玻璃鋼切割微粉回收利用的可行性研究

劉召軍，章 靚，李雪健，楊 降，王運明

（振石集團華智研究院（浙江）有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

隨著雙碳目標的確定，清潔能源風電又迎來了快速發展的機遇。當前由于陸上優質風資源有限以及海上風電的興起，風機葉片朝著百米級大型化趨勢快速發展［1］。如此大的葉片對材料剛度和主機載荷提出了更高的要求。如何保證葉片增長不增重、發電提效和制造降本是葉片開發者們研究的重點。

傳統的玻璃纖維經編織物由于材料剛度極限限制，難以滿足大葉片的設計需求。玻璃纖維增強的拉擠板因為纖維含量高、纖維取向性好，所以纖維模量轉化率高，使用同種類型的纖維生產的拉擠板和玻璃纖維單向織物增強的層壓板比，模量可以提升約25%~30%，這為大型葉片的設計開發和葉片降本減重提供了很大空間，目前國內很多陸上和海上風機葉片主梁都采用拉擠板設計制造［2-3］。

拉擠板生產過程中，常規的質量檢測均需要進行拉擠板的切割，為此會產生切割微粉廢料和廢板，隨著拉擠板市場需求量的逐年增加，這種廢料和廢板也會呈指數級增長。行業內目前對這部分固廢主要采用填埋的處理方式，隨著時間的積累對生態環境會造成極大傷害［4-5］。因此，研究玻璃鋼切割微粉的回收再利用，特別是在拉擠板制造過程中自身固廢的消化吸收，對生產企業的經濟效益、節能環保及碳中和均具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

氫氧化鋁為中鋁山東有限公司提供的H-WF-10牌號，切割微粉為振石集團華美新材料E8玻纖拉擠板在線切割產生的粉料。

1.2 實驗儀器

粉料粒徑檢測設備：Mastersizer 2000 Ver.6.00

粉料微觀表征設備：Zeiss EVO15

1.3 實驗方法

通過對常規填充粉料粒徑和切割微粉粒徑的分布測量分析，對比切割微粉的粒徑均勻性和顆粒大小，以判斷是否符合拉擠工藝。同時，通過對兩種粉料的微觀表面形貌進行掃描電鏡觀測，以分析二者的外觀形貌和比表面積的差異，為后續分析是否對板材性能產生影響提供理論依據。

1.4 實驗過程和分析

1.4.1 填料的粒徑分布

1.4.1.1 氫氧化鋁

拉擠工藝中常用的填料為氫氧化鋁，采用的對比填料為中鋁山東有限公司提供的H-WF-10牌號氫氧化鋁。樣品為白色粉末固體，粒徑分布主要在10μm以內，如圖1所示。

圖1 氫氧化鋁填料粒徑分布圖

1.4.1.2 切割微粉

玻璃纖維拉擠板在生產過程中，落卷或質量抽檢時均需要進行在線切割，切割過程中產生的細微粉通過吸風裝置進行清理與收集。微粉中混有樹脂和碎纖維，粒徑分析結果顯示其粒徑分布較廣（1-400μm），如圖2所示，但多數集中在10μm左右。

圖2 切割微粉填料的粒徑分布圖

1.4.2 填料的微觀表征

為表征兩種不同類型填料的微觀狀態，我們采用掃描電鏡觀察了兩種粒子的微觀特征，如下圖3所示。從圖上可以看出氫氧化鋁粉料粒子多數呈球狀，粒徑大小不一，與上文的粒徑分析結果基本一致。切割微粉料粒呈不規則形狀，個別未碎纖維呈棒狀，且粒徑較小，兩種粉料的微觀形態差異較大。

圖3 不同填料SEM掃描圖譜

2 填料的影響

2.1 填料對環氧樹脂粘度的影響

樹脂粘度對拉擠工藝的影響很大，主要是影響紗線的浸潤效果和拉擠速度，一般粘度越大紗線浸膠速度越慢，浸膠效果越差，最終形成的玻璃鋼板材性能越差［6-7］。通過將氫氧化鋁和切割微粉填料分別加入眾博 ER6136X/EH6136X和歐林550E/555H 環氧樹脂體系（添加比例樹脂∶固化劑∶填料=100∶105∶2），來觀察攪拌均勻后樹脂粘度變化情況。如下表1所示，填料加入后樹脂粘度均會增加，且切割微粉增加的幅度大于氫氧化鋁。

表1 不同填料對樹脂粘度的影響

2.2 填料對玻璃纖維板外觀的影響

采用眾博 ER6136X/EH6136X 和巨石E8DR17-2400-390 玻璃纖維進行試樣，通過加入氫氧化鋁和切割微粉不同填料，制備出不同的拉擠板樣品，如下圖4所示。從外觀上看兩種板材均呈黃色，這是樹脂本體色，二者無明顯色差。

圖4 不同填料生產的拉擠板

2.3 填料對玻璃纖維板內部微觀結構的影響

將上述制備好的拉擠板樣品，通過截面切割制樣，進行電子顯微鏡掃描觀察其內部結構，如下圖5、圖6所示。兩種樣板中樹脂和纖維均緊密結合，氫氧化鋁填料板的樹脂均一性較好，但存在少量空隙。切割微粉板的樹脂中明顯觀察到有均勻分布白色點狀物，其為碎纖維顆粒，對樹脂基體有一定增強作用，未發現有明顯空隙［8-9］。從圖上可以看出白色圓餅狀物體為玻璃纖維，由于表面切割影響，部分纖維有不同程度損傷。

圖5 氫氧化鋁填料拉擠板內部結構SEM掃描圖

圖6 切割微粉板填料拉擠板內部結構SEM掃描圖

2.4 填料對板材力學性能的影響

采用萬能材料試驗機對上述兩種玻璃纖維拉擠板進行靜態力學性能測試評估，測試結果如下圖7、圖8所示。通過對比分析，二者材料剛度和強度性能基本一致，切割微粉拉擠板個別強度性能略高于氫氧化鋁拉擠板，這可能跟微粉中的玻璃纖維碎對樹脂形成了一定增強作用的原因。

圖7 不同填料玻璃纖維拉擠板剛度

圖8 不同填料玻璃纖維拉擠板強度

此外，為驗證切割微粉是否具備通用性，我們將玻璃鋼切割微粉和氫氧化鋁分別作為不同的填料加入到聚氨酯樹脂體系（科思創 PUL-2500）中與碳纖維（浙江精功 JG4524-25K）結合制備出碳纖維拉擠板（填料加入量為樹脂總重的8%），并對兩種碳纖維拉擠板進行了力學性能測試評估，結果如下圖9、圖10所示。對比結果顯示兩種碳纖維拉擠板的剛度基本一致，強度方面切割微粉略優于氫氧化鋁。

圖9 不同填料碳纖維拉擠板剛度

圖10 不同填料碳纖維拉擠板強度

3 總結

通過本文分析，玻璃纖維拉擠板制造過程中產生的切割微粉可以跟拉擠工藝中常用的氫氧化鋁粉料一樣作為填料，填充纖維間隙和樹脂收縮產生的間隙，以減少板材內空隙，板面凹坑，防止富樹脂和出粉等質量異常［10］。切割微粉作為填料制成的拉擠板其外觀、微觀結構和材料的力學性能與氫氧化鋁填料板均無明顯差異。此外，切割微粉填料不僅可以兼容環氧和聚氨酯不同的樹脂體系，還可以用于玻璃纖維和碳纖維不同類型拉擠板，通用性好，這對其推廣使用具有重要意義。基于此，我們探索出了一條拉擠板生產過程中的綠色循環工藝路線，變廢為寶，為拉擠工藝走向碳中和奠定了堅實基礎。