摘　要：采用CYD―128(E1)、雙酚F環氧樹脂(E2)、己二醇二縮水甘油醚(E3)為主要原材料配制可用于真空灌注的環氧樹脂體系，通過粘度和拉伸、彎曲性能測試及示差掃描量熱分析研究了樹脂體系的流變特性，固化物力學性能和耐熱性。結果表明，E1，E2，E3的質量比為65:15:20，固化劑為CYDHD―501，固化條件為70℃／6 h時，體系初始粘度較低，工藝性好，固化后力學性能、熱性能優異，能夠滿足1.5 MW風電葉片用環氧樹脂指標要求。
關鍵詞：風力發電葉片；環氧樹脂；真空灌注；粘度；拉伸強度；彎曲強度；耐熱性

0　引　言

　　輕質高強、耐久性好的復合材料成為目前大型風力發電葉片的選材料。目前這些葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放或樹脂真空灌注等成型工藝復合而成。風機葉片用環氧樹脂灌注體系應具備粘度低、適用期長、浸透性好、固化物力學強度高，韌性好等特點，目前多數風電葉片廠家采用國外專用的真空灌注環氧樹脂，價格偏高。

1　實驗部分

1.1　原料與儀器
　　CYD―128環氧樹脂、CYDHD―501固化劑：巴陵石化環氧樹脂事業部；雙酚F環氧樹脂、己二醇二縮水甘油醚：實驗室自制；HUNTSMAN1564：亨斯曼公司。
　　NDJ―8S型數字顯示粘度計，上海精密科學儀器有限公司；DZF―6020型真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；拉伸樣條模具，自制不銹鋼(按國標GB／T 1040―2006設計)模具；彎曲樣條模具，自制不銹鋼(按國標GB／T 1042―1979設計)模具；沖擊樣條模具，自制不銹鋼(按國標GB／T 1043.1―2008設計)模具；美國Instron―5567A微機控制電子萬能試驗機；意大利ImpactorⅡ塑料擺錘沖擊實驗機；美國Perkin Elmer公司Q2000型示差掃描量熱儀。
1.2　試驗方法
1.2.1　粘度測試
　　采用NDJ―8S型數字顯示粘度計測試環氧樹脂粘度、環氧樹脂與稀釋劑混合粘度、復配樹脂與固化劑混合初始粘度。
1.2.2　澆注體制備
　　將環氧樹脂與固化劑按比例混合，常溫攪拌均勻，倒入自制不銹鋼樣條模具里，置于真空干燥箱中真空脫泡30 min，然后將模具移至鼓風干燥箱內恒溫70℃加熱固化6 h，自然冷卻至室溫將樣條取出，放置24 h后即可進行性能測試。按照GB／T 2567―2008測試澆注體的拉伸性能、彎曲性能及測試澆注體的沖擊性能；澆注體T_g測試按照升溫速率20 K／min掃描。
1.2.3　膠液溫度跟蹤實驗
　　稱取一定質量環氧樹脂及相應固化劑，提前12 h將膠液送至恒溫房，10℃恒溫保存，實驗時在恒溫房取出環氧樹脂及固化劑，準確稱量膠液。混膠均勻后采用電子溫槍隨時跟蹤膠液溫度變化。

2　結果與討論

2.1　風電樹脂粘度研究
　　目前風電葉片的制作多采真空灌注工藝，未固化的環氧樹脂為透明的流動粘稠液體，普通的雙酚A型環氧樹脂粘度較大，不能滿足風電樹脂的工藝要求。
　　圖1和圖2分別為HUNTSMAN1564灌注樹脂和雙酚A型CYD―128環氧樹脂在20～40℃粘溫曲線見圖1。

　　由圖1可知，風力發電用灌注環氧樹脂的粘度25℃下為1.068 Pa?s，雙酚A型環氧樹脂CYD―128 25℃下的粘度高達11.088 Pa?s，不能滿足風電葉片用環氧樹脂低粘度的工藝要求。目前真空灌注環氧樹脂要求粘度1000～1300 mPa?s，為了降低環氧樹脂體系的粘度，工業生產中通常采用添加低粘度雙酚F型環氧樹脂及稀釋劑的方法。
2.2　灌注環氧樹脂復配比例研究
2.2.1　灌注環氧樹脂體系環氧指數分析
　　選取HUNFSMAN1564灌注樹脂作為對比，采用CYD―128(簡稱E1)、雙酚F環氧樹脂(簡稱E2)、己二醇二縮水甘油醚(簡稱E3)為主要原料，按照不同配比混合。通過理論計算，環氧樹脂組成為：CYD―128在60～70份，雙酚F環氧樹脂10～25份，己二醇二縮水甘油醚在10～25份(文中所有比例均為質量比)。各體系環氧值測試結果見表1。

　　由表1看出7組中有5組的環氧值均在目前風電葉片灌注樹脂指標值范圍內，其中3^#～7^#號配方體系與1564的環氧值一致。
2.2.2　灌注環氧樹脂體系粘度分析
　　環氧樹脂粘度受溫度影響很大，并且隨著溫度的升高，環氧樹脂粘度逐漸降低。隨著體系中雙酚A型環氧樹脂比例的降低，體系粘度逐漸減低(見圖3)，這是由于3種組分中雙酚A型環氧樹脂的粘度是大的。而影響體系粘度關鍵是活性稀釋劑的用量，稀釋劑己二醇二縮水甘油醚的粘度低為20 mPa?s左右，稀釋劑的較小變化就能較大幅度的改變體系粘度值。另外己二醇二縮水甘油醚為雙官能團活性稀釋劑，兩端均含有環氧基團，能夠在固化過程中參與反應，從而不會影響到固化產物的性能。通過粘度對比可知，實驗中選取的4組體系粘度均滿足真空灌注樹脂指標要求，其中m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20和60:25:15的環氧樹脂體系粘度與亨斯曼真空灌注樹脂體系粘度基本一致。考慮到雙酚F環氧樹脂在力學性能及成本方面存在一定的問題，在使用過程中優先選擇少量添加雙酚F環氧樹脂的體系，因此實驗選取m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20體系進行研究。

2.3　環氧樹脂體系固化行為研究
2.3.1　復配體系粘度研究
　　目前風電葉片生產一般采用真空灌注的方法，即將環氧樹脂與固化劑混合膠液通過真空系統吸入風電葉片模具，然后升溫完成固化。由于葉片灌注中使用膠液量大，灌注時間長，因此要求復合體系要在一定時間內保持較低的粘度，以保證環氧樹脂體系對纖維的浸潤性，并提供較長的工藝操作時間。固化劑與環氧樹脂混合后，測定不同環境溫度混合后的粘度隨時問的變化情況，對保證葉片真空灌注過程中的工藝可操作性能起著決定性作用。因此我們測試了不同溫度下膠液粘度隨時間的變化即樹脂m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20，固化劑CYDHD―501，m(樹脂):m(固化劑)=100:32，測試結果見圖4。

　　目前葉片企業的配膠房溫度控制在20℃左右，以保證灌注過程中復配體系的粘度在適宜灌注的范圍。由圖4可知，在30℃及以下溫度，復配體系固化反應緩慢，能夠在較長的時間內保持較低的粘度，這可以保證在灌注過程中環氧樹脂體系充分浸潤纖維和流動充模；在體系溫度達到35℃時復配體系的固化反應速率相對加快，粘度迅速增大，固化反應放熱量增加，有利于固化完全，提高固化后的澆注體性能。從固化環氧樹脂體系的粘度測試可以看出混合膠液能夠滿足實際生產對粘度的要求。
2.3.2　大量膠液的放熱情況
　　葉片灌注過程中每次混合的膠液的量在40 kg左右，由于固化反應過程中的聯動作用會使體系的溫度上升，粘度增大，不利于真空灌注。葉片生產過程中認為在膠液的溫度超過40℃時，膠液就不能繼續灌注或是必須換至容易灌注的葉片位置進行灌注，另外如果膠液在固化過程中升溫過快可能出現真空袋膜被燒穿的問題，所以進行大量樣品的放熱跟蹤實驗十分有必要。
　　實驗開發體系及進口真空灌注樹脂體系在室溫下復配后溫度跟蹤實驗結果如圖5所示。

　　膠液溫度上升是由于環氧樹脂與固化劑混合以后在灌注的過程中發生放熱的固化反應，溫度上升的速度能夠反應膠液的整體反應速度，在實際操作中為了保證有足夠的灌注時間，要求膠液在灌注完成前能夠緩慢反應，從而保證真空灌注的可操作性。
　　從實驗結果分析，在初始溫度基本相同的條件下，2種環氧樹脂體系在混合140 min后膠液溫度快速升高，膠液溫度上升速率低于進口環氧樹脂體系膠液溫度升高速率，則可以證明在相同的溫度下，實驗開發體系與進口真空灌注樹脂體系放熱情況基本一致，且相對于進口體系具有固化反應前慢后快的特點。一方面能夠提供更長的葉片灌注時間，從而能夠有效保證膠液在浸透纖維前還具有流動性，規避葉片廠家所承擔的灌注風險；另一方面能在灌注完成后快速完成固化，提高生產效率，由此可以確定開發體系可用于風電葉片的灌注。
2.3.3　固化物性能研究
　　根據國內風機葉片制造企業提供的風電葉片用環氧樹脂復配體系性能要求，環氧樹脂澆鑄體必須同時具有良好的剛度、韌性及耐熱性能，具體指標見表2。

　　從測試結果可以看出體系的拉伸強度＞65 MPa，伸長率在5％左右，彎曲強度＞110 MPa，彎曲模量＞2900 MPa，沖擊強度＞35 kJ／m²，完全能夠滿足1.5 MW型號的風電葉片對于膠液固化物性能指標要求，該復合體系的力學性能可以使風力葉片經受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗，能夠滿足風電葉片用真空灌注環氧樹脂體系要求。

3　結　論

　　1)通過添加雙酚F環氧樹脂和活性稀釋劑能夠在很大范圍內調節樹脂體系的粘度，通過實驗確定CYD―128、雙酚F環氧樹脂及己二醇二縮水甘油醚的質量比為65:15:20時能夠滿足真空灌注環氧樹脂的指標要求。
　　2)環氧樹脂復配體系固化時的初始粘度較低工藝性能優異；固化樣條力學性能、熱性能優異，能夠滿足風電葉片用環氧樹脂指標要求。