應用于葉片和膠粘劑的環(huán)氧樹脂-瀚森

1、應用于未來葉片的環(huán)氧樹脂和膠黏劑應用于未來葉片的環(huán)氧樹脂和膠黏劑作者：作者：劉揚濤劉揚濤提交日期：提交日期：200912315:30:00|分類分類:|訪問量：訪問量：396HEXIONSpecialtyChemicalsGmbHStuttgartS.BaitingerA.BohnJ.BossaertsC.W.KenscheJ.MeunierE.J.RhleJ.P.Schmann中國復合材料集團有限公司中國復合材料集團有限公司劉

2、揚濤（譯）劉揚濤（譯）摘要摘要本文比較了液態(tài)環(huán)氧樹脂（本文比較了液態(tài)環(huán)氧樹脂（EP）和乙烯基樹脂（）和乙烯基樹脂（VE）的靜態(tài)性能和疲勞性能，并以）的靜態(tài)性能和疲勞性能，并以40m葉片為例進行了比較研究。結果表明：如考慮單向鋪層結構的力傳遞，環(huán)氧樹脂具備比乙烯葉片為例進行了比較研究。結果表明：如考慮單向鋪層結構的力傳遞，環(huán)氧樹脂具備比乙烯基樹脂更加優(yōu)越的性能。采用乙烯基樹脂的葉片相比環(huán)氧樹脂葉片要增重近基樹脂更加優(yōu)越的性能。

3、采用乙烯基樹脂的葉片相比環(huán)氧樹脂葉片要增重近8%，才能使其，才能使其在極端載荷下具備環(huán)氧葉片相同的撓度。測試獲得了兩種材料的在極端載荷下具備環(huán)氧葉片相同的撓度。測試獲得了兩種材料的SN曲線，并據此估算相應曲線，并據此估算相應葉片的疲勞壽命，乙烯基樹脂葉片的疲勞損傷速度是環(huán)氧葉片的葉片的疲勞壽命，乙烯基樹脂葉片的疲勞損傷速度是環(huán)氧葉片的60余倍。余倍。環(huán)氧膠黏劑是基體樹脂之外，葉片生產中使用的另一個重要的環(huán)氧體系。本文對環(huán)氧膠環(huán)氧膠黏

4、劑是基體樹脂之外，葉片生產中使用的另一個重要的環(huán)氧體系。本文對環(huán)氧膠黏劑的固化溫度、玻璃化轉變溫度、固化行為及放熱、收縮和觸變等重要特性也進行了較詳黏劑的固化溫度、玻璃化轉變溫度、固化行為及放熱、收縮和觸變等重要特性也進行了較詳細的描述。細的描述。引言引言盡管葉片不斷向大型化發(fā)展，尤其是針對海上風場的應用，但眾多葉片的生產和設計仍盡管葉片不斷向大型化發(fā)展，尤其是針對海上風場的應用，但眾多葉片的生產和設計仍在采用玻纖增強復合材

5、料（在采用玻纖增強復合材料（GFRP）。通常這些葉片都選用熱固性的樹脂基體材料。在葉片。通常這些葉片都選用熱固性的樹脂基體材料。在葉片技術發(fā)展的初期，人們采用不飽和聚酯（技術發(fā)展的初期，人們采用不飽和聚酯（UP）制造相對較小的葉片；伴隨著風力發(fā)電機尺）制造相對較小的葉片；伴隨著風力發(fā)電機尺寸越來越大，環(huán)氧樹脂卻開始廣泛的用于葉片生產，盡管其價格比不飽和聚酯（寸越來越大，環(huán)氧樹脂卻開始廣泛的用于葉片生產，盡管其價格比不飽和聚酯（UP）高很

6、）高很多。多。之所以如此，主要有以下原因。首先，使用的不飽和聚酯需加入一定量的苯乙烯以降低之所以如此，主要有以下原因。首先，使用的不飽和聚酯需加入一定量的苯乙烯以降低樹脂粘度和提高樹脂反應活性，這造成了苯乙烯的揮發(fā)和固化收縮率的上升（樹脂粘度和提高樹脂反應活性，這造成了苯乙烯的揮發(fā)和固化收縮率的上升（58%）。由于。由于其收縮過程更大程度上發(fā)生在樹脂固化后階段，聚酯復合材料有更高的內應力（放熱也相對其收縮過程更大程度上發(fā)生在樹脂固化

7、后階段，聚酯復合材料有更高的內應力（放熱也相對偏高）偏高），這會造成材料強度和疲勞壽命的降低。其次，當時開模工藝還很普遍，當采用開模，這會造成材料強度和疲勞壽命的降低。其次，當時開模工藝還很普遍，當采用開模工藝時，需要采取通風措施以及時吸走揮發(fā)的苯乙烯氣體，這增加了工藝過程中的能耗。工藝時，需要采取通風措施以及時吸走揮發(fā)的苯乙烯氣體，這增加了工藝過程中的能耗。與聚酯相比，環(huán)氧樹脂的固化收縮率僅為與聚酯相比，環(huán)氧樹脂的固化收縮率僅為2

8、5%，內應力很低；同時環(huán)氧樹脂與玻纖有非，內應力很低；同時環(huán)氧樹脂與玻纖有非常好的粘結性能。這使得環(huán)氧樹脂在靜態(tài)力學性能上有很大的優(yōu)勢，如樹脂斷裂應變、復合常好的粘結性能。這使得環(huán)氧樹脂在靜態(tài)力學性能上有很大的優(yōu)勢，如樹脂斷裂應變、復合材料的層間剪切強度（材料的層間剪切強度（ILSS）等。不僅如此，環(huán)氧復合材料的疲勞性能（表現為）等。不僅如此，環(huán)氧復合材料的疲勞性能（表現為S—N曲線曲線的斜率）也公認的優(yōu)于聚酯復合材料。的斜率）也公認的

9、優(yōu)于聚酯復合材料。目前，人們似乎又開始傾向采用不飽和聚酯生產葉片，包括乙烯基樹脂（目前，人們似乎又開始傾向采用不飽和聚酯生產葉片，包括乙烯基樹脂（VE）也越來越）也越來越多的被關注。乙烯基樹脂在化學結構和機械性能上介于不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂之間，但價格多的被關注。乙烯基樹脂在化學結構和機械性能上介于不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂之間，但價格比環(huán)氧樹脂便宜，操作也比環(huán)氧樹脂更容易。本文將重點針對樹脂的靜態(tài)性能和疲勞性能，比環(huán)氧樹脂便宜，操作也比環(huán)

10、氧樹脂更容易。本文將重點針對樹脂的靜態(tài)性能和疲勞性能，將乙烯基樹脂與環(huán)氧樹脂進行比較。將乙烯基樹脂與環(huán)氧樹脂進行比較。除了基體樹脂，膠黏劑在葉片生產中也是非常重要的角色，對其性能要求也非常高。一除了基體樹脂，膠黏劑在葉片生產中也是非常重要的角色，對其性能要求也非常高。一個可用的膠黏劑必須具備如下幾項重要的功能：首先它必須能夠很好的粘接葉片的前后緣及個可用的膠黏劑必須具備如下幾項重要的功能：首先它必須能夠很好的粘接葉片的前后緣及葉片主

11、桅結構和蒙皮，因此，它經常要粘接間距達葉片主桅結構和蒙皮，因此，它經常要粘接間距達30mm的表面，這要求它的收縮必須非常的表面，這要求它的收縮必須非常小，只有這樣才能承受因收縮引起的多維應力。其次，從技術上說，它還要具備優(yōu)異的操作小，只有這樣才能承受因收縮引起的多維應力。其次，從技術上說，它還要具備優(yōu)異的操作特性。膠黏劑的反應周期與葉片模具的工作周期要緊密吻合，不僅要有很好的斷裂韌性，還特性。膠黏劑的反應周期與葉片模具的工作周期要緊密吻

12、合，不僅要有很好的斷裂韌性，還件下制備。兩處實驗室的測試都采用拉伸件下制備。兩處實驗室的測試都采用拉伸——壓縮加載方式（壓縮加載方式（R=1）。測試結果見圖。測試結果見圖.1與圖與圖.2。圖1RisDTU測試的三向板和單向板的測試的三向板和單向板的SN曲線曲線圖2Hexion測試的三向板和單向板的測試的三向板和單向板的SN曲線曲線S—N曲線的最典型特征就是曲線的斜率，其值為方程中指數的倒數（譯者注：曲線的最典型特

13、征就是曲線的斜率，其值為方程中指數的倒數（譯者注：X軸比軸比Y軸的斜率）軸的斜率）。四種疲勞曲線的指數和斜率分別列于表。四種疲勞曲線的指數和斜率分別列于表.2。可以看到，?？梢钥吹?，Hexion得到的測試數得到的測試數據與據與Ris得到的數據有些差異，但這些差異看起來應是材料和試樣制備質量的正常分散，得到的數據有些差異，但這些差異看起來應是材料和試樣制備質量的正常分散，而不是實驗室的測試差異。顯然，對于任何一個材料組合，從試驗數據中并不

14、能看出哪個實而不是實驗室的測試差異。顯然，對于任何一個材料組合，從試驗數據中并不能看出哪個實驗室測試出了更好或更壞的數據。驗室測試出了更好或更壞的數據。表2Hexion與RisDTU分別測得的兩種樣品的疲勞數據分別測得的兩種樣品的疲勞數據指數指數斜率斜率EP層合板層合板Ris0.096110.41EP層合板層合板Hexion0.11039.07VE層合板層合板Ris0.14297.00VE層合板層合板Hexion

15、0.13487.42從圖表中可以清楚看出，乙烯基樹脂疲勞曲線的斜率更陡些，也就是說其相對環(huán)氧葉片從圖表中可以清楚看出，乙烯基樹脂疲勞曲線的斜率更陡些，也就是說其相對環(huán)氧葉片而言，乙烯基樹脂葉片的疲勞壽命更短。為了具體比較，而言，乙烯基樹脂葉片的疲勞壽命更短。為了具體比較，ADC公司進行了損傷累積的比較公司進行了損傷累積的比較計算，選擇兩種材質的計算，選擇兩種材質的40m長模型葉片，按照長模型葉片，按照GL規(guī)范的要求，計算規(guī)范的要

16、求，計算20年周期內的疲勞損傷。年周期內的疲勞損傷。計算中，乙烯基樹脂的斜率取相對有利的計算中，乙烯基樹脂的斜率取相對有利的7.42，環(huán)氧樹脂的斜率取相對不利的，環(huán)氧樹脂的斜率取相對不利的9.07。計算中。計算中葉片主梁（桅帽）上的最大應力為葉片主梁（桅帽）上的最大應力為166MPa。利用利用PalmgrenMiner法則，可計算得出結論：在葉片的揮舞和擺動方向上，環(huán)氧樹脂法則，可計算得出結論：在葉片的揮舞和擺動方向上，環(huán)氧樹脂材料

17、的損傷累積因子約為材料的損傷累積因子約為0.1，而對于乙烯基樹脂，該值超過了，而對于乙烯基樹脂，該值超過了6。同樣，如果采用。同樣，如果采用DLR程序，按照序，按照WISPER標準進行兩種材料的疲勞壽命預測計算，也可以得到類似的結果。標準進行兩種材料的疲勞壽命預測計算，也可以得到類似的結果。結果表明，乙烯基樹脂的損傷速率相對較高。對于乙烯基樹脂的葉片來說，如果使損傷結果表明，乙烯基樹脂的損傷速率相對較高。對于乙烯基樹脂的葉片來說，如

18、果使損傷累積因子累積因子1，其應力，其應力應變水平要降低約應變水平要降低約28%；如要達到計算中環(huán)氧樹脂葉片所達到的損傷；如要達到計算中環(huán)氧樹脂葉片所達到的損傷程度，其應力程度，其應力應變水平甚至要降低應變水平甚至要降低58%。需要指出，纖維表面助劑（浸潤劑、偶聯劑等）在纖維和基體的粘結性能上起著決定性需要指出，纖維表面助劑（浸潤劑、偶聯劑等）在纖維和基體的粘結性能上起著決定性的作用。玻纖表面一般采用通用型助劑，即可用于不飽和聚酯，

19、也可用于環(huán)氧樹脂和乙烯基的作用。玻纖表面一般采用通用型助劑，即可用于不飽和聚酯，也可用于環(huán)氧樹脂和乙烯基樹脂。也就是說，通過比較不同復合材料性能來間接比較不同樹脂的方法是相對公平的。樹脂。也就是說，通過比較不同復合材料性能來間接比較不同樹脂的方法是相對公平的。2環(huán)氧膠黏劑環(huán)氧膠黏劑2.1固化溫度（固化溫度（Tcure）固化溫度會限制固化后環(huán)氧基體的玻璃化溫度。如果固化溫度低于材料可以達到的最高固化溫度會限制固化后環(huán)氧

20、基體的玻璃化溫度。如果固化溫度低于材料可以達到的最高玻璃化溫度玻璃化溫度(TGult)，會有些問題。因為固化溫度不足或固化時間不夠會使得材料玻璃化溫，會有些問題。因為固化溫度不足或固化時間不夠會使得材料玻璃化溫度低于其潛力值度低于其潛力值(TGult)。而通常來說，固化不完全的材料其性能往往也低于其潛力值。。而通常來說，固化不完全的材料其性能往往也低于其潛力值。可達到的最高玻璃化溫度（可達到的最高玻璃化溫度（TG，Ult）是材料的一