風力發電機葉片用環氧乙烯基酯樹脂
摘 要：簡述了國內外風力發電發展概況及風機葉片成型工藝及要求，研制了風力發電機葉片用MFE-VARIM-200環氧乙烯基酯樹脂，對該樹脂的粘度、凝膠時間、固化收縮率及固化物的力學性能等進行了測試。結果表明，該液體樹脂的粘度(25℃)<0.2Pa?s，凝膠時間(隨環境溫度調節引發劑用量)>2h，線收縮率<0.3%，可以滿足真空灌注成型工藝的要求，固化物的力學性能可滿足風力發電機葉片對基體樹脂的要求。
0 引 言
環氧乙然基酯樹脂兼具不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂的優點，自其面成起就逐步進入了環氧樹脂的應用領域。到20世紀末乙烯基酯樹脂已代替環氧樹脂成為防腐蝕領域的選樹脂。環氧樹脂作為高性能結構膠，在工程塑料領域一直未被其他熱固性樹脂所取代。但自20世紀90年代以來，環氧乙烯基酯樹脂開始逐步進入了這一領域，用于橋梁、房屋等建筑物的修補膠，大型風力發電機葉處的結構膠。
20世紀80年代風力發電裝置開始問世，并且發展迅速。到2006年底全風力發電機總功率為74.3GW。我國2006年新裝機量1.3GW，累計總裝機容量達2.6GW。預測到2020年風力發電裝機容量將達到1231GW，年安裝量達150GW，屆時將占發電總量的12%。我國發改委發展規劃為：2010年裝機總量達到5GW，2020年達到30GW。到2010年我國風電設備市場總量可以達到300億元幣。
單機容量方面，20世紀80年代風機平均功率為26kW，葉片長5.3m，90年代末為0.6MW，葉片長23m。目前風力發電市場所用電機容量一般為1.5~2.0MW,葉片長度為37.5~45m。未來下一代風電機容量可達5MW，葉片長55~60m，單片葉片重量18t。單機容量為5MW的風力發電機，葉片長61.5m，目前在德國已小批量生產、運行。美國已研制成功7MW風力發電機組，英國正研制10MW巨型風力發電機組。
制造風力發電機葉片的材料目前都為復合材料，基體為不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂或環氧樹脂。不飽和聚酯樹脂只適用于小型葉片，1MW以上的大型葉片國內基本采用環氧樹脂作為膠粘劑。
風機葉片有多種成型工藝可供選擇：手糊工藝、模壓成型、預浸料鋪放工藝、拉擠工藝、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)和真空灌注成型工藝。目前對于大型風機葉片的制造比較理想的選擇是真空灌注成型工藝。真空灌注成型工藝對樹脂的工藝性要求是：粘度(25℃)<0.2Pa?s左右，滿足不同環境溫度下的凝膠時間≥2h，放熱峰≤130℃。對已充分固化樹脂的性能要求是：拉伸強度≥55MPa；拉伸斷裂延伸率≥2.5%；拉伸模量≥2.7GPa；彎曲強度≥100MPa；熱變形溫度≥70℃；抗疲勞、耐腐蝕、耐老化；工作溫度-60~80℃，工作年限20年。
1 實驗部分
1.1 合成
1.1.1 原材料[-page-]
主要原材料：甲基丙烯酸、E-51環氧樹脂和苯乙烯均為市售工業品；擴鏈劑富馬酸雙酯為自制；阻聚劑對苯二酚、叔丁基對苯二酚和催化劑季銨鹽為市售工業品。
1.1.2 合成工藝
在三口瓶中依次投入計量的E-51環氧樹脂、富馬酸雙酯、甲基丙烯酸、對苯二酚和季銨鹽，開動攪拌，同時升溫?？刂品磻獪囟葹?0~120℃，反應時間約2~3h，當酸值<20時可視為反應終點，用苯乙烯釋配成固含量60%左右的樹脂溶液。所得液體樹脂的粘度(25℃)η為0.72Pa?s，凝膠時間(25℃,2%MEKP+2%環烷酸鈷)13min。
1.2 真空灌注工藝用樹脂的配制
溫度對樹脂粘度和凝膠時間的影響較大，為滿足不同環境溫度下真空灌注工藝對樹脂性能的要求，需調整稀釋劑、阻聚劑等助劑的種類及添加量。
配置工藝：在上述合成的樹脂中，添加一定量稀釋劑(如苯乙烯等)、適量阻聚劑(如對苯二酚、叔丁基對苯二酚組合使用)和促進劑(如辛酸鈷)后即可得到適合于在不同季節施工的真空灌注工藝用預促進樹脂。
1.3 性能測試
1)液體樹脂的工藝性能和已固化樹脂的力學性能均按現行國標進行。2)環境溫度下的凝膠-放熱曲線：取樹脂100g置于坩堝中，中間插――熱電偶。加入一定量過氧化甲乙酮(MEKP)后攪勻，用溫度記錄儀記錄凝膠-放熱曲線。3）固化過程樹脂線收縮率的測定，取一定量的樹脂(150~300g)加入MEKP并攪勻后倒入長1000mm，φ30mm的半圓柱鋼模具中，待完全固化(需放置7~14d)后測量其線收縮率。
2 結果和討論
2.1 粘度
為滿足直空灌注工藝樹脂粘度<0.2Pa?s的要求，環氧樹脂必需添加價格昂貴的活性稀釋劑以達到目的，而環氧乙烯基酯樹脂則相對容易得多，只需添加總量的20%苯乙烯等即可方便地降低其粘度。使其粘度降到(25℃)η=0.18Pa?s。
2.2 凝膠時間
環氧樹脂凝膠一般均需較長時間，且一旦選定固化劑，其用量也就大致確定，因此只需選擇活性較低的固化劑就可達到凝膠時間>2h的要求。而環氧乙烯基酯樹脂的固化遵循自由基反應歷程，且影響因素較多，溫度、引發劑的品種和用量都可明顯改變其凝膠時間。上述樹脂在環境溫度27℃并加入1.2%MEKP條件下的凝膠時間為3.8h，放熱峰為95℃?？烧{節MEKP的加入量以適應22~32℃下真空灌注工藝對樹脂凝膠時間的要求。
2.3 固化收縮率
固化過程樹脂線收縮率的大小與固化溫度和加入引發劑的質量分數有關，在環境溫度30℃，加入質量分數1.2%的MEKP固化條件下，按實驗部分描述的測試方法，測得樹脂線收縮率<0.3%。[-page-]
2.4 固化樹脂力學性能
按國標規定進行測試，結果見表1
3 結 論
華昌聚合物公司根據以上合成工藝和配制操作條件研制的MFE-VARIM-200風機葉片專用環氧乙烯基酯樹脂，其工藝性能適合真空灌注成型工藝，力學性能符合風機葉片對基本樹脂的要求。
0 引 言
環氧乙然基酯樹脂兼具不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂的優點，自其面成起就逐步進入了環氧樹脂的應用領域。到20世紀末乙烯基酯樹脂已代替環氧樹脂成為防腐蝕領域的選樹脂。環氧樹脂作為高性能結構膠，在工程塑料領域一直未被其他熱固性樹脂所取代。但自20世紀90年代以來，環氧乙烯基酯樹脂開始逐步進入了這一領域，用于橋梁、房屋等建筑物的修補膠，大型風力發電機葉處的結構膠。
20世紀80年代風力發電裝置開始問世，并且發展迅速。到2006年底全風力發電機總功率為74.3GW。我國2006年新裝機量1.3GW，累計總裝機容量達2.6GW。預測到2020年風力發電裝機容量將達到1231GW，年安裝量達150GW，屆時將占發電總量的12%。我國發改委發展規劃為：2010年裝機總量達到5GW，2020年達到30GW。到2010年我國風電設備市場總量可以達到300億元幣。
單機容量方面，20世紀80年代風機平均功率為26kW，葉片長5.3m，90年代末為0.6MW，葉片長23m。目前風力發電市場所用電機容量一般為1.5~2.0MW,葉片長度為37.5~45m。未來下一代風電機容量可達5MW，葉片長55~60m，單片葉片重量18t。單機容量為5MW的風力發電機，葉片長61.5m，目前在德國已小批量生產、運行。美國已研制成功7MW風力發電機組，英國正研制10MW巨型風力發電機組。
制造風力發電機葉片的材料目前都為復合材料，基體為不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂或環氧樹脂。不飽和聚酯樹脂只適用于小型葉片，1MW以上的大型葉片國內基本采用環氧樹脂作為膠粘劑。
風機葉片有多種成型工藝可供選擇：手糊工藝、模壓成型、預浸料鋪放工藝、拉擠工藝、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)和真空灌注成型工藝。目前對于大型風機葉片的制造比較理想的選擇是真空灌注成型工藝。真空灌注成型工藝對樹脂的工藝性要求是：粘度(25℃)<0.2Pa?s左右，滿足不同環境溫度下的凝膠時間≥2h，放熱峰≤130℃。對已充分固化樹脂的性能要求是：拉伸強度≥55MPa；拉伸斷裂延伸率≥2.5%；拉伸模量≥2.7GPa；彎曲強度≥100MPa；熱變形溫度≥70℃；抗疲勞、耐腐蝕、耐老化；工作溫度-60~80℃，工作年限20年。
1 實驗部分
1.1 合成
1.1.1 原材料[-page-]
主要原材料：甲基丙烯酸、E-51環氧樹脂和苯乙烯均為市售工業品；擴鏈劑富馬酸雙酯為自制；阻聚劑對苯二酚、叔丁基對苯二酚和催化劑季銨鹽為市售工業品。
1.1.2 合成工藝
在三口瓶中依次投入計量的E-51環氧樹脂、富馬酸雙酯、甲基丙烯酸、對苯二酚和季銨鹽，開動攪拌，同時升溫?？刂品磻獪囟葹?0~120℃，反應時間約2~3h，當酸值<20時可視為反應終點，用苯乙烯釋配成固含量60%左右的樹脂溶液。所得液體樹脂的粘度(25℃)η為0.72Pa?s，凝膠時間(25℃,2%MEKP+2%環烷酸鈷)13min。
1.2 真空灌注工藝用樹脂的配制
溫度對樹脂粘度和凝膠時間的影響較大，為滿足不同環境溫度下真空灌注工藝對樹脂性能的要求，需調整稀釋劑、阻聚劑等助劑的種類及添加量。
配置工藝：在上述合成的樹脂中，添加一定量稀釋劑(如苯乙烯等)、適量阻聚劑(如對苯二酚、叔丁基對苯二酚組合使用)和促進劑(如辛酸鈷)后即可得到適合于在不同季節施工的真空灌注工藝用預促進樹脂。
1.3 性能測試
1)液體樹脂的工藝性能和已固化樹脂的力學性能均按現行國標進行。2)環境溫度下的凝膠-放熱曲線：取樹脂100g置于坩堝中，中間插――熱電偶。加入一定量過氧化甲乙酮(MEKP)后攪勻，用溫度記錄儀記錄凝膠-放熱曲線。3）固化過程樹脂線收縮率的測定，取一定量的樹脂(150~300g)加入MEKP并攪勻后倒入長1000mm，φ30mm的半圓柱鋼模具中，待完全固化(需放置7~14d)后測量其線收縮率。
2 結果和討論
2.1 粘度
為滿足直空灌注工藝樹脂粘度<0.2Pa?s的要求，環氧樹脂必需添加價格昂貴的活性稀釋劑以達到目的，而環氧乙烯基酯樹脂則相對容易得多，只需添加總量的20%苯乙烯等即可方便地降低其粘度。使其粘度降到(25℃)η=0.18Pa?s。
2.2 凝膠時間
環氧樹脂凝膠一般均需較長時間，且一旦選定固化劑，其用量也就大致確定，因此只需選擇活性較低的固化劑就可達到凝膠時間>2h的要求。而環氧乙烯基酯樹脂的固化遵循自由基反應歷程，且影響因素較多，溫度、引發劑的品種和用量都可明顯改變其凝膠時間。上述樹脂在環境溫度27℃并加入1.2%MEKP條件下的凝膠時間為3.8h，放熱峰為95℃?？烧{節MEKP的加入量以適應22~32℃下真空灌注工藝對樹脂凝膠時間的要求。
2.3 固化收縮率
固化過程樹脂線收縮率的大小與固化溫度和加入引發劑的質量分數有關，在環境溫度30℃，加入質量分數1.2%的MEKP固化條件下，按實驗部分描述的測試方法，測得樹脂線收縮率<0.3%。[-page-]
2.4 固化樹脂力學性能
按國標規定進行測試，結果見表1
3 結 論
華昌聚合物公司根據以上合成工藝和配制操作條件研制的MFE-VARIM-200風機葉片專用環氧乙烯基酯樹脂，其工藝性能適合真空灌注成型工藝，力學性能符合風機葉片對基本樹脂的要求。
