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风力发电机叶片用环氧乙烯基酯树脂

   日期:2012-07-20     浏览:422    

  简述了国内外风力发电发展概况及风机叶片成型工艺及要求,研制了风力发电机叶片用MFE—VARIM-200环氧乙烯基酯树脂,对该树脂的粘度、凝胶时间、固化收缩率及固化物的力学性能等进行了测试。结果表明,该液体树脂的粘度(25℃)2 h,线收缩率<0.3%,可以满足真空灌注成型工艺的要求,固化物的力学性能可满足风力发电机叶片对基体树脂的要求。

  关键词:环氧乙烯基酯树脂,风力发电机叶片,真空灌注工艺

  0引言

  环氧乙烯基酯树脂兼具不饱和聚酯树脂和环氧树脂的优点,自其面世起就逐步进入了环氧树脂的应用领域。到20世纪末乙烯基酯树脂已代替环氧树脂成为防腐蚀领域的首选树脂。环氧树脂作为高性能结构胶,在工程塑料领域一直未被其他热固性树脂所取代。但自20世纪90年代以来,环氧乙烯基酯树脂开始逐步进入了这一领域,用于桥梁、房屋等建筑物的修补胶,大型风力发电机叶片的结构胶。

  20世纪80年代风力发电装置开始问世,并且发展迅速。到2006年底全世界风力发电机总功率为74.3 GW。我国2006年新装机量1.3 GW,累计总装机容量达2.6 GW。预测到2020年全球风力发电装机容量将达到1231 GW,年安装量达150GW,届时将占全球发电总量的12%。我国发改委发展规划为:2010年装机总量达到5 GW,2020年达到30 GW。到2010年我国风电设备市场总量可以达到300亿元人民币。

  单机容量方面,20世纪80年代风机平均功率为26 kW,叶片长5.3 m,90年代末为0.6 MW,叶片长23 m。目前风力发电市场所用电机容量一般为1.5~2.0 MW,叶片长度为37.5~45 m。未来下一代风电机容量可达5MW,叶片长55~60m,单片叶片重量18t。单机容量为5 MW的风力发电机,叶片长61.5 m,目前在德国已小批量生产、运行。美国已研制成功7MW风力发电机组,英国正研制10MW巨型风力发电机组。

  制造风力发电机叶片的材料目前都为复合材料,基体为不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂或环氧树脂。不饱和聚酯树脂只适用于小型叶片,1 MW以上的大型叶片国内基本采用环氧树脂作为胶粘剂。

  风机叶片有多种成型工艺可供选择:手糊工艺、模压成型、预浸料铺放工艺、拉挤工艺、纤维缠绕、树脂传递模塑(RTM)和真空灌注成型工艺。目前对于大型风机叶片的制造比较理想的选择是真空灌注成型工艺。真空灌注成型工艺对树脂的工艺性要求是:粘度(25℃)0.2 Pa•s左右,满足不同环境温度下的凝胶时间≥2 h,放热峰≤130℃。对已充分固化树脂的性能要求是:拉伸强度≥55 MPa;拉伸断裂延伸率≥2.5%;拉伸模量≥2.7 GPa;弯曲强度≥100 MPa;热变形温度≥70℃;抗疲劳、耐腐蚀、耐老化;工作温度-60~80℃,工作年限20年。

  1实验部分

  1.1合成

  1.1.1 原材料

  主要原材料:甲基丙烯酸、E一5l环氧树脂和苯乙烯均为市售工业品;扩链剂富马酸双酯为自制;阻聚剂对苯二酚、叔丁基对苯二酚和催化剂季铵盐为市售工业品。

  1.1.2 合成工艺

  在三口瓶中依次投人计量的E一5l环氧树脂、富马酸双酯、甲基丙烯酸、对苯二酚和季铵盐,开动搅拌,同时升温。控制反应温度为80~120℃,反应时间约2~3 h,当酸值<20时可视为反应终点,用苯乙烯稀释配成固含量60%左右的树脂溶液。所得液体树脂的粘度(25℃)田为0.72 Pa•s,凝胶时间(25℃,2%MEKP+2%环烷酸钴)13 min。

  1.2真空灌注工艺用树脂的配制

  温度对树脂粘度和凝胶时间的影响较大,为满足不同环境温度下真空灌注工艺对树脂性能的要求,需调整稀释剂、阻聚剂等助剂的种类及添加量。

  配置工艺:在上述合成的树脂中,添加一定量稀释剂(如苯乙烯等)、适量阻聚剂(如对苯二酚、叔丁基对苯二酚组合使用)和促进剂(如辛酸钴)后即可得到适合于在不同季节施工的真空灌注工艺用预促进树脂。

  1.3性能测试

  1)液体树脂的工艺性能和已固化树脂的力学性能均按现行国标进行。2)环境温度下的凝胶一放热曲线:取树脂100 g置于坩埚中,中间插一热电偶。加入一定量过氧化甲乙酮(MEKP)后搅匀,用温度记录仪记录凝胶一放热曲线。3)固化过程树脂线收缩率的测定,取一定量的树脂(150~300g)加入MEKP并搅匀后倒人长1000 mm,击30mm的半圆柱钢模具中,待完全固化(需放置7~14 d)后测量其线收缩率。

  2结果和讨论

  2.1 粘度

  为满足真空灌注工艺树脂粘度<0.2 Pa•s的要求,环氧树脂必需添加价格昂贵的活性稀释剂以达到目的,而环氧乙烯基酯树脂则相对容易得多,只需添加总量的20%苯乙烯等即可方便地降低其粘度。使其粘度降到(25℃)n=0.18 Pa•s。

  2.2凝胶时间

  环氧树脂凝胶一般均需较长时问,且一旦选定固化剂,其用量也就大致确定,因此只需选择活性较低的固化剂就可达到凝胶时间>2 h的要求。而环氧乙烯基酯树脂的固化遵循自由基反应历程,且影响因素较多,温度、引发剂的品种和用量都可明显改变其凝胶时问。上述树脂在环境温度27℃并加入1.2%MEKP条件下的凝胶时间为3.8 h,放热峰为95℃。可调节MEKP的加入量以适应22~32℃下真空灌注工艺对树脂凝胶时间的要求。

  2.3固化收缩率

  固化过程树脂线收缩率的大小与固化温度和加入引发剂的质量分数有关,在环境温度30℃,加入质量分数1.2%的MEKP固化条件下,按实验部分描述的测试方法,测得的树脂线收缩率<0.3%。

  2.4固化树脂力学性能

  按国标规定进行测试,结果见表1。

  

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  3结论

  华昌聚合物公司根据以上合成工艺和配制操作条件研制的MFE—VARIM一200风机叶片专用环氧乙烯基酯树脂,其工艺性能适合真空灌注成型工艺,力学性能符合风机叶片对基体树脂的要求。

 
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