2.4葉片殼體用環(huán)氧膠粘劑

2.4.1概 述

從橫斷面看，葉片基本上是主梁加殼體(又稱：蒙皮)的結(jié)構(gòu)形式，分為兩種：①整體葉片：主梁是方形斷面的整體箱型梁，整體殼體，利用環(huán)氧膠粘劑將二者膠合成整體;②分體葉片：主梁是兩根工字梁，有兩“半”殼體(上、下殼體)，利用環(huán)氧膠粘劑將上、下殼體和兩根工字梁牢固地膠合成整體。
 

上述膠粘劑承受著極大載荷、工作環(huán)境惡劣，因此，其性能要求極高、苛刻。該劑一般選用觸變材料，如：雙組分(即：環(huán)氧樹(shù)脂+固化劑)粘結(jié)劑。工藝要求：當(dāng)其涂敷厚度>20～30mm時(shí)，立即呈現(xiàn)非流掛(下垂)狀態(tài)(“non-slump ”properties)，并持續(xù)到產(chǎn)生凝膠(或下一個(gè)固化工序)時(shí)都維持著初始狀態(tài)。

2.4.2 觸變膠粘劑

(1)“物理觸變”膠粘劑

往膠粘劑里添加觸變劑(如：氣相法白炭黑)，可快速使物料呈現(xiàn)非流掛狀態(tài)(“non-slump ”texture)。當(dāng)物料承受高剪切載荷(如：樹(shù)脂與固化劑混合、工藝操作)過(guò)程中，物料上的合成應(yīng)力會(huì)降低它的粘度，導(dǎo)致物料膠凝以前，破壞伸長(zhǎng)了的物料形態(tài)(extruded texture)。許多情況下，配料過(guò)程(mixture)會(huì)降低物料的結(jié)構(gòu)性能。因此，只有除掉物料的應(yīng)力時(shí)，方可進(jìn)行配料工序——這是現(xiàn)行“物理觸變”為基礎(chǔ)的材料的缺陷和局限性之一。

雙組分材料的粘度很高，為了降低粘度，需采用高性能泵來(lái)進(jìn)行輸送。由于受風(fēng)力勁吹，風(fēng)力機(jī)葉片才得以驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行。這樣，勢(shì)必使葉片持續(xù)產(chǎn)生復(fù)雜、大的振動(dòng)和扭曲。葉片殼體里的膠粘劑一旦產(chǎn)生破損跡象，就不能再承受應(yīng)力，否則勢(shì)必使葉片內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞、損毀以致葉片報(bào)廢。

(2)“化學(xué)觸變”膠粘劑

新穎“化學(xué)觸變”膠粘劑(專利)，雙組份，二者混合時(shí)當(dāng)添加特定的、表面有酸性物質(zhì)(acid entities)的填料時(shí)，呈現(xiàn)高分子量陽(yáng)離子聚合物質(zhì)子化現(xiàn)象，系統(tǒng)即刻呈現(xiàn)物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)。該劑的粘度低，可以靠其自重(不用泵)進(jìn)行輸送。當(dāng)被涂敷在垂直面上，承受著高剪切應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑不會(huì)急劇改變各自的粘度。本研究有下述三種膠粘劑系統(tǒng)：

系統(tǒng)1：環(huán)氧樹(shù)脂+“化學(xué)觸變”型固化劑1;
 

系統(tǒng)2：環(huán)氧樹(shù)脂+“物理觸變”型固化劑2，后者添加了大量氣相法白炭黑堿性(based)觸變劑，它垂直面上的抗流掛性(sag resistance)與系統(tǒng)1相同;

系統(tǒng)3：環(huán)氧樹(shù)脂+“物理觸變”型固化劑3，后者添加了大量氣相法白炭黑堿性觸變劑，在低剪切率下它的初始混合粘度大約與系統(tǒng)1相當(dāng)。

研究說(shuō)明：經(jīng)過(guò)不同剪切沖擊試驗(yàn)(低剪切→高剪切→低剪切…)和應(yīng)力恢復(fù)期后，“物理觸變”型系統(tǒng)的最終粘度較低;“化學(xué)觸變”型系統(tǒng)1剪切沖擊試驗(yàn)前、后的粘度相同。顯然，上述兩種技術(shù)的應(yīng)力恢復(fù)期是不同的。“化學(xué)觸變”型系統(tǒng)混合物料時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力恢復(fù)，涂敷后也立即產(chǎn)生(builds up)應(yīng)力恢復(fù)。“物理觸變”型系統(tǒng)里添加觸變劑，可產(chǎn)生粘結(jié)結(jié)構(gòu)(the structure d)。當(dāng)承受高剪切率時(shí)，上述結(jié)構(gòu)部分地被破壞，而且不能快速恢復(fù)。

(3)納米粒子的協(xié)和效應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂與一些特定的納米有機(jī)粒子相混合后，會(huì)產(chǎn)生協(xié)和效應(yīng)——顯著提高材料的韌性。某些納米粒子與特定固化劑混合后，顯著提高材料的韌性，但不降低熱性能，對(duì)初始粘度的沖擊也不大。一般雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂固化后較脆，溫度敏感性較高，力學(xué)和熱學(xué)性能較低。納米碳管具有獨(dú)特的物理性能：密度很小(鋼的1/6)、高強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度50～200GPa[鋼的100倍])、高模量(600 GPa)和優(yōu)異的柔軟性，是前者的理想增強(qiáng)材料。這并不是有機(jī)相與無(wú)機(jī)相的簡(jiǎn)單加和，而是納米碳管和環(huán)氧樹(shù)脂在納米范圍內(nèi)結(jié)合形成，界面間存在較強(qiáng)或較弱的化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)集無(wú)機(jī)、有機(jī)、納米粒子的諸多特異性能于一體的嶄新復(fù)合。納米碳管是強(qiáng)催化劑，可降低樹(shù)脂的反應(yīng)溫度。當(dāng)材料受力、破壞時(shí)，其優(yōu)異的柔軟性可吸收能量，提高樹(shù)脂的強(qiáng)度。Araldite™ EP1000AB新型納米增韌環(huán)氧膠粘劑(Huntsman公司)，含特種分散型有機(jī)納米粒子(亞微級(jí))，可抑制微裂紋擴(kuò)大，同時(shí)使連續(xù)固化的環(huán)氧基體耐高溫。選用特種固化劑，不用熱壓罐，低于100℃固化;室溫儲(chǔ)存期>6個(gè)月。力學(xué)性能優(yōu)異，使用簡(jiǎn)便，可用于粘結(jié)、修補(bǔ)葉片等。
 

2.5新穎的FRP成型工藝

2.5.1微波固化工藝

微波固化具有獨(dú)特的“場(chǎng)效應(yīng)”和快速“體加熱”特性，因而粘結(jié)劑固化速度快且均勻、粘結(jié)質(zhì)量高，在快速修復(fù)飛機(jī)等航空裝備中具有巨大潛力。 [28]FRP葉片、葉片模具的厚度和面積都較大，因此，物料固化過(guò)程中熱量散布困難且不均勻，傳統(tǒng)的固化工藝(電加熱原理)無(wú)法快速而均勻地把熱量傳遞到物料內(nèi)部。德國(guó)ITC(弗勞恩霍夫化學(xué)研究所)利用樹(shù)脂可吸收微波的原理，研究成用于碳纖維復(fù)合材料的微波固化工藝。研究說(shuō)明，微波加熱的復(fù)合材料物料的粘度較低，使其室溫下變硬速度較慢，纖維更易融入樹(shù)脂基體里，工藝修正時(shí)間很寬裕。該工藝的效率高、制品質(zhì)優(yōu)，廢品、污染物極少，但對(duì)固化物件的安放位置要求精準(zhǔn)、嚴(yán)格。

2.5.2快步工藝(quickstep)

快步工藝(西澳大利亞尼爾˙格拉哈姆發(fā)明)，利用流體(如：水)的熱傳導(dǎo)，通過(guò)流體震動(dòng)，工作壓力1～4磅/英尺2，高壓爐的工作壓力60～200磅/英尺2，屬獨(dú)特的充液、平衡壓力、流動(dòng)塑造工藝。加工時(shí)間約1h，可加工層壓板、蜂窩式和泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)等制品。制品里的纖維含量很高(>70%)，孔隙含量極少，質(zhì)量和性能優(yōu)異。