聚氨酯風機葉片專用玻璃纖維及其增強復合材料性能研究

丁 博，王小強，曾慶文，譚家頂，鐘 海，李 飛，冉 印，王秋萍，王佳佳

（重慶國際復合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 前言

風力發(fā)電是一種綠色清潔能源，是我國實現(xiàn)“雙碳目標”的重要方向，近年來保持強勁的發(fā)展態(tài)勢，必將成為新型能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。風機葉片是風力發(fā)電的核心部件，決定了風力發(fā)電的效率、成本和使用壽命，隨著我國風力發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，風機葉片逐漸向大型化、輕量化方向發(fā)展，各種新型高性能材料也逐漸應用于風機葉片的研發(fā)和制造。

風機葉片主要是由玻璃纖維增強樹脂基復合材料制備而成，成熟應用的基體樹脂是環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂，不飽和聚酯體系具有良好的成型工藝性能，但其綜合機械性能偏低，全球僅有LM采用此類樹脂制備大型風機葉片；環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)異的綜合性能，是風機葉片的首選樹脂體系，大部分風電葉片是采用環(huán)氧樹脂體系制造而成，隨著風電葉片長度的不斷增加和高效率制造工藝需求日趨強烈，環(huán)氧樹脂體系粘度高、在高纖維含量下會導致疲勞下降，逐漸不能滿足更大型風機葉片的設計要求；熱固性聚氨酯樹脂本身具有很好的韌性，在相對高的玻纖含量下，靜態(tài)和疲勞性能方面仍有優(yōu)異的表現(xiàn)，同時樹脂體系粘度低，可快速灌注并無需加熱固化，成型工藝性良好，是大型風機葉片設計開發(fā)和高效率制造的優(yōu)選材料。

針對風機葉片發(fā)展趨勢，為了拓寬風機葉片材料體系，豐富風機葉片制造工藝技術(shù)路線，CPIC率先開展聚氨酯樹脂體系大型風機葉片用玻璃纖維的研發(fā)工作，持續(xù)開發(fā)出不同模量級別的聚氨酯風機葉片專用玻璃纖維直接紗ECT467W、TM+467W和TMII467W，通過紗線基礎性能測試評價、紗線纏繞單向?qū)雍习逍阅軠y試和織物增強復合材料綜合性能評估，系列產(chǎn)品與聚氨酯樹脂具有良好的相容性和優(yōu)異的工藝性能，纖維增強聚氨酯復合材料在高玻纖含量下具有較高的模量和優(yōu)異靜態(tài)、疲勞性能，為大型風機葉片制造提供了新的材料選擇。［1-2］

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚氨酯樹脂，科思創(chuàng)公司；

環(huán)氧樹脂（760E、766H）：歐林公司；

不飽和聚酯樹脂（32850）：雷可德公司；

玻璃纖維直接紗，2400tex：重慶國際復合材料股份有限公司；

玻璃纖維單向織物，面密度1200 g/cm2：重慶國際復合材料有限公司。

1.2 實驗設備

浸膠紗線制樣裝置，自制；

玻璃纖維單向紗線纏繞裝置，自制；

復合材料灌注成型平臺及裝置，自制；

馬弗爐：10-12，重慶建川電爐制造有限公司；

電鼓風干燥烘箱：HTF331，重慶威爾試驗設備有限公司；

萬能試驗機：5982，英斯特朗（上海）試驗設備貿(mào)易有限公司；

掃描電鏡：Phenom Prox，飛納電鏡-復納科學儀器有限公司。

1.3 試樣制備與性能測試

（1）浸膠紗線拉伸性能：使用紗線ECT/TM+/TMII467W-2400，參照標準IS09163：2005（E）：玻璃纖維無捻粗紗浸膠紗試樣的制作和拉伸強度測試進行制樣并測試拉伸強度和模量。

（2）單向纖維增強層合板性能：使用紗線TMII469LE-2400、TMII468GS-2400、TMII467W-2400在自制設備上進行單向纖維纏繞，通過真空灌注固化成型為復合材料層合板，參照標準ISO527-5：單向纖維增強復合材料拉伸性能測試進行樣條制備并測試T90。

（3）紗線織物增強層合板性能：使用TMII468GS-2400、TMII467W-2400單向織物參照標準ISO527-5：單向纖維增強復合材料拉伸性能測試、ISO14126：纖維增強塑料復合材料的平面壓縮測試、ASTM D7078：V型槽軌道剪切法測試復合材料剪切性能測試方法、ISO13003：纖維增強塑料循環(huán)載荷條件下疲勞性能測試進行拉伸、壓縮、剪切和疲勞測試樣品制備并分別測試相應性能。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯風機葉片專用紗基礎性能

2.1.1 紗線與聚氨酯樹脂匹配性

根據(jù)聚氨酯樹脂體系化學結(jié)構(gòu)和性能特點進行原料選擇和配方設計，開發(fā)出聚氨酯體系玻璃纖維專用浸潤劑，通過直接紗拉絲工藝制備專用紗線，紗線和樹脂體系具有良好的匹配相容性，可實現(xiàn)樹脂對纖維束的快速浸潤浸透，如圖1所示灌注固化后玻纖增強聚氨酯板材表面無浸透不良、效果較好，從界面可以看出樹脂對纖維浸潤結(jié)合良好，無明顯缺陷出現(xiàn)。

圖1 玻纖增強聚氨酯復合材料制件外觀

2.1.2 浸膠紗線拉伸性能

在CPIC不同模量級別玻璃ECT、TM+、TMII上開發(fā)出相應的聚氨酯體系紗線，以滿足風機葉片不同部位結(jié)構(gòu)設計要求，為更大型的葉片設計提供材料選擇，如圖2浸膠紗線拉伸性能所示，隨著基體玻璃的升級紗線拉伸強度和模量也在不斷提升，TM+467W紗線模量相對ECT467W提升了8.5%，TMII467W模量相對TM+467W提升了6.5%，TMII467拉伸強度達到3141 MPa、拉伸模量達到96.2 GPa，是目前實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)使用的最高模量玻璃纖維，已應用于超長玻璃纖維風機葉片的設計制造。

圖2 467W系列浸膠紗拉伸性能

2.2 專用紗線增強聚氨酯界面結(jié)合性能

玻璃纖維紗線與基體樹脂界面結(jié)合是評價紗線與樹脂匹配相容及復合材料制品性能的重要指標，本實驗選取單向紗線絲束纏繞層合板T90表征紗線與樹脂界面結(jié)合性能，選取風電常用的不飽和聚酯（UP）、環(huán)氧（EP）、聚氨酯（PU）三種樹脂體系 專 用 紗 線TMII469LE-2400、TMII468GS-2400、TMII467W-2400分別制備單向紗線增強對應樹脂體系層合板。

在玻璃纖維增強聚氨酯樹脂成型過程中，一方面聚氨酯較低的黏度和良好的流動性可以充分浸潤玻璃纖維絲束，增加樹脂與纖維束接觸面積；另一方面聚氨酯樹脂體系較高的反應活性可以與纖維表面活性基團和浸潤劑產(chǎn)生良好的化學反應。圖3為不同樹脂體系層合板T90，UP樹脂體系T90強度相對稍低，通常情況EP樹脂體系T90強度較高，本身紗線與樹脂具有良好的界面結(jié)合，PU體系層合板T90相對EP體系提升了12.4%，體現(xiàn)了TMII467W與聚氨酯樹脂具有良好的界面結(jié)合強度。［3］

圖3 不同樹脂體系紗線層合板T90

圖4為不同樹脂體系層合板拉伸破壞表面SEM結(jié)構(gòu)形貌圖，從圖中可以看出T90較高的PU體系斷裂破壞時纖維與樹脂破壞表面相對整齊，樹脂在纖維間和纖維表面均勻結(jié)合，破壞后纖維表面仍包裹一層樹脂，很少有纖維單獨脫拔的現(xiàn)象，顯示了良好的界面結(jié)合情況；相應的界面結(jié)合強度偏低的UP體系則出現(xiàn)了明顯的纖維束脫拔，部分區(qū)域樹脂結(jié)合偏差的現(xiàn)象；而EP體系層合板破壞狀況則處于UP和PU之間，樹脂與纖維部分區(qū)域結(jié)合較好，拔出區(qū)域結(jié)合樹脂相對PU體系略少，從而驗證了玻璃纖維增強PU體系良好的界面結(jié)合性能。［4，5］

圖4 單向紗線層合板斷裂面SEM形貌

2.3 超高模量聚氨酯專用紗線織物綜合性能

2.3.1 織物吸膠性能與拉伸模量

對于玻纖織物增強樹脂基葉片來講，在增強纖維模量相同的情況下，織物體系較低的吸膠能力可以有效提升復合材料玻纖含量，提升制品拉伸模量，為更大葉片設計提供可能，與此同時由于基體樹脂的成本明顯高于玻纖增強材料，較低的樹脂用量還可以有效降低葉片制造成本。針對市場和客戶需求對467W浸潤劑體系進行升級優(yōu)化開發(fā)吸膠性能更優(yōu)的超高模量TMII467W產(chǎn)品，如圖5所示TMII467W復合材料體積分數(shù)（FVF）高達60%，相比TM+467W產(chǎn)品體積分數(shù)提升了5%，復合材料拉伸模量可達到54.47GPa、同比提升了9.7%，織物保持較低的吸膠能力的同時具有良好的浸潤性能，復合材料制品浸透較好無缺陷。

圖5 467W織物纖維體積分數(shù)與模量對比

2.3.2 靜態(tài)力學性能

玻纖織物增強復合材料靜態(tài)性能是風機葉片設計的基礎，葉片不同部位材料力學性能的需求也不盡相同，良好的綜合機械性能是材料選擇使用設計的基礎，TMII467W與聚氨酯體系良好的相容和結(jié)合性能確保了織物增強復合材料優(yōu)異的靜態(tài)性能，在高玻纖含量下仍保持較高的90°方向力學性能，如表1所示，聚氨酯體系層合板的綜合機械性能明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂體系，在保持較高的拉伸性能的同時，聚氨酯體系的0°、90°壓縮強度和V口剪切強度相比環(huán)氧體系提升均超過20%以上， 優(yōu)異的靜態(tài)性能為更大型風機葉片的設計提供新的可能，進一步推動了風電葉片的大型化。［6-7］

表1 PU和EP體系層合板靜態(tài)性能對比

2.3.3 高玻纖含量疲勞性能

織物增強復合材料的疲勞性能決定了風機葉片的質(zhì)量和使用壽命，是風機葉片選材設計的重要參考指標，復合材料中玻璃纖維的特性使其容易在外力作用下受到破壞，一定含量的基體樹脂可以有效保護玻璃纖維紗線提升制品疲勞性能，當玻纖含量增加樹脂含量減少時基體樹脂的增韌保護作用將減弱，相應的疲勞性能也會明顯下降。聚氨酯體系紗線與樹脂體系良好的界面結(jié)合和制品韌性賦予了復合材料優(yōu)異的疲勞性能，使其在較低的樹脂含量時仍保持良好的疲勞性能，圖6為超高模量TMII467W織物增強聚氨酯制品在60%體積分數(shù)的疲勞S-N曲線，此時疲勞M值仍大于9，滿足大型風機葉片的設計要求。

圖6 TMII467W織物疲勞性能S-N曲線

3 小結(jié)

（1）針對風電葉片市場需求和聚氨酯樹脂性能優(yōu)勢，率先進行風機葉片專用聚氨酯紗線研發(fā)，成功開發(fā)出不同模量級別的紗線ECT/TM+/TMII467W產(chǎn)品，系列產(chǎn)品和聚氨酯樹脂具有良好的相容性和優(yōu)異的界面結(jié)合強度，可實現(xiàn)樹脂對紗線的快速浸潤浸透。

（2）超高模量TMII467W拉伸模量可達到96.2 GPa，紗線增強聚氨酯層合板T90強度為69.51 MPa，紗線織物玻吸膠量較低、纖維體積分數(shù)可達到60%，低吸膠條件下復合材料具有優(yōu)異的靜態(tài)力學性能和疲勞性能。

（3）聚氨酯樹脂體系風機葉片用紗良好工藝性和優(yōu)異的機械性為風機葉片設計開發(fā)提供了新的材料選擇，助推風機葉片設計大型化及生產(chǎn)制造的降本增效。