除湿时间对聚氨酯复合材料垂直纤维方向拉伸性能及断面形貌影响*

2020-04-17郝名扬潘复生曾庆文汤爱涛罗成云姚远

聚氨酯工业 2020年1期

郝名扬潘复生曾庆文汤爱涛罗成云姚远

(1.重庆国际复合材料股份有限公司研发中心重庆 400082) (2.重庆大学材料科学与工程学院重庆 400045)

采用热固性聚氨酯树脂制造风力机叶片是近期兴起的叶片制造技术,与传统的环氧风力机叶片相比,具有强度高,固化速度快,灌注时间少,叶片成本低等优点,获得了广大叶片厂商的青睐[1-5]。

聚氨酯树脂是由高活性多异氰酸酯和多羟基化合物在一定的反应条件下快速固化而成的高分子材料。影响其聚合的主要因素包括水分、温度和原料配比等[6-8]。叶片所需的玻璃纤维织物、真空灌注所需的导流管、脱模布等均含有残留的水分,在固化过程中会与异氰酸酯发生副反应,产生二氧化碳而发泡,影响复合材料质量[9]。因此,在聚氨酯风电叶片制备过程中,必须对复合材料织物及辅料进行真空除湿处理[10-11]。

为了进一步探讨水分对聚氨酯复合材料性能的影响,本研究深入分析不同除湿时间下聚氨酯复合材料的90°拉伸性能及其断面形貌。

1 实验部分

1.1 原材料

风电用聚氨酯树脂44CP20/BAYER-78BD085, Covestro公司;单向织物分别采用重庆国际复合材料有限公司研发聚氨酯树脂专用织物EKU1200(PU),纤维的平均直径均为17 μm。

1.2 复合材料的制备

聚氨酯复合材料制备:将单向织物EKU1200(PU)按照纤维增强塑料复合材料相关的国际标准ISO 527-5的要求进行铺设后,再铺设好导流管、真空袋,在35 ℃,1 kPa真空度下,分别真空除湿0、1、2、3和4 h,然后在90 kPa的真空度下进行聚氨酯树脂灌注。双组分聚氨酯树脂44CP20/78BD085质量比为84/100,固化工艺为室温～50 ℃放置0.5 h,50 ℃保温1 h,50～80 ℃固化0.5 h,80 ℃保温4 h,然后自然冷却。

1.3 仪器与测试

静态力学性能测试:采用Instron 3382型电子万能试验机,对单向织物复合材料进行垂直纤维方向拉伸性能进行测试,测试分析数据使用第一次纤维间破坏的强度(IFF),图1是典型的在垂直纤维方向上单向织物复合材料断裂应力-应变曲线。IFF值代表了树脂基体界面与纤维束界面粘接强度。

图1 典型的复合材料断裂应力-应变曲线(⊥)示意图

采用排水法测试复合材料孔隙率,具体计算公式如下:

式中:ρ为复合材料密度,采用排水法测试;ρf为玻纤的密度,取值为2.6 g/cm3;ρr为聚氨酯的密度,取值为1.2 g/cm3;wf为玻纤质量分数,采用ISO1887《玻璃纤维可燃物含量的测定》的方法测试。

采用ProX扫描电子显微镜(SEM)对拉伸的断口进行形貌分析表征。

2 结果与讨论

2.1 除湿时间对聚氨酯灌注工艺性能影响

表1是除湿时间对聚氨酯树脂灌注现象的影响。

表1 不同除湿工艺下聚氨酯灌注现象

由表1可见,不同除湿工艺条件下,真空灌注的时间明显不同,当未除湿时(除湿时间为0 h),聚氨酯真空灌注需要约147 s,而随着除湿时间从1 h到4 h,其灌注时间均有明显的缩短,约在88 s左右,真空灌注时间的减少主要由于玻纤织物的温度不同所致,表面温度随着除湿时间的延长逐渐达到平衡,因此随着时间延长灌注时间并没有逐渐减低。除了灌注时间明显缩短外,板材周边的表观状况也明显不同,当未除湿时,片材周边有明显的气泡,这主要是由于聚氨酯中的异氰酸酯基与织物、脱模布、导流网中的水分进行反应生产二氧化碳所引起。而随着除湿工艺时间的延长,板材周边的气泡逐渐减少,当除湿工艺为3 h和4 h时,基本没有气泡产生。

2.2 除湿时间对聚氨酯复材拉伸性能的影响

不同除湿时间得到的聚氨酯复合材料的单向织物垂直纤维方向力学性能及物性测试结果见表2。

表2 不同除湿工艺下复合材料力学性能与物性测试结果

由表2可见,与未除湿相比,除湿的复合材料性能明显提高,材料的致密程度也明显提高;除湿1 h比不除湿强度提高了约24.2%,弹性模量提高了7.8%。但随着除湿时间的延长,复合材料的性能变化越来越不明显;与除湿1 h相比,除湿4 h复合材料IFF值仅仅提高了约8.3%,弹性模量也仅提高了7%。

图2是不同除湿时间得到的聚氨酯复合材料断口SEM形貌照片。

图2 不同除湿时间聚氨酯复合材料断口SEM形貌照片

由图2可见，未除湿得到的复合材料纤维间存在较多的孔隙,树脂基体呈颗粒状填充状态,且界面结合较弱,断口出现树脂基体脱落(图2a);而当除湿1 h,树脂基体填充严实,且树脂与纤维的结合明显提高,断口出现纤维界面的脱离(图2b);随着除湿时间延长到4 h,树脂基体填充更加密实,纤维和树脂的结合进一步提高,断口仍出现界面脱离现象(图2c)。