摘 要：简要介绍了一种新型风机叶片成型工艺――真空吸塑成型(VRAM)工艺，并对适用于该工艺的树脂体系和复合材料进行了综述。
0  前  言
    在树脂传递模塑(RTM)工艺和真空辅助RTM工艺(VARTM)发展过程中，真空吸塑成型(VRAM)工艺的开发成功可谓具有里程碑的意义。这一技术的应用不仅增加了树脂的传递动力，而且排除了模具及树脂中的气泡和水分，并且为树脂在模腔中的流动打工了通道，形成了完整的通路；更重要的是VRAM工艺完全利用真空，从而有效避免了在RTM和VARTM工艺中因注射产和的强大压力所引起的冲刷纤维现象的发生，不但大大降低了成本，而且明显提高了复合材料的性能。对于大尺寸、大厚度的复合材料制件(尤其是对于大厚度的船舶、汽车和飞机等结构件)而言，若采用以往的复合材料成型工艺，则大型模具的选材难、成本贵且制造十分困难；而采用VRAM工艺则是一种十分有效的成型方法，由该工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙率小、无需外加压力、成型过程中产生的挥发气体少且终产品性能好等诸多优点，并且该工艺具有很大的灵活性。
    环氧树脂结构中含有羟基、醚键和活性极大的环氧基团，可与相邻界面产生电磁吸附或化学键，因而在复合材料体系中环氧树脂与增强材料间的界面粘接强度较高；另外环氧基团又能在固化剂作用下发生交联反应生成网状结构的大分子，因而且有较高的内聚强度；此外，环氧树脂体系还具有较高的力学性能和耐热性能、良好的工艺性、稳定性且固化收缩率小等诸多优点，可广泛用于综合性能要求较高的领域。
    因此，环氧树脂以其较低的价格和优良的性能，长期以来一直是大型风力发电叶片的选树脂，而聚酯树脂只是叶片长度较短时才使用。未来叶片材料的发展趋势是采用碳纤维增强环氧树脂复合材料，尤其是随着功率的增大，要求叶片长度相应增加，必须采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。
1  风机叶片VRAM工艺
    将VRAM技术用于大型叶片生产(叶片长度>40m)时，具有效率高、成本低和质量好等特点，是目前国际的一种大型构件成型新工艺。采用VRAM工艺制备风力发电转子叶片的工艺流程如图1所示，由图1可知，在设计好的模具型腔中预先放置经合理设计、剪裁或经机械化预成型的增强材料，夹紧密封好模具，完全真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料和模具内部的每一个角落，而后加热使复合材料固化，后脱模得到成型制品。
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    采用VRAM工艺制备风力发电转子叶片的关键在于：①优选浸渗用的基体树脂，尤其要保证树脂的佳粘度及其流动特殊性。②模具设计必须合理，尤其要注重模具上树脂吸入孔的位置和流道分布，以确保基体树脂能均衡地充满到模腔内的任何地方。③工艺参数要佳化，必须事先进行相关实验研究，以确保VRAM技术的工艺参数达到佳化。
    固化后的叶片由自动化操纵的设备运送到下一道工序，进行打磨和抛光等操作。由于模具上涂有硅胶，因此，叶片不需要油漆。此外，在制造过程中应尽可能减少复合材料内部的孔隙率，保证纤维在铺放过程中保持平直，这些都是复合材料获得良好力学性能的关键。
2  适用于VRAM工艺的树脂体系
    适用于VRAM工艺的树脂主要有不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂和聚氰酸酯树脂等，其中环氧树脂和不饱和聚酯树脂在风力发电叶片生产中应用为广泛。
2.1  VRAM工艺用的环氧树脂
    风机叶片VRAM工艺用的环氧树脂，是经低粘度固化剂(液态胺类或酸酐类)或环氧稀释剂改性后的高性能复合材料的基体树脂，具有良好的工艺性，对成型温度和成型压力要求较低，可以60℃条件下进行真空吸塑，适用期为2~3h或更长。
    美国3M公司生产的PR500树脂，其熔点为60~80℃，固化物Tg约为190~250℃，该树脂体系在室温20℃时的粘度为1000Pa・s，由于粘度太高，故需要加热来降低其粘度以方便充模；其佳真空吸塑温度为160℃左右，在该温度下固化剂能够很好地溶解，可用于VRAM工艺。Shell化学公司利用双酚F二缩水甘油醚树脂DPL862和芳香胺固化剂RSC763，开发了适用于VRAM工艺的树脂体系，所得制品具有良好的韧性和较高的耐热性。CibaGeigy公司早期开发的TGMDA(四缩水甘油基二胺基二苯甲烷环氧树脂)，是较早应用于高性能复合材料的基体树脂之一，但该树脂粘度较高，不适用于VRAM工艺。当体系中加入液体酸酐HY917作固化剂时，该树脂的粘度下降、贮存期延长；但酸酐作固化剂与Kevlar纤维的相容性较差。为此，又选用了低粘度多官能度的环氧化合物作稀释剂，配制成Araldite LY5210树脂并以液态芳胺HY932为固化剂、DY219为促进剂，该体系在25℃时的粘度只有0.3Pa・s，适用期达24h。美国聚合物公司的E905RTM为双组分环氧树脂体系，该体系在70℃时粘度为200~500mPa・s，可稳定保留8h以上，该体系于177℃固化后，其干态耐热温度为150℃，湿态耐热温度为120℃。我国开发的多官能度环氧树脂体系有TDE-85环氧/马来酸酐体系，TDE-85环氧/DDS(二氨基二苯砜)/BF3・MEA(三氟化硼单乙胺)体系也可用于VRAM工艺。
2.2  VRAM工艺用的不饱和聚酯树脂
    风机叶处VRAM工艺用的不饱和聚酯树脂一般含有较多的苯乙烯，因而该类树脂粘度低，可室温存放6个月；与固化剂和促进剂混合后在室温或略高于室温下可进行真空吸塑，适用期一般为15~30min；可在室温或略高于室温的条件下进行固化，固化时间一般小于1h；为了降低树脂的固化收缩率，有时需要在树脂中加入无机填料。
    英国JutonPolymer公司生产Norpo142-10树脂，其23℃时的粘度为200mPa・s,凝胶时间为12~18min，可室温固化，并可用于VRAM工艺。英国DSM公司的Syholite40-7428树脂具有低收缩率、A级表面等优点，其75℃时的粘度为110mPa・s，凝胶时间为2~3min，需加热固化。美国Ashland公司开发的Arotran50437-x树脂，其60℃时的粘度为500mPa・s，凝胶时间为7~30min，120℃固化2h。英国Scottader公司开发的标准型、阻燃型和耐化学性等系列树脂，其真空吸塑粘度为200mPa・s，凝胶时间为2~20min，需加热固化。国产FL系列树脂，其真空吸塑粘度为200~450mPa・s，凝胶时间为5~20min，可用于VRAM工艺。[-page-]
3  VRAM风机叶片用复合材料的选择
    风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前普遍采用是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。
    风力发电转子叶片用的材料可根据叶片长度不同选用不同的复合材料，从性能方面而言，碳纤维增强环氧树脂好，玻璃纤维增强环氧树脂次之。随着叶片长度的增加，要求提高使用材料的性能，以减轻叶片的质量。表1列出了不同复合材料的叶片长度与质量的关系，由表1可知，采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用的复合材料，当叶片长度为19m时，其叶片质量为1800kg；当叶片长度为34m时，叶片质量为5800kg；当叶片长度为52m时，则叶片质量高达21000kg。而采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片用的复合材料时，当叶片长度为19m时，其叶片质量为1000kg，比玻璃纤维增强聚酯树脂轻800kg；同样，当叶片长度为34m时，叶片质量为5200kg，比玻璃纤维增强聚酯树脂轻600kg，却比碳纤维增强环氧树脂重1400kg。
    
    综上所述，叶片质量随着叶片长度的增加而增大，当叶片长度相同时，碳纤维增强环氧树脂的质量轻，而玻璃纤维增强聚酯树脂的质量重。因此，叶片材料的发展趋势是采用碳纤维增强环氧树脂复合材料，尤其是随着功率的增大，要求叶片长度相应增加，必须采用碳纤维增强环氧树脂复合材料；而玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料只是在叶片长度较短时才使用。
4  结  语
    VRAM工艺是现今生产大型风力发电叶片的先进技术，而国内风机叶片的制造尚处于起步阶段，我国河北保定大型风力发电基地主要引进荷兰先进技术，因此研究VRAM工艺性、树脂及叶片复合材料对我国风力发电的发展具有重要意义。