一种风电叶片用热塑性树脂的灌注成型工艺方法

2022-11-26程亚娟毛建晖

玻璃纤维 2022年5期

程亚娟，卓达，毛建晖

（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，固化成型后呈三维网状结构，存在固化周期长、需要额外加热、可塑性较差、不可回收利用等问题，无法为将来大叶片模块化制作提供可能性。而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（10～40mPa·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的应用［1，2，5］。

近来，我司联合Arkema公司在Elium188基础上开发了一款反应型热塑性树脂（Elium191系列）三组份体系，主要原理为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。同时具备热塑性树脂加热后软化可塑性较好的特性。本研究主要基于热塑性树脂较好的可塑性特性以试验结论的方式，展示一种风电叶片用的热塑性树脂的灌注成型工艺方法，为后期大型结构制品模块化的制造提供一种真空灌注成型工艺方法。［3，4，6］

1 实验部分

1.1 主要原材料

玻纤织物：1250g/m2高模量单轴布，808g/m2双轴布、1350g/m2三轴布，CPIC；

树脂及引发剂：Arkema反应型热塑性树脂Elium191，过氧化物，阿科玛（常熟）化学有限公司。

1.2 主要辅材类

辅材类：脱模剂、导流网、脱模布、密封胶带、导气棉及VAP透气膜、欧姆管等；

1.3 主要设备

实验平台、卷尺，明阳智慧能源集团股份公司-临海实验室

双组分脱泡机，无锡登红风电科技有限公司

电动打磨机，S1B-BG01-125 420W 12000r/min

热电偶，铜-铜镍，CENTER 309 DATA LOGGER

精密数字压力表，MIK-Y290，杭州米科传感技术有限公司

液体密度计/电子天平，GP-300G，深圳市群隆仪器设备有限公司

马弗炉，BZ200624-02GP，上海柏欣仪器设备厂

超声波无损探伤仪，相控阵，奥林巴斯

红外测温枪，TD360，泰克曼

真空泵，2*100m3/h，广州普晶真空设备有限公司

1.4 工艺路线

1.5 实验内容

1.5.1 实验原理

分别制备80层单轴布，150层双轴+三轴的FRP层合板，验证Arkema热塑性树脂对于单轴、双轴、三轴玻纤织物的浸润性，及工艺灌注方法的可行性，利用微观和孔隙率、纤维体积分数等来表征玻纤与树脂的结合性，然后使用无损检测仪来探测层合板内部及表面质量状况。

1.5.2 试验过程

（1）涂脱模剂：在模具表面满涂脱模剂，要求脱模剂涂抹均匀，辅材铺放前无液体残留。

（2）按照图2、图3分别铺放80层单轴、150层（双轴+三轴）样件的下表面灌注辅材，辅材铺放时严格按照图中要求尺寸进行裁剪，导流网可搭接尺寸30～50 mm。

图2 80层单轴布布层下导流网铺放示意图

图3 150层混合布层下导流网铺放示意图

（3）铺设玻纤织物，要求玻纤布铺放平顺，裁剪整齐；布层起止位置的错层可参照图4，效果图如图5。

图4 玻纤织物梯度铺设示意图

图5 玻纤铺层效果图

（4）埋放测温热电偶：分别在10层、30层、50层、70层中心位置处布置热电偶，如图6所示。预埋热电偶线时，一人双手定位电偶位置，另一人加盖纤维布固定，防止测量点偏移。铺层完毕后，在铺层表面铺放一层脱模布，保证脱模布覆盖住整个样件，脱模布可以方便在固化后剥离。

图6 热电偶布置示意图

（5）铺设辅材：如图7所示，在左侧玻纤布上方铺放一层导流网，右侧脱模布上方铺设导流网+导气棉。之后将预先制作好的VAP透气膜铺放在上方，VAP膜弦向搭导流网20 mm。弦向距布层一侧30 mm放置一根欧姆管，轴向欧姆管距两侧布层50 mm。

图7 玻纤上辅材布置示意图

（6）包真空：按照要求进行包真空，真空度检测；然后混合树脂及进行树脂脱泡，如下图8。

图8 混合树脂及树脂脱泡图

（7）灌注、并做好实验记录：开始灌注前，预先用刻度尺在观察口一侧每隔5 cm做一个刻度标记，如图9所示，用于记录玻纤表面树脂走胶情况。把进胶桶放置电子秤上，灌注过程中需记录树脂灌注过程走胶情况、灌注树脂用量。

图9 灌注过程示意图

（8）固化过程：灌注结束后，进行常温固化，并在不同的时间点记录温度数据。

（9）脱模及切割取样，如图10、图11所示。

图1 真空灌注工艺流程图

图10 脱模后FRP制品

图11 切割样块及查看端面

1.6 测试

1.6.1 微观、孔隙率测试

分别对样件进行取样，按照显微照相法检测热塑性FRP件的微观和孔隙率。测试过程主要用到的公式如下：

式中：

X1、X2…Xn为不同位置或纤维方向的孔隙率数据；

Cv—变异系数；

1.6.2 纤维体积分数测试

在不同玻纤织物层数（2～150层）的层合板处分别取样，按照标准ISO 1172 玻璃纤维增强塑料-预浸料、模塑料和层压板-玻璃纤维和矿物填料含量的测定-煅烧法测试其纤维体积分数。

1.6.3 NDT检测

使用NDT对每个制件进行检测，按照标准ASTM E2580-2012航空航天用平板复合材料和夹层芯材的超声波测试用标准实施规程、MIL-HDBK-787（1993）复合材料的无损检测的超声波方法、GB/T 32563-2016 无损检测超声检测相控阵超声检测方法，测试其内部及表面质量状况。

1.6.4 Tg测试

在不同玻纤织物层数（10～80层）的层合板处分别取样，按照标准测试其Tg。

2 结果与讨论

2.1 层合板微观检测

分别对4层双轴布制作的测试件、60层三轴布制作的测试件进行切割，然后将断面进行显微观测，结果如下图12、图13。

图12 双轴布显微成像

图13 三轴布显微成像

由图12、图13我们可以看出，采用此种灌注工艺制作的FRP制件，玻纤束分布均匀，树脂浸润良好，为制作更大的热塑性树脂FRP件提供工艺支撑；

2.2 层合板孔隙率检测

由表1和图14可知，不同的玻纤种类随着玻纤布层数量的增加，微观孔隙率呈现出线性下降趋势；我们还可以看出，相同的玻纤种类，不同的层数，随着层数增加，也呈现出线性下降趋势，主要原因为随着玻纤层数的增加，层合板在真空压力作用下越紧密，这与环氧树脂呈现出的关系曲线吻合，证明采用此种灌注方式可以实现三轴、双轴、单轴布的灌注，孔隙率变化平稳；