一款反应型热塑性树脂真空辅助灌注特性的研究
2021-10-28毛建晖姬凌云李军向
毛建晖，姬凌云，李军向
（明阳智慧能源集团股份公司，中山 528437）
0 前言
风电叶片的制造普遍采用真空灌注成型工艺。它利用抽真空产生的负压使树脂通过预铺的管路注入纤维层中，让树脂浸润增强材料，最后充满整个模具，待树脂固化后移去辅材得到所需制品。真空灌注成型工艺具有操作简单、设备投资少、生产成本低、产品孔隙率低等优点，特别适合大型和复杂结构制品的制备。
目前各叶片制造商普遍使用的灌注树脂为低粘度、双组份环氧树脂。它是一种热固性树脂，固化成型后形成三维网状结构，存在固化周期长、需要额外加热、不可回收利用等问题。常见的热塑性树脂大部分需要在180～340 ℃的温度下加工，具有熔融粘度大、对玻璃纤维浸润性差等特点，不适用于叶片制造的真空灌注体系。而已开发的反应型热塑性树脂，如代尔夫特理工大学开发的阴离子聚酰胺（A-PA6）、Cyclics公司开发的环状对苯二甲酸丁二醇酯（CBT）等虽具有极低的熔融粘度 （10～40 mPa·s），但却存在聚合温度高（＞150 ℃）、对水分敏感及对聚合环境洁净度要求高等特点，限制其在大型结构制品中的应用［1-3］。
近来，Arkema公司开发了一款反应型热塑性树脂（Elium系列），三组份体系，以过氧化物为引发剂，通过自由基聚合生成大分子量的线性高聚物。它可以常温固化，具有低粘度、可操作时间较长、可回收利用、可焊接性等特点，有望应用于风电叶片的设计与制造中［4-6］。本文研究了Elium系列反应型热塑性树脂的真空灌注特性，主要通过不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数、玻璃化转变温度、固化特点、进胶量等指标进行评价。
1 实验部分
1.1 原料
Arkema反应型热塑性树脂Elium 系列，阿科玛（常熟）化学有限公司；
引发剂MCP-75，美国硕津（SYRGIS）；
玻纤织物UD-1250 g/㎡（高模），CPIC；
脱模剂，NanokoteA-8，东莞耐诺新材料技术有限公司。
另有导流网、脱模布、密封胶带及VAP透气膜等辅材。
1.2 仪器设备
双组份脱泡机，DH200，无锡登红风电科技有限公司；
DSC差示扫描量热仪，DSC3500，德国耐驰；
电子天平， JJ124BC，常熟市双杰测试仪器厂；
温度记录仪，TCP-16XL，杭州慧谱仪器有限公司；
马弗炉，SX2-8-13NP，上海一恒科学仪器有限公司；
红外测温枪，GM320，深圳市聚茂源科技有限公司；
真空泵、真空计、卷尺、电动切割机等。
1.3 热塑性复合材料层合板的制备
采用真空灌注工艺制备热塑性复合材料层合板，具体步骤：在模具表面打脱模剂NanokoteA-8→铺放导流网及脱模布→铺设玻纤织物（按每10层为一错层，共7个错层）→铺放VAP透气膜、导流网等辅材→打袋插管→抽真空及灌注→固化（常温4 h）→脱模，最终截面示意图如图1所示，脱模后层合板如图2所示。
1.4 实验过程
1.4.1 纤维体积分数测试
在不同玻纤织物层数（10～80层）的层合板处分别取样，按照标准ISO 1172-1996《纺织玻璃纤维增强塑料、预浸料、模塑料和层压塑料 纺织玻璃纤维和矿物质填料含量的测定 煅烧法》测试其纤维体积分数。
1.4.2 Tg测试
在不同玻纤织物层数（10～80层）的层合板处分别取样，按照标准ISO 11357-2-2013《塑料差示扫描量热法（DSC）第2部分：玻璃传导温度的测定》测试其Tg。
1.4.3 放热温度
铺设玻纤织物时分别在10层、30层、50层、70层中心位置处布置4个热电偶，实时测量热塑性树脂固化过程中的放热温度。
1.4.4 进胶量
将混合好的热塑性树脂置于电子秤上，按要求的时间间隔实时记录进胶量。
1.4.5 厚度
用游标卡尺测量不同层数层合板的实际厚度。通过2.4.1测得不同层数层合板的纤维体积分数、玻纤织物规格参数、玻璃纤维密度已知条件，按公式（1）计算得到理论厚度。
式中：
h——层合板理论厚度，mm；
FVF——纤维体积分数，%。
2 结果与讨论
2.1 层合板纤维体积分数
由表1可知，不同玻纤织物层数FRP的纤维体积分数最小值为61.61%，最大值63.08%，离散系数0.84%。这表明不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数波动较小，Elium树脂对玻纤织物有较好的浸润能力以及真空辅助灌注的匹配性。
表1 不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数
2.2 层合板玻璃化转变温度
由表2可知，不同玻纤织物层数FRP的玻璃化转变温度最低为88.3 ℃，最高为98.0 ℃，离散系数3.5%，两次对10层和80层玻纤织物FRP升温扫描过程均出现了明显的Tg，且无其他放热峰出现，这表明树脂已经完全反应。
表2 不同玻纤织物层数的层合板玻璃化转变温度
2.3 放热温度
由图3可知：0～120 min内，各层放热温度缓慢上升；120～165 min内，各层依次达到放热峰温度，随后温度开始下降；不同层数放热峰温度差别不大（PT1 105 ℃ PT2 108.5 ℃ PT4 109.9 ℃），这表明热塑性树脂反应呈先慢后快的特点，这与自由基聚合慢引发、快增长、速终止的特点吻合。
图3 放热温度与固化时间的关系图
2.4 进胶量
由图4可知，整个灌注过程持续40 min，前25%灌注时间占67%的总进胶量，前50%灌注时间占88%的总进胶量。这表明进胶速度呈先快后慢的特点，这是由于树脂粘度、浸润系数一定时，压力差越小、离注胶口越远所需灌注时间越长，符合达西定律，如公式（2）所示。
图4 进胶量与灌注时间的关系图
式中：
t——灌注时间，s；
l——注射长度，m；
η——为树脂粘度，cps；
ΔP——压力差，Pa；
K——渗透系数。
2.5 厚度
由图5可知，FRP实际厚度随玻纤层数的增加而近乎线性增加（相关系数0.999），且实际厚度均与理论厚度差异较小。这表明热塑性树脂对玻纤的浸润能力好，能实现较好的灌注效果。
图5 不同玻纤织物层数FRP的实际厚度与理论厚度
3 结论
（1）不同玻纤织物层数FRP的纤维体积分数差异小，且FRP实际厚度随玻纤层数的增加而近乎线性增加，实际厚度与理论厚度差异小，这均表明Elium树脂对玻纤织物有着较好的浸润性能。
（2）不同玻纤织物层数FRP均有明显Tg，且无其他放热峰，这表明树脂已完全固化。
（3）放热温度的变化趋势：先缓慢上升，然后迅速上升，最后下降，表明热塑性树脂反应呈先慢后快的特点。
（4）进胶量呈现先快后慢的特点，符合达西定律。
