歐美樹脂基復合材料近況 （二）

董永祺 祖卓紅

1 環氧樹脂在風電機中的應用[1]

1.1 風電機發電效率的決定因素

理論上風電機的最大風能轉換率為59.3%，三葉片水平軸向風電機則僅為8%～50%。采用最佳葉片扭曲角度、翼弦寬度直線化、葉片縱向呈翼型輪廓等設計，可提高風能轉換率。風電機發電效率的決定因素是：葉片所捕獲的風能密度、葉片掃過面積和掃過頻率。如何提高風能密度、葉片掃過面積和掃過頻率呢？下面就風電機葉片、塔架的原材料、生產工藝和設計進行探討。

1.2 風電機葉片、塔架的原材料

意大利維斯塔斯（Vestas）公司V—80—2MW風電機葉片CF/GF/環氧樹脂（ER）復合材料的消耗量約20t。加工葉片、塔架要求采用高強、耐腐蝕材料。以2MW風電機塔架為例，如果采用GF/ER表面層、砂環氧樹脂芯材、纖維增強復合材料（FRP）塔架，比傳統鋼塔架輕20%，成本下降25%。FRP有利于提高塔架的高度（也就是葉片的安裝高度），從而提高風能密度。納米填料可改善制品（如葉片）的脫模性能。Multifunctional Carbon Nanofiber公司生產的涂層可提高FRP制品表面超疏水性頂層的阻尼率和沖擊摩擦阻力。

環保、可回收性是選材的關鍵指標之一。就粘接基材而言，熱塑性樹脂是ER的競爭優勝者。前者的優點是可回收、成本低、工藝性能好（如：模塑周期短、易于修理）等。Cyclis公司研制的丁烯對苯二酸酯，作為粘接基材，已成功制成長12.6m的葉片。與ER相比，真空灌注成型GF/負離子聚酰亞胺—6（APA—6）的葉片的質量和自然頻率類似，但材料成本低10%。由于其含水量較高，致使材料產生熱收縮現象。據此，APA—6尚屬于研究、待商業化的葉片的粘接基材。

1.3 輕質葉片的設計、原材料和成型工藝

葉片的質量嚴重限制了其長度、掃風面積和掃風頻率的提高。如何減輕葉片的質量？含有混雜纖維和納米級填料的復合材料葉片，在高溫環境里運行的性能和有效使用期已得到了印證。與純ER相比，ER里添加7%（質量分數，下同）納米碳化硅填料，可使它制的葉片的拉伸強度、拉伸模量分別提高11%和24%（FRP葉片的橫斷面圖見圖1）。當選用ER等熱固性樹脂做粘接基材時，其成型工藝有樹脂傳遞模塑（RTM）、預浸料和手糊等成型工藝。FRP葉片具有前、后緣剪切腹板（見圖2）。

1.4 提高風電機發電效率的重要途徑

風力是風電的唯一動力，它吹動葉片從而驅使葉輪轉動。由此可見，增大葉片掃風面積是提高風電機發電效率的重要途徑之一。實踐證明，正確分析葉片的氣動彈性性能，適當犧牲葉片的彈性和塑性變形，才可能增大葉片掃風面積。葉片的彎曲—扭曲耦合，以揮動—紐曲耦合與邊緣—紐曲耦合的形式表現，從而影響葉片的氣動彈性性能。理想的鋪設纖維取向的效果：①可降低遭遇大風時葉片的彈性性能，從而降低葉片所承受的疲勞強度；②延長葉片的有效使用期。

為了使葉片在運行過程中產生扭曲變形，并迫使它沿著軸線扭曲，采用揮動—紐曲耦合的形式是較為正確和理想的。以擠出成型各種單向纖維（如芳族聚酰胺纖維、CF、GF）/ER試樣，與纖維取向成不同角度切割的試樣的彎曲—扭曲耦合性能的試驗：當成40°切割芳族聚酰胺纖維/ER式樣（其他材料的試樣也一樣）時，其每偏轉量的扭曲度最大；與其他試樣相比，芳族聚酰胺纖維/ER式樣的每偏轉量的扭曲度較大。——這表明該材料是細長葉片的理想材料。（見圖3）

采用翼梁帽設計、不對稱手糊工藝成型層壓板的彎曲—扭曲耦合結構。可選用的翼梁帽設計有多種，這里介紹劈開式翼梁帽和封閉式翼梁帽的扭曲角—纖維方向角特性曲線（見圖4）。單向纖維CFRP是用于翼梁帽的主要結構材料。輕木（Balsa）芯木取代塑料泡末芯材，可用于翼梁帽承受大風、高應力的部位[1]。

2 環氧樹脂在船艇中的應用

2.1 世界沃爾沃（Volvo）海洋帆船賽的參賽帆船

2.1.1 帆船的類別、結構、材料

歐洲3年一屆的世界Volvo海洋帆船賽具有幾十年的歷史。與時俱進，參賽帆船的原材料和成型工藝發生了巨大變化。現在參賽帆船有單體帆船（見圖5）和多體帆船（見圖6）。船體基本上是碳纖維增強環氧樹脂（CF/ER），個別部位例外，如利用丙烯酸酯粘接劑對結構構件進行二次粘接；利用單組份聚氨酯粘接劑粘接非結構構件。船體內的各種層壓板都是一樣的。為了船體獲得性能最高又最輕，于是船體芯材的厚度各異：絕大部分船體的艙板和艙內結構板都選用48～96kg/m2的間苯芳綸（Nomex，即芳綸1313）芯材；船體前砰擊區則選用 GURIT CORECELLTM M130芯材；帆船、動力船的前船體水下區承受著大波浪的砰擊，因此其船體前砰擊區則采用可高效吸收沖擊的高延伸率泡沫芯材[2]。

2.1.2 環氧樹脂回收技術

為達到環保要求，計劃利用細菌吃掉報廢的GF/ER構件里的ER；把原來船體模具的粘接劑ER，改為可回收的熱塑性聚醚酮酮（PEKK）[2]。另訊：英國科學家偶爾發現細菌吃掉了聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。2016年日本也發現細菌可消化塑料。科學家確定了2種酶：PETasc酶將塑料分解為可溶解的碎片；接著MHETase酶再將塑料降解為更簡單的化學物質。科學家把2種酶的DNA拼接成一個DNA長段的超級酶。發現后者消化塑料的速度是PETasc酶的6倍。

塑料是聚合物，雖然熱塑性塑料可回收，但每次回收的物料的品質都會降低，導致只能再加工成性能和價值都更低的次產品。超級酶將聚合物分解為基本要素，然后再將這些要素重新合成為真正的原生塑料，而不需要利用石油。與利用原生塑料加工瓶子相比，利用超級酶回收的塑料加工瓶子所耗能源節約70%[3]。

2.2 新穎CFRP雙體船

Hexion公司研制成新穎CFRP雙體船。由于船殼芯材對溫度很敏感，因此對整體船殼的粘接基材環氧樹脂（Hexion公司產品）的要求是：浸潤性能優異，確保纖維、芯材都能徹底浸漬；滿足船體結構性能要求；經受住固化過程的放熱高峰的考驗。其成型工藝的特點：船殼和甲板都選用了2種新穎、極輕芯材——3D芯材和DD復合梁（DD—Compound Beam），分別是一次真空灌注成型。Hexion公司產的環氧樹脂、2種芯材等材料與真空灌注工藝的協和作用，使得DD復合梁的質量減輕了30%，提高了船體的強度[4]。

2.3 新穎水翼艇設計的出租艇

法國巴黎塞納河上新穎設計的水翼出租艇（見圖7）平穩航速達12km/h，它的結構件選用Infugreen 810牌先進ER、增強纖維/天然軟木構成的結構芯材，真空灌注成型。此外還選用了Sicomin公司產的多軸玻纖織物、真空灌注用的定制穿孔PVC泡沫、脫模劑和噴射環氧膠黏劑（用于膠黏干織物）[5]。

2.4 水翼摩托艇

Enata Foiler水翼摩托艇具有4個全伸縮水翼，功率大可順利地沖過1.5m高的海浪。它的殼體、結構構件選用環氧樹脂和CF，手糊+灌注成型工藝。上述樹脂的室溫黏度很低；使用的固化劑很多，制品規格的大小決定固化劑類別；脫模速度快，并通過了德國勞氏認證[6]。

3 復合材料文獻出版消息

歐洲拉擠技術協會（EPTA）發表了2018年世界拉擠會議論文集錦，論文集錦內容分為5類：①拉擠行業的增長驅動因素；②拉擠復合材料在基礎建筑、建筑業、風電機葉片、汽車構件和其他應用的應用前景廣闊，而基礎建筑是拉擠復合材料的重要市場；③拉擠原材料（聚氨酯樹脂、環氧樹脂拉擠系統、新酸酐固化劑等）在提高性能和生產率方面的長足進步；④拉擠行業的初創研究聚焦于新穎的拉擠增強材料、微波能固化拉擠工藝和拉擠生產線上制品無損檢測技術；⑤美國、歐洲拉擠產品標準化的進展[7]。

英國復合材料協會頒布了《2019英國FRP橋梁設計指南（FRP Bridges——Guidance for Designers）》，內容包括英國FRP橋梁的歷史、橋梁的原材料、先進生產工藝（納米技術/增強纖維革新技術等）、設計標準等[9]。

4 小結

實踐證明，環氧樹脂復合材料不失為加工風力發電機、船艇和拉擠型材、制品不可或缺的粘接基材。

環境保護是當今和以后世界面臨的重要課題，而環氧樹脂不可回收，污染環境。因此，為了環保，必須對它進行改造、改性。這是挑戰，也是環氧樹脂復合材料界同仁的重要使命之一。力求接近或達到環保要求的實例很多，如負離子APA—6屬于研究、待商業化的葉片的粘接基材；利用細菌吃掉報廢的GF/ER構件里的ER；超級酶回收塑料等技術。

拉擠成型環氧樹脂復合材料的市場廣闊、潛力巨大，如基礎建筑就是它的重要市場之一。新穎的拉擠增強材料、拉擠生產線上制品無損檢測技術是國內的短板。洋為中用，值得國內復合材料同仁學習上述國外先進技術。

橋梁建設是經濟發展的重要基礎，自進入21世紀以來，中國橋梁建設快速發展，成為世界第一橋梁大國。筆者認為這里邊存在2個短板：國內橋梁原材料中FRP的比率太低，國內新建FRP橋梁鳳毛麟角；橋梁建設中怎樣使鋼筋混凝土、鋼板與FRP基本原材料科學、合理地匹配、集成，相得益彰。顯然，眼下國內沒有充分利用和發揮FRP在橋梁建設中的優越性和應有作用。因此，國外先進的FRP橋梁技術非常值得我國借鑒和學習。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.015

參考文獻

[1] Design of cost—effective and efficient fiber—reinforced composite blade for wind turbines[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：21—25.

[2] Designing boats for the Volvo Ocean Race：An ongoing process of optimization and finding the right compromise[J].Reinforced Plastics，2018，62（4）：203—207.

[3] 參考消息網.科學家發明可吞噬塑料“超級酶”[N].參考消息，2020—9—30（9）.

[4] New approach to catamaran roof molding[J].Reinforced Plastics，2018，62（1）：26.

[5] Sicomin supplies materials for sea taxi[J].Reinforced Plastics，2018， 62（1）：4.

[6] Epoxy system for hydrofoil[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：4.

[7] Pultrusion conference report published[J].Reinforced Plastics，2018，62（4）：185—186.

[8] The future of pultrusion[J].Reinforced Plastics，2019，63（3）：134.

[9] Composites UK launches bridge guide[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：2.