一款反應型熱塑性樹脂真空輔助灌注特性的研究

毛建暉，姬凌云，李軍向

（明陽智慧能源集團股份公司，中山 528437）

0 前言

風電葉片的制造普遍采用真空灌注成型工藝。它利用抽真空產生的負壓使樹脂通過預鋪的管路注入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料，最后充滿整個模具，待樹脂固化后移去輔材得到所需制品。真空灌注成型工藝具有操作簡單、設備投資少、生產成本低、產品孔隙率低等優點，特別適合大型和復雜結構制品的制備。

目前各葉片制造商普遍使用的灌注樹脂為低粘度、雙組份環氧樹脂。它是一種熱固性樹脂，固化成型后形成三維網狀結構，存在固化周期長、需要額外加熱、不可回收利用等問題。常見的熱塑性樹脂大部分需要在180～340 ℃的溫度下加工，具有熔融粘度大、對玻璃纖維浸潤性差等特點，不適用于葉片制造的真空灌注體系。而已開發的反應型熱塑性樹脂，如代爾夫特理工大學開發的陰離子聚酰胺（A-PA6）、Cyclics公司開發的環狀對苯二甲酸丁二醇酯（CBT）等雖具有極低的熔融粘度 （10～40 mPa·s），但卻存在聚合溫度高（＞150 ℃）、對水分敏感及對聚合環境潔凈度要求高等特點，限制其在大型結構制品中的應用［1-3］。

近來，Arkema公司開發了一款反應型熱塑性樹脂（Elium系列），三組份體系，以過氧化物為引發劑，通過自由基聚合生成大分子量的線性高聚物。它可以常溫固化，具有低粘度、可操作時間較長、可回收利用、可焊接性等特點，有望應用于風電葉片的設計與制造中［4-6］。本文研究了Elium系列反應型熱塑性樹脂的真空灌注特性，主要通過不同玻纖織物層數的層合板纖維體積分數、玻璃化轉變溫度、固化特點、進膠量等指標進行評價。

1 實驗部分

1.1 原料

Arkema反應型熱塑性樹脂Elium 系列，阿科瑪（常熟）化學有限公司；

引發劑MCP-75，美國碩津（SYRGIS）；

玻纖織物UD-1250 g/㎡（高模），CPIC；

脫模劑，NanokoteA-8，東莞耐諾新材料技術有限公司。

另有導流網、脫模布、密封膠帶及VAP透氣膜等輔材。

1.2 儀器設備

雙組份脫泡機，DH200，無錫登紅風電科技有限公司；

DSC差示掃描量熱儀，DSC3500，德國耐馳；

電子天平， JJ124BC，常熟市雙杰測試儀器廠；

溫度記錄儀，TCP-16XL，杭州慧譜儀器有限公司；

馬弗爐，SX2-8-13NP，上海一恒科學儀器有限公司；

紅外測溫槍，GM320，深圳市聚茂源科技有限公司；

真空泵、真空計、卷尺、電動切割機等。

1.3 熱塑性復合材料層合板的制備

采用真空灌注工藝制備熱塑性復合材料層合板，具體步驟：在模具表面打脫模劑NanokoteA-8→鋪放導流網及脫模布→鋪設玻纖織物（按每10層為一錯層，共7個錯層）→鋪放VAP透氣膜、導流網等輔材→打袋插管→抽真空及灌注→固化（常溫4 h）→脫模，最終截面示意圖如圖1所示，脫模后層合板如圖2所示。

1.4 實驗過程

1.4.1 纖維體積分數測試

在不同玻纖織物層數（10～80層）的層合板處分別取樣，按照標準ISO 1172-1996《紡織玻璃纖維增強塑料、預浸料、模塑料和層壓塑料 紡織玻璃纖維和礦物質填料含量的測定 煅燒法》測試其纖維體積分數。

1.4.2 Tg測試

在不同玻纖織物層數（10～80層）的層合板處分別取樣，按照標準ISO 11357-2-2013《塑料差示掃描量熱法（DSC）第2部分：玻璃傳導溫度的測定》測試其Tg。

1.4.3 放熱溫度

鋪設玻纖織物時分別在10層、30層、50層、70層中心位置處布置4個熱電偶，實時測量熱塑性樹脂固化過程中的放熱溫度。

1.4.4 進膠量

將混合好的熱塑性樹脂置于電子秤上，按要求的時間間隔實時記錄進膠量。

1.4.5 厚度

用游標卡尺測量不同層數層合板的實際厚度。通過2.4.1測得不同層數層合板的纖維體積分數、玻纖織物規格參數、玻璃纖維密度已知條件，按公式（1）計算得到理論厚度。

式中：

h——層合板理論厚度，mm；

FVF——纖維體積分數，%。

2 結果與討論

2.1 層合板纖維體積分數

由表1可知，不同玻纖織物層數FRP的纖維體積分數最小值為61.61%，最大值63.08%，離散系數0.84%。這表明不同玻纖織物層數的層合板纖維體積分數波動較小，Elium樹脂對玻纖織物有較好的浸潤能力以及真空輔助灌注的匹配性。

表1 不同玻纖織物層數的層合板纖維體積分數

2.2 層合板玻璃化轉變溫度

由表2可知，不同玻纖織物層數FRP的玻璃化轉變溫度最低為88.3 ℃，最高為98.0 ℃，離散系數3.5%，兩次對10層和80層玻纖織物FRP升溫掃描過程均出現了明顯的Tg，且無其他放熱峰出現，這表明樹脂已經完全反應。

表2 不同玻纖織物層數的層合板玻璃化轉變溫度

2.3 放熱溫度

由圖3可知：0～120 min內，各層放熱溫度緩慢上升；120～165 min內，各層依次達到放熱峰溫度，隨后溫度開始下降；不同層數放熱峰溫度差別不大（PT1 105 ℃ PT2 108.5 ℃ PT4 109.9 ℃），這表明熱塑性樹脂反應呈先慢后快的特點，這與自由基聚合慢引發、快增長、速終止的特點吻合。

圖3 放熱溫度與固化時間的關系圖

2.4 進膠量

由圖4可知，整個灌注過程持續40 min，前25%灌注時間占67%的總進膠量，前50%灌注時間占88%的總進膠量。這表明進膠速度呈先快后慢的特點，這是由于樹脂粘度、浸潤系數一定時，壓力差越小、離注膠口越遠所需灌注時間越長，符合達西定律，如公式（2）所示。

圖4 進膠量與灌注時間的關系圖

式中：

t——灌注時間，s；

l——注射長度，m；

η——為樹脂粘度，cps；

ΔP——壓力差，Pa；

K——滲透系數。

2.5 厚度

由圖5可知，FRP實際厚度隨玻纖層數的增加而近乎線性增加（相關系數0.999），且實際厚度均與理論厚度差異較小。這表明熱塑性樹脂對玻纖的浸潤能力好，能實現較好的灌注效果。

圖5 不同玻纖織物層數FRP的實際厚度與理論厚度

3 結論

（1）不同玻纖織物層數FRP的纖維體積分數差異小，且FRP實際厚度隨玻纖層數的增加而近乎線性增加，實際厚度與理論厚度差異小，這均表明Elium樹脂對玻纖織物有著較好的浸潤性能。

（2）不同玻纖織物層數FRP均有明顯Tg，且無其他放熱峰，這表明樹脂已完全固化。

（3）放熱溫度的變化趨勢：先緩慢上升，然后迅速上升，最后下降，表明熱塑性樹脂反應呈先慢后快的特點。

（4）進膠量呈現先快后慢的特點，符合達西定律。