风电叶片用真空灌注树脂体系的研究_任六波
亚仕兰风电解决方案
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乙烯基树脂与胶粘剂的特性介绍
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乙烯基树脂和环氧树脂对比
• 简便的工艺－帮助缩短叶片生产时间
– 树脂操作 • 乙烯基树脂凝胶时间可调 • 力学性能相当 • 减少后处理时间和没有加热后固化的要求 – 低粘度体系适合真空灌注工艺
• 和聚酯胶衣相容
• 在模应用胶衣
• 和乙烯基胶粘剂相容
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生产时间可调
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高性能树脂－乙烯基树脂
• Derakane – Elastomer modified Vinyl Ester resin 弹性体改性乙 烯基树脂 – Good adhesion 好的粘结性能 – Very flexible and long elongation at break 13% 非常好的韧性和超长延伸率 • Next generation bonding paste will come to market in this year.新一代粘结剂在2008年投产。 – Meet all requirements between -40C-70C。满足 各项性能，在零下40到70度使用。
Sample Identification Derakane 601-200 3mm Laminate: Peak Exothem + 5 hours Derakane 601-200 3mm Laminate: Peak Exothem + 8 hours Derakane 601-200 promoted + 1.25% Cadox M50a
• •
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高级模具树脂
AROTOOL 2001
Modified Epoxy Vinyl Ester Tooling Resin改性环氧乙烯基模具树脂 • • • • • • • Promoted, thixtropic low styrene content 预促进预触变，低苯乙烯含量 Excellent wet-out and hangling characteristic 优异的浸润和操作性能 Low shrinkage, reduced fiber pattern transfer 较低的收缩减少纤维印 Excellent mechanical property retention at high temperature优秀的高 温力学性能保留 High HDT (127C) 高的热变形温度 Excellent resistance to styrene attack 优异的耐苯乙烯侵蚀 Improved impact properties to resist cracking and crazing 高的抗冲击 性能减少开裂可能
复合材料风电叶片专用树脂体系流变特性
第31卷 第21期2009年11月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.31 N o.21 Nov.2009DOI:10.3963/j.issn.1671 4431.2009.21.033复合材料风电叶片专用树脂体系流变特性杨金水1,肖加余1,曾竟成1,刘新宇2,陈海生2,陈 煌1(1.国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073;2.株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲412007)摘 要: LSP 8020B 树脂体系是一种复合材料风电叶片专用低粘度不饱和聚酯树脂体系。
采用DSC 热分析技术和黏度实验方法,研究了树脂体系的固化特性和流变特性,建立了与实验数据较为吻合的修正双阿累尼乌斯流变模型。
模型可揭示树脂体系在不同工艺条件下的黏度变化规律,定量预报树脂体系的低粘度平台工艺窗口,为该树脂真空导入模塑工艺参数优化和保证大型复合材料风电叶片整体成型质量提供一定的科学依据。
关键词: 复合材料风电叶片; 真空导入模塑工艺; 不饱和聚酯树脂; 流变模型中图分类号: T B 332文献标识码: A 文章编号:1671 4431(2009)21 0125 04Rheological Behavior of Resin System for Composite Wind BladesYANG Jin shui 1,XIA O Jia yu 1,ZENG Jing cheng 1,LI U Xin y u 2,CHEN H ai sheng 2,CHEN H uang1(1.Colleg e of Aerospace and M aterials Engineering,National U niversity of Defense T echno logy,Changsha 410073,China; 2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology Company LT D,Zhuzhou 412007,China)Abstract: L SP 8020B resin system is unsaturated polyester for larg escale composite wind blades.T he curing proper ties and orheological behaviors of resin sysy tem are studied with DSC analysis and viscosity ex periments.A modified rheolog ical model based on the dual Arr henius equatio n is established to simulate the rheological behavior of resin system.T he simulated viscosity is in good agr eement with t hat from the ex periments.T he processing w indow of L SP 8020B resin system can be w ell deter mined based o n the developed model.T he rheolog ical model is important for vacuum infusion molding pro cessing parameter opti mization and quality control of integ ral manufacture for large scale composite wind blades.Key words: composite w ind blades; vacuum infusion molding process; unsaturated poly ester r esin; rheolo gical mo del 收稿日期:2009 06 25.基金项目:国家 863 计划项目(2007AA03Z563)和湖南省重大科技专项(2006G K1002).作者简介:杨金水(1982 ),男,博士生.E mail:xjtujinshui@y 风电叶片是风电设备的关键部件,其制造成本约占风机总成本的15%~20%。
风电叶片用环氧树脂体系固化动力学研究
空时内外的负压将环氧树脂体系灌入预先铺好增
强材 料 的模 具 中 。 由于叶 片很 长，灌注 过 程往 ’
及操作人员对凝胶 点的判断等诸 多因素影响。当
测试 环 境 或 测 试人 员发 生 变 化 时 ，所 测 得 的凝 胶
，
．
往 会 持 续较 长 时 间 ，这 要 求环 氧 树 脂 体 系 具有 较
蔓＊ Ⅲ 赫 ∞ ㈡。 。 ※ 一 ｌ 囊Biblioteka 矗。 固 ｌ ｌ
＿ ｌ＿ ｌ ｌ ＿ ； ｌ
低 的反 应 活 性 ， 以防 在 灌注 过 程 巾环 氧 树 脂 发 生
凝 胶而 导致 叶片 不 能完全灌 透 。 ～ 通 常 环 氧 树 脂 体 系 的 反应 活 性 用 凝 胶 时 间来 表 示 ，凝胶 时 问越 短 ，反 应 活性 越 高 ；凝胶 时 问
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｐ ａ ｅ ｔ ｃ ｉ ａｉ ｎ ｅ ｅ ｇ ｆ ｐ ｘ ｅ ｉ ｙ ｔｍ ｓ ｓ ｄ ｆ ｒ ｎ ｒ ｉ ｅｂ ａ ｅ ａ ｅ ｆ ｕ ｅ ｕ ｙ Ｋｉｓ ｇ ｒ ｑ ａ ｉｎ ｓ ｒ ｃ ： ｐ ｒ ｎ ｔ ｔｏ ｎ ｒ ｙ ｏ ｏ ｙ ｒ ｓｎ ｓ ｓｅ ｅ ａ ｖ ｅ ｕ ｏ ｗｉ ｄｔ ｂｎ ｌｄ ｓｃ ｎｂ ｇ ｒ ｄ ｏ ｔ ｓ ｉ ｅ ｕ ｔ ｕ ｉ ｂ ｎ ｅ ｏ
ａｐｒｎ ｃｖ ｔ ｎ ｅｅｇ ａ ｅｏ ． ｓｌｒｅ ｈｎ Ｄ － Ｉ ｍｅｎ ａ ＤＱ一 ｉ ｍｏｅｓｉ ｂｅ ｆｒｗ ｎ ｒｉ ａ ｅ ｐ ａｅｔ ｔ ａ ｏ ｎｒｙ ｖｌ ｆＤＱ－ ｉ ａｇｒｔａ Ｑ－． ｔ ａ ｓｔｔ ａｉ ｉ ｕ ３ １ ｈ ４ ｓ ｒ ｕｔ ｌ ｏ ｉｄ ｔ ｂｎ ｂ ｄ ｓ ａ ｕ ｅｌ
数值 比较接近 ，且 变化趋势 一致 。通过该 方法算得 的表观活化 能可以用 于风 电叶片用环氧树脂体 系反应活性的判 断 研
风机叶片用环氧树脂体系流变性能研究
1.1 实验原料 1564SP， 亨斯 迈 ( H SM ) 环 氧 树 脂 LY 固化剂 X B3485 ( 胺类 ) ， 亨斯迈公司北京伊诺瓦科技 有限 责任公司代理 ; 惠利 ( H L ) 环氧树脂 LT5078A ， 固化 5078B ， 剂 LT惠利环氧树脂 ( 香港) 有限公司� 1.2 实验仪器 ND J79 型旋转粘度计， 上海昌吉地质仪器有限 公司 ; ZN H W 型电子节能控温仪， 河南予华仪器有限 公司 � 1.3 实验测试 H SM 环氧树脂体系配比为 100 :34 ， SW 环 氧树 脂体系配比为 100: 30， 按比例混合 � ( 1) 采用旋转粘度计测量树脂体系在升温状态 下的粘度变化; ( 2) 根据树脂体系的动态粘度 分析， 选取 适当 的温度点测量恒温状态下的粘度�
图1 两种树脂体系动态粘度曲线
由图 1 可知， 两种树脂体系粘度随温度变化情 � � � � ， � � ， ( ) / 0 = e p( ) 况基本一致 随温度的升高 其粘度呈现明显的下降
� ［9 18］
粘度 升 高� 这 二 者的 综 合 影 响 可以 由 如 下 方 程 表达 : ( 1)
� � � 趋势� 在 23 � 50 的范围内， 两种树脂体系的粘度 式中， ( ) 为 时刻的粘度 ; 0 为树脂固化度为 � � 都保持在 300mPa � � 以下， 且 H SM 树脂体系的粘度 零时刻的树脂粘度 ; 为模型参数� 0 和 均符合 变化平缓， H L 树脂体系则略有起伏， 符合风机叶片 阿累尼乌斯关系 : � � � � � � 真空成型对树脂低粘度的要求 0 = 1e p ( 2/ ) ( 2)
［ 1 ］
1 实
验
�
世界风能事业的发展促进风电技术的发展� 风 电技术发展的标志之一是风力机单机容量的增大� 1994 年以前， 世界上最大量使用的风力机组单机容 W ( 叶片长 10m 左右 ) 以下 ，1998 年 600 量在 200k k W ( 叶片长 21m 左右 ) 机组成为重要机型 ， 到 2002 年前后， 主力机型已经达到 1.5M W 以上， 预计今后 几年， 兆瓦级机组将在风电市场上占绝对主导地位， 目前已研制成功的最大的风力机为 5M W ， 叶片长度 达 60m 左右
风电叶片真空灌注成型工艺质量问题分析
风电叶片真空灌注成型工艺质量问题分析
风电叶片真空灌注成型工艺质量问题分析
郝志勇
【摘要】针对目前我国北方环境下风电叶片生产制造过程中普遍应用的真空灌注成型工艺容易出现的质量问题(灌注时包围、腔体存在大量气泡、白斑和干纤维)，按照高温和常温的不同影响分别进行说明，并对不同环境温度下主梁帽成型和壳体成型发生的质量问题给出了原因分析和解决方法。
结果表明，只要根据环境温度变化及时调整生产工艺，可以做到灌注质量风险可控，有效避免许多质量问题。
高温环境生产作业有时固化时间更快，节约了模具占用时间，提高了生产效率。
【期刊名称】天津科技
【年(卷),期】2016(043)007
【总页数】3
【关键词】风电叶片真空灌注工艺质量问题
0 引言
目前，国内外兆瓦级的风电叶片多采用真空灌注成型工艺。
[1]树脂作为真空灌注工艺中的关键材料，其粘度、凝胶时间、固化速度等性能受环境温度的影响变化较大。
[2-3]因此，需要对不同环境温度下，灌注树脂的性能变化给风电叶片成型过程带来的潜在质量隐患给予足够重视，并进行相应的工艺调整。
1 成型质量问题
在中国北方，每年7月份属于高温季节。
经测量统计，某天津风电叶片公司成型车间环境温度约为35,℃左右，湿度为75%,左右，树脂从静态混合器打出后出口温度为30～32,℃，粘度为138～151,mPa．S，凝胶时间相对变短，约为。
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图2 Fig. 2
环氧树脂体系的 DSC 谱图
DSC spectrum of the epoxy resin system
min － 1 ； （ 2 ） 10℃· min － 1 ； 升温速率： （ 1 ） 5℃· （ 3 ） 15℃· min － 1 ； （ 4 ） 20℃· min － 1
由图 2 可知， 由于热滞后现象， 放热峰的峰顶温 DSC 升温速率 度随着 DSC 升温速率的增加而升高， 不同， 峰顶温度不同。在测定材料的固化温度时， 会 因为升温速率不同导致得到的固化温度不一致， 实 际上材料通常在恒温或阶段性升温的状态下固化 ， 此时升温速率为 0 。因此， 我们常采用 Tβ 图外推法 FRP / CM 2012. No. 3
也越来越高。尤其要求环氧树脂耐湿热性更高、 尺 收缩性更小。 单一组分环氧树脂已不 寸性更稳定， 目前已开始向着复合型树脂体系 能满足工艺要求， 方向发展。风力发电用环氧树脂体系不但要求其固 而且还要求 化物具备较高的力学性能和物理性能， 浸润性能好， 粘度低， 能够对纤维复合材料充分浸润 和流动充模
从图 4 可以看出， 该树脂体系对玻纤的流动形 态正常， 对比显示， 在相同的灌注时间内， 复配体系 完成灌透的位置略为靠前。
三向布垂直压缩 单向布垂直压缩 三向布平行压缩 单向布平行压缩 三向布平行拉伸 三向布垂直拉伸 单向布平行拉伸 单向布垂直拉伸 纵横剪切
复合材料在受到横向应力时， 由于受力方向垂 直于纤维方向， 复合材料的载荷主要由树脂基体来 承担。从表 2 可以看出， 复合材料的单向布及三向 布的垂直压缩强度达到 138MPa 和 155MPa， 这说明 树脂体系性能优良。复合材料的宏观剪切性能间接 反应了纤维 / 树脂的界面粘接强度。 由表 2 可知， 复 合材料的纵横剪切强度达到 79. 3MPa， 充分说明了 复配体系与纤维的粘接较好。 2. 7 叶根灌注模拟试验 目前风电叶片的长度不断增加， 在叶片真空灌 注过程中一般分为多个灌注区域同时进行真空灌 注， 风电叶片的叶根部分是整个叶片中玻纤布铺层 最厚的位置， 同时也是整个叶片中最难灌透的位置 。 根据目前生产中叶根段的铺层情况， 我们对复配的 环氧树脂体系 / OCV 玻纤布进行灌注工艺模拟， 测 试胶液完全灌透所需时间， 观察灌注过程中胶液的
［14 ～ 16 ］ ， 为 900 ～ 1300mPa·s 风力发电用环氧树脂的
的基础上， 研究了
一种适用于风力发电叶片用真空灌注环氧树脂体 系， 其固化物具有优异的固化性能， 与纤维材料复合 后， 比重轻且具有最佳的机械性能， 完全满足了风力 发电叶片用环氧树脂体系的要求 。
1
1. 1
实验部分
实验及分析检测仪器 89 制作 ） ； 真空干燥 不锈钢模具 （ 按 GB11997-
54 2012 年 5 月 风电叶片用真空灌注树脂体系的研究 参考文献
E 旋转粘度计 ； DSC2010 差示扫描量热仪 ； 箱 ； DV高 Waters 600 Controller 效 液 相 色 谱 ； Instron 5567A ； 万能材料试验机 ； 2BC1501BZ 塑料摆锤冲 击实验机 。
粘度远远小于普通环氧树脂粘度。我们将复配好的 环氧树脂与固化剂按质量比 100 ∶ 30 的比例混合均 测定了胶液的混合粘度随时间的变化情况 ， 结 匀后， 果如图 1 所示。
2012 年第 3 期
51 玻璃钢 / 复合材料
风电叶片用真空灌注树脂体系的研究
任六波
（ 巴陵石化环氧树脂事业部，湖南岳阳 414014 ）
摘要： 本文研制了一种风电叶片用真空灌注环氧树脂体系 。分别使用旋转粘度计、 万能材料力学试验机、 差示扫描量热 仪对环氧树脂体系及其固化物的工艺性能 、 力学性能、 热性能等进行了表征。通过叶片灌注模拟及层合板性能检测对该环氧 树脂体系与玻璃纤维的匹配性进行了表征 。结果表明， 该环氧树脂体系具有粘度低 、 工艺操作性好、 力学性能及热性能优异 、 纤维匹配性好等优点， 可用于风力发电叶片的制备 。 关键词： 风力发电叶片； 环氧树脂； 固化工艺； 力学性能； 层合板； 叶根模拟 中图分类号： TB332 ； TK8 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 0999 （ 2012 ） 03 － 0051 － 04
2012 年第 3 期
53 玻璃钢 / 复合材料
表1 Table 1 环氧树脂浇铸体力学性能
流动形态及放热情况， 并与工业化生产的产品进行 对比， 分析检测结果如图 4 所示。
冲击强度 kJ · m －2 40
Fig. 5
图5
叶根温度变化曲线
Temperature curve of the blade root varying with time
由图 5 叶根温度跟踪结果显示， 胶液的放热温 和， 最高放热温度不到 70℃ ， 因此， 该环氧树脂体系 达到了风力发电叶片生产的工艺要求 。
3
结
论
（ 1 ） 本文研究了一种适合风电叶片用环氧树脂 体系， 其粘度小， 可操作时间期长， 适用于真空灌注 成型工艺； （ 2 ） 该树脂体系及其复合材料具有优良的力学 性能、 热性能， 可满足风电叶片生产的技术要求 ； （ 3 ） 通过环氧树脂体系 / OCV 玻纤布叶根灌注 模拟测试表明： 该体系对玻纤的浸润性好， 灌注制品 物包覆了斑点， 胶液放热温和， 能有效避免灌注风 险， 完全满足风电叶片用真空灌注环氧体系的要求 。 FRP / CM 2012. No. 3
Mechanical properties of the casting epoxy resin
拉伸强度 拉伸模量 断裂伸长 弯曲强度 弯曲模量 / MPa 70 / GPa 3112 率 /% 5． 38 / MPa 118 / GPa 2915
从表 1 来看， 该环氧树脂体系的力学性能达到 了风力发电叶片用树脂的性能要求 。 2.6 复合材料性能 对复配体系以 OCV 风电叶片用单轴玻纤布、 双 轴玻纤布、 三轴玻纤布做增强材料， 采用真空灌注工 艺制作复合板， 并进行了性能测试， 结果见表 2 。
而国内对此研究甚少， 主要依赖进 脂体系研究较多， 口， 由于进口风力发电叶片用环氧树脂体系成本较 制约着我国风力发电行业的发展 。 高， 本文在参考国内外文献
［6 ～ 10 ］
、 以及改性剂的性能， 通过实验确定环氧树
脂和配套固化剂的组成。 2. 2 工艺操作性能测试 风电叶片主体材料通常是由环氧树脂体系、 玻 璃纤维、 碳纤维等复配浇铸而成。 为了使树脂体系 能够充分浸润纤维、 流动充模， 要求环氧树脂与固化 剂复配体系粘度适中， 这对保证叶片制作过程中的 工艺可操作性能起着决定性作用 。 128 环氧树脂常温下 （ 25℃ ） 粘度 普通的 CYD· s， 而风电叶片用环氧树脂粘度范围 为 10013. 5mPa
表2 Table 2
类 别Байду номын сангаас
图4
灌注过程胶液流动形态
复合材料性能
Fig. 4 Flow state of epoxy resin glues during the course of infusion
Properties of the composite material
强度 / MPa 模量 / GPa 延伸率 / % 泊松比 / % 155 138 436 531 625 110 943 41 79． 3 16． 2 15． 9 35 51． 7 30 13． 2 44 15． 7 3． 88 — — — — 2． 69 2． 98 2． 26 0． 563 — — — — — 0． 426 0． 189 0． 296 0． 12 —
［2 ～ 5 ］
2
2. 1
结果与讨论
环氧树脂及固化剂组成的确定 根据材料化学结构决定性能的原理， 结合固化
。 目前， 国外对风力发电叶片用树
物性能 和 风 力 叶 片 制 造 工 艺 对 环 氧 体 系 的 要 求， 通过不 同 环 氧 树 脂 之 间“混 合 效 应 ”的 协 同 作 用
［11 ～ 13 ］
Fig. 3
图3
树脂固化体系的 Tβ 曲线
Tβ curve of the cured epoxy resin system
将图 3 中的 Tβ 线外推至 β = 0 ， 求得环氧树脂 Tp 、 T o 。 从图中可以计 体系在等温固化状态下的 T i 、 Tp 、 T o 分 别 为 77. 35℃ 、 算得 到 固 化 体 系 的 T i 、 105. 25℃ 和 149. 2℃ ，因 此 环 氧 树 脂 体 系 应 从 77. 35℃ 缓慢升温至 105. 25℃ 恒温固化， 最后升温至 149. 2℃ 保持一段时间使树脂完全固化， 对于不同的 也可根据实际情况适当调整固化条 复合材料产品， 件。从图 3 中还可以看到， 谱图中只有一个峰， 这说 这有 明环氧树脂体系中各组分具有较好的相容性， 利于提高其固化物的综合性能。 2. 4 耐热性能测试 采用 DSC2010 差 示 扫 描 量 热 仪， 升温速度为 10℃ / min， 测定 浇 铸 体 的 玻 璃 化 转 变 温 度 （ T g ） 为 82. 31℃ 。复合材料耐热性是由树脂玻璃化转变温 一般长期耐热温度为 T g － 30℃ ， 浇注体 T g 度决定， 在 70℃ 以上即可满足耐热性的要求。 而该浇铸体 的 T g 为 82. 31℃ ， 因此该体系完全能够满足使用 要求。 2. 5 力学性能测试 将复配树脂与固化剂按照质量比 100 ∶ 30 的比 例进行混合， 常温搅拌均匀， 倒入样条模具后放入真 空干 燥 箱 抽 真 空 驱 除 树 脂 中 的 小 气 泡 （ 大 约 10min） ， 然后 70℃ 固化 6h， 自然冷却至室温， 取出样 条。放置 1d 后测试其力学性能。检测结果见表 1 。