大型風電葉片用真空灌注聚氨酯的開發(fā)研究

熊高虎 周百能 符羅坪 彭 豪 王恩東 張 麗

(四川東樹新材料有限公司 四川 德陽 618000)

自2005年拜耳公司開始研發(fā)風電葉片用聚氨酯樹脂以來，聚氨酯在風電葉片領域的應用逐漸走向市場。2021年株洲時代新材料科技股份有限公司已經(jīng)制備出全球最長的EN156型聚氨酯葉片，兼具成本和性能優(yōu)勢的聚氨酯樹脂有望成為制造風機葉片的備選。聚氨酯風電葉片契合了全球風電葉片大型化、輕量化的發(fā)展趨勢，也為我國2030實現(xiàn)碳達峰提供了重要支撐。聚氨酯基復合材料在不同領域的應用有大量的研究[1-8]，其中也包括用于風電葉片。賈智源等[7]研究了聚氨酯和環(huán)氧樹脂在黏度特性、工藝窗口、力學性能上的差異，認為聚氨酯灌注效率高、綜合表現(xiàn)優(yōu)異，用于制作風電葉片潛力巨大。梁自祿等[8]對聚氨酯制備葉片過程中的除濕工藝條件進行了詳細研究。

本研究采用自制雙組分聚氨酯樹脂制備了聚氨酯澆注試片，并與玻纖采用真空灌注方法制備了玻纖增強復合材料(FRP)，討論了聚氨酯樹脂混合流變性能及其澆注體和FRP的性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器設備

聚氨酯樹脂 DQ3010A/DQ3010B、環(huán)氧樹脂DQ200E/DQ204H，四川東樹新材料有限公司；聚氨酯專用玻纖(E8-UD1250、E6-UD1200和 E7-UD650型)，浙江恒石纖維基業(yè)有限公司。

MV1012型放熱峰無紙記錄儀，日本橫河電機(蘇州)有限公司；ACIC-100kN型精密電子萬能材料試驗機，日本Shimadzu公司；8801-100kN疲勞試驗機，英國Instron公司；YK-Y0196型熱變形溫度測試儀，東莞耀科儀器設備廠；真空烘箱，上海精宏試驗儀器廠；MCR302型流變儀，奧地利安東帕公司。

1.2 純聚氨酯及環(huán)氧樹脂澆注試片的制備

聚氨酯澆注試片制備:將DQ3010A/DQ3010B按比例混合均勻，加入真空脫泡機內，-0.095 MPa真空脫泡10 min，倒入提前準備好的玻璃夾層中。室溫放置24 h后，在70～80℃烘箱內后固化2～8 h，冷卻至室溫，取出澆注體制品切割后進行相關測試。

環(huán)氧樹脂DQ200E/DQ204H澆注試片的制備方法與上述方法一致，80℃烘箱內后固化4 h。

1.3 聚氨酯FRP的制備

將裁剪好的玻纖逐層鋪設，預設好抽氣管和進膠管，鋪好真空袋，用密封膠帶將四周密封，開啟負壓，控制平臺加熱板溫度為50℃，保持真空2 h，降溫至30℃以下。按比例稱量聚氨酯樹脂的DQ3010A和DQ3010B兩個組分，攪拌混合均勻，置于真空脫泡箱內，保持-0.09 MPa真空脫泡20 min。取出物料后，插入真空導料管，開始灌注，灌注結束后開啟平臺底板溫度到50℃保持2 h，再在70℃下保持2 h，取出后按要求切割制樣。

1.4 分析與測試

樹脂澆注試片拉伸性能參照ISO527-2:2012測試；FRP力學性能參照ISO527-5:2009測試。

疲勞測試參照ISO13003:2003進行，其中R指的是應力(應變)比，即一個循環(huán)內力或應力的最小值同最大值的比率，R＝0.1表示的是拉拉疲勞，R＝-1代表拉壓疲勞；m代表應力S與應力循環(huán)數(shù)N取對數(shù)后的斜率，m值越大，表明材料的抗疲勞性越好。

2 結果與討論

2.1 聚氨酯樹脂混合料黏度變化研究

圖1為在不同溫度條件下采用流變儀測試的雙組分聚氨酯混合料的黏度變化曲線。

圖1 不同溫度下聚氨酯混合料黏度變化曲線

由圖1可知，溫度越高，聚氨酯混合料初始混合黏度越低，反應也越快。如以混合料黏度達到600 mPa·s作為標準，可以看出30℃下混合料凝膠時間可達120 min，此溫度既可獲得較低的灌注黏度又可保持較長的凝膠時間，是葉片灌注的最佳參考溫度。

圖2為聚氨酯樹脂兩組分混合1 min時黏度隨環(huán)境溫度的變化曲線。

圖2 兩組分混合1 min時黏度隨溫度的變化曲線

由圖2可見，25℃時聚氨酯樹脂混合料黏度約為70 mPa·s，即便是在10℃的低溫下，聚氨酯樹脂混合料依然保持較低的黏度，約為230 mPa·s，具備良好的灌注工藝性能。

2.2 聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱行為研究

圖3是不同水浴溫度下100 g聚氨酯樹脂混合料的凝膠放熱曲線。圖4是在空氣氛圍下不同環(huán)境溫度時，100 g聚氨酯樹脂混合料的凝膠放熱曲線。

圖3 水浴條件下聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱曲線

圖4 空氣氛圍下聚氨酯樹脂混合料凝膠放熱曲線

由圖3可見，在水浴環(huán)境下混合樹脂凝膠時間由25℃的350 min縮短至50℃的30 min，水浴溫度可以有效調節(jié)灌注不同部位時的操作時間，提高生產(chǎn)效率。

由圖4可知，在空氣氛圍下的凝膠時間總體短于水浴環(huán)境下，這是因為水浴時介質水能帶走熱量。在空氣氛圍下25℃凝膠時間為120 min，混合樹脂的凝膠時間隨溫度變化可以在30～120 min之間調節(jié)，按通常模具溫度在25～30℃計算，混合樹脂可具有90～120 min的有效灌注時間，由于聚氨酯樹脂混合料黏度僅60～70 mPa·s，黏度低、流速快，可滿足大型風電葉片的灌注。

2.3 聚氨酯澆注試片的熱變形測試

圖5是制備的聚氨酯澆注試片在不同后固化溫度時測得的熱變形溫度數(shù)據(jù)。

圖5 不同后固化溫度下聚氨酯樹脂的熱變形溫度

由圖5可知，70℃進行后固化2 h，測試得到的熱變形溫度即可達到72℃，后固化4 h可達78℃，達到了現(xiàn)行葉片設計熱變形溫度65℃以上的要求。若按照現(xiàn)在葉片廠灌注環(huán)氧樹脂的固化條件80℃固化4 h，則聚氨酯熱變形溫度可以達到90℃，超出設計要求38%。這充分證實聚氨酯具有后固化溫度低、耐熱性好等優(yōu)點，在葉片制造過程中可以提高效率，降低能耗。更好的耐熱表現(xiàn)可以給葉片設計留出更多的余量。

2.4 澆注試片的力學性能

為了驗證聚氨酯和環(huán)氧樹脂在不同溫度下的力學性能表現(xiàn)，本研究分別對這兩種澆注試片在常溫23℃、高溫50℃和低溫-40℃的拉伸性能進行對比，結果見表1。

表1 不同溫度下聚氨酯和環(huán)氧樹脂澆注試片的力學性能

由表1可知，聚氨酯樹脂澆注試片常溫23℃時拉伸強度接近90 MPa，模量3.72 GPa，斷裂伸長率在5%以上，比環(huán)氧樹脂澆注試片拉伸強度高出31.7%，模量高出24.4%。高溫50℃時聚氨酯澆注體表現(xiàn)依然良好，各指標均高于同條件下的環(huán)氧樹脂。低溫-40℃時，聚氨酯澆注試片拉伸強度比環(huán)氧樹脂高46.9%，模量高出2.2%，斷裂伸長率高出18%。這些數(shù)據(jù)說明所采用的聚氨酯材料的力學性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂。

2.5 FRP性能研究

為進一步驗證制品的綜合性能，測試了由聚氨酯樹脂與不同玻纖制得的FRP的靜態(tài)和動態(tài)力學性能，結果見表2。

表2 聚氨酯樹脂與不同玻纖制得FRP的力學性能

由表2可知，采用3種型號的玻纖布制得的聚氨酯FRP的0°方向(平行于玻纖纖維方向)拉伸強度均在1 000 MPa以上，模量分別為48.12 GPa、45.75 GPa和 41.69 GPa；90°方向(垂直于玻纖纖維方向)拉伸強度均在52 MPa以上，完全滿足現(xiàn)行風電葉片的設計要求。R＝0.1的拉拉疲勞m值均在10以上，選用E6-UD1200玻纖時，聚氨酯FRP的拉拉疲勞m值為10.68，而同型號的玻纖采用環(huán)氧樹脂灌注的疲勞m值為10.15[9]，聚氨酯FRP的高出約5%。二者相比，聚氨酯具有更好的耐疲勞性。不同類型玻纖在R＝-1時拉壓疲勞測試表明，m值均在11以上，具有良好的抗疲勞性。

3 結論

(1)對自主開發(fā)的DQ3010系列風電葉片灌注聚氨酯樹脂性能進行分析，該樹脂體系常溫水浴25℃的凝膠時間可達350 min，空氣25℃凝膠時間為120 min，25℃時的混合黏度僅為70 mPa·s。

(2)聚氨酯澆注試片在70℃時進行后固化2 h，熱變形溫度即可達到72℃，80℃后固化4 h，熱變形溫度可達到90℃；-40℃、23℃和50℃下拉伸性能均高于現(xiàn)用環(huán)氧樹脂。

(3)聚氨酯樹脂與3種玻纖布 E8-UD1250、E6-UD1200、E7-UD650通過制作FRP復合材料進行匹配性測試，聚氨酯FRP的0°方向的拉伸強度均在1 000 MPa以上，90°方向的拉伸強度均在52 MPa以上，拉拉疲勞m值在10以上，拉壓疲勞m值均在11以上，具有良好的機械性能和耐疲勞性。