潘翠紅 孫占紅
摘 要:本文制備了一種低壓成型環(huán)氧樹脂LTC80體系,對(duì)LTC80樹脂的耐熱性能、粘溫特性等進(jìn)行了研究;和國(guó)產(chǎn)碳纖維ZT6F復(fù)合制備風(fēng)電葉片專用預(yù)浸料ZT6F/LTC80,對(duì)預(yù)浸料的物理性能、ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:LTC80樹脂具有良好的工藝性能,適用于熱熔法制備預(yù)浸料;ZT6F/LTC80預(yù)浸料適用于低壓成型,ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能優(yōu)良,國(guó)產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料滿足風(fēng)電葉片的使用要求并成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂;預(yù)浸料;風(fēng)電葉片;復(fù)合材料
中圖分類號(hào):TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大型化,對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了更加苛刻的要求,要滿足大型葉片對(duì)材料的要求,國(guó)外風(fēng)電葉片生產(chǎn)商已著手在大型葉片的制造過(guò)程中使用碳纖維。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,碳纖維在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用將使風(fēng)力發(fā)電的綜合成本逐漸減低,使用碳纖維復(fù)合材料制造大型葉片將是未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)。常用的復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制造工藝有濕法成型、預(yù)浸料成型、真空灌注成型等方法。對(duì)于制造相同WM級(jí)的風(fēng)電葉片,預(yù)浸料呈現(xiàn)最佳的性能。國(guó)外碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用方面已日趨成熟。在這項(xiàng)技術(shù)上走在世界前列的仍然是幾個(gè)老牌的風(fēng)電大國(guó)包括德國(guó)、丹麥和美國(guó)等。目前,國(guó)內(nèi)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用剛剛起步,但是均采用進(jìn)口碳纖維預(yù)浸料,國(guó)產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用處于空白。本試驗(yàn)根據(jù)市場(chǎng)需要,研制一種適用于真空低壓成型的國(guó)產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料,應(yīng)用于大型風(fēng)電葉片。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要材料與試劑
雙酚A型環(huán)氧樹脂單體A、B:純度>99%(HPLC測(cè)試);固化劑組分:中航復(fù)合材料有限公司自制;觸變劑:中航復(fù)合材料有限公司自制;ZT6F碳纖維:T700級(jí)12K碳纖維,中簡(jiǎn)科技有限公司。
1.2 樹脂及復(fù)合材料的制備
稱取一定量的環(huán)氧樹脂單體A、B,加熱熔融,加入觸變劑,高速攪拌;降至一定溫度,加入固化劑組分,機(jī)械攪拌均勻即得LTC80環(huán)氧樹脂基體。將LTC80樹脂和增強(qiáng)材料(ZT6F碳纖維),通過(guò)熱熔法制備預(yù)浸料,利用真空袋成型,即可制得ZT6F/LTC80樹脂基復(fù)合材料。
1.3 測(cè)試與表征
樹脂的DSC分析:NETZSCH DSC 204 F1示差掃描量熱分析儀,升溫速率:5℃/min;樹脂流變性能:GEMINI200型流變分析儀,測(cè)試條件:加載頻率:1Hz,加載應(yīng)力:10MPa,試樣厚度:200um,升溫速率:3℃/min;樹脂DMA:NETZSCH DMA 242C動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀,升溫速率:5℃/min。
復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試:按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。
2.結(jié)果與討論
2.1 LTC80樹脂性能
2.1.1 樹脂DSC曲線
從圖1可以看出樹脂體系的反應(yīng)溫度在134℃,反應(yīng)起始溫度在125℃符合風(fēng)電葉片用樹脂體系的固化要求。在實(shí)際使用中,樹脂體系的在100℃下固化3h,即可實(shí)現(xiàn)完全固化。
2.1.2 樹脂耐溫性能
從圖2可以看出,樹脂固化后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg達(dá)到136.9℃,具有較高的耐熱性。
雖然使用低成本的雙酚A型環(huán)氧樹脂,但是由于自制固化劑組分的高效,使得樹脂固化完全,使得樹脂體系具有高的耐熱性。
2.1.3 樹脂流變性能
由圖3樹脂的流變曲線可以看出,隨著溫度的上升,受溫度影響樹脂黏度逐漸降低,隨著溫度的繼續(xù)上升,樹脂開始發(fā)生固化反應(yīng),樹脂黏度逐漸增加,至114℃以上,樹脂固化反應(yīng)加快,很快達(dá)到凝膠階段,樹脂的黏度迅速增加,樹脂固化。這種動(dòng)態(tài)的流變特性使得樹脂易于制備大厚度預(yù)浸料;且樹脂在固化時(shí)具有較低的黏度,同時(shí)由于觸變劑的加入,使得樹脂適用于真空低壓固化工藝,具有較好的工藝性。
2.2 復(fù)合材料性能
2.2.1 熱熔法制備預(yù)浸料
LTC80樹脂體系的流變特性,使其適用于熱熔法制備預(yù)浸料,并適用于低壓成型。
風(fēng)電葉片用預(yù)浸料為了降低鋪貼成本,通常采用高面密度,這就給樹脂充分浸潤(rùn)纖維帶來(lái)了考驗(yàn),LTC80樹脂的流變特性恰好解決了這個(gè)問(wèn)題,在樹脂流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中,觸變劑的增稠作用處于失效狀態(tài),因此樹脂能充分流動(dòng)。而在制備過(guò)程中,設(shè)備溫度和壓力的合理控制,不會(huì)出現(xiàn)樹脂積淤的現(xiàn)象,使得預(yù)浸料不會(huì)出現(xiàn)貧膠區(qū)域,保證了預(yù)浸料性能的穩(wěn)定。
ZT6F/LTC80預(yù)浸料預(yù)浸料的制備采用二步熱熔法,見(jiàn)表1。
2.2.2 ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能
表2所示的結(jié)果是ZT6F/LTC80復(fù)合材料力學(xué)性能。從表中結(jié)果可以看出,復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
結(jié)論
以低成本雙酚A型環(huán)氧樹脂為主要原料合成的LTC80樹脂具有適宜的流變特性,將其和國(guó)產(chǎn)T700級(jí)碳纖維ZT6F復(fù)合制備熱熔法預(yù)浸料。國(guó)產(chǎn)ZT6F/LTC80碳纖維預(yù)浸料具有優(yōu)良的力學(xué)性能,已成功應(yīng)用于制備大型風(fēng)機(jī)葉片,并通過(guò)靜力試驗(yàn)。
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