風(fēng)電葉片用國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料的制備及性能研究

潘翠紅　孫占紅

摘 要：本文制備了一種低壓成型環(huán)氧樹脂LTC80體系，對(duì)LTC80樹脂的耐熱性能、粘溫特性等進(jìn)行了研究；和國產(chǎn)碳纖維ZT6F復(fù)合制備風(fēng)電葉片專用預(yù)浸料ZT6F/LTC80，對(duì)預(yù)浸料的物理性能、ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：LTC80樹脂具有良好的工藝性能，適用于熱熔法制備預(yù)浸料；ZT6F/LTC80預(yù)浸料適用于低壓成型，ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能優(yōu)良，國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料滿足風(fēng)電葉片的使用要求并成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；預(yù)浸料；風(fēng)電葉片；復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大型化，對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了更加苛刻的要求，要滿足大型葉片對(duì)材料的要求，國外風(fēng)電葉片生產(chǎn)商已著手在大型葉片的制造過程中使用碳纖維。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，碳纖維在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用將使風(fēng)力發(fā)電的綜合成本逐漸減低，使用碳纖維復(fù)合材料制造大型葉片將是未來必然的發(fā)展趨勢(shì)。常用的復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制造工藝有濕法成型、預(yù)浸料成型、真空灌注成型等方法。對(duì)于制造相同WM級(jí)的風(fēng)電葉片，預(yù)浸料呈現(xiàn)最佳的性能。國外碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用方面已日趨成熟。在這項(xiàng)技術(shù)上走在世界前列的仍然是幾個(gè)老牌的風(fēng)電大國包括德國、丹麥和美國等。目前，國內(nèi)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用剛剛起步，但是均采用進(jìn)口碳纖維預(yù)浸料，國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用處于空白。本試驗(yàn)根據(jù)市場(chǎng)需要，研制一種適用于真空低壓成型的國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料，應(yīng)用于大型風(fēng)電葉片。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料與試劑

雙酚A型環(huán)氧樹脂單體A、B：純度>99%（HPLC測(cè)試）；固化劑組分：中航復(fù)合材料有限公司自制；觸變劑：中航復(fù)合材料有限公司自制；ZT6F碳纖維：T700級(jí)12K碳纖維，中簡(jiǎn)科技有限公司。

1.2 樹脂及復(fù)合材料的制備

稱取一定量的環(huán)氧樹脂單體A、B，加熱熔融，加入觸變劑，高速攪拌；降至一定溫度，加入固化劑組分，機(jī)械攪拌均勻即得LTC80環(huán)氧樹脂基體。將LTC80樹脂和增強(qiáng)材料（ZT6F碳纖維），通過熱熔法制備預(yù)浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80樹脂基復(fù)合材料。

1.3 測(cè)試與表征

樹脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差掃描量熱分析儀，升溫速率：5℃/min；樹脂流變性能：GEMINI200型流變分析儀，測(cè)試條件：加載頻率：1Hz，加載應(yīng)力：10MPa，試樣厚度：200um，升溫速率：3℃/min；樹脂DMA：NETZSCH DMA 242C動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，升溫速率：5℃/min。

復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試：按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2.結(jié)果與討論

2.1 LTC80樹脂性能

2.1.1 樹脂DSC曲線

從圖1可以看出樹脂體系的反應(yīng)溫度在134℃，反應(yīng)起始溫度在125℃符合風(fēng)電葉片用樹脂體系的固化要求。在實(shí)際使用中，樹脂體系的在100℃下固化3h，即可實(shí)現(xiàn)完全固化。

2.1.2 樹脂耐溫性能

從圖2可以看出，樹脂固化后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg達(dá)到136.9℃，具有較高的耐熱性。

雖然使用低成本的雙酚A型環(huán)氧樹脂，但是由于自制固化劑組分的高效，使得樹脂固化完全，使得樹脂體系具有高的耐熱性。

2.1.3 樹脂流變性能

由圖3樹脂的流變曲線可以看出，隨著溫度的上升，受溫度影響樹脂黏度逐漸降低，隨著溫度的繼續(xù)上升，樹脂開始發(fā)生固化反應(yīng)，樹脂黏度逐漸增加，至114℃以上，樹脂固化反應(yīng)加快，很快達(dá)到凝膠階段，樹脂的黏度迅速增加，樹脂固化。這種動(dòng)態(tài)的流變特性使得樹脂易于制備大厚度預(yù)浸料；且樹脂在固化時(shí)具有較低的黏度，同時(shí)由于觸變劑的加入，使得樹脂適用于真空低壓固化工藝，具有較好的工藝性。

2.2 復(fù)合材料性能

2.2.1 熱熔法制備預(yù)浸料

LTC80樹脂體系的流變特性，使其適用于熱熔法制備預(yù)浸料，并適用于低壓成型。

風(fēng)電葉片用預(yù)浸料為了降低鋪貼成本，通常采用高面密度，這就給樹脂充分浸潤纖維帶來了考驗(yàn)，LTC80樹脂的流變特性恰好解決了這個(gè)問題，在樹脂流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程中，觸變劑的增稠作用處于失效狀態(tài)，因此樹脂能充分流動(dòng)。而在制備過程中，設(shè)備溫度和壓力的合理控制，不會(huì)出現(xiàn)樹脂積淤的現(xiàn)象，使得預(yù)浸料不會(huì)出現(xiàn)貧膠區(qū)域，保證了預(yù)浸料性能的穩(wěn)定。

ZT6F/LTC80預(yù)浸料預(yù)浸料的制備采用二步熱熔法，見表1。

2.2.2 ZT6F/LTC80復(fù)合材料性能

表2所示的結(jié)果是ZT6F/LTC80復(fù)合材料力學(xué)性能。從表中結(jié)果可以看出，復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

結(jié)論

以低成本雙酚A型環(huán)氧樹脂為主要原料合成的LTC80樹脂具有適宜的流變特性，將其和國產(chǎn)T700級(jí)碳纖維ZT6F復(fù)合制備熱熔法預(yù)浸料。國產(chǎn)ZT6F/LTC80碳纖維預(yù)浸料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，已成功應(yīng)用于制備大型風(fēng)機(jī)葉片，并通過靜力試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]牟書香，陳淳.碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012（2）：25-29.

[2]高克強(qiáng)，薛忠民.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010（5）：4-7.

[3]馬振基，林育峰.復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用發(fā)展[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005（4）：5-8.