風(fēng)電葉片成型中灌注樹脂導(dǎo)流介質(zhì)對比研究

王 路，吳海亮，劉鮮紅，賈宇婷，王朋飛

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

真空輔助樹脂灌注工藝是一種高性能、低成本的大型纖維增強聚合物復(fù)合材料制件的成型技術(shù)，其特有的低成本生產(chǎn)過程使之成為大型葉片制造的主要生產(chǎn)工藝之一[1]。

隨著風(fēng)電葉片向大功率、大尺寸方向發(fā)展，為了提高生產(chǎn)效率、降低占模時間和提升產(chǎn)品質(zhì)量，風(fēng)電葉片生產(chǎn)大量采用預(yù)制工藝，在其成型過程中需要將預(yù)制件與殼體進行二次灌注，殼體成型過程中為了使預(yù)制件與殼體灌注充分，需在預(yù)制件下面鋪放一層導(dǎo)流介質(zhì)用于灌注樹脂的導(dǎo)流。

在真空輔助灌注工藝中，采用合適的導(dǎo)流介質(zhì)可以降低滲透難度和縮短充模時間，能有效降低邊緣效應(yīng)對樹脂滲透的影響[2-3]，以及提高生產(chǎn)效率和葉片灌注質(zhì)量。[4]

本文通過真空灌注工藝對比了面密度為 300g雙軸向縫編織物、450g雙軸向縫編織物、225g連續(xù)氈、300g連續(xù)氈、450g連續(xù)氈的灌注速度和吸膠量，研究了不同單位面積重量連續(xù)氈、雙軸向縫編織物的導(dǎo)流速度、吸膠量，以尋求更合適的導(dǎo)流介質(zhì)。

1 實驗部分

1.1 原材料及設(shè)備

玻璃纖維雙軸向縫編織物 A(200tex，標(biāo)準(zhǔn)單位面積重量 300g/m2)，玻璃纖維雙軸向縫編織物 B(200tex，標(biāo)準(zhǔn)單位面積重量 450g/m2)，由泰山玻璃纖維有限公司生產(chǎn)；玻璃纖維連續(xù)氈 C(25tex，標(biāo)準(zhǔn)單位面積重量225g/m2)，國外某品牌；玻璃纖維連續(xù)氈 D(25tex，標(biāo)準(zhǔn)單位面積重量300g/m2)、玻璃纖維連續(xù)氈 E(25tex，標(biāo)準(zhǔn)單位面積重量 450g/m2)，某國內(nèi)品牌；灌注環(huán)氧樹脂 DQ200E/DQ204H，由四川東樹新材料有限公司生產(chǎn)。

1.2 實驗設(shè)備

分析天平；馬弗爐；游標(biāo)卡尺(0.01mm)；秒表；真空泵；實驗臺。

1.3 實驗方法與操作步驟

實驗?zāi)M風(fēng)電葉片的生產(chǎn)工藝，用玻璃板代替預(yù)制件，在玻璃板下方放置實驗研究的導(dǎo)流介質(zhì)，在導(dǎo)流介質(zhì)下方鋪 3層纖維織物(雙向+三向+雙向)，采用真空輔助灌注工藝，觀察、對比灌注速度，并在樹脂固化后測試吸膠量。為保證實驗的有效性，同一組對比實驗在同一真空條件下單獨進行灌注。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，按照表1設(shè)計實驗。

表1 實驗設(shè)計表Tab.1 Test design table

實驗步驟：①按照500mm×500mm尺寸裁剪織物和導(dǎo)流介質(zhì)，保證織物及導(dǎo)流介質(zhì)平整、無變形，同一組實驗使用的織物及導(dǎo)流介質(zhì)與玻璃板尺寸保持一致；②清理干凈實驗臺，使用潔模水將實驗用玻璃板擦拭干凈，晾干后在玻璃板上均勻地涂抹脫模劑，晾干，然后依次鋪放脫模布、纖維織物、待測導(dǎo)流介質(zhì)、玻璃板以及真空輔材，待測織物兩側(cè)分別長出玻璃板50mm左右，用于導(dǎo)流和抽氣；③實驗板材兩側(cè)用密封膠條將流道密封，防止樹脂通過流道灌注；④按照要測試的流速方向，分別在玻璃板的兩側(cè)固定注膠螺旋管和抽氣管，且注膠管壓在待測纖維布據(jù)板材相同距離位置處，然后用真空袋沿膠條進行密封；⑤一組實驗不同導(dǎo)流介質(zhì)單獨制作真空系統(tǒng)，但用同一抽氣泵同時抽真空；⑥使用密封膠帶密封樹脂進膠口，并開啟真空泵抽真空，然后關(guān)閉真空系統(tǒng)，保壓15min，無漏氣即可開始灌注樹脂；⑦灌注后按照樹脂固化程序進行固化和后固化，完成后采用馬弗爐灼燒法測試灌注后樣板的吸膠量。

實驗織物鋪放后示例如圖1所示。

圖1 實驗織物鋪放后示例Fig.1 Example of fabric after laying

2 結(jié)果與討論

2.1 不同導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流速度

表2給出了不同導(dǎo)流介質(zhì)按照表 1鋪層進行灌注所用的時間，以及單層導(dǎo)流介質(zhì)的厚度和單層厚度與面密度比值(一定程度上能夠反映孔隙率)。圖 2直觀地給出了不同導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流所用時間對比。

表2 不同導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流速度數(shù)據(jù)表Tab.2 Data sheet of diversion velocity of different diversion media

圖2 不同導(dǎo)流介質(zhì)的導(dǎo)流時間柱狀圖Fig.2 Histogram of diversion time of different diversion media

從圖2和表2中可以看出，連續(xù)氈類導(dǎo)流介質(zhì)的灌注速度遠大于雙向布的灌注速度。由于玻璃纖維連續(xù)氈是一種用玻纖無紡增強基材的復(fù)合材料，它是以一定號數(shù)的連續(xù)玻璃纖維無定向成圈狀分布，靠原絲股之間力學(xué)作用及少量粘結(jié)劑結(jié)合而成，而雙軸向縫編織物是一種玻璃纖維呈45°和-45°方向雙軸向排列、以聚酯縫合線縫編而成的織物。從圖3、4可以看出，雙軸向縫編織物編織緊密，纖維絲間空隙比較小，而連續(xù)氈纖維絲雜亂排放，纖維間空隙較多，從而造成導(dǎo)流速度更快。

圖3 不同單位面積重量連續(xù)氈Fig.3 Continuous felt with different weights per unit area

對比不同單位面積重量的連續(xù)氈的灌注速度可知，450g/m2連續(xù)氈〉225g/m2連續(xù)氈〉300g/m2連續(xù)氈。理論上來說，面密度越大，單位面積上纖維絲越多；空隙越多，導(dǎo)流速度越快。但是從實驗一和實驗三2次測試數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致來看，225g/m2連續(xù)氈灌注速度〉300g/m2連續(xù)氈灌注速度。通過分析計算單層厚度與密度的比值來簡單表示孔隙率，表2中數(shù)據(jù)顯示 225g/m2連續(xù)氈的單層厚度與密度的比值大于 300g/m2連續(xù)氈的比值，即其孔隙率更大，從而造成其導(dǎo)流速度更大。

圖4 不同單位面積重量玻璃纖維雙軸向縫編織物Fig.4 Glass fiber biaxial stitched fabrics with different weights per unit area

2.2 不同導(dǎo)流介質(zhì)的吸膠量

表3給出了不同導(dǎo)流介質(zhì)按照表 1中鋪層進行灌注前后的單位面積重量、單位面積吸膠量和樹脂質(zhì)量含量。圖 5直觀地給出了不同導(dǎo)流介質(zhì)的吸膠量對比。

從圖5和表3中可以看出，灌注固化后連續(xù)氈類導(dǎo)流介質(zhì)的吸膠量遠大于雙向布的吸膠量，這也是由于連續(xù)氈較雙軸向縫編織物纖維間空隙多。

表3 不同導(dǎo)流介質(zhì)的吸膠量數(shù)據(jù)表Tab.3 Data sheet of resin uptake of different diversion media

圖5 不同導(dǎo)流介質(zhì)的吸膠量柱狀圖Fig.5 Histogram of resin uptake of different diversion media

對比不同單位面積重量的連續(xù)氈的吸膠量可知，450g/m2連續(xù)氈〉225g/m2連續(xù)氈〉300g/m2連續(xù)氈，吸膠量的大小與纖維間空隙有很大的關(guān)系，同2.1中分析的纖維間間隙量一致，進一步證明了連續(xù)氈的孔隙率比較大、導(dǎo)流速度快。

3 結(jié) 論

由于連續(xù)氈和雙軸向縫編織物的成型方式和纖維排布方式不同，連續(xù)氈纖維之間的空隙率大，導(dǎo)流速率快，吸膠量大，故更適用于風(fēng)電葉片成型工藝中的導(dǎo)流介質(zhì)。

不同單位面積重量的連續(xù)氈隨單位面積重量增大，導(dǎo)流速率增大，但是當(dāng)連續(xù)氈的厚度較小即纖維比較密實造成纖維間孔隙率較小，導(dǎo)流速率降低，吸膠量低。連續(xù)氈的導(dǎo)流速度和吸膠量除與單位面積重量有關(guān)外，還與其厚度即纖維間空隙多少有關(guān)。

在不考慮成本的前提下，連續(xù)氈更適用于作風(fēng)電葉片預(yù)制件與殼體之間的導(dǎo)流介質(zhì)。