风电叶片用真空导入型聚氨酯的性能分析

风电是目前最具开发与推广价值的可再生能源，近年来在世界范围内得到了快速的发展。作为捕获风能的核心部件，风电叶片在很大程度上决定了风电机组的发电效率、成本和使用寿命，因此其选材、设计与制造非常关键。由于纤维增强树脂基复合材料具有出色的耐疲劳特性和可设计性，大型风电叶片基本上都以此类材料为主体，应用真空导入工艺制造。真空导入工艺是一种先进的适合大型结构件制造的低成本成型技术，该工艺的核心是使用导流介质将树脂快速地分散到厚制件的表面，垂直浸透，固化成型，通常使用单面模具单面真空袋，具有成型效率高、污染小和质量稳定的优点。

真空导入工艺对所使用的树脂体系有严格的技术要求，一方面要求树脂具有合适的初始粘度、适用期和放热等工艺性能，满足叶片的实际生产需要二另一方面还要求树脂具有良好的力学性能以及与纤维的匹配性，能够尽可能提高纤维性能的转化率和最终复合材料的综合性能。此外该类树脂体系还要具有相对低的成本，否则市场难以接受。目前国内的风电叶片厂全部使用真空导入型环氧树脂进行大型风电叶片的制造，并且已经接近10年没有大的变化，几乎所有的树脂供应商都在提供类似性能的树脂体系。这主要是由于叶片真空导入用环氧树脂本身优良的性能和非常强的适应能力：环氧树脂本身性能稳定，适于长期储存；具有可靠而稳定的适用期，使得真空导入过程不令人担心；固化过程对环境温度和湿度不敏感，国内的车间环境完全适用；对玻纤有良好的粘接能力，能够充分发挥纤维的性能。

风电的一个重要的发展方向是不断地降低度电成本，而风电叶片是整个风电机组成本的重要组成，降低其制造成本也就成为叶片生产领域一个不变的主题。树脂技术的进步被认为是一种可以考虑的降低叶片制造成本的方向。具体的想法是通过开发新型的树脂体系来缩短叶片生产时间，提高生产效率，同时提高复合材料的性能，实现减重。聚氨酯被认为是一种潜在的可以考虑的环氧树脂替代品。与环氧树脂相比，聚氨酯树脂具有更快的反应速率和更优的粘接性能。但同时将聚氨酷应用于大型结构件的真空导入成型也是相当大的技术挑战，树脂的适用期、真空状态的适应、对水的敏感性都会是障碍。

本文针对新开发成功的真空导入型聚氨酯树脂体系进行了深入分析，应用流变仪、DSC和力学试验机等分析手段，探究了该聚氨酯树脂体系的化学流变特性、固化特性和基本力学性能，并与目标替换的环氧树脂体系进行了比对。该项研究有助于揭示目前所能获得的真空导入型聚氨树脂的性能特点，为推动风电叶片的降低成本华提供必要的科学依据。

1 实验

1. 1原材料

真空导入型聚氨酯树脂体系采用由拜耳材料科技（中国）有限公司提供的Bayer-78BD075 /44CP20聚氨酯，简称PU；用于对比的真空导入型环氧树脂体系采用由上纬精细化工有限公司提供的2511-1ABS环氧树脂，简称EP；单向玻纤织物采用由宏发纵横新材料科技股份有限公司提供的E-L1200-ECT无屈曲单向织物。

1.2仪器与测试

等温粘度测试：利用德国HAAKE公司的Rheostress 6000流变仪（采用平板系统），样品厚度为1.Omm，温度分别为20℃ 、30℃、 ,40℃；固化特性测试使用同样的设备，条件为：频率1Hz，温度从30℃以2℃ /min的升温速率升温到85℃，恒温。

拉伸与压缩测试：采用Instron 3382电子万能试验机，其最大载荷为100kN，夹具采用楔形剖面摩擦夹紧装置。实验时将样条放在固定位置上，保持样条的轴线与上下夹头中心线一致，控制加载速率为2mm /min，通过在样条中部安装引伸计测量其延伸率，连续加载直至样条破坏，测试数据系统自动采集并保存。浇铸体拉伸性能的测试标准为GB/T 2567-2008。单向复合材料拉伸性能的测试标准为ISO 5274:压缩性能测试标准为ISO 14126。断面扫描电镜照片由拜耳材料科技有限公司测试并授权提供。

2 结果与讨论

2.1等温粘度特性

风电叶片用真空导入型聚氨醋与环氧树脂的等温粘度曲线如图1所示。根据应用经验，选取了20℃,30℃和40℃三个温度进行了等温粘度测试。等温粘度测试结果表明，PU与EP具有类似的粘度变化规律。同一温度下，PU与EP的粘度均随时间增加而增大。不同温度下，PU和EP的初始粘度均随温度升高而降低，粘度随时间增长的速率则随温度升高而升高。这是由于不论是PU还是EP，初始粘度主要与温度相关，温度升高，树脂内部分子动能增加，促进分子间流动，分子间的作用力减弱，从而导致初始粘度降低。但温度对固化反应速率的影响也很大，温度升高，反应速率急剧升高，导致粘度随时间的增长，速率升高。

图1 不同等温条件下的EP与PU的粘度变化趋势

PU与EP的区别之一在于，与EP相比，相同温度下PU的粘度增长速率更快，达到1.0Pa˙s,所需的时间大约是EP的一半。这一现象与PU的高化学活性有关：聚氨酯是一种主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称，其含有的高活性的异氰酸酯基团可以与轻基快速反应二环氧树脂中含有的活泼环氧基团通常在氨基或酸酐的存在下开环聚合形成三维网状结构，活性相对较低。

PU与EP的区别之二在于，如图2所示，不同温度条件下PU的初始粘度远远低于EP。在较低的温度，如20℃条件下，PU仍保持低于IOOmPa˙s的粘度，而此时EP的粘度已经超过了400mPa˙s,这表明PU在较低温度下也能实现快速的树脂导入。这与其各自的化学结构有关。环氧树脂通常是低聚物，具有一定的重复单元数，而聚氨酯通常都是小分子，分子间相互作用力偏弱，宏观上更容易变形。

2.2 工艺窗口

从图3和表2中可以看到，真空导入型的聚氨酯树脂体系和环氧树脂体系具有差不多的工艺温度窗口，最佳的灌注温度都在25-30℃这个区间里。区别是两种树脂体系的适用期不同，EP的最大可灌注时长约是PU最大可灌注时长的两倍。两种树脂样品的粘度达到500mPa ˙s所需的最长时间都出现在等温温度为30℃时，时长分别是99.Omin和56.Omin。然而这并不意味着，PU的灌注能力大大地弱于EP。真空导入工艺的基本原则是将树脂在真空负压作用下吸入增强纤维或纤维织物中，其灌注玻纤布的速度通常由三个参数决定：树脂的粘度、对增强纤维的浸润能力和作用在树脂上的压强梯对增强纤维的浸润能力和作用在树脂上的压强梯度。多孔介质的渗透符合达西定律的规则，于是可知灌注速度与纤维浸润能力正相关，与灌注压强梯度正相关，而与树脂粘度反相关。若假设灌注压强梯度相同并且纤维浸润能力相同，则可以根据等温粘度曲线计算不同时间时树脂的导入量。图4所示为EP与PU在30℃下树脂导入量与时间的关系，可以清楚地看到PU在60min时的导入量与EP在120min时的导入量基本相当。尽管PU的适用期较短，但是非常低的粘度使得其可以在短时间内实现大量的树脂导入，因而综合来看，PU的灌注能力至少与正在使用的环氧树脂是相当的。

2.3固化特性

树脂体系的固化过程是一个粘性逐渐消失、弹性逐渐建立的过程，通过观察其在交变应力下的力学行为可以实时监测其固化过程。环氧树脂在交联固化过程中，不仅表现出粘性流动形变和弹性形变，而且这两种形变在交变应力的作用下的变化规律不同。真空导入型聚氨酯与环氧树脂的固化特性借助旋转流变仪应用摆振模式来表征，结果在图5中展现。由于PU具有较高的反应活性，这里没有选择直接的等温固化监测而是采用先升温再恒温的方式来进行固化监测。当储能模量G’和损耗模量

2.4力学性能

2.4.1浇铸体的拉伸性能

复合材料中基体的功能是保护纤维，并提供将外部载荷导入纤维的路径。尽管纤维承担了主要的外部载荷，但也不能忽视基体材料自身的性能。基体材料性能对复合材料实际使用特性会有很大的影响，也决定了纤维性能的实际转化程度。对于风电叶片这种大型结构件来说，树脂的性能显得尤为重要。真空导入型聚氨醋与环氧树脂的浇铸体拉伸性能列于表3中。对于结构复合材料来说，其基体的断裂延伸率要远大于增强体的断裂延伸率，最好是达到增强体的2倍以上，只有这样才能保证增强体达到最大载荷前，基体不先发生裂纹或破坏。风电叶片所广泛使用的E玻璃纤维通常具有2.5%-3%的断裂伸长率，因此树脂的断裂延伸率最好在6％以上。如表中所示，EP与PU都达到了这一水平，PU还有一定的优势。树脂的模量也很关键，对于结构复合材料，通常要大于2. 76GPa。这一点EP与PU也都能满足，且PU的模量比EP提高了18%，树脂的模量高将有助于提高单向复合材料的抗压性能，更好地抵抗失稳。强度通常不应低于50MPa，可以看到EP与PU都能满足，且PU的强度提高了29%。综合来看，所开发的真空导入型聚氨酯能够胜任结构复合材料的基体材料。

2.4.2单向复合材料的拉伸与压缩

表4给出单向复合材料层合板的关键力学性能数据—0℃拉伸、0℃压缩与90℃拉伸。所使用单向玻纤织物为宏发纵横提供的单向无弯折织物，这其中的角度指的是载荷方向与纤维方向间的夹角。在沿纤维方向的拉伸性能上，采用PU的单向复合材料层合板的模量比EP提高了6.8%，强度基本相当；在沿纤维方向的压缩性能上，采用PU的单向复合材料层合板，模量提高了18.9%，强度提高了27. 1%;在垂直于纤维方向的拉伸性能上，采用PU的单向复合材料层合板的强度提高了62.6%。这些性能的提升无疑是鼓舞人心的，特别是纤维含量基本处于同一水平。对于风电叶片来说，单向复合材料主要用于制造主梁帽，这是叶片最重要的承力部分。由于叶片设计通常采用刚度设计强度校核的方法，因此0℃拉伸模量的提升有助于减少材料的用量。90℃拉伸强度和0℃压缩强度的大幅度提高，大大提高了结构件的稳定性和抗疲劳的能力，这其实也意味着可以降低树脂含量，进一步提升材料的模量，而不用担心疲劳性能的不足。这些性能的提升，也表明了PU对纤维的粘接性能优于EP.

图6给出的是环氧基复合材料和聚氨酯基复合材料破坏后的断面照片，可以看到聚氨酯仍然紧紧地包覆住玻璃纤维，而环氧则大面积地剥离，露出玻璃纤维。这些照片可以清楚地描绘出由于环氧树脂与玻纤表面并没有非常好地结合，导致两者之间的界面强度偏弱，树脂没有残留，从而使树脂与玻纤剥离。聚氨酯树脂由于自身的特性与玻纤紧密结合，因而使复合材料表现出优异的机械性能和耐疲劳性能。

3 结论

深入分析了风电叶片用真空导入型聚氨酯的工艺性能与力学性能，得出结论如下：

(1)真空导入型聚氨酯树脂体系的最佳灌注温度在25-30℃左右，灌注树脂能力与同类环氧树脂相当；

(2)聚氨酯树脂可以缩短灌注时间和固化时间，大约是同类环氧树脂的一半；

(3)聚氨酯树脂大幅度提升了单向玻纤复合材料的抗压性能和横向拉伸性能，适合制作大型结构件，并具有更好的抗疲劳性能。