風力發電是重要的潔凈能源,其開發利用受到世界各國越來越多的重視。當今,風力發電向大功率、長葉片方向發展,更加凸顯出葉片材料的重要性。纖維增強環氧樹脂復合材料和真空輔助浸滲技術以其效率高、成本低、質量好的優點,成為生產大型葉片時材料和工藝的主流方向。真空輔助浸滲技術制備風力發電轉子葉片的關鍵是優選浸滲用的基體樹脂,特別要保證樹脂的最佳黏度及其流動特殊性[1-2]。目前國外用于真空輔助浸滲技術的樹脂主要有Shell公司、3M公司、HEXION公司、荷蘭DSM高等復合材料中心等企業的產品[3-6]。國內風電葉片制造業的環氧樹脂基本依靠進口,這在很大程度上制約了風電業在國內的發展。本文選用BPA環氧樹脂、BPF環氧樹脂和活性稀釋劑的混合物為基體樹脂,以RIMH237為固化劑,在降低樹脂黏度的同時保持較好的力學性能,研制出滿足真空輔助浸滲工藝的風電葉片用復合型環氧樹脂。

1　實驗部分

1·1　原料

雙酚A環氧樹脂1460,環氧值0·52,藍星材料無錫樹脂廠;雙酚F環氧樹脂,自制,環氧值0·59;黏度,1100mPa·s;環氧稀釋劑1,4-丁二醇二縮水甘油醚,自制,環氧值0·69。

1·2　測試方法及儀器

使用NDJ-79旋轉式黏度計(同濟大學機電廠)測定樹脂黏度。使用WDT-5電子萬能試驗機測試樹脂固化物力學性能:拉伸強度參照GB/T2568-1995測試;彎曲強度參照GB/T2570-1995測試。沖擊強度參照GB/T2571-1995,使用擺錘式沖擊儀測試。

1.3　環氧樹脂的配制及固化

以雙酚A環氧樹脂、雙酚F環氧樹脂作為基體樹脂,1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為稀釋劑,混合后加入一定量的固化劑,混合均勻后,抽真空脫除氣泡,將已經脫泡的樹脂混合物澆注于試樣模具中,40℃下固化8h,然后在80℃下固化12h,冷卻后脫模,測試其力學性能。

2　結果與討論

2·1　稀釋劑和BPF樹脂對BPA樹脂性能的影響

1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為環氧稀釋劑,能夠顯著降低環氧樹脂的黏度,很大程度上拓展了環氧樹脂的應用領域。但稀釋劑在降低樹脂黏度的同時,由于其分子的鏈狀特性,導致樹脂固化物質脆,易斷裂。為此我們考查了不同質量分數的稀釋劑對雙酚A型環氧樹脂力學性能的影響,見表1。

由表1分析可看出,單純加入稀釋劑,盡管有效地降低了樹脂黏度,但由于稀釋劑分子鏈柔性大,未能形成增強網絡,加入后使共混物拉伸強度和彎曲強度下降。純BPA樹脂沖擊性能較差,添加活性稀釋劑時,體系的沖擊強度更差,這是因為環氧樹脂與二縮水甘油醚不能很好地相容,無法形成一定厚度的界面層,兩相間作用力很弱,受外力沖擊時,應力無法傳遞而發生破壞。

BPF環氧樹脂作為一種新型環氧樹脂,不但具有BPA型環氧樹脂所具有的一切優良特性,且其黏度比BPA型樹脂低4~5倍,因而應用范圍廣泛,使用過程中可減少活性稀釋劑的用量。為此,我們考查了不同質量分數的BPF環氧樹脂和雙酚A型環氧樹脂共混時所表現出的力學性能,結果見表2。

表2的結果表明,當不添加活性稀釋劑時,樹脂體系黏度依然較大。隨著BPF樹脂用量的增加,黏度顯著下降,材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度得到增加。這主要是由于BPF樹脂中的甲撐基團與BPA樹脂中的異丙撐基團有較好的相容性,從而起到較好的增韌作用。

2·2　雙酚F樹脂中多酚樹脂對共混樹脂體系性能的影響

以苯酚、甲醛為原料合成的雙酚F,因苯酚與甲醛的配比不同而含有一定量高沸點的多酚雜質,這些雜質的分離過程復雜,導致雙酚F收率下降,成本增加。高沸點的多酚雜質也可以與環氧氯丙烷反應生成環氧樹脂,若雜質不經分離能合成出性能良好的環氧樹脂,將簡化雙酚F的分離過程。因此我們改變雙酚F樹脂中多酚樹脂的含量,并與雙酚A環氧樹脂共混,BPA樹脂/BPF樹脂=2·2(質量比),其性能結果見表3。

由表3可知,隨著多酚樹脂含量的增加,樹脂固化物的彎曲強度和拉伸強度有所提高,而沖擊強度大幅下降。因此,從保證樹脂總體力學性能的角度看,多酚樹脂含量應盡量減少。

2·3　正交實驗設計

為了更明確地考察稀釋劑含量、BPF樹脂和多酚樹脂含量3個因素對樹脂力學性能的交互影響,我們選擇了BPA樹脂/稀釋劑(質量比)、BPA樹脂/BPF樹脂(質量比)以及BPF樹脂中多酚樹脂含量作為因素,選定環氧樹脂固化物的沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度作為評價指標,進行3因素3水平的正交實驗(表4),實驗結果見表5。

2.4　應用STATISTICA6.0分析實驗結果

應用STATISTICA6.0軟件對正交試驗結果進行統計分析。

 

2·4·1　拉伸強度

應用STATISTICA6.0根據實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖1。

由圖1可知,影響拉伸強度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素出Surface Plot圖,考察其對拉伸性能的交互影響,見圖2。

由圖2分析可知,適當降低稀釋劑在體系中的含量,有利于拉伸強度的提高。另外,適當降低體系中BPA樹脂的含量,提高BPF樹脂的含量也利于拉伸強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑(質量比)=14,BPA樹脂/BPF樹脂(質量比)=1·5,拉伸強度可達60MPa。

2.4.2　彎曲強度

應用STATISTICA6.0根據實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖3。

圖3可知,影響彎曲強度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素作Surface Plot圖,考察其對彎曲性能的交互影響,見圖4。由圖4分析可知,降低稀釋劑在體系中的含量,有利于彎曲強度的提高。提高BPF樹脂的含量適當降低體系中BPA樹脂的含量,也利于彎曲強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑(質量比)=12,BPA樹脂/BPF樹脂=2.7(質量比),彎曲強度可達90MPa以上。

2.4.3　沖擊強度

應用STATISTICA6.0根據實驗結果做出各影響因素的Pareto圖,見圖5。

由圖5可知,影響沖擊強度的主要因素為BPF樹脂中多酚樹脂含量和BPA樹脂與BPF樹脂的質量比。我們選取這兩個主要因素作Surface Plot圖,考察其對沖擊性能的交互影響,見圖6。

由圖6分析可知,BPF樹脂中多酚樹脂的存在,很大程度上影響了沖擊強度。盡量降低BPF樹脂中多酚樹脂含量,有利于沖擊強度的提高,另外,適當提高BPF樹脂的含量也利于沖擊強度的提高。結果表明,當BPA樹脂/稀釋劑=14(質量比)=12,BPA樹脂/BPF樹脂=1·5(質量比)=12,多酚樹脂含量為0時,沖擊強度可達68kJ·m-2以上。

2·5　預測的環氧樹脂的力學性能

正交實驗的結果顯示,當BPA樹脂/稀釋劑=8·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·4,多酚樹脂含量為0時,拉伸強度和彎曲強度均可達到與HEXION公司進口樹脂相當的水平,需要提高的是沖擊強度。我們根據實驗結果,以正交試驗的三個因素A、B、C為變量,擬合出了拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度的方程,如下:

拉伸強度:Y=2·317A-0·057A2-3·294B-0·091B2+18·333C-702·667C2+44·839,擬合度98·86%

彎曲強度:Y=19·337A-1·311A2+27·568B-5·416B2-58·300C+1276·667C2+34·546,擬合度99·99%。

沖擊強度:Y=-5·83A+0·529A2-25·157B+5·007B2-65·833C-203·333C2+91·898,擬合度98·86%

根據這三個方程,結合Surface Plot圖上預測,我們找出了提高沖擊強度的方案:BPA樹脂/稀釋劑=13·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·6,多酚樹脂=0,實驗結果見表6。

實驗結果表明,彎曲強度和沖擊強度達到了預測值,并且優于標準樣條;拉伸強度雖然沒有達到預測值,但接近標準樣條,誤差在允許的范圍內。

3　結　論

采用Statistica6.0統計軟件,對由BPA環氧樹脂、BPF環氧樹脂以活性及稀釋劑構的的復合樹脂配方進行優化,結果表明:樹脂固化物的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度與共混樹脂體系中的稀釋劑含量、BPF環氧樹脂含量、以及BPF環氧樹脂中多酚樹脂含量的三個因素有關,其較好的工藝配方為(質量比):BPA樹脂/稀釋劑=13·5,BPA樹脂/BPF樹脂=1·6,多酚樹脂=0,其共混樹脂固化物的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度三項指標與HEXION公司進口樹脂相當,可以滿足風電葉片對樹脂材料的要求。