风电叶片用双酚A型及双酚A/F型环氧树脂复合材料性能研究＊
冯学斌1**?，周娟1，彭超义1, 2，曾竟成1, 2，唐先贺1
1 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007 2 国防科技大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 410073
摘要：对比研究风电叶片用双酚A型及双酚A/ F型两种环氧树脂材料体系。对树脂体系力学性能、工艺性能进行考察，进一步通过真空灌注工艺制备玻璃纤维复合材料并测试。结果表明，双酚A/ F型环氧树脂与双酚A型环氧树脂比较，材料具有更佳的冲击及疲劳性能。 关键词：环氧树脂；复合材料；风电叶片
Study on the Properties of Bisphenol A and Bisphenol A/F Epoxy Resin
Composites Used to Wind Turbine Blades
Fengxuebin1, Zhoujuan1, Pengchaoyi1, 2, Zengjingcheng1, 2, Tangxianhe1
1 Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd., Hunan Zhuzhou, 412007
2 College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology, Hunan Changsha
410073
Abstract: The two kinds of epoxy resins used to wind turbine blades, included Bisphenol A and Bisphenol A/F epoxy resins, were researched. The mechanical properties and process properties of the materials were compared, and the fibre reinforced epoxy resins composites prepared by the vacuum infusion process were tested. The results indicated that Bisphenol A/F epoxy resins have the higher impact and fatigue properties, compared with the Bisphenol A epoxy resins. Keywords: Epoxy Resin; Composites; Wind Turbine Blades
引言：
风力发电是一种广受各国高度关注的清洁、可再生能源，我国风电产业近年来以100%以上的速度迅猛发展，对风电设备有着巨大需求[1, 2]。在G20会议上胡锦涛主席向世界承诺，2020年我国非化石一次能源的比重要由目前的8%左右提高到15%左右，其中风力发电将起到至关重要的作用。风电叶片是风力发电机组的关键部件之一，价值占整机20%左右。随着风电产业的飞速发展，作为风电机叶片的重要材料的环氧树脂，也得到迅猛提升。近年来，超大功率风电机出现，叶
?
* 基金项目：国家863计划资助项目（编号：2007AA03Z563)，湖南省重大科技专项资助项目（编号：No. 2009FJ1002）
** 通讯作者: 冯学斌（1977－），男，博士，主要从事环氧树脂基复合材料研究，E-mail: fengxuebin@teg.cn
片越来越长，叶片的生产工艺日益趋向树脂灌注工艺。灌注树脂的物料配方，与该工艺优异的工艺性相结合，可以在固化时间与固化温度二者之间进行选择，而制得高性能叶片。理想的风电叶片用环氧树脂要求具有工艺灵活，力学性能优异、适宜的初始粘度、高稳定性、放热性低、与各种纤维的相容性好、浸透性好、适用期长等特点[3]。同时叶片在露天工作，要经受恶劣气候的考验，且要满足设计寿命长达20年的要求。目前国内多兆瓦级叶片制造企业的生产原料依然以国外进口为主。Huntsman Advanced Materisls公司、Hexion公司以及DOW公司研制的环氧灌注配方已经广泛应用于叶片制造业中[4-6]。国内一些风电叶片原料企业为实现本土生产，已在国内建立多家工厂，如上纬、惠利、阿科力、博汇等公司[7]。这些氧树脂企业产品已经进入实验认证及测试评估阶段，但缺少经验和应用数据，工艺质量尚不稳定，还没有得到广泛应用。目前风电叶片用环氧树脂主要以双酚A型及双酚A/ F型两类为主，虽然已经对不同产品性能进行了广泛考察，但对双酚A型及双酚A/ F型两种体系，在风电叶片领域应用的性能特点还未见深入对比研究。 1．实验 1．1实验材料
实验应用的双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂样品，为采购的目前市场主流的风电叶片用环氧体系；玻纤采用重庆国际复合材料有限公司提供的产品，包括单轴向、(0,90o)双轴向以及(0,±45o)三轴向玻纤织物。 1．2复合材料的制备
模拟叶片生产工艺，采用真空灌注法进行复合材料层合板的制备。首先如图1所示，进行材料及真空体系的铺放密封，采用真空泵及树脂收集器使密封体系真空度达到－0.1MPa后灌注树脂，采用70℃7小时的固化制度进行固化，最后脱膜得到复合材料样品。
图1 真空灌注工艺 Fig.1 The vacuum infusion process
1．3性能测试
材料拉伸、弯曲及压缩性能采用GOPOINT-TS2000S万能实验机测试；冲击性能采用XJJ-50冲击试验机测试；热变形温度性能采用WKW300热变形维卡温度测试仪测试；粘度在SNB-1数字旋转粘度计上测试；疲劳性能实验采用FCS-5110疲劳实验机测试，载荷控制方式，实验中保持加载频率、最大应力和应力比不变，试验波形采用正弦波；环氧树脂成份分析采用美国安捷伦7890A气质联用分析仪。 2．结果与讨论 2．1树脂结构分析
图2 双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂的气质联用（GC-MS）谱图
Fig.2 The GC-MS of Bisphenol A and Bisphenol A/F epoxy resins
图2为双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂的气质联用（GC-MS）谱图，位于27min附近为裂解双酚A的吸收峰，而在24－25min附近为裂解双酚F的吸收峰，其余均为活性稀释剂吸收峰。通过对峰面积积分，结果表明双酚A型环氧树脂中，含有80％的双酚A环氧树脂及20％的活性稀释剂；双酚A/ F型环氧树脂中，含有70％的双酚A环氧树脂、10％的双酚F环氧树脂及20％的活性稀释剂。两种环氧树脂均采用聚醚胺类固化剂，进行固化体系及复合材料体系性能研究。 2．2树脂力学性能
对环氧树脂浇铸体的力学性能进行测试，表1展示了固化制度为80℃6小时，
双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂的拉伸、弯曲、压缩、冲击性能及热变形温度。如表所示，两种树脂浇铸体均具有良好的机械性能，拉伸强度大于60MPa，弯曲强度达到100MPa，热变形温度达到70℃以上。同时发现除冲击性能外，两种树脂性能大体相当，双酚A/ F型环氧树脂的冲击功较双酚A型环氧树脂增加了44％，表明双酚A/ F型环氧树脂具有更佳的韧性。
表1双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂材料的力学性能
Tab.1 The mechanical properties of Bisphenol A and Bisphenol A/F epoxy resin
拉伸强度（MPa） 拉伸模量（MPa） 弯曲强度（MPa） 弯曲模量（MPa） 压缩强度（MPa） 压缩模量（MPa） 冲击功（KJ/m2） 热变形温度（℃）
双酚A型环氧树脂
66.4 2496 108.4 3033 77.0 1880 57 78
双酚A/ F型环氧树脂
63.4 2361 107.1 3086 73.6 1880 82 75
2．3树脂粘度特性
真空灌注工艺要求基体材料具有较低的粘度值，一般最高不宜超过800mPas。低粘度基体材料有利于增强材料的充分浸润；有利于排除织物层间和纤维束内的气泡；有利于降低注胶压力等。图3为两种环氧树脂体系分别在35℃和60℃条件下的恒温粘度－时间曲线，展示了粘度随时间的变化趋势，可以看出随着混合时间的增加，环氧体系的粘度均呈现增加趋势。由于温度升高使固化反应加快，因此相对于较高的温度，在较低温度下粘度随时间的增加变化趋势比较平缓。对比双酚A型及双酚A/F型两种环氧体系，在35℃时，初始粘度均在150mPas左右，3小时以内粘度均小于800mPas。在60℃时，由于温度较高，初始粘度明显下降，均在50mPas左右，30min内粘度处于稳定状态，大约升至80mPas左右。但随着时间的进一步增加，树脂出现暴聚现象，粘度出现渗流式增长。两种环氧树脂体系均有较低的初始粘度和适宜的室温操作时间，这有利于该树脂体系应用于真空灌注工艺，特别是应用于风电叶片这样的大型真空灌注成型产品。
图3：环氧树脂恒温粘度－时间曲线（A：35℃；B：60℃）
Fig.3 The viscosity-time curves of epoxy resin at the constant temperature（A：35℃；B：60℃）
2．4复合材料力学性能
表2双酚A型及双酚A/ F型环氧树脂材料的力学性能
Tab.2 The mechanical properties of Bisphenol A and Bisphenol A/F epoxy resin 树脂 性能 拉伸强度（MPa） 拉伸模量（MPa） 双酚A型环氧树脂 弯曲强度（MPa） 弯曲模量（MPa） 压缩强度（MPa） 压缩模量（MPa） 冲击功（KJ/m2） 拉伸强度（MPa） 拉伸模量（MPa） 双酚A/ F型环氧树脂 弯曲强度（MPa） 弯曲模量（MPa） 压缩强度（MPa） 压缩模量（MPa） 冲击功（KJ/m2） 重庆国际 双轴(0,90o) 519 27319 731 29317 － － － 506 26732 726 31169 － － － 单轴 845 44296 1242 35323 351 12033 560 813 39171 1090 31360 391 14500 567 三轴（0,±45o） 608 30413 791 29740 325 13200 620 627 30226 857 31230 348 13620 614
分别以双酚A型和双酚A/ F型环氧树脂为基体，通过真空灌注工艺制备复合材料层合板，得到拉伸、弯曲、压缩及冲击性能数据如表2所示。可以看出，无论以单轴向玻纤织物、 (0,90o) 双轴向玻纤织物还是（0,±45o）三轴向玻纤织物为增强材料，两种不同树脂基复合材料体系力学性能均相当。单向布拉伸强度大于800MPa，模量在40GPa左右，层合板具有优异的静态力学性能。通过对三种不同