝膠固化，因此，在葉片生產(chǎn)過程中可以縮短固化時間，同時相較于環(huán)氧樹脂價格更低[3]。

目前聚氨酯葉片的設(shè)計(jì)是在葉片的主梁制作中采用聚氨酯樹脂，經(jīng)殼體環(huán)氧樹脂一體灌注。聚氨酯樹脂與玻璃纖維有著非常好的浸潤性和界面結(jié)合能力，其基體(澆注體)力學(xué)性能和玻璃纖維復(fù)合材料(FRP)力學(xué)性能均較環(huán)氧體系更為優(yōu)越。因此，聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂的界面性能對葉片的抗載荷能力和使用壽命有直接影響，是影響聚氨酯在葉片上應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在本文的研究測試中，試樣采用單向纖維織物強(qiáng)化的層合板制得，其幾何形狀比較穩(wěn)定，力學(xué)平衡性較好，面內(nèi)異向性較小，測試結(jié)果離散低，能更準(zhǔn)確地反映復(fù)合層合板的剪切性能[4]。本文結(jié)合葉片現(xiàn)場制造工藝，對不同固化度的聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合性能[5]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為聚氨酯葉片設(shè)計(jì)和工藝研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)M葉片用材料進(jìn)行試樣制作。通常的主梁采用高?；虺吣蜗虿迹捎镁郯滨渲婵展嘧?，殼體采用普通模量纖維布，采用環(huán)氧樹脂真空灌。分別制備以上 2種層合板的拉伸剪切(GB/T7124—2008)和層間剪切(ISO 14130)試樣。通過控制聚氨酯樹脂的加熱固化時間得到具有不同固化程度的聚氨酯層合板。

1.1 聚氨酯層合板制備

分別鋪設(shè)為 3和 7層超高模量單向布 SI-UD-1200(PU)，表面需要鋪設(shè)聚酯脫模布、灌注流道，采用聚氨酯樹脂灌注，設(shè)置3個加熱固化方案：50℃固化 1h，再升溫至 70℃ 1h，總時間 2h；50℃固化1.5h，再升溫至 70℃ 1.5h，總時間 3h；50℃固化2h，再升溫至70℃ 2h，總時間4h。

1.2 環(huán)氧層合板制備

將 3個方案聚氨酯樣板標(biāo)識好，并脫除導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布，分別鋪設(shè)3和7層UD-1200(EP)(鋪放方向與第二步驟中聚氨酯玻纖保持一致)，灌注環(huán)氧樹脂，按照50℃固化1h，升溫至70℃固化7h。

上述 3個方案制備的樣板按照拉伸剪切和層間剪切如圖1所示進(jìn)行標(biāo)樣裁切，要求測試0度方向與玻纖方向一致。層間剪切試樣尺寸為 50mm×25mm×5mm。

圖1 試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample

2 結(jié)果與討論

2.1 測試過程及樣品表觀形貌

拉伸剪切測試如圖 2所示。樣板經(jīng)切割機(jī)裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

圖2 拉伸剪切測試過程Fig.2 Tensile shear test process

試樣測試后的形貌如圖 3、4所示，拉伸剪切測試和層間剪切測試的界面均為玻璃鋼層破壞，樹脂種類無明顯指向性，不同固化時間的界面破壞形態(tài)無明顯區(qū)別。說明不同固化度的聚氨酯樹脂在與環(huán)氧樹脂灌注后形成了統(tǒng)一基體，兩者之間的界面結(jié)合效果良好，無明顯分層。

圖3 拉伸剪切測試后試樣Fig.3 Sample after tensile shear test

2.2 聚氨酯樹脂固化程度測試

聚氨酯樹脂的固化測試不同于環(huán)氧樹脂。在風(fēng)電葉片上，通常采用差示掃描量熱儀測試環(huán)氧玻璃鋼的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)≥70℃來表征完全固化。聚氨酯樹脂玻璃鋼由于測試曲線的 Tg峰值非常微弱，測試取值不明顯而無法判斷，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，均采用純的聚氨酯樹脂進(jìn)行測試，通過取熱量變化的曲線得出殘余熱焓值進(jìn)行表征，當(dāng)殘余熱焓值小于40J/g即可判定固化滿足要求。本試驗(yàn)不同固化時間下的聚氨酯的殘余熱焓測試結(jié)果如表1所示，殘余熱焓測試如圖5所示。結(jié)果表明3種固化時間下，聚氨酯樹脂的固化殘余放熱加熱時間越長，殘余放熱值越低，即固化程度越高，在加熱總時長 4h時，其值為22.89J/g，遠(yuǎn)小于要求值。

圖4 層間剪切測試后試樣Fig.4 Sample after interlaminar shear test

表1 不同固化條件下聚氨酯樹脂的殘余放熱Tab.1 Residual exothermic properties of polyurethane resin under different curing conditions

圖5 固化4h的殘余放熱測試值Fig.5 Residual exothermic test value after curing time 4h

2.3 剪切性能測試結(jié)果

由表2和圖6試樣層間剪切性能測試結(jié)果可知，聚氨酯樹脂不同的固化時間條件下試樣層間抗剪強(qiáng)度均為 60MPa，而葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求單向布的面內(nèi)抗剪強(qiáng)度≥55MPa；聚氨酯樹脂不同的固化時間條件下試樣抗拉伸剪切強(qiáng)度為 32～35MPa，參照葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中玻纖拉擠板與灌注樹脂的抗剪強(qiáng)度≥25MPa，表明聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂間的界面剪切性能完全達(dá)到葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)有的聚氨酯樹脂固化工藝、與環(huán)氧樹脂的結(jié)合方式能夠滿足結(jié)構(gòu)對層合板剪切性能的要求。

表2 剪切性能測試值Tab.2 Test value of shear properties

圖6 不同固化時間的剪切性能測試值Fig.6 Shear properties of different curing times

3 結(jié) 論

測試不同固化時間下聚氨酯樹脂的固化殘余放熱結(jié)果表明，在加熱總時長 4h時，殘余放熱為22.89J/g，滿足聚氨酯樹脂的固化放熱要求。對于聚氨酯葉片生產(chǎn)固化工藝，加熱時間具有參考價值。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求中，聚氨酯樹脂不同固化時間條件下與環(huán)氧樹脂的抗拉伸剪切強(qiáng)度≥25MPa、面內(nèi)抗剪強(qiáng)度要求為≥55MPa。測試結(jié)果表明在不同固化度下，聚氨酯和環(huán)氧樹脂的結(jié)合性能差異不明顯，均可以滿足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，拉伸剪切測試和層間剪切測試的界面均為玻璃鋼層破壞，樹脂材質(zhì)無明顯指向性，破壞形式為可接受的剪切失效模式。在葉片生產(chǎn)過程中，不同固化時間的聚氨酯玻璃鋼結(jié)構(gòu)在與環(huán)氧樹脂固化成型后，不會對葉片結(jié)構(gòu)的剪切性能產(chǎn)生影響。