风电叶片手糊成型环氧树脂体系的研究

王 萍，李文可，刘鲜红

(1.四川东树新材料有限公司 四川德阳618000；2.东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

作为风力发电机组的重要组成部分，风电叶片主要用纤维增强环氧树脂复合材料制成。环氧树脂以其优异的性能成为风电叶片最常用的基体树脂，目前大型风电叶片的制造主要采用真空灌注成型工艺(VARTM)，各组件成型后需要进行粘接及补强，补强通常采用手糊成型工艺。因此，手糊成型工艺是关键而重要的工序，国内外的研究机构及厂家对风电叶片手糊成型环氧树脂体系进行了深入研究。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

流变仪：英国马尔文Bohlin CVO；

拉力试验机：日本Shimadzu ACIC-100KN；

差示扫描量热仪(DSC)：德国Netzsch 200F3；

真空干燥箱：上海精宏；

邵氏硬度计：LX-D指针邵氏硬度计。

1.1.2 试剂

DQ220E环氧树脂、DQ221H、DQ222H、DQ223H和DQ224H环氧固化剂：工业级，四川东树新材料有限公司。进口环氧树脂：工业级。

1.2 固化机理

手糊环氧树脂体系为树脂与胺类固化剂的混合体系，其固化机理为环氧树脂的环氧基与胺类固化剂的氨基反应。

反应原理如图1所示，环氧基与伯氨基反应生成仲氨基化合物，而后仲氨基化合物与环氧基团继续反应生成叔氨基化合物。实际上使用的环氧树脂和胺类固化剂均为多官能团化合物，所以固化时会逐步反应生成大型交联网状结构。

1.3 实验方法

在多元化手糊环氧树脂体系的开发过程中，需将开发产品的工艺性能、力学性能作为输出条件，同时综合考虑成本因素，以达到最优的性能成本比。本文采用 JMP和 DOE等实验设计软件来进行实验方案的设计。先分析不同原料对性能的影响程度，以及不同配比情况下各种性能的变化趋势，再通过关键原材料的单因素实验，最终确定多元化手糊环氧树脂体系的组成。为表征多元化手糊环氧树脂的性能，验证其是否满足风电叶片用手糊环氧树脂的性能要求，建立了一系列手糊环氧树脂性能表征方法(表1)。

表1 手糊环氧树脂的性能表征方法Tab.1 Performance of hand lay-up epoxy resin

2 结果与讨论

2.1 组分设计

由于实验开发过程中各个组分的相对含量变化会引起环氧树脂体系性能的明显变化，开发过程中所需进行的实验测试数据量庞大。为了简化实验，提高配方开发的效率，使用了JMP和DOE等实验设计软件来进行实验方案的设计。利用JMP和DOE等软件中的筛选设计、混料设计和正交设计，对比分析不同原料对不同性能的影响程度，以及不同配比情况下各种性能的变化趋势，再通过某些关键原材料的单因素实验，确定该原料的最佳用量。最终通过实验确定多元化手糊环氧树脂体系的最佳配方。图 2和图 3为开发过程中使用 JMP软件对实验数据分析后得到的拟合示意图。图 4是通过单因素实验确定最佳促进剂用量的示意图。

图2 不同组分对手糊环氧树脂混合黏度的影响Fig.2 Effect of mixing viscosity on different components

图3 不同组分对手糊环氧树脂凝胶时间的影响Fig.3 Effect of different components on gel time

图4 DQ222H固化剂黏度随促进剂用量的变化图Fig.4 Variation of viscosity of DQ222H with amount of accelerator

通过以上研究分析，最终得到 DQ220E系列手糊环氧树脂体系(包括树脂 DQ220E和 4种固化剂DQ221H、DQ222H、DQ223H、DQ224H)在目标粘度下的组分比。

2.2 产品性能

为了实现该多元化手糊成型环氧树脂体系固化剂匹配树脂后混合物与本公司的其他环氧树脂配套使用，以 DQ220E/DQ222H为例，验证多元化手糊环氧树脂的产品性能情况，并和国内外同等产品进行比较，以满足风电叶片用手糊环氧树脂体系产品使用要求。

2.2.1 混合黏度

手糊成型工艺要求环氧树脂具有合适的混合黏度。黏度过大会导致现场操作困难、环氧树脂对纤维浸润性差；黏度过低会导致垂直面操作时产生严重流挂，制品出现缺胶等质量问题。结合各个风电叶片制作厂家的要求进行了信息汇总，得出手糊环氧树脂混合黏度介于 800～1400mPa·s是较合适的范围。DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂的混合黏度见表2。

表2 手糊环氧树脂的混合黏度Tab.2 Mixing viscosity of hand lay-up epoxy resin system

根据以上比较可知，DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂具有合适的混合黏度，既满足对玻璃纤维具有良好的浸润性要求，又满足垂立面操作不流胶的要求。实验室验证手糊环氧树脂立面操作的流胶情况见图5，结果表明该手糊环氧具有比较好的抗流胶性能。

2.2.2 可操作时间

可操作时间过长会导致可打磨时间长，影响生产效率；可操作时间短，又会导致来不及操作环氧树脂提前凝胶。因此采用凝胶时间和放热峰时间都可以表征手糊环氧树脂的可操作时间，DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂的凝胶时间见表3。

图5 DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂垂立面操作Fig.5 Elevation operation of DQ220E/DQ222H hand layup resin system

表3 手糊环氧树脂的凝胶时间Tab.3 Gel time of DQ220E/DQ222H hand lay-up epoxy resin system

然而，手糊工艺受温度、操作熟练度及工序方法等因素影响，会对可操作时间的要求不一致。一些国外和国内的手糊环氧树脂供应商只提供一种树脂搭配一种固化剂，可操作时间单一，难以满足客户工艺要求，在实际应用过程中出现了诸多问题。

因此采用多元化手糊环氧树脂的产品策略，用一种树脂(即 DQ220E)和多种固化剂(即 DQ221H、DQ222H、DQ223H 和 DQ224H)搭配，使产品的可操作时间覆盖了从 15～300min。客户可以依据其所制作的部件的大小和现场的操作习惯选择对应的产品。不同固化剂的凝胶时间见表4。

表4 DQ220E与不同固化剂混合的凝胶时间(132 g)Tab.4 Gel time of DQ220E mixed with different curing agents(132 g)

2.2.3 可打磨时间

可打磨时间是指从手糊环氧树脂和固化剂混合至树脂固化到可打磨程度所需要的时间。一般情况下，客户要求树脂的可打磨时间短，以尽量缩短风电叶片的生产周期，提高生产效率。实验室测试结果表明，树脂固化到邵氏硬度达80即可进行打磨。因此，在实验室可用从树脂和固化剂混合到浇铸体邵氏硬度达到80所需要的时间表征手糊环氧树脂的可打磨时间(表5)。

表5 手糊环氧树脂的可打磨时间Tab.5 Polishing time of hand lay-up epoxy resin system

从表5可知，东树DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂的可打磨时间为 187min，可帮助客户有效地提高生产效率。

2.2.4 体积收缩率

环氧树脂和固化剂发生固化反应后形成交联的网络结构，分子间隙的消失导致固化反应过程发生体积收缩，体系的内应力上升，韧性下降。因此希望环氧树脂的体积收缩率尽可能低。东树DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂的体积收缩率见表6。从表6可知DQ220E/DQ222H体积收缩率约为4.2%，略优于相同产品的水平。

表6 手糊环氧树脂的体积收缩率Tab.6 Volumetric shrinkage of hand lay-up epoxy resin system

2.2.5 耐热温度

手糊环氧树脂固化后需要应用在不同的工况下，耐热温度达到 75℃ 即 可满足风电叶片对材料的要求。环氧树脂的耐热温度可以用玻璃化转变温度(Tg)表征。DQ220E/DQ222H手糊环氧树脂的 Tg见表 7。固化后该手糊环氧树脂的 Tg为 82.7℃，略优于相同产品的水平。

表7 手糊环氧树脂的TgTab.7 Tg of hand lay-up epoxy resin system

2.2.6 浇铸体力学性能

力学性能是手糊环氧树脂最重要的性能指标之一，风电叶片要求手糊环氧树脂不仅具有良好的强度，还要求手糊环氧树脂具有良好的韧性。因此对手糊环氧树脂 DQ220E/DQ222H进行了全面的浇铸体力学性能评估。从表 8可知，手糊环氧浇铸体强度、断裂伸长率和冲击轻度都达到了同类别最高水平，具有良好的强度和韧性。

表8 手糊环氧树脂的浇铸体力学性能Tab.8 Mechanical data of resin casting of hand lay-up epoxy resin system

2.2.7 FRP性能

FRP性能直接影响到风电叶片的性能，在 FRP中环氧树脂主要起粘接、定型的作用，并影响FRP的整体性能。FRP面内剪切性能可用于衡量环氧树脂和玻璃纤维之间浸润后粘接的优劣。因此本文采用双轴向±45°面密度 800g/m2的玻璃纤维布搭配DQ220E手糊环氧树脂制备成 FRP材料，测试该FRP材料的剪切强度和剪切模量结果见表 9。从表 9数据可知，DQ220E手糊环氧树脂 FRP性能达到了同类别水平，表明其对玻璃纤维具有良好的匹配性。

表9 手糊环氧树脂的FRP性能Tab.9 Mechanical data of FRP of hand lay-up epoxy resin system

3 结 语

采用一种树脂选配四种固化剂的思路，开发出了多元化手糊环氧树脂体系，实现了产品的可操作时间灵活调整，客户可根据使用要求自行选择，采用特殊的增韧改性方法，解决了手糊环氧树脂快速固化和韧性差的矛盾。与其他国产手糊环氧树脂相比具有显著的优势。通过理化性能、力学性能以及工艺性能验证表明，该产品具有合适的混合黏度，对玻璃纤维具有良好的浸润性的要求，又满足各种施工工艺要求，经批量的风电叶片生产使用表明该手糊环氧树脂综合性能优异。