應(yīng)用于葉片和膠粘劑的環(huán)氧樹脂-瀚森

1、應(yīng)用于未來葉片的環(huán)氧樹脂和膠黏劑應(yīng)用于未來葉片的環(huán)氧樹脂和膠黏劑作者：作者：劉揚(yáng)濤劉揚(yáng)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(fù)合材料集團(tuán)有限公司中國復(fù)合材料集團(tuán)有限公司劉

2、揚(yáng)濤（譯）劉揚(yáng)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(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：如考慮單向鋪層結(jié)構(gòu)的力傳遞，環(huán)氧樹脂具備比乙烯葉片為例進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：如考慮單向鋪層結(jié)構(gòu)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(jù)此估算相應(yīng)曲線，并據(jù)此估算相應(yīng)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(chǎn)中使用的另一個(gè)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(chǎn)中使用的另一個(gè)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(zhuǎn)變溫度、固化行為及放熱、收縮和觸變等重要特性也進(jìn)行了較詳黏劑的固化溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、固化行為及放熱、收縮和觸變等重要特性也進(jìn)行了較詳細(xì)的描述。細(xì)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(fēng)場的應(yīng)用，但眾多葉片的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)仍盡管葉片不斷向大型化發(fā)展，尤其是針對海上風(fēng)場的應(yīng)用，但眾多葉片的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)仍在采用玻纖增強(qiáng)復(fù)合材

5、料（在采用玻纖增強(qiáng)復(fù)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(shù)發(fā)展的初期，人們采用不飽和聚酯（技術(shù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)尺）制造相對較小的葉片；伴隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸越來越大，環(huán)氧樹脂卻開始廣泛的用于葉片生產(chǎn)，盡管其價(jià)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(chǎn)，盡管其價(jià)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(yīng)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(yīng)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(fù)合材料有更高的內(nèi)應(yīng)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(fù)合材料有更高的內(nèi)應(yīng)力（放熱也相對偏高）偏高），這會造成材料強(qiáng)度和疲勞壽命的降低。其次，當(dāng)時(shí)開模工藝還很普遍，當(dāng)采用開模，這會造成材料強(qiáng)度和疲勞壽命的降低。其次，當(dāng)時(shí)開模工藝還很普遍，當(dāng)采用開模工藝時(shí)，需要采取通風(fēng)措施以及時(shí)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(shí)，需要采取通風(fēng)措施以及時(shí)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(nèi)應(yīng)力很低；同時(shí)環(huán)氧樹脂與玻纖有非，內(nèi)應(yīng)力很低；同時(shí)環(huán)氧樹脂與玻纖有非常好的粘結(jié)性能。這使得環(huán)氧樹脂在靜態(tài)力學(xué)性能上有很大的優(yōu)勢，如樹脂斷裂應(yīng)變、復(fù)合常好的粘結(jié)性能。這使得環(huán)氧樹脂在靜態(tài)力學(xué)性能上有很大的優(yōu)勢，如樹脂斷裂應(yīng)變、復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）等。不僅如此，環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞性能（表現(xiàn)為）等。不僅如此，環(huán)氧復(fù)合材料的疲勞性能（表現(xiàn)為S—N曲線曲線的斜率）也公認(rèn)的優(yōu)于聚酯復(fù)合材料。的斜率）也公認(rèn)的

9、優(yōu)于聚酯復(fù)合材料。目前，人們似乎又開始傾向采用不飽和聚酯生產(chǎn)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(chǎn)葉片，包括乙烯基樹脂（VE）也越來越）也越來越多的被關(guān)注。乙烯基樹脂在化學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能上介于不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂之間，但價(jià)格多的被關(guān)注。乙烯基樹脂在化學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能上介于不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂之間，但價(jià)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行比較。將乙烯基樹脂與環(huán)氧樹脂進(jìn)行比較。除了基體樹脂，膠黏劑在葉片生產(chǎn)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(chǎn)中也是非常重要的角色，對其性能要求也非常高。一個(gè)可用的膠黏劑必須具備如下幾項(xiàng)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(gè)可用的膠黏劑必須具備如下幾項(xiàng)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(jié)構(gòu)和蒙皮，因此，它經(jīng)常要粘接間距達(dá)葉片主桅結(jié)構(gòu)和蒙皮，因此，它經(jīng)常要粘接間距達(dá)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(yīng)力。其次，從技術(shù)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(yīng)力。其次，從技術(shù)上說，它還要具備優(yōu)異的操作特性。膠黏劑的反應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)室的測試都采用拉伸件下制備。兩處實(shí)驗(yàn)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(jié)果見圖。測試結(jié)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(shù)的倒數(shù)（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(shù)的倒數(shù)（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(shù)和斜率分別列于表。四種疲勞曲線的指數(shù)和斜率分別列于表.2?？梢钥吹剑??？梢钥吹?，Hexion得到的測試數(shù)得到的測試數(shù)據(jù)與據(jù)與Ris得到的數(shù)據(jù)有些差異，但這些差異看起來應(yīng)是材料和試樣制備質(zhì)量的正常分散，得到的數(shù)據(jù)有些差異，但這些差異看起來應(yīng)是材料和試樣制備質(zhì)量的正常分散，而不是實(shí)驗(yàn)室的測試差異。顯然，對于任何一個(gè)材料組合，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中并不

14、能看出哪個(gè)實(shí)而不是實(shí)驗(yàn)室的測試差異。顯然，對于任何一個(gè)材料組合，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中并不能看出哪個(gè)實(shí)驗(yàn)室測試出了更好或更壞的數(shù)據(jù)。驗(yàn)室測試出了更好或更壞的數(shù)據(jù)。表2Hexion與RisDTU分別測得的兩種樣品的疲勞數(shù)據(jù)分別測得的兩種樣品的疲勞數(shù)據(jù)指數(shù)指數(shù)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(jìn)行了損傷累積的比較公司進(jìn)行了損傷累積的比較計(jì)算，選擇兩種材質(zhì)的計(jì)算，選擇兩種材質(zhì)的40m長模型葉片，按照長模型葉片，按照GL規(guī)范的要求，計(jì)算規(guī)范的要

16、求，計(jì)算20年周期內(nèi)的疲勞損傷。年周期內(nèi)的疲勞損傷。計(jì)算中，乙烯基樹脂的斜率取相對有利的計(jì)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(jì)算中。計(jì)算中葉片主梁（桅帽）上的最大應(yīng)力為葉片主梁（桅帽）上的最大應(yīng)力為166MPa。利用利用PalmgrenMiner法則，可計(jì)算得出結(jié)論：在葉片的揮舞和擺動方向上，環(huán)氧樹脂法則，可計(jì)算得出結(jié)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行兩種材料的疲勞壽命預(yù)測計(jì)算，也可以得到類似的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行兩種材料的疲勞壽命預(yù)測計(jì)算，也可以得到類似的結(jié)果。結(jié)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(jié)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(yīng)力，其應(yīng)力應(yīng)變水平要降低約應(yīng)變水平要降低約28%；如要達(dá)到計(jì)算中環(huán)氧樹脂葉片所達(dá)到的損傷；如要達(dá)到計(jì)算中環(huán)氧樹脂葉片所達(dá)到的損傷程度，其應(yīng)力程度，其應(yīng)力應(yīng)變水平甚至要降低應(yīng)變水平甚至要降低58%。需要指出，纖維表面助劑（浸潤劑、偶聯(lián)劑等）在纖維和基體的粘結(jié)性能上起著決定性需要指出，纖維表面助劑（浸潤劑、偶聯(lián)劑等）在纖維和基體的粘結(jié)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(fù)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(fù)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(dá)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(dá)到的最高玻璃化溫度玻璃化溫度(TGult)，會有些問題。因?yàn)楣袒瘻囟炔蛔慊蚬袒瘯r(shí)間不夠會使得材料玻璃化溫，會有些問題。因?yàn)楣袒瘻囟炔蛔慊蚬袒瘯r(shí)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(dá)到的最高玻璃化溫度（可達(dá)到的最高玻璃化溫度（TG，Ult）是材料的一