摘　要：采用CYD―128(E1)、双酚F环氧树脂(E2)、己二醇二缩水甘油醚(E3)为主要原材料配制可用于真空灌注的环氧树脂体系，通过粘度和拉伸、弯曲性能测试及示差扫描量热分析研究了树脂体系的流变特性，固化物力学性能和耐热性。结果表明，E1，E2，E3的质量比为65:15:20，固化剂为CYDHD―501，固化条件为70℃／6 h时，体系初始粘度较低，工艺性好，固化后力学性能、热性能优异，能够满足1.5 MW风电叶片用环氧树脂指标要求。
关键词：风力发电叶片；环氧树脂；真空灌注；粘度；拉伸强度；弯曲强度；耐热性

0　引　言

　　轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的选材料。目前这些叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂真空灌注等成型工艺复合而成。风机叶片用环氧树脂灌注体系应具备粘度低、适用期长、浸透性好、固化物力学强度高，韧性好等特点，目前多数风电叶片厂家采用国外专用的真空灌注环氧树脂，价格偏高。

1　实验部分

1.1　原料与仪器
　　CYD―128环氧树脂、CYDHD―501固化剂：巴陵石化环氧树脂事业部；双酚F环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚：实验室自制；HUNTSMAN1564：亨斯曼公司。
　　NDJ―8S型数字显示粘度计，上海精密科学仪器有限公司；DZF―6020型真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；拉伸样条模具，自制不锈钢(按国标GB／T 1040―2006设计)模具；弯曲样条模具，自制不锈钢(按国标GB／T 1042―1979设计)模具；冲击样条模具，自制不锈钢(按国标GB／T 1043.1―2008设计)模具；美国Instron―5567A微机控制电子万能试验机；意大利ImpactorⅡ塑料摆锤冲击实验机；美国Perkin Elmer公司Q2000型示差扫描量热仪。
1.2　试验方法
1.2.1　粘度测试
　　采用NDJ―8S型数字显示粘度计测试环氧树脂粘度、环氧树脂与稀释剂混合粘度、复配树脂与固化剂混合初始粘度。
1.2.2　浇注体制备
　　将环氧树脂与固化剂按比例混合，常温搅拌均匀，倒入自制不锈钢样条模具里，置于真空干燥箱中真空脱泡30 min，然后将模具移至鼓风干燥箱内恒温70℃加热固化6 h，自然冷却至室温将样条取出，放置24 h后即可进行性能测试。按照GB／T 2567―2008测试浇注体的拉伸性能、弯曲性能及测试浇注体的冲击性能；浇注体T_g测试按照升温速率20 K／min扫描。
1.2.3　胶液温度跟踪实验
　　称取一定质量环氧树脂及相应固化剂，提前12 h将胶液送至恒温房，10℃恒温保存，实验时在恒温房取出环氧树脂及固化剂，准确称量胶液。混胶均匀后采用电子温枪随时跟踪胶液温度变化。

2　结果与讨论

2.1　风电树脂粘度研究
　　目前风电叶片的制作多采真空灌注工艺，未固化的环氧树脂为透明的流动粘稠液体，普通的双酚A型环氧树脂粘度较大，不能满足风电树脂的工艺要求。
　　图1和图2分别为HUNTSMAN1564灌注树脂和双酚A型CYD―128环氧树脂在20～40℃粘温曲线见图1。

　　由图1可知，风力发电用灌注环氧树脂的粘度25℃下为1.068 Pa・s，双酚A型环氧树脂CYD―128 25℃下的粘度高达11.088 Pa・s，不能满足风电叶片用环氧树脂低粘度的工艺要求。目前真空灌注环氧树脂要求粘度1000～1300 mPa・s，为了降低环氧树脂体系的粘度，工业生产中通常采用添加低粘度双酚F型环氧树脂及稀释剂的方法。
2.2　灌注环氧树脂复配比例研究
2.2.1　灌注环氧树脂体系环氧指数分析
　　选取HUNFSMAN1564灌注树脂作为对比，采用CYD―128(简称E1)、双酚F环氧树脂(简称E2)、己二醇二缩水甘油醚(简称E3)为主要原料，按照不同配比混合。通过理论计算，环氧树脂组成为：CYD―128在60～70份，双酚F环氧树脂10～25份，己二醇二缩水甘油醚在10～25份(文中所有比例均为质量比)。各体系环氧值测试结果见表1。

　　由表1看出7组中有5组的环氧值均在目前风电叶片灌注树脂指标值范围内，其中3^#～7^#号配方体系与1564的环氧值一致。
2.2.2　灌注环氧树脂体系粘度分析
　　环氧树脂粘度受温度影响很大，并且随着温度的升高，环氧树脂粘度逐渐降低。随着体系中双酚A型环氧树脂比例的降低，体系粘度逐渐减低(见图3)，这是由于3种组分中双酚A型环氧树脂的粘度是大的。而影响体系粘度关键是活性稀释剂的用量，稀释剂己二醇二缩水甘油醚的粘度低为20 mPa・s左右，稀释剂的较小变化就能较大幅度的改变体系粘度值。另外己二醇二缩水甘油醚为双官能团活性稀释剂，两端均含有环氧基团，能够在固化过程中参与反应，从而不会影响到固化产物的性能。通过粘度对比可知，实验中选取的4组体系粘度均满足真空灌注树脂指标要求，其中m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20和60:25:15的环氧树脂体系粘度与亨斯曼真空灌注树脂体系粘度基本一致。考虑到双酚F环氧树脂在力学性能及成本方面存在一定的问题，在使用过程中优先选择少量添加双酚F环氧树脂的体系，因此实验选取m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20体系进行研究。

2.3　环氧树脂体系固化行为研究
2.3.1　复配体系粘度研究
　　目前风电叶片生产一般采用真空灌注的方法，即将环氧树脂与固化剂混合胶液通过真空系统吸入风电叶片模具，然后升温完成固化。由于叶片灌注中使用胶液量大，灌注时间长，因此要求复合体系要在一定时间内保持较低的粘度，以保证环氧树脂体系对纤维的浸润性，并提供较长的工艺操作时间。固化剂与环氧树脂混合后，测定不同环境温度混合后的粘度随时问的变化情况，对保证叶片真空灌注过程中的工艺可操作性能起着决定性作用。因此我们测试了不同温度下胶液粘度随时间的变化即树脂m(E1):m(E2):m(E3)=65:15:20，固化剂CYDHD―501，m(树脂):m(固化剂)=100:32，测试结果见图4。

　　目前叶片企业的配胶房温度控制在20℃左右，以保证灌注过程中复配体系的粘度在适宜灌注的范围。由图4可知，在30℃及以下温度，复配体系固化反应缓慢，能够在较长的时间内保持较低的粘度，这可以保证在灌注过程中环氧树脂体系充分浸润纤维和流动充模；在体系温度达到35℃时复配体系的固化反应速率相对加快，粘度迅速增大，固化反应放热量增加，有利于固化完全，提高固化后的浇注体性能。从固化环氧树脂体系的粘度测试可以看出混合胶液能够满足实际生产对粘度的要求。
2.3.2　大量胶液的放热情况
　　叶片灌注过程中每次混合的胶液的量在40 kg左右，由于固化反应过程中的联动作用会使体系的温度上升，粘度增大，不利于真空灌注。叶片生产过程中认为在胶液的温度超过40℃时，胶液就不能继续灌注或是必须换至容易灌注的叶片位置进行灌注，另外如果胶液在固化过程中升温过快可能出现真空袋膜被烧穿的问题，所以进行大量样品的放热跟踪实验十分有必要。
　　实验开发体系及进口真空灌注树脂体系在室温下复配后温度跟踪实验结果如图5所示。

　　胶液温度上升是由于环氧树脂与固化剂混合以后在灌注的过程中发生放热的固化反应，温度上升的速度能够反应胶液的整体反应速度，在实际操作中为了保证有足够的灌注时间，要求胶液在灌注完成前能够缓慢反应，从而保证真空灌注的可操作性。
　　从实验结果分析，在初始温度基本相同的条件下，2种环氧树脂体系在混合140 min后胶液温度快速升高，胶液温度上升速率低于进口环氧树脂体系胶液温度升高速率，则可以证明在相同的温度下，实验开发体系与进口真空灌注树脂体系放热情况基本一致，且相对于进口体系具有固化反应前慢后快的特点。一方面能够提供更长的叶片灌注时间，从而能够有效保证胶液在浸透纤维前还具有流动性，规避叶片厂家所承担的灌注风险；另一方面能在灌注完成后快速完成固化，提高生产效率，由此可以确定开发体系可用于风电叶片的灌注。
2.3.3　固化物性能研究
　　根据国内风机叶片制造企业提供的风电叶片用环氧树脂复配体系性能要求，环氧树脂浇铸体必须同时具有良好的刚度、韧性及耐热性能，具体指标见表2。

　　从测试结果可以看出体系的拉伸强度＞65 MPa，伸长率在5％左右，弯曲强度＞110 MPa，弯曲模量＞2900 MPa，冲击强度＞35 kJ／m²，完全能够满足1.5 MW型号的风电叶片对于胶液固化物性能指标要求，该复合体系的力学性能可以使风力叶片经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验，能够满足风电叶片用真空灌注环氧树脂体系要求。

3　结　论

　　1)通过添加双酚F环氧树脂和活性稀释剂能够在很大范围内调节树脂体系的粘度，通过实验确定CYD―128、双酚F环氧树脂及己二醇二缩水甘油醚的质量比为65:15:20时能够满足真空灌注环氧树脂的指标要求。
　　2)环氧树脂复配体系固化时的初始粘度较低工艺性能优异；固化样条力学性能、热性能优异，能够满足风电叶片用环氧树脂指标要求。