風(fēng)電葉片用聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合界面的剪切性能研究

劉艷霞，別春華，楊 忠，劉鮮紅，賈宇婷

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

風(fēng)電葉片作為捕獲風(fēng)能的核心部件，通常以纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為其材料體系[1]。“30·60”碳中和目標(biāo)的提出為大力發(fā)展風(fēng)電行業(yè)提供了契機(jī)，輕量化、大型化和精益化是風(fēng)電葉片發(fā)展的趨勢(shì)，隨之對(duì)葉片成型的工藝要求也越來(lái)越高。風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)不斷下降，葉片的成本壓力促使行業(yè)積極尋求新的降本增效途徑，降低葉片材料成本和尋求更廉價(jià)樹(shù)脂體系尤為重要。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂材料在風(fēng)電葉片上的大規(guī)模應(yīng)用已超過(guò) 30年，但隨著葉片越做越長(zhǎng)，環(huán)氧樹(shù)脂在價(jià)格、工藝等方面的瓶頸已經(jīng)顯現(xiàn)，相比環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨酯樹(shù)脂材料更能適應(yīng)葉片的發(fā)展趨勢(shì)。聚氨酯樹(shù)脂并非新材料，其優(yōu)良的綜合性能特點(diǎn)早已被國(guó)內(nèi)領(lǐng)先葉片生產(chǎn)廠商深度研究，聚氨酯樹(shù)脂低黏度、快固化的特性為葉片精益化生產(chǎn)提供了新的思路，也將更有力地推動(dòng)風(fēng)電單位千瓦造價(jià)的下降。

聚氨酯(PU)是指分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—NH—COO—)聚合物，一般由異氰酸酯和多元醇反應(yīng)獲得，自發(fā)明以來(lái)，因其配方靈活、產(chǎn)品形式多樣、制品性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[2]。聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用于葉片真空灌注工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是聚氨酯樹(shù)脂黏度低，在較低溫度下仍能保持良好的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性；二是聚氨酯樹(shù)脂的可操作時(shí)間較長(zhǎng)，且可在加熱條件下快速凝膠固化，因此，在葉片生產(chǎn)過(guò)程中可以縮短固化時(shí)間，同時(shí)相較于環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格更低[3]。

目前聚氨酯葉片的設(shè)計(jì)是在葉片的主梁制作中采用聚氨酯樹(shù)脂，經(jīng)殼體環(huán)氧樹(shù)脂一體灌注。聚氨酯樹(shù)脂與玻璃纖維有著非常好的浸潤(rùn)性和界面結(jié)合能力，其基體(澆注體)力學(xué)性能和玻璃纖維復(fù)合材料(FRP)力學(xué)性能均較環(huán)氧體系更為優(yōu)越。因此，聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂的界面性能對(duì)葉片的抗載荷能力和使用壽命有直接影響，是影響聚氨酯在葉片上應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在本文的研究測(cè)試中，試樣采用單向纖維織物強(qiáng)化的層合板制得，其幾何形狀比較穩(wěn)定，力學(xué)平衡性較好，面內(nèi)異向性較小，測(cè)試結(jié)果離散低，能更準(zhǔn)確地反映復(fù)合層合板的剪切性能[4]。本文結(jié)合葉片現(xiàn)場(chǎng)制造工藝，對(duì)不同固化度的聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂的界面結(jié)合性能[5]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為聚氨酯葉片設(shè)計(jì)和工藝研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)M葉片用材料進(jìn)行試樣制作。通常的主梁采用高模或超高模單向布，采用聚氨酯樹(shù)脂真空灌注，殼體采用普通模量纖維布，采用環(huán)氧樹(shù)脂真空灌。分別制備以上 2種層合板的拉伸剪切(GB/T7124—2008)和層間剪切(ISO 14130)試樣。通過(guò)控制聚氨酯樹(shù)脂的加熱固化時(shí)間得到具有不同固化程度的聚氨酯層合板。

1.1 聚氨酯層合板制備

分別鋪設(shè)為 3和 7層超高模量單向布 SI-UD-1200(PU)，表面需要鋪設(shè)聚酯脫模布、灌注流道，采用聚氨酯樹(shù)脂灌注，設(shè)置3個(gè)加熱固化方案：50℃固化 1h，再升溫至 70℃ 1h，總時(shí)間 2h；50℃固化1.5h，再升溫至 70℃ 1.5h，總時(shí)間 3h；50℃固化2h，再升溫至70℃ 2h，總時(shí)間4h。

1.2 環(huán)氧層合板制備

將 3個(gè)方案聚氨酯樣板標(biāo)識(shí)好，并脫除導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布，分別鋪設(shè)3和7層UD-1200(EP)(鋪放方向與第二步驟中聚氨酯玻纖保持一致)，灌注環(huán)氧樹(shù)脂，按照50℃固化1h，升溫至70℃固化7h。

上述 3個(gè)方案制備的樣板按照拉伸剪切和層間剪切如圖1所示進(jìn)行標(biāo)樣裁切，要求測(cè)試0度方向與玻纖方向一致。層間剪切試樣尺寸為 50mm×25mm×5mm。

圖1 試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試過(guò)程及樣品表觀形貌

拉伸剪切測(cè)試如圖 2所示。樣板經(jīng)切割機(jī)裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

圖2 拉伸剪切測(cè)試過(guò)程Fig.2 Tensile shear test process

試樣測(cè)試后的形貌如圖 3、4所示，拉伸剪切測(cè)試和層間剪切測(cè)試的界面均為玻璃鋼層破壞，樹(shù)脂種類(lèi)無(wú)明顯指向性，不同固化時(shí)間的界面破壞形態(tài)無(wú)明顯區(qū)別。說(shuō)明不同固化度的聚氨酯樹(shù)脂在與環(huán)氧樹(shù)脂灌注后形成了統(tǒng)一基體，兩者之間的界面結(jié)合效果良好，無(wú)明顯分層。

圖3 拉伸剪切測(cè)試后試樣Fig.3 Sample after tensile shear test

2.2 聚氨酯樹(shù)脂固化程度測(cè)試

聚氨酯樹(shù)脂的固化測(cè)試不同于環(huán)氧樹(shù)脂。在風(fēng)電葉片上，通常采用差示掃描量熱儀測(cè)試環(huán)氧玻璃鋼的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)≥70℃來(lái)表征完全固化。聚氨酯樹(shù)脂玻璃鋼由于測(cè)試曲線(xiàn)的 Tg峰值非常微弱，測(cè)試取值不明顯而無(wú)法判斷，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，均采用純的聚氨酯樹(shù)脂進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)取熱量變化的曲線(xiàn)得出殘余熱焓值進(jìn)行表征，當(dāng)殘余熱焓值小于40J/g即可判定固化滿(mǎn)足要求。本試驗(yàn)不同固化時(shí)間下的聚氨酯的殘余熱焓測(cè)試結(jié)果如表1所示，殘余熱焓測(cè)試如圖5所示。結(jié)果表明3種固化時(shí)間下，聚氨酯樹(shù)脂的固化殘余放熱加熱時(shí)間越長(zhǎng)，殘余放熱值越低，即固化程度越高，在加熱總時(shí)長(zhǎng) 4h時(shí)，其值為22.89J/g，遠(yuǎn)小于要求值。

圖4 層間剪切測(cè)試后試樣Fig.4 Sample after interlaminar shear test

表1 不同固化條件下聚氨酯樹(shù)脂的殘余放熱Tab.1 Residual exothermic properties of polyurethane resin under different curing conditions

圖5 固化4h的殘余放熱測(cè)試值Fig.5 Residual exothermic test value after curing time 4h

2.3 剪切性能測(cè)試結(jié)果

由表2和圖6試樣層間剪切性能測(cè)試結(jié)果可知，聚氨酯樹(shù)脂不同的固化時(shí)間條件下試樣層間抗剪強(qiáng)度均為 60MPa，而葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求單向布的面內(nèi)抗剪強(qiáng)度≥55MPa；聚氨酯樹(shù)脂不同的固化時(shí)間條件下試樣抗拉伸剪切強(qiáng)度為 32～35MPa，參照葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中玻纖拉擠板與灌注樹(shù)脂的抗剪強(qiáng)度≥25MPa，表明聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂間的界面剪切性能完全達(dá)到葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)有的聚氨酯樹(shù)脂固化工藝、與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合方式能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)對(duì)層合板剪切性能的要求。

表2 剪切性能測(cè)試值Tab.2 Test value of shear properties

圖6 不同固化時(shí)間的剪切性能測(cè)試值Fig.6 Shear properties of different curing times

3 結(jié) 論

測(cè)試不同固化時(shí)間下聚氨酯樹(shù)脂的固化殘余放熱結(jié)果表明，在加熱總時(shí)長(zhǎng) 4h時(shí)，殘余放熱為22.89J/g，滿(mǎn)足聚氨酯樹(shù)脂的固化放熱要求。對(duì)于聚氨酯葉片生產(chǎn)固化工藝，加熱時(shí)間具有參考價(jià)值。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求中，聚氨酯樹(shù)脂不同固化時(shí)間條件下與環(huán)氧樹(shù)脂的抗拉伸剪切強(qiáng)度≥25MPa、面內(nèi)抗剪強(qiáng)度要求為≥55MPa。測(cè)試結(jié)果表明在不同固化度下，聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合性能差異不明顯，均可以滿(mǎn)足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，拉伸剪切測(cè)試和層間剪切測(cè)試的界面均為玻璃鋼層破壞，樹(shù)脂材質(zhì)無(wú)明顯指向性，破壞形式為可接受的剪切失效模式。在葉片生產(chǎn)過(guò)程中，不同固化時(shí)間的聚氨酯玻璃鋼結(jié)構(gòu)在與環(huán)氧樹(shù)脂固化成型后，不會(huì)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的剪切性能產(chǎn)生影響。