程亞娟，卓 達(dá)，毛建暉

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，中山 528437）

0 前言

風(fēng)電葉片的制造普遍采用真空灌注成型工藝。它利用抽真空產(chǎn)生的負(fù)壓使樹脂通過預(yù)鋪的管路注入纖維層中，讓樹脂浸潤增強(qiáng)材料，最后充滿整個(gè)模具，待樹脂固化后移去輔材得到所需制品。真空灌注成型工藝具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品孔隙率低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的制備。

目前各葉片制造商普遍使用的灌注樹脂為低粘度、雙組份環(huán)氧樹脂。它是一種熱固性樹脂，固化成型后呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在固化周期長、需要額外加熱、可塑性較差、不可回收利用等問題，無法為將來大葉片模塊化制作提供可能性。而常見的熱塑性樹脂大部分需要在180～340℃的溫度下加工，具有熔融粘度大、對(duì)玻璃纖維浸潤性差等特點(diǎn)，不適用于葉片制造的真空灌注體系。而已開發(fā)的反應(yīng)型熱塑性樹脂，如代爾夫特理工大學(xué)開發(fā)的陰離子聚酰胺（A-PA6）、Cyclics公司開發(fā)的環(huán)狀對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（CBT）等雖具有極低的熔融粘度（10～40mPa·s），但卻存在聚合溫度高（＞150℃）、對(duì)水分敏感及對(duì)聚合環(huán)境潔凈度要求高等特點(diǎn)，限制其在大型結(jié)構(gòu)制品的應(yīng)用［1，2，5］。

近來，我司聯(lián)合Arkema公司在Elium188基礎(chǔ)上開發(fā)了一款反應(yīng)型熱塑性樹脂（Elium191系列）三組份體系，主要原理為以過氧化物為引發(fā)劑，通過自由基聚合生成大分子量的線性高聚物。同時(shí)具備熱塑性樹脂加熱后軟化可塑性較好的特性。本研究主要基于熱塑性樹脂較好的可塑性特性以試驗(yàn)結(jié)論的方式，展示一種風(fēng)電葉片用的熱塑性樹脂的灌注成型工藝方法，為后期大型結(jié)構(gòu)制品模塊化的制造提供一種真空灌注成型工藝方法。［3，4，6］

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

玻纖織物：1250g/m2高模量單軸布，808g/m2雙軸布、1350g/m2三軸布，CPIC；

樹脂及引發(fā)劑：Arkema反應(yīng)型熱塑性樹脂Elium191，過氧化物，阿科瑪（常熟）化學(xué)有限公司。

1.2 主要輔材類

輔材類：脫模劑、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、密封膠帶、導(dǎo)氣棉及VAP透氣膜、歐姆管等；

1.3 主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、卷尺，明陽智慧能源集團(tuán)股份公司-臨海實(shí)驗(yàn)室

雙組分脫泡機(jī)，無錫登紅風(fēng)電科技有限公司

電動(dòng)打磨機(jī)，S1B-BG01-125 420W 12000r/min

熱電偶，銅-銅鎳，CENTER 309 DATA LOGGER

精密數(shù)字壓力表，MIK-Y290，杭州米科傳感技術(shù)有限公司

液體密度計(jì)/電子天平，GP-300G，深圳市群隆儀器設(shè)備有限公司

馬弗爐，BZ200624-02GP，上海柏欣儀器設(shè)備廠

超聲波無損探傷儀，相控陣，奧林巴斯

紅外測(cè)溫槍，TD360，泰克曼

真空泵，2*100m3/h，廣州普晶真空設(shè)備有限公司

1.4 工藝路線

1.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.5.1 實(shí)驗(yàn)原理

分別制備80層單軸布，150層雙軸+三軸的FRP層合板，驗(yàn)證Arkema熱塑性樹脂對(duì)于單軸、雙軸、三軸玻纖織物的浸潤性，及工藝灌注方法的可行性，利用微觀和孔隙率、纖維體積分?jǐn)?shù)等來表征玻纖與樹脂的結(jié)合性，然后使用無損檢測(cè)儀來探測(cè)層合板內(nèi)部及表面質(zhì)量狀況。

1.5.2 試驗(yàn)過程

（1）涂脫模劑：在模具表面滿涂脫模劑，要求脫模劑涂抹均勻，輔材鋪放前無液體殘留。

（2）按照?qǐng)D2、圖3分別鋪放80層單軸、150層（雙軸+三軸）樣件的下表面灌注輔材，輔材鋪放時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D中要求尺寸進(jìn)行裁剪，導(dǎo)流網(wǎng)可搭接尺寸30～50 mm。

圖2 80層單軸布布層下導(dǎo)流網(wǎng)鋪放示意圖

圖3 150層混合布層下導(dǎo)流網(wǎng)鋪放示意圖

（3）鋪設(shè)玻纖織物，要求玻纖布鋪放平順，裁剪整齊；布層起止位置的錯(cuò)層可參照?qǐng)D4，效果圖如圖5。

圖4 玻纖織物梯度鋪設(shè)示意圖

圖5 玻纖鋪層效果圖

（4）埋放測(cè)溫?zé)犭娕迹悍謩e在10層、30層、50層、70層中心位置處布置熱電偶，如圖6所示。預(yù)埋熱電偶線時(shí)，一人雙手定位電偶位置，另一人加蓋纖維布固定，防止測(cè)量點(diǎn)偏移。鋪層完畢后，在鋪層表面鋪放一層脫模布，保證脫模布覆蓋住整個(gè)樣件，脫模布可以方便在固化后剝離。

圖6 熱電偶布置示意圖

（5）鋪設(shè)輔材：如圖7所示，在左側(cè)玻纖布上方鋪放一層導(dǎo)流網(wǎng)，右側(cè)脫模布上方鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)+導(dǎo)氣棉。之后將預(yù)先制作好的VAP透氣膜鋪放在上方，VAP膜弦向搭導(dǎo)流網(wǎng)20 mm。 弦向距布層一側(cè)30 mm放置一根歐姆管，軸向歐姆管距兩側(cè)布層50 mm。

圖7 玻纖上輔材布置示意圖

（6）包真空：按照要求進(jìn)行包真空，真空度檢測(cè)；然后混合樹脂及進(jìn)行樹脂脫泡，如下圖8。

圖8 混合樹脂及樹脂脫泡圖

（7）灌注、并做好實(shí)驗(yàn)記錄：開始灌注前，預(yù)先用刻度尺在觀察口一側(cè)每隔5 cm做一個(gè)刻度標(biāo)記，如圖9所示，用于記錄玻纖表面樹脂走膠情況。把進(jìn)膠桶放置電子秤上，灌注過程中需記錄樹脂灌注過程走膠情況、灌注樹脂用量。

圖9 灌注過程示意圖

（8）固化過程：灌注結(jié)束后，進(jìn)行常溫固化，并在不同的時(shí)間點(diǎn)記錄溫度數(shù)據(jù)。

（9）脫模及切割取樣，如圖10、圖11所示。

圖1 真空灌注工藝流程圖

圖10 脫模后FRP制品

圖11 切割樣塊及查看端面

1.6 測(cè)試

1.6.1 微觀、孔隙率測(cè)試

分別對(duì)樣件進(jìn)行取樣，按照顯微照相法檢測(cè)熱塑性FRP件的微觀和孔隙率。測(cè)試過程主要用到的公式如下：

式中：

X1、X2…Xn為不同位置或纖維方向的孔隙率數(shù)據(jù)；

Cv—變異系數(shù)；

1.6.2 纖維體積分?jǐn)?shù)測(cè)試

在不同玻纖織物層數(shù)（2～150層）的層合板處分別取樣，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 1172 玻璃纖維增強(qiáng)塑料-預(yù)浸料、模塑料和層壓板-玻璃纖維和礦物填料含量的測(cè)定-煅燒法測(cè)試其纖維體積分?jǐn)?shù)。

1.6.3 NDT檢測(cè)

使用NDT對(duì)每個(gè)制件進(jìn)行檢測(cè)，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2580-2012航空航天用平板復(fù)合材料和夾層芯材的超聲波測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程、MIL-HDBK-787（1993）復(fù)合材料的無損檢測(cè)的超聲波方法、GB/T 32563-2016 無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法，測(cè)試其內(nèi)部及表面質(zhì)量狀況。

1.6.4 Tg測(cè)試

在不同玻纖織物層數(shù)（10～80層）的層合板處分別取樣，按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其Tg。

2 結(jié)果與討論

2.1 層合板微觀檢測(cè)

分別對(duì)4層雙軸布制作的測(cè)試件、60層三軸布制作的測(cè)試件進(jìn)行切割，然后將斷面進(jìn)行顯微觀測(cè)，結(jié)果如下圖12、圖13。

圖12 雙軸布顯微成像

圖13 三軸布顯微成像

由圖12、圖13我們可以看出，采用此種灌注工藝制作的FRP制件，玻纖束分布均勻，樹脂浸潤良好， 為制作更大的熱塑性樹脂F(xiàn)RP件提供工藝支撐；

2.2 層合板孔隙率檢測(cè)

由表1和圖14可知，不同的玻纖種類隨著玻纖布層數(shù)量的增加，微觀孔隙率呈現(xiàn)出線性下降趨勢(shì)；我們還可以看出，相同的玻纖種類，不同的層數(shù)，隨著層數(shù)增加，也呈現(xiàn)出線性下降趨勢(shì)， 主要原因?yàn)殡S著玻纖層數(shù)的增加，層合板在真空壓力作用下越緊密，這與環(huán)氧樹脂呈現(xiàn)出的關(guān)系曲線吻合，證明采用此種灌注方式可以實(shí)現(xiàn)三軸、雙軸、單軸布的灌注 ，孔隙率變化平穩(wěn)；

表1 不同規(guī)格、厚度FRP制件孔隙率數(shù)據(jù)表

圖14 微觀孔隙率趨勢(shì)圖

2.3 層合板纖維體積分?jǐn)?shù)

從表2和圖15可知，三軸布FRP體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)為先下降再增長然后趨于平穩(wěn)的規(guī)律，這表明熱塑性樹脂玻璃鋼中的三軸布纖維體積分?jǐn)?shù)推薦值（60±2）%。

表2 三軸布FRP不同層數(shù)的纖維體積分?jǐn)?shù)

圖15 三軸布FRP體積分?jǐn)?shù)趨勢(shì)變化圖

2.4 制件無損檢測(cè)

我們利用目前玻璃鋼內(nèi)部探傷手段-無損檢測(cè)，對(duì)熱塑性FRP制件進(jìn)行掃描檢測(cè)；

從圖16可知，A掃顯示的熱塑性FRP制件底波清晰，內(nèi)部灌注質(zhì)量良好，無缺陷及界面存在； S掃顯示其斷面玻纖層數(shù)紋理清晰，樹脂浸潤良好，C掃顯示其表面成像清晰，平整度較好。我們可以得出，采用該種灌注工藝方法，灌注質(zhì)量良好。

2.5 層合板Tg值

由表3、圖17可知，不同玻纖層數(shù)FRP的Tg最小值為112℃，最大值117℃，離散系數(shù)1.5%。且隨著玻纖層數(shù)增加呈現(xiàn)出線性變化趨勢(shì)，這表明按照此種灌注工藝方法可實(shí)現(xiàn)Elium191樹脂對(duì)不同玻纖層數(shù)完全浸潤，說明不同層數(shù)的樹脂已經(jīng)完全固化（熱塑性樹脂標(biāo)準(zhǔn)Tg值為110℃）。

表3 玻纖布不同層數(shù)的Tg值

圖17 不同層數(shù)玻纖的Tg值

3 結(jié)論

（1）不同層數(shù)、不同規(guī)格玻纖布采用此種灌注工藝方法可以與熱塑性樹脂很好的浸潤，灌注質(zhì)量良好，微觀成像清晰，直觀；孔隙率小，表明灌注質(zhì)量較好。

（2）不同玻纖織物層數(shù)FRP的纖維體積分?jǐn)?shù)差異小，且FRP實(shí)際厚度隨玻纖層數(shù)的增加而近乎線性增加，實(shí)際厚度與理論厚度差異小，這均表明采用此種方法灌注Elium樹脂對(duì)玻纖織物有著較好的浸潤性能。

（3）不同玻纖織物層數(shù)FRP均有明顯Tg，且無其他放熱峰，這表明樹脂已完全固化。