劉召軍，章 靚，李雪健，楊 降，王運(yùn)明

（振石集團(tuán)華智研究院（浙江）有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

隨著雙碳目標(biāo)的確定，清潔能源風(fēng)電又迎來(lái)了快速發(fā)展的機(jī)遇。當(dāng)前由于陸上優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源有限以及海上風(fēng)電的興起，風(fēng)機(jī)葉片朝著百米級(jí)大型化趨勢(shì)快速發(fā)展［1］。如此大的葉片對(duì)材料剛度和主機(jī)載荷提出了更高的要求。如何保證葉片增長(zhǎng)不增重、發(fā)電提效和制造降本是葉片開發(fā)者們研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的玻璃纖維經(jīng)編織物由于材料剛度極限限制，難以滿足大葉片的設(shè)計(jì)需求。玻璃纖維增強(qiáng)的拉擠板因?yàn)槔w維含量高、纖維取向性好，所以纖維模量轉(zhuǎn)化率高，使用同種類型的纖維生產(chǎn)的拉擠板和玻璃纖維單向織物增強(qiáng)的層壓板比，模量可以提升約25%~30%，這為大型葉片的設(shè)計(jì)開發(fā)和葉片降本減重提供了很大空間，目前國(guó)內(nèi)很多陸上和海上風(fēng)機(jī)葉片主梁都采用拉擠板設(shè)計(jì)制造［2-3］。

拉擠板生產(chǎn)過(guò)程中，常規(guī)的質(zhì)量檢測(cè)均需要進(jìn)行拉擠板的切割，為此會(huì)產(chǎn)生切割微粉廢料和廢板，隨著拉擠板市場(chǎng)需求量的逐年增加，這種廢料和廢板也會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。行業(yè)內(nèi)目前對(duì)這部分固廢主要采用填埋的處理方式，隨著時(shí)間的積累對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成極大傷害［4-5］。因此，研究玻璃鋼切割微粉的回收再利用，特別是在拉擠板制造過(guò)程中自身固廢的消化吸收，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能環(huán)保及碳中和均具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

氫氧化鋁為中鋁山東有限公司提供的H-WF-10牌號(hào)，切割微粉為振石集團(tuán)華美新材料E8玻纖拉擠板在線切割產(chǎn)生的粉料。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

粉料粒徑檢測(cè)設(shè)備：Mastersizer 2000 Ver.6.00

粉料微觀表征設(shè)備：Zeiss EVO15

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)常規(guī)填充粉料粒徑和切割微粉粒徑的分布測(cè)量分析，對(duì)比切割微粉的粒徑均勻性和顆粒大小，以判斷是否符合拉擠工藝。同時(shí)，通過(guò)對(duì)兩種粉料的微觀表面形貌進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，以分析二者的外觀形貌和比表面積的差異，為后續(xù)分析是否對(duì)板材性能產(chǎn)生影響提供理論依據(jù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和分析

1.4.1 填料的粒徑分布

1.4.1.1 氫氧化鋁

拉擠工藝中常用的填料為氫氧化鋁，采用的對(duì)比填料為中鋁山東有限公司提供的H-WF-10牌號(hào)氫氧化鋁。樣品為白色粉末固體，粒徑分布主要在10μm以內(nèi)，如圖1所示。

圖1 氫氧化鋁填料粒徑分布圖

1.4.1.2 切割微粉

玻璃纖維拉擠板在生產(chǎn)過(guò)程中，落卷或質(zhì)量抽檢時(shí)均需要進(jìn)行在線切割，切割過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)微粉通過(guò)吸風(fēng)裝置進(jìn)行清理與收集。微粉中混有樹脂和碎纖維，粒徑分析結(jié)果顯示其粒徑分布較廣（1-400μm），如圖2所示，但多數(shù)集中在10μm左右。

圖2 切割微粉填料的粒徑分布圖

1.4.2 填料的微觀表征

為表征兩種不同類型填料的微觀狀態(tài)，我們采用掃描電鏡觀察了兩種粒子的微觀特征，如下圖3所示。從圖上可以看出氫氧化鋁粉料粒子多數(shù)呈球狀，粒徑大小不一，與上文的粒徑分析結(jié)果基本一致。切割微粉料粒呈不規(guī)則形狀，個(gè)別未碎纖維呈棒狀，且粒徑較小，兩種粉料的微觀形態(tài)差異較大。

圖3 不同填料SEM掃描圖譜

2 填料的影響

2.1 填料對(duì)環(huán)氧樹脂粘度的影響

樹脂粘度對(duì)拉擠工藝的影響很大，主要是影響紗線的浸潤(rùn)效果和拉擠速度，一般粘度越大紗線浸膠速度越慢，浸膠效果越差，最終形成的玻璃鋼板材性能越差［6-7］。通過(guò)將氫氧化鋁和切割微粉填料分別加入眾博 ER6136X/EH6136X和歐林550E/555H 環(huán)氧樹脂體系（添加比例樹脂∶固化劑∶填料=100∶105∶2），來(lái)觀察攪拌均勻后樹脂粘度變化情況。如下表1所示，填料加入后樹脂粘度均會(huì)增加，且切割微粉增加的幅度大于氫氧化鋁。

表1 不同填料對(duì)樹脂粘度的影響

2.2 填料對(duì)玻璃纖維板外觀的影響

采用眾博 ER6136X/EH6136X 和巨石E8DR17-2400-390 玻璃纖維進(jìn)行試樣，通過(guò)加入氫氧化鋁和切割微粉不同填料，制備出不同的拉擠板樣品，如下圖4所示。從外觀上看兩種板材均呈黃色，這是樹脂本體色，二者無(wú)明顯色差。

圖4 不同填料生產(chǎn)的拉擠板

2.3 填料對(duì)玻璃纖維板內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響

將上述制備好的拉擠板樣品，通過(guò)截面切割制樣，進(jìn)行電子顯微鏡掃描觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖5、圖6所示。兩種樣板中樹脂和纖維均緊密結(jié)合，氫氧化鋁填料板的樹脂均一性較好，但存在少量空隙。切割微粉板的樹脂中明顯觀察到有均勻分布白色點(diǎn)狀物，其為碎纖維顆粒，對(duì)樹脂基體有一定增強(qiáng)作用，未發(fā)現(xiàn)有明顯空隙［8-9］。從圖上可以看出白色圓餅狀物體為玻璃纖維，由于表面切割影響，部分纖維有不同程度損傷。

圖5 氫氧化鋁填料拉擠板內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM掃描圖

圖6 切割微粉板填料拉擠板內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM掃描圖

2.4 填料對(duì)板材力學(xué)性能的影響

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)上述兩種玻璃纖維拉擠板進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試評(píng)估，測(cè)試結(jié)果如下圖7、圖8所示。通過(guò)對(duì)比分析，二者材料剛度和強(qiáng)度性能基本一致，切割微粉拉擠板個(gè)別強(qiáng)度性能略高于氫氧化鋁拉擠板，這可能跟微粉中的玻璃纖維碎對(duì)樹脂形成了一定增強(qiáng)作用的原因。

圖7 不同填料玻璃纖維拉擠板剛度

圖8 不同填料玻璃纖維拉擠板強(qiáng)度

此外，為驗(yàn)證切割微粉是否具備通用性，我們將玻璃鋼切割微粉和氫氧化鋁分別作為不同的填料加入到聚氨酯樹脂體系（科思創(chuàng) PUL-2500）中與碳纖維（浙江精功 JG4524-25K）結(jié)合制備出碳纖維拉擠板（填料加入量為樹脂總重的8%），并對(duì)兩種碳纖維拉擠板進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試評(píng)估，結(jié)果如下圖9、圖10所示。對(duì)比結(jié)果顯示兩種碳纖維拉擠板的剛度基本一致，強(qiáng)度方面切割微粉略優(yōu)于氫氧化鋁。

圖9 不同填料碳纖維拉擠板剛度

圖10 不同填料碳纖維拉擠板強(qiáng)度

3 總結(jié)

通過(guò)本文分析，玻璃纖維拉擠板制造過(guò)程中產(chǎn)生的切割微粉可以跟拉擠工藝中常用的氫氧化鋁粉料一樣作為填料，填充纖維間隙和樹脂收縮產(chǎn)生的間隙，以減少板材內(nèi)空隙，板面凹坑，防止富樹脂和出粉等質(zhì)量異常［10］。切割微粉作為填料制成的拉擠板其外觀、微觀結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能與氫氧化鋁填料板均無(wú)明顯差異。此外，切割微粉填料不僅可以兼容環(huán)氧和聚氨酯不同的樹脂體系，還可以用于玻璃纖維和碳纖維不同類型拉擠板，通用性好，這對(duì)其推廣使用具有重要意義?；诖?，我們探索出了一條拉擠板生產(chǎn)過(guò)程中的綠色循環(huán)工藝路線，變廢為寶，為拉擠工藝走向碳中和奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。