風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂脫泡方法研究進(jìn)展

于雪梅，劉曉燕，孫立，田豐，曹程溪，馮立超

(1.江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.連云港市科技情報(bào)研究所，江蘇 連云港 222005)

由于環(huán)氧樹脂原料遍及世界各地，產(chǎn)量占環(huán)氧樹脂(也稱為通用型環(huán)氧樹脂)消耗量的80%以上。在物理、化學(xué)因素作用下能夠保持原有的穩(wěn)定性能，機(jī)械性能良好，以及具有室溫固化、操作方便和收縮率低等優(yōu)點(diǎn)，已普遍應(yīng)用于許多行業(yè)，來(lái)替代傳統(tǒng)的金屬材料[1-2]。在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，風(fēng)電葉片的制造過程中用于澆注的樹脂在室內(nèi)進(jìn)行，真空澆注時(shí)由于相對(duì)大氣壓的負(fù)壓存在，最初溶解在環(huán)氧樹脂中的氣體，在制造過程中出現(xiàn)沉淀和聚集，生產(chǎn)的葉片出現(xiàn)氣孔(或半干沙)[3]，導(dǎo)致葉片各部位力學(xué)性能衰減，同時(shí)抵抗水破壞能力、抗老化性和抗疲勞性變差[4-5]，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。脫泡技術(shù)在一些工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不勝枚舉[6]。目前，環(huán)氧樹脂脫泡的方法主要有化學(xué)法和物理法。本文探討了風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料氣泡的成因，對(duì)比分析了不同環(huán)氧樹脂脫泡技術(shù)的優(yōu)劣，以便為風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂脫泡技術(shù)的研究和推廣提供幫助。

1 氣泡的理論建模分析

氣泡通常是氣體高度分布到液體中形成的體系。由于氣液兩相密度不同，氣泡受浮力上升時(shí)，因重力產(chǎn)生壓差，液膜變薄，最終使氣泡破裂形成氣體[7]。除壓力外，液體粘度、表面張力和密度等也是影響氣泡生成的因素。Vincent F Cheerier[8]發(fā)現(xiàn)，在曳力作用下，氣泡由于內(nèi)部壓力上升到液面并向外脹大破碎時(shí)不能持續(xù)發(fā)展，只有當(dāng)張力足夠大時(shí)才破裂成氣體[9]。Kendoush A A[10]給出了氣泡破裂曳力系數(shù)的預(yù)測(cè)公式。通常假定氣泡為球體，并且上升運(yùn)動(dòng)符合牛頓流體[11]。氣泡受力可以參考Navier-Stokes方程，上浮過程的受力分析見圖1。

氣泡的上升速度V由多種因素決定：

(1)

式中V——?dú)馀莸纳仙俣?m/s；

ρ——原液密度,kg/m3；

ρ0——?dú)馀菝芏?kg/m3；

d——?dú)馀葜睆?m；

g——重力加速度,m/s2；

δ——矯正值；

η0——?dú)馀輨?dòng)力粘度,Pa·s；

η——原液動(dòng)力粘度,Pa·s。

圖1 氣泡在環(huán)氧樹脂中受力分析

可知，影響氣泡排出因素的氣泡運(yùn)動(dòng)速度由氣泡的大小以及環(huán)氧樹脂的動(dòng)力粘度決定。常溫下環(huán)氧樹脂表面氣泡的情況見圖2。

圖2 環(huán)氧樹脂表面的氣泡

2 氣泡形成的原因

將理論模型與環(huán)氧樹脂的實(shí)際生產(chǎn)過程相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)以下因素可能是造成氣泡存在的直接原因[12-13]：

(1)環(huán)氧樹脂中氣泡多且出現(xiàn)聚集連接現(xiàn)象，不易快速消除；

(2)環(huán)氧樹脂粘度高導(dǎo)致阻力過大，氣泡運(yùn)動(dòng)速度慢來(lái)不及排出；

(3)現(xiàn)場(chǎng)管理和調(diào)度的影響增加了灌注時(shí)間，不利于氣泡排出；

(4)部件泄漏，或高速攪拌和加入添加劑時(shí)，空氣進(jìn)入物料產(chǎn)生氣泡；

(5)輸送過程中，壓力或溫度的變化產(chǎn)生氣泡。

3 脫泡方法研究現(xiàn)狀

目前，工業(yè)上對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行脫泡有兩種方法：(1)向溶液里面添加消泡劑，降低氣泡的穩(wěn)定性，使氣泡破裂;(2)采用物理脫泡方式，利用氣液兩相密度不同，氣泡能上升到液面而被清除。

3.1 消泡劑脫泡

消泡劑是破壞氣泡周圍表面活性劑雙電層的一種化學(xué)助劑，降低氣泡壁穩(wěn)定性，使氣泡破裂釋放出包裹氣體[14]。根據(jù)化學(xué)成分不同可分成許多種類[15]。環(huán)氧樹脂中往往采用聚硅氧烷類。某款產(chǎn)品使用0.3%～0.5%硅烷類，并配合抽真空，產(chǎn)品優(yōu)良率由原來(lái)93%～92%提高到99.5%[16]。其消泡劑脫泡過程可劃分成脫泡和消泡兩個(gè)過程[17]。作用原理見圖3。

圖3 消泡劑作用原理圖

3.2 離心脫泡

物質(zhì)作圓周運(yùn)動(dòng)，在慣性力作用下依靠離心力場(chǎng)中粒子移動(dòng)速度或高分子物質(zhì)的密度不同，進(jìn)行分離和凈化提純。

王德祥等[18]發(fā)明專利中將樹脂放入提籃式離心機(jī)中。離心條件：離心半徑10～20 cm，轉(zhuǎn)速400～600 r/min，1～2 min后取出，水平放置，常溫固化。陳凱等[19]通過大量試驗(yàn)探索出高溫離心脫泡的最優(yōu)方案(轉(zhuǎn)速2 400 r/min，時(shí)間25 min)，其結(jié)構(gòu)見圖4，離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)加速膠液中顆粒沉降，同時(shí)設(shè)置外部高溫環(huán)境，分離膠液中的空氣，試驗(yàn)表明，此方案滿足技術(shù)要求。

圖4 高溫離心設(shè)備結(jié)構(gòu)圖[19]

3.3 真空靜置脫泡

真空靜置脫泡是將裝有混合樹脂的密閉容器進(jìn)行抽真空，靜置一段時(shí)間后，氣泡自動(dòng)膨脹溢出表面。對(duì)于一些脫泡要求不太高的聚合物的加工，傳統(tǒng)上采用真空靜置脫泡[20]。

魏秀斌[21]針對(duì)企業(yè)使用的脫泡箱生產(chǎn)成本高昂、清洗麻煩、每次脫泡的樹脂量有限等問題，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用新型涉及風(fēng)力(特別是兆瓦級(jí))發(fā)電機(jī)葉片成型技術(shù)的裝置，見圖5。提高了灌注質(zhì)量。

圖5 靜止脫泡[20]

3.4 真空薄膜脫泡

真空薄膜脫泡原理：(1)使流體成膜，沿著容器壁向下流動(dòng)；(2)對(duì)容器抽真空，由于壓力降低氣泡膨脹、上升與原液分離。

馮梅琳等[22]提出了一種實(shí)用型在線脫泡裝置(圖6)，利用薄膜脫泡原理將脫泡器放在脫泡罐中。經(jīng)分析，此裝置增加了脫泡時(shí)間，提高了效率，達(dá)到了完全脫泡的效果。

3.5 真空攪拌脫泡

劉曉波等[23]對(duì)高粘度液體真空攪拌脫泡理論分析計(jì)算得出，真空攪拌脫泡過程關(guān)鍵是在液體表面進(jìn)行，生產(chǎn)時(shí)應(yīng)首先關(guān)注主流體重復(fù)出現(xiàn)在液體表面的頻率和阻滯時(shí)間。紀(jì)軍等[24]專利中提出一種用于制備風(fēng)力發(fā)電葉片的混合樹脂真空脫泡裝置(圖7)，通過真空攪拌消除在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣泡，改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少次品維修率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

圖6 一種實(shí)用型在線脫泡裝置脫泡罐部分[22]

圖7 真空攪拌脫泡[24]

幸志剛[25]發(fā)明了在攪拌裝置的主軸上安裝滑動(dòng)浮板，浮板上開通氣孔，浮板下方設(shè)有浮子，浮板下方還裝有多個(gè)尖刺。使用時(shí)浮子支撐的浮板可隨液位上升下降，隨時(shí)處于液體表面，同時(shí)浮板下方的尖刺可以有效刺破液體表面的氣泡，從而有效的防止氣泡堆積，大大提高了脫泡效率。

3.6 超聲波脫泡

在超聲波的刺激下，液體中的微小氣泡活躍，隨聲波的稀疏相和壓縮相發(fā)展又迅速破裂[26]，產(chǎn)生高速的空化微射流，將聚集起來(lái)的聲能量瞬間釋放，并伴有高溫、高壓和高速微射流等一系列現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)過程[27-29]。

鄭媛心等[30]通過聯(lián)合超聲波和機(jī)械攪拌分散的方法生產(chǎn)了環(huán)氧樹脂/NIA復(fù)合材料。分析了產(chǎn)品加工時(shí)，超聲波脫泡、真空脫泡及消泡劑對(duì)脫泡結(jié)果的影響。

試驗(yàn)表明，超聲波脫泡不能提高脫泡效果，真空脫泡和消泡劑可以達(dá)到預(yù)期目的。

4 脫泡方式對(duì)比分析

幾種環(huán)氧樹脂脫泡技術(shù)的對(duì)比分析見表1。

表1 脫泡技術(shù)比較Table 1 Comparison of defoaming techniques

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)從理論上闡明了環(huán)氧樹脂中氣泡的受力情況和脫泡的影響要素。脫泡效率由其運(yùn)動(dòng)速度和離表面的距離決定，而運(yùn)動(dòng)速度由氣泡尺寸和環(huán)氧樹脂的動(dòng)力粘度決定。

(2)根據(jù)環(huán)氧樹脂產(chǎn)生的氣泡的實(shí)際情況，分析了風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂產(chǎn)生氣泡的原因。

(3)對(duì)消泡劑脫泡、離心脫泡、真空靜置脫泡、真空薄膜脫泡、真空攪拌脫泡和超聲波脫泡的機(jī)理進(jìn)行分析，它們均能起到減少或消除氣泡的作用，有利于氣泡迅速溢出，從而減少表面氣孔的出現(xiàn)。