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0 前 言
在樹脂傳遞模塑(RTM)工藝和真空輔助RTM工藝(VARTM)發(fā)展過程中，真空吸塑成型(VRAM)工藝的開發(fā)成功可謂具有里程碑的意義。這一技術的應用不僅增加了樹脂的傳遞動力，而且排除了模具及樹脂中的氣泡和水分，并且為樹脂在模腔中的流動打工了通道，形成了完整的通路；更重要的是VRAM工藝完全利用真空，從而有效避免了在RTM和VARTM工藝中因注射產(chǎn)和的強大壓力所引起的沖刷纖維現(xiàn)象的發(fā)生，不但大大降低了成本，而且明顯提高了復合材料的性能。對于大尺寸、大厚度的復合材料制件(尤其是對于大厚度的船舶、汽車和飛機等結(jié)構(gòu)件)而言，若采用以往的復合材料成型工藝，則大型模具的選材難、成本貴且制造十分困難；而采用VRAM工藝則是一種十分有效的成型方法，由該工藝制造的復合材料制件具有成本低、空隙率小、無需外加壓力、成型過程中產(chǎn)生的揮發(fā)氣體少且終產(chǎn)品性能好等諸多優(yōu)點，并且該工藝具有很大的靈活性。
環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)中含有羥基、醚鍵和活性極大的環(huán)氧基團，可與相鄰界面產(chǎn)生電磁吸附或化學鍵，因而在復合材料體系中環(huán)氧樹脂與增強材料間的界面粘接強度較高；另外環(huán)氧基團又能在固化劑作用下發(fā)生交聯(lián)反應生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，因而且有較高的內(nèi)聚強度；此外，環(huán)氧樹脂體系還具有較高的力學性能和耐熱性能、良好的工藝性、穩(wěn)定性且固化收縮率小等諸多優(yōu)點，可廣泛用于綜合性能要求較高的領域。
因此，環(huán)氧樹脂以其較低的價格和優(yōu)良的性能，長期以來一直是大型風力發(fā)電葉片的選樹脂，而聚酯樹脂只是葉片長度較短時才使用。未來葉片材料的發(fā)展趨勢是采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，尤其是隨著功率的增大，要求葉片長度相應增加，必須采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料。
1 風機葉片VRAM工藝
將VRAM技術用于大型葉片生產(chǎn)(葉片長度>40m)時，具有效率高、成本低和質(zhì)量好等特點，是目前國際的一種大型構(gòu)件成型新工藝。采用VRAM工藝制備風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的工藝流程如圖1所示，由圖1可知，在設計好的模具型腔中預先放置經(jīng)合理設計、剪裁或經(jīng)機械化預成型的增強材料，夾緊密封好模具，完全真空可以保證樹脂能很好地充滿到增強材料和模具內(nèi)部的每一個角落，而后加熱使復合材料固化，后脫模得到成型制品。
[-page-] 采用VRAM工藝制備風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的關鍵在于：①優(yōu)選浸滲用的基體樹脂，尤其要保證樹脂的佳粘度及其流動特殊性。②模具設計必須合理，尤其要注重模具上樹脂吸入孔的位置和流道分布，以確保基體樹脂能均衡地充滿到模腔內(nèi)的任何地方。③工藝參數(shù)要佳化，必須事先進行相關實驗研究，以確保VRAM技術的工藝參數(shù)達到佳化。
固化后的葉片由自動化操縱的設備運送到下一道工序，進行打磨和拋光等操作。由于模具上涂有硅膠，因此，葉片不需要油漆。此外，在制造過程中應盡可能減少復合材料內(nèi)部的孔隙率，保證纖維在鋪放過程中保持平直，這些都是復合材料獲得良好力學性能的關鍵。
2 適用于VRAM工藝的樹脂體系
適用于VRAM工藝的樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂和聚氰酸酯樹脂等，其中環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂在風力發(fā)電葉片生產(chǎn)中應用為廣泛。
2.1 VRAM工藝用的環(huán)氧樹脂
風機葉片VRAM工藝用的環(huán)氧樹脂，是經(jīng)低粘度固化劑(液態(tài)胺類或酸酐類)或環(huán)氧稀釋劑改性后的高性能復合材料的基體樹脂，具有良好的工藝性，對成型溫度和成型壓力要求較低，可以60℃條件下進行真空吸塑，適用期為2~3h或更長。
美國3M公司生產(chǎn)的PR500樹脂，其熔點為60~80℃，固化物Tg約為190~250℃，該樹脂體系在室溫20℃時的粘度為1000Pa?s，由于粘度太高，故需要加熱來降低其粘度以方便充模；其佳真空吸塑溫度為160℃左右，在該溫度下固化劑能夠很好地溶解，可用于VRAM工藝。Shell化學公司利用雙酚F二縮水甘油醚樹脂DPL862和芳香胺固化劑RSC763，開發(fā)了適用于VRAM工藝的樹脂體系，所得制品具有良好的韌性和較高的耐熱性。CibaGeigy公司早期開發(fā)的TGMDA(四縮水甘油基二胺基二苯甲烷環(huán)氧樹脂)，是較早應用于高性能復合材料的基體樹脂之一，但該樹脂粘度較高，不適用于VRAM工藝。當體系中加入液體酸酐HY917作固化劑時，該樹脂的粘度下降、貯存期延長；但酸酐作固化劑與Kevlar纖維的相容性較差。為此，又選用了低粘度多官能度的環(huán)氧化合物作稀釋劑，配制成Araldite LY5210樹脂并以液態(tài)芳胺HY932為固化劑、DY219為促進劑，該體系在25℃時的粘度只有0.3Pa?s，適用期達24h。美國聚合物公司的E905RTM為雙組分環(huán)氧樹脂體系，該體系在70℃時粘度為200~500mPa?s，可穩(wěn)定保留8h以上，該體系于177℃固化后，其干態(tài)耐熱溫度為150℃，濕態(tài)耐熱溫度為120℃。我國開發(fā)的多官能度環(huán)氧樹脂體系有TDE-85環(huán)氧/馬來酸酐體系，TDE-85環(huán)氧/DDS(二氨基二苯砜)/BF3?MEA(三氟化硼單乙胺)體系也可用于VRAM工藝。
2.2 VRAM工藝用的不飽和聚酯樹脂
風機葉處VRAM工藝用的不飽和聚酯樹脂一般含有較多的苯乙烯，因而該類樹脂粘度低，可室溫存放6個月；與固化劑和促進劑混合后在室溫或略高于室溫下可進行真空吸塑，適用期一般為15~30min；可在室溫或略高于室溫的條件下進行固化，固化時間一般小于1h；為了降低樹脂的固化收縮率，有時需要在樹脂中加入無機填料。
英國JutonPolymer公司生產(chǎn)Norpo142-10樹脂，其23℃時的粘度為200mPa?s,凝膠時間為12~18min，可室溫固化，并可用于VRAM工藝。英國DSM公司的Syholite40-7428樹脂具有低收縮率、A級表面等優(yōu)點，其75℃時的粘度為110mPa?s，凝膠時間為2~3min，需加熱固化。美國Ashland公司開發(fā)的Arotran50437-x樹脂，其60℃時的粘度為500mPa?s，凝膠時間為7~30min，120℃固化2h。英國Scottader公司開發(fā)的標準型、阻燃型和耐化學性等系列樹脂，其真空吸塑粘度為200mPa?s，凝膠時間為2~20min，需加熱固化。國產(chǎn)FL系列樹脂，其真空吸塑粘度為200~450mPa?s，凝膠時間為5~20min，可用于VRAM工藝。[-page-]
3 VRAM風機葉片用復合材料的選擇
風機葉片材料的強度和剛度是決定風力發(fā)電機組性能優(yōu)劣的關鍵。目前普遍采用是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂和碳纖維增強環(huán)氧樹脂。
風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片用的材料可根據(jù)葉片長度不同選用不同的復合材料，從性能方面而言，碳纖維增強環(huán)氧樹脂好，玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂次之。隨著葉片長度的增加，要求提高使用材料的性能，以減輕葉片的質(zhì)量。表1列出了不同復合材料的葉片長度與質(zhì)量的關系，由表1可知，采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為葉片用的復合材料，當葉片長度為19m時，其葉片質(zhì)量為1800kg；當葉片長度為34m時，葉片質(zhì)量為5800kg；當葉片長度為52m時，則葉片質(zhì)量高達21000kg。而采用玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂作為葉片用的復合材料時，當葉片長度為19m時，其葉片質(zhì)量為1000kg，比玻璃纖維增強聚酯樹脂輕800kg；同樣，當葉片長度為34m時，葉片質(zhì)量為5200kg，比玻璃纖維增強聚酯樹脂輕600kg，卻比碳纖維增強環(huán)氧樹脂重1400kg。
綜上所述，葉片質(zhì)量隨著葉片長度的增加而增大，當葉片長度相同時，碳纖維增強環(huán)氧樹脂的質(zhì)量輕，而玻璃纖維增強聚酯樹脂的質(zhì)量重。因此，葉片材料的發(fā)展趨勢是采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，尤其是隨著功率的增大，要求葉片長度相應增加，必須采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料；而玻璃纖維增強聚酯樹脂復合材料只是在葉片長度較短時才使用。
4 結(jié) 語
VRAM工藝是現(xiàn)今生產(chǎn)大型風力發(fā)電葉片的先進技術，而國內(nèi)風機葉片的制造尚處于起步階段，我國河北保定大型風力發(fā)電基地主要引進荷蘭先進技術，因此研究VRAM工藝性、樹脂及葉片復合材料對我國風力發(fā)電的發(fā)展具有重要意義。