風電是目前最具開發(fā)與推廣價值的可再生能源，近年來在世界范圍內得到了快速的發(fā)展。作為捕獲風能的核心部件，風電葉片在很大程度上決定了風電機組的發(fā)電效率、成本和使用壽命，因此其選材、設計與制造非常關鍵。由于纖維增強樹脂基復合材料具有出色的耐疲勞特性和可設計性，大型風電葉片基本上都以此類材料為主體，應用真空導入工藝制造。真空導入工藝是一種先進的適合大型結構件制造的低成本成型技術，該工藝的核心是使用導流介質將樹脂快速地分散到厚制件的表面，垂直浸透，固化成型，通常使用單面模具單面真空袋，具有成型效率高、污染小和質量穩(wěn)定的優(yōu)點。
真空導入工藝對所使用的樹脂體系有嚴格的技術要求，一方面要求樹脂具有合適的初始粘度、適用期和放熱等工藝性能，滿足葉片的實際生產需要二另一方面還要求樹脂具有良好的力學性能以及與纖維的匹配性，能夠盡可能提高纖維性能的轉化率和最終復合材料的綜合性能。此外該類樹脂體系還要具有相對低的成本，否則市場難以接受。目前國內的風電葉片廠全部使用真空導入型環(huán)氧樹脂進行大型風電葉片的制造，并且已經接近10年沒有大的變化，幾乎所有的樹脂供應商都在提供類似性能的樹脂體系。這主要是由于葉片真空導入用環(huán)氧樹脂本身優(yōu)良的性能和非常強的適應能力：環(huán)氧樹脂本身性能穩(wěn)定，適于長期儲存;具有可靠而穩(wěn)定的適用期，使得真空導入過程不令人擔心;固化過程對環(huán)境溫度和濕度不敏感，國內的車間環(huán)境完全適用;對玻纖有良好的粘接能力，能夠充分發(fā)揮纖維的性能。
風電的一個重要的發(fā)展方向是不斷地降低度電成本，而風電葉片是整個風電機組成本的重要組成，降低其制造成本也就成為葉片生產領域一個不變的主題。樹脂技術的進步被認為是一種可以考慮的降低葉片制造成本的方向。具體的想法是通過開發(fā)新型的樹脂體系來縮短葉片生產時間，提高生產效率，同時提高復合材料的性能，實現(xiàn)減重。聚氨酯被認為是一種潛在的可以考慮的環(huán)氧樹脂替代品。與環(huán)氧樹脂相比，聚氨酯樹脂具有更快的反應速率和更優(yōu)的粘接性能。但同時將聚氨酷應用于大型結構件的真空導入成型也是相當大的技術挑戰(zhàn)，樹脂的適用期、真空狀態(tài)的適應、對水的敏感性都會是障礙。
本文針對新開發(fā)成功的真空導入型聚氨酯樹脂體系進行了深入分析，應用流變儀、DSC和力學試驗機等分析手段，探究了該聚氨酯樹脂體系的化學流變特性、固化特性和基本力學性能，并與目標替換的環(huán)氧樹脂體系進行了比對。該項研究有助于揭示目前所能獲得的真空導入型聚氨樹脂的性能特點，為推動風電葉片的降低成本華提供必要的科學依據。
1 實驗
1. 1原材料真空導入型聚氨酯樹脂體系采用由拜耳材料科技(中國)有限公司提供的Bayer-78BD075 /44CP20聚氨酯，簡稱PU;用于對比的真空導入型環(huán)氧樹脂體系采用由上緯精細化工有限公司提供的2511-1ABS環(huán)氧樹脂，簡稱EP;單向玻纖織物采用由宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司提供的E-L1200-ECT無屈曲單向織物。
1.2儀器與測試等溫粘度測試：利用德國HAAKE公司的Rheostress 6000流變儀(采用平板系統(tǒng))，樣品厚度為1.Omm，溫度分別為20℃ 、30℃、 ,40℃;固化特性測試使用同樣的設備，條件為：頻率1Hz，溫度從30℃以2℃ /min的升溫速率升溫到85℃，恒溫。拉伸與壓縮測試：采用Instron 3382電子萬能試驗機，其最大載荷為100kN，夾具采用楔形剖面摩擦夾緊裝置。實驗時將樣條放在固定位置上，保持樣條的軸線與上下夾頭中心線一致，控制加載速率為2mm /min，通過在樣條中部安裝引伸計測量其延伸率，連續(xù)加載直至樣條破壞，測試數據系統(tǒng)自動采集并保存。澆鑄體拉伸性能的測試標準為GB/T 2567-2008。單向復合材料拉伸性能的測試標準為ISO 5274:壓縮性能測試標準為ISO 14126。斷面掃描電鏡照片由拜耳材料科技有限公司測試并授權提供。
2 結果與討論
2.1等溫粘度特性風電葉片用真空導入型聚氨醋與環(huán)氧樹脂的等溫粘度曲線如圖1所示。根據應用經驗，選取了20℃,30℃和40℃三個溫度進行了等溫粘度測試。等溫粘度測試結果表明，PU與EP具有類似的粘度變化規(guī)律。同一溫度下，PU與EP的粘度均隨時間增加而增大。不同溫度下，PU和EP的初始粘度均隨溫度升高而降低，粘度隨時間增長的速率則隨溫度升高而升高。這是由于不論是PU還是EP，初始粘度主要與溫度相關，溫度升高，樹脂內部分子動能增加，促進分子間流動，分子間的作用力減弱，從而導致初始粘度降低。但溫度對固化反應速率的影響也很大，溫度升高，反應速率急劇升高，導致粘度隨時間的增長，速率升高。
圖1 不同等溫條件下的EP與PU的粘度變化趨勢PU與EP的區(qū)別之一在于，與EP相比，相同溫度下PU的粘度增長速率更快，達到1.0Pa˙s,所需的時間大約是EP的一半。這一現(xiàn)象與PU的高化學活性有關：聚氨酯是一種主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團的大分子化合物的統(tǒng)稱，其含有的高活性的異氰酸酯基團可以與輕基快速反應二環(huán)氧樹脂中含有的活潑環(huán)氧基團通常在氨基或酸酐的存在下開環(huán)聚合形成三維網狀結構，活性相對較低。PU與EP的區(qū)別之二在于，如圖2所示，不同溫度條件下PU的初始粘度遠遠低于EP。在較低的溫度，如20℃條件下，PU仍保持低于IOOmPa˙s的粘度，而此時EP的粘度已經超過了400mPa˙s,這表明PU在較低溫度下也能實現(xiàn)快速的樹脂導入。這與其各自的化學結構有關。環(huán)氧樹脂通常是低聚物，具有一定的重復單元數，而聚氨酯通常都是小分子，分子間相互作用力偏弱，宏觀上更容易變形。
2.2 工藝窗口
從圖3和表2中可以看到，真空導入型的聚氨酯樹脂體系和環(huán)氧樹脂體系具有差不多的工藝溫度窗口，最佳的灌注溫度都在25-30℃這個區(qū)間里。區(qū)別是兩種樹脂體系的適用期不同，EP的最大可灌注時長約是PU最大可灌注時長的兩倍。兩種樹脂樣品的粘度達到500mPa ˙s所需的最長時間都出現(xiàn)在等溫溫度為30℃時，時長分別是99.Omin和56.Omin。然而這并不意味著，PU的灌注能力大大地弱于EP。真空導入工藝的基本原則是將樹脂在真空負壓作用下吸入增強纖維或纖維織物中，其灌注玻纖布的速度通常由三個參數決定：樹脂的粘度、對增強纖維的浸潤能力和作用在樹脂上的壓強梯對增強纖維的浸潤能力和作用在樹脂上的壓強梯度。多孔介質的滲透符合達西定律的規(guī)則，于是可知灌注速度與纖維浸潤能力正相關，與灌注壓強梯度正相關，而與樹脂粘度反相關。若假設灌注壓強梯度相同并且纖維浸潤能力相同，則可以根據等溫粘度曲線計算不同時間時樹脂的導入量。圖4所示為EP與PU在30℃下樹脂導入量與時間的關系，可以清楚地看到PU在60min時的導入量與EP在120min時的導入量基本相當。盡管PU的適用期較短，但是非常低的粘度使得其可以在短時間內實現(xiàn)大量的樹脂導入，因而綜合來看，PU的灌注能力至少與正在使用的環(huán)氧樹脂是相當的。
2.3固化特性樹脂體系的固化過程是一個粘性逐漸消失、彈性逐漸建立的過程，通過觀察其在交變應力下的力學行為可以實時監(jiān)測其固化過程。環(huán)氧樹脂在交聯(lián)固化過程中，不僅表現(xiàn)出粘性流動形變和彈性形變，而且這兩種形變在交變應力的作用下的變化規(guī)律不同。真空導入型聚氨酯與環(huán)氧樹脂的固化特性借助旋轉流變儀應用擺振模式來表征，結果在圖5中展現(xiàn)。由于PU具有較高的反應活性，這里沒有選擇直接的等溫固化監(jiān)測而是采用先升溫再恒溫的方式來進行固化監(jiān)測。當儲能模量G’和損耗模量
2.4力學性能2.4.1澆鑄體的拉伸性能復合材料中基體的功能是保護纖維，并提供將外部載荷導入纖維的路徑。盡管纖維承擔了主要的外部載荷，但也不能忽視基體材料自身的性能?；w材料性能對復合材料實際使用特性會有很大的影響，也決定了纖維性能的實際轉化程度。對于風電葉片這種大型結構件來說，樹脂的性能顯得尤為重要。真空導入型聚氨醋與環(huán)氧樹脂的澆鑄體拉伸性能列于表3中。對于結構復合材料來說，其基體的斷裂延伸率要遠大于增強體的斷裂延伸率，最好是達到增強體的2倍以上，只有這樣才能保證增強體達到最大載荷前，基體不先發(fā)生裂紋或破壞。風電葉片所廣泛使用的E玻璃纖維通常具有2.5%-3%的斷裂伸長率，因此樹脂的斷裂延伸率最好在6%以上。如表中所示，EP與PU都達到了這一水平，PU還有一定的優(yōu)勢。樹脂的模量也很關鍵，對于結構復合材料，通常要大于2. 76GPa。這一點EP與PU也都能滿足，且PU的模量比EP提高了18%，樹脂的模量高將有助于提高單向復合材料的抗壓性能，更好地抵抗失穩(wěn)。強度通常不應低于50MPa，可以看到EP與PU都能滿足，且PU的強度提高了29%。綜合來看，所開發(fā)的真空導入型聚氨酯能夠勝任結構復合材料的基體材料。
2.4.2單向復合材料的拉伸與壓縮表4給出單向復合材料層合板的關鍵力學性能數據—0℃拉伸、0℃壓縮與90℃拉伸。所使用單向玻纖織物為宏發(fā)縱橫提供的單向無彎折織物，這其中的角度指的是載荷方向與纖維方向間的夾角。在沿纖維方向的拉伸性能上，采用PU的單向復合材料層合板的模量比EP提高了6.8%，強度基本相當;在沿纖維方向的壓縮性能上，采用PU的單向復合材料層合板，模量提高了18.9%，強度提高了27. 1%;在垂直于纖維方向的拉伸性能上，采用PU的單向復合材料層合板的強度提高了62.6%。這些性能的提升無疑是鼓舞人心的，特別是纖維含量基本處于同一水平。對于風電葉片來說，單向復合材料主要用于制造主梁帽，這是葉片最重要的承力部分。由于葉片設計通常采用剛度設計強度校核的方法，因此0℃拉伸模量的提升有助于減少材料的用量。90℃拉伸強度和0℃壓縮強度的大幅度提高，大大提高了結構件的穩(wěn)定性和抗疲勞的能力，這其實也意味著可以降低樹脂含量，進一步提升材料的模量，而不用擔心疲勞性能的不足。這些性能的提升，也表明了PU對纖維的粘接性能優(yōu)于EP.
圖6給出的是環(huán)氧基復合材料和聚氨酯基復合材料破壞后的斷面照片，可以看到聚氨酯仍然緊緊地包覆住玻璃纖維，而環(huán)氧則大面積地剝離，露出玻璃纖維。這些照片可以清楚地描繪出由于環(huán)氧樹脂與玻纖表面并沒有非常好地結合，導致兩者之間的界面強度偏弱，樹脂沒有殘留，從而使樹脂與玻纖剝離。聚氨酯樹脂由于自身的特性與玻纖緊密結合，因而使復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能和耐疲勞性能。
3 結論深入分析了風電葉片用真空導入型聚氨酯的工藝性能與力學性能，得出結論如下：(1)真空導入型聚氨酯樹脂體系的最佳灌注溫度在25-30℃左右，灌注樹脂能力與同類環(huán)氧樹脂相當;(2)聚氨酯樹脂可以縮短灌注時間和固化時間，大約是同類環(huán)氧樹脂的一半;(3)聚氨酯樹脂大幅度提升了單向玻纖復合材料的抗壓性能和橫向拉伸性能，適合制作大型結構件，并具有更好的抗疲勞性能。
