風(fēng)力發(fā)電是重要的潔凈能源,其開(kāi)發(fā)利用受到世界各國(guó)越來(lái)越多的重視。當(dāng)今,風(fēng)力發(fā)電向大功率、長(zhǎng)葉片方向發(fā)展,更加凸顯出葉片材料的重要性。纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料和真空輔助浸滲技術(shù)以其效率高、成本低、質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),成為生產(chǎn)大型葉片時(shí)材料和工藝的主流方向。真空輔助浸滲技術(shù)制備風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵是優(yōu)選浸滲用的基體樹(shù)脂,特別要保證樹(shù)脂的最佳黏度及其流動(dòng)特殊性[1-2]。目前國(guó)外用于真空輔助浸滲技術(shù)的樹(shù)脂主要有Shell公司、3M公司、HEXION公司、荷蘭DSM高等復(fù)合材料中心等企業(yè)的產(chǎn)品[3-6]。國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片制造業(yè)的環(huán)氧樹(shù)脂基本依靠進(jìn)口,這在很大程度上制約了風(fēng)電業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。本文選用BPA環(huán)氧樹(shù)脂、BPF環(huán)氧樹(shù)脂和活性稀釋劑的混合物為基體樹(shù)脂,以RIMH237為固化劑,在降低樹(shù)脂黏度的同時(shí)保持較好的力學(xué)性能,研制出滿足真空輔助浸滲工藝的風(fēng)電葉片用復(fù)合型環(huán)氧樹(shù)脂。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1·1　原料

雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂1460,環(huán)氧值0·52,藍(lán)星材料無(wú)錫樹(shù)脂廠;雙酚F環(huán)氧樹(shù)脂,自制,環(huán)氧值0·59;黏度,1100mPa·s;環(huán)氧稀釋劑1,4-丁二醇二縮水甘油醚,自制,環(huán)氧值0·69。

1·2　測(cè)試方法及儀器

使用NDJ-79旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)(同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠)測(cè)定樹(shù)脂黏度。使用WDT-5電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樹(shù)脂固化物力學(xué)性能:拉伸強(qiáng)度參照GB/T2568-1995測(cè)試;彎曲強(qiáng)度參照GB/T2570-1995測(cè)試。沖擊強(qiáng)度參照GB/T2571-1995,使用擺錘式?jīng)_擊儀測(cè)試。

1.3　環(huán)氧樹(shù)脂的配制及固化

以雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚F環(huán)氧樹(shù)脂作為基體樹(shù)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(jīng)脫泡的樹(shù)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(cè)試其力學(xué)性能。

2　結(jié)果與討論

2·1　稀釋劑和BPF樹(shù)脂對(duì)BPA樹(shù)脂性能的影響

1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為環(huán)氧稀釋劑,能夠顯著降低環(huán)氧樹(shù)脂的黏度,很大程度上拓展了環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用領(lǐng)域。但稀釋劑在降低樹(shù)脂黏度的同時(shí),由于其分子的鏈狀特性,導(dǎo)致樹(shù)脂固化物質(zhì)脆,易斷裂。為此我們考查了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稀釋劑對(duì)雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能的影響,見(jiàn)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(shù)脂黏度,但由于稀釋劑分子鏈柔性大,未能形成增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò),加入后使共混物拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度下降。純BPA樹(shù)脂沖擊性能較差,添加活性稀釋劑時(shí),體系的沖擊強(qiáng)度更差,這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂與二縮水甘油醚不能很好地相容,無(wú)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(shí),應(yīng)力無(wú)法傳遞而發(fā)生破壞。

BPF環(huán)氧樹(shù)脂作為一種新型環(huán)氧樹(shù)脂,不但具有BPA型環(huán)氧樹(shù)脂所具有的一切優(yōu)良特性,且其黏度比BPA型樹(shù)脂低4~5倍,因而應(yīng)用范圍廣泛,使用過(guò)程中可減少活性稀釋劑的用量。為此,我們考查了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BPF環(huán)氧樹(shù)脂和雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂共混時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)性能,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2的結(jié)果表明,當(dāng)不添加活性稀釋劑時(shí),樹(shù)脂體系黏度依然較大。隨著B(niǎo)PF樹(shù)脂用量的增加,黏度顯著下降,材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度得到增加。這主要是由于BPF樹(shù)脂中的甲撐基團(tuán)與BPA樹(shù)脂中的異丙撐基團(tuán)有較好的相容性,從而起到較好的增韌作用。

2·2　雙酚F樹(shù)脂中多酚樹(shù)脂對(duì)共混樹(shù)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(diǎn)的多酚雜質(zhì),這些雜質(zhì)的分離過(guò)程復(fù)雜,導(dǎo)致雙酚F收率下降,成本增加。高沸點(diǎn)的多酚雜質(zhì)也可以與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)生成環(huán)氧樹(shù)脂,若雜質(zhì)不經(jīng)分離能合成出性能良好的環(huán)氧樹(shù)脂,將簡(jiǎn)化雙酚F的分離過(guò)程。因此我們改變雙酚F樹(shù)脂中多酚樹(shù)脂的含量,并與雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂共混,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂=2·2(質(zhì)量比),其性能結(jié)果見(jiàn)表3。

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

2·3　正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更明確地考察稀釋劑含量、BPF樹(shù)脂和多酚樹(shù)脂含量3個(gè)因素對(duì)樹(shù)脂力學(xué)性能的交互影響,我們選擇了BPA樹(shù)脂/稀釋劑(質(zhì)量比)、BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂(質(zhì)量比)以及BPF樹(shù)脂中多酚樹(shù)脂含量作為因素,選定環(huán)氧樹(shù)脂固化物的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)(表4),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

2.4　應(yīng)用STATISTICA6.0分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用STATISTICA6.0軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

 

2·4·1　拉伸強(qiáng)度

應(yīng)用STATISTICA6.0根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出各影響因素的Pareto圖,見(jiàn)圖1。

由圖1可知,影響拉伸強(qiáng)度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹(shù)脂與BPF樹(shù)脂的質(zhì)量比。我們選取這兩個(gè)主要因素出Surface Plot圖,考察其對(duì)拉伸性能的交互影響,見(jiàn)圖2。

由圖2分析可知,適當(dāng)降低稀釋劑在體系中的含量,有利于拉伸強(qiáng)度的提高。另外,適當(dāng)降低體系中BPA樹(shù)脂的含量,提高BPF樹(shù)脂的含量也利于拉伸強(qiáng)度的提高。結(jié)果表明,當(dāng)BPA樹(shù)脂/稀釋劑(質(zhì)量比)=14,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂(質(zhì)量比)=1·5,拉伸強(qiáng)度可達(dá)60MPa。

2.4.2　彎曲強(qiáng)度

應(yīng)用STATISTICA6.0根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出各影響因素的Pareto圖,見(jiàn)圖3。

圖3可知,影響彎曲強(qiáng)度的主要因素為稀釋劑含量和BPA樹(shù)脂與BPF樹(shù)脂的質(zhì)量比。我們選取這兩個(gè)主要因素作Surface Plot圖,考察其對(duì)彎曲性能的交互影響,見(jiàn)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(qiáng)度的提高。提高BPF樹(shù)脂的含量適當(dāng)降低體系中BPA樹(shù)脂的含量,也利于彎曲強(qiáng)度的提高。結(jié)果表明,當(dāng)BPA樹(shù)脂/稀釋劑(質(zhì)量比)=12,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂=2.7(質(zhì)量比),彎曲強(qiáng)度可達(dá)90MPa以上。

2.4.3　沖擊強(qiáng)度

應(yīng)用STATISTICA6.0根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出各影響因素的Pareto圖,見(jiàn)圖5。

由圖5可知,影響沖擊強(qiáng)度的主要因素為BPF樹(shù)脂中多酚樹(shù)脂含量和BPA樹(shù)脂與BPF樹(shù)脂的質(zhì)量比。我們選取這兩個(gè)主要因素作Surface Plot圖,考察其對(duì)沖擊性能的交互影響,見(jiàn)圖6。

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

2·5　預(yù)測(cè)的環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能

正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,當(dāng)BPA樹(shù)脂/稀釋劑=8·5,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂=1·4,多酚樹(shù)脂含量為0時(shí),拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均可達(dá)到與HEXION公司進(jìn)口樹(shù)脂相當(dāng)?shù)乃?需要提高的是沖擊強(qiáng)度。我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以正交試驗(yàn)的三個(gè)因素A、B、C為變量,擬合出了拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的方程,如下:

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

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

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

根據(jù)這三個(gè)方程,結(jié)合Surface Plot圖上預(yù)測(cè),我們找出了提高沖擊強(qiáng)度的方案:BPA樹(shù)脂/稀釋劑=13·5,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂=1·6,多酚樹(shù)脂=0,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)測(cè)值,并且優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)樣條;拉伸強(qiáng)度雖然沒(méi)有達(dá)到預(yù)測(cè)值,但接近標(biāo)準(zhǔn)樣條,誤差在允許的范圍內(nèi)。

3　結(jié)　論

采用Statistica6.0統(tǒng)計(jì)軟件,對(duì)由BPA環(huán)氧樹(shù)脂、BPF環(huán)氧樹(shù)脂以活性及稀釋劑構(gòu)的的復(fù)合樹(shù)脂配方進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明:樹(shù)脂固化物的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度與共混樹(shù)脂體系中的稀釋劑含量、BPF環(huán)氧樹(shù)脂含量、以及BPF環(huán)氧樹(shù)脂中多酚樹(shù)脂含量的三個(gè)因素有關(guān),其較好的工藝配方為(質(zhì)量比):BPA樹(shù)脂/稀釋劑=13·5,BPA樹(shù)脂/BPF樹(shù)脂=1·6,多酚樹(shù)脂=0,其共混樹(shù)脂固化物的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度三項(xiàng)指標(biāo)與HEXION公司進(jìn)口樹(shù)脂相當(dāng),可以滿足風(fēng)電葉片對(duì)樹(shù)脂材料的要求。