DQ200E 系列灌注环氧树脂性能表征

周百能 杨 红 钟连兵 卢 毅 杨青海 翟保利

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

DQ200E 系列灌注环氧树脂性能表征

周百能 杨 红 钟连兵 卢 毅 杨青海 翟保利

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章简述了环氧树脂作为风电叶片基体树脂的优势、国内外研究和应用的状况以及风电叶片对环氧树脂的性能要求。 研制了 DQ200E 系列灌注环氧树脂， 并对该树脂的工艺性能、 力学性能、 纤维增强塑料复合材料 （FRP） 性能以及耐疲劳性能进行了系统地测试。 结果表明， DQ 200E 系列灌注环氧树脂粘度低、 操作时间长、 力学性能良好、 耐疲劳性优异， 能满足风电叶片的要求， 并成功地应用在 1.5MW 风机叶片上。

风电叶片；灌注；环氧树脂；应用

0 引言

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、乙烯基树脂或环氧树脂[1]， 尽管不饱和聚酯和乙烯基树脂在价格上具有明显的优势，但环氧树脂由于其优异的性能，仍然是风电叶片最常用的基体树脂。

聚酯树脂和乙烯基树脂中需加入一定量的苯乙烯以降低树脂粘度和提高树脂反应活性，由于固化过程中苯乙烯大量挥发，因此聚酯树脂和乙烯基树脂固化收缩率非常大 （一般为 5%～8%），这导致了聚酯和乙烯基树脂复合材料有很高的内应力。 相比之下， 环氧树脂的固化收缩率仅为2%～5%， 内应力很低， 同时环氧树脂与玻璃纤维有非常好的粘结性能。这使得环氧树脂在静态力学性能上有很大的优势。此外，环氧复合材料的耐疲劳性能 （表现为 S-N 曲线的斜率） 也公认优于聚酯和乙烯基复合材料[2]。

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环氧树脂的性能要求是： 粘度 （25℃） ≤0.3Pa·s，凝胶时间 （25℃） ≥250min， 放热峰≤70℃， 和玻璃纤维布具有良好的浸润性。对已充分固化环氧树脂的性能要求是： 拉伸强度≥68MPa， 拉伸断裂延伸率≥5%， 拉伸模 量≥3.0GPa， 弯 曲强度≥100MPa， 热变形温度≥70℃， 纤维增强树脂复合材料（FRP）性能、 耐疲劳性能优异，工作温度-60～80℃， 工作年限 20 年。

目前国内大型风电叶片所使用的环氧树脂主要由国外公司如瀚森 （Hexion）、 亨斯曼 （Huntsman）、 陶氏 （Dow）、 巴斯夫 （Basf） 等知名公司供应，市场被国外公司垄断。近几年，风电叶片环氧树脂在国内是研究热点，国家科技部出台“863” 项目计划 “MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”， 以鼓励这种风电叶片关键原材料的国内开发。 本文介绍了 DQ200E 系列灌注环氧树脂， 包括快速固化剂 （DQ202H） 和通用固化剂（DQ204H） 的研究， 研究了该树脂体系的工艺性能、固化物性能、对纤维的浸润性、复合材料性能、耐疲劳性能等。该体系环氧树脂已成功应用于 1.5MW 叶片。

1 实验

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

旋转流变仪： 英国 Malvern CVO9000； 精密电子万能材料试验机： 日本 Shimadzu ACIC-100kN；示差扫描量热仪 （DSC）： 德国 Netzsch 200F3； 疲劳试验机： 日本岛津 EHF-EM； 真空干燥箱： 上海精宏。

1.1.2 试剂

DQ200E 环氧树脂、 DQ202H 和 DQ204H 环氧固化剂：工业级，东方汽轮机有限公司；

某种进口环氧树脂：工业级；

单轴向玻璃纤维， UD1200， 0°纱线 1152g/ m2， 90°纱 线 36g/m2， 编 织 线 12g/m2， 纱 线 名 称Advantex-SE1500， 欧文斯科宁， 工业级；

双轴向玻璃纤维， BX1200， 45°纱线 600g/m2，-45°纱 线 600g/m2， 编 织 线 6g/m2， 纱 线 名 称Advantex-SE1500， 欧文斯科宁， 工业级；

三轴向玻璃纤维， TLX1250， 0°纱线 640g/ m2， 90°纱 线 600g/m2， 编 织 线 6g/m2， 纱 线 名 称Advantex-SE1500， 欧文斯科宁， 工业级；

DQ200E 环氧树脂、 DQ202H 和 DQ204H 环氧固化剂：工业级，东方汽轮机有限公司；

进口环氧树脂：工业级。

1.2 固化机理

DQ200E 系 列 灌注 环 氧树 脂 是环 氧 树脂（DQ200E） 与胺类固化剂 （DQ202H、 DQ204H）的混合体系。其固化机理为环氧树脂的环氧基与胺类固化剂的氨基反应，反应基本原理如图1所示。

图1 环氧基与氨基的反应原理

如图1所示，环氧基与伯氨基反应先生成仲氨基化合物，而后仲氨基化合物与环氧基团继续反应生成叔氨基化合物。实际上，我们使用的环氧树脂和胺类固化剂均为多官能团化合物，所以固化时会逐步反应生成交联网状结构[3,4]。

1.3 实验方法

环氧树脂的粘度、玻璃化转变温度和浇铸体力学性能按照国家标准测试；

放热峰曲线测试：在标准实验室环境下，取环氧树脂 100g加入固化剂 32g充分混合测试放热峰曲线；

环氧树脂对纤维的浸润性： “靶环法” 测试；

纤维增强复合材料 （FRP） 的力学性能测试：纤维采用 BX1200， 四层， 灌注成 FRP 材料， 按照国家标准方法测试；

耐疲劳性能测试：纤维布采用单向布UD1200， 两层， 灌注成 FRP 材料， 首先测试 FRP的静态力学强度， 然后分别测试 75%、 65%、55%、 45%和 35%静态力学强度下 FRP 的疲劳次数， 绘制应力—疲劳次数 （S-N） 曲线。

2 结果与讨论

2.1 DQ200E 系列环氧树脂的性能表征

2.1.1 粘度

根据 Darcy 定律， 在相同的环境下流体的粘度越低， 风电叶片灌注需要的时间越短[5]， 选择粘度较低的环氧树脂，可以缩短灌注时间，提高灌注效率，降低叶片局部灌不透的风险。

在 15～40℃下， DQ200E/DQ204H 环氧树脂具有和进口树脂近似的粘度 （见图2）。 同时， 粘度随温度上升而下降， 温度低于 18℃时， 混合粘度比较高，树脂的流动性差，不适合灌注。温度升高，粘度会显著降低，树脂的流动性变好。但是当温度过高时，树脂的反应速度会加快，导致可使用时间变短， 也会带来灌注风险。 DQ200E/ DQ204H 最适合的灌注温度在 18～26℃之间。

图2 DQ200E/DQ204H 和进口环氧树脂的混合粘度比较

2.1.2 放热峰曲线

兆瓦级叶片壳体长度一般都在 30m 以上， 叶根处铺层达到 100 多层。 因此叶片壳体灌注需要的时间长，要求灌注环氧树脂具有较长的可操作时间。 环氧树脂的放热峰时间 （Time to Tmax） 可以衡量环氧树脂的可操作时间， DQ200E/DQ204H环氧树脂的放热峰时间为 441min， 明显长于进口环 氧 树 脂 的 415min （ 见 图3） 。 另 外 DQ200E/ DQ204H 环氧树脂的放热峰温度低于进口树脂，较低的放热峰温度可以避免环氧树脂在固化过程中由于温度过高而导致的真空薄膜的损坏、三明治结构中的泡沫变形等。

图3 DQ200E/DQ204H 和进口环氧树脂的放热峰曲线比较

并非所有的叶片部件都要求环氧树脂具有长的可操作时间。对于主梁冒、剪切梁等部件，尺寸较小，灌注可以在较短的时间内完成。如果完成灌注后，环氧树脂能够快速固化，将有利于节省制作时间， 提高生产效率。 DQ200E/DQ202H 的放热峰时间约为 50min （见图4）， 可以满足小件对环氧树脂快速凝胶固化的要求。实际生产中可以用 DQ204H 和 DQ202H 按照不同比例混配， 以调节环氧树脂的可操作时间。

图4 DQ200E 环氧树脂的放热峰曲线

2.1.3 浇铸体性能

风电叶片长期在不同的环境下运转，夏季一些风场的温度达到 50℃以上， 因此要求环氧树脂具有较高的玻璃化转变温度。不能片面强调环氧树脂的强度或韧性，良好的强度和韧性的平衡可以使风电叶片具有更长的使用寿命。

按照国家标准测试 DQ200E 环氧树脂和某进口环氧树脂固化物性能， 测试前， 试样在 70℃下固化 8h， 测试结果见表1。 DQ200E 环氧树脂固化物性能已达到进口产品的水平，满足叶片灌注环氧树脂性能要求。

表1 DQ200E 环氧树脂的固化物性能

2.1.4 对纤维的浸润能力

环氧树脂和玻璃纤维是风电叶片的主要材料，环氧树脂和纤维之间必须具有良好的相容性。可以用环氧树脂对纤维的浸润性衡量树脂和纤维之间的相容性。 通过 “靶环实验” 来观察环氧树脂对特定玻璃纤维的浸润能力，在三轴向纤维布的靶环中心同时滴加相同量的环氧树脂，环氧树脂沿着同心圆的方向扩散， 对比 DQ200E 环氧树脂和进口环氧树脂的扩散速度。

图5 中显示， DQ200E 环氧树脂和进口环氧树脂扩散速度一致， DQ200E 环氧树脂和进口环氧树脂对玻璃纤维具有相似的浸润性。

图5 环氧树脂对玻纤浸润能力对比

2.1.5 FRP 性能

FRP 力学数据是风电叶片主要的设计依据，FRP 性能必须达到叶片的设计要求。

采用灌注工艺制备 BX1200 玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，按国家标准方法测试该复合材料的力学性能， 结果见表2。 FRP 性能完全达到进口环氧树脂的水平。

表2 DQ200E 环氧树脂的 FRP 性能

2.1.6 耐疲劳性能

风电叶片的设计使用寿命是 20年， 叶片在运行过程中受到外力的反复作用，大多数叶片的破坏是疲劳破坏。

通过测试单向布 UD1200 玻璃增强环氧树脂纤维复合材料的破坏疲劳次数来对比 DQ200E 和进口环氧树脂的耐疲劳性能， 分别测试 75%、65%、 55%、 45%和 35%最大静力学强度下 FRP的疲劳次数。 在 35%最大静力学强度下， DQ200E和进口环氧树脂的耐疲劳次数都超过了 100 万次，采用其余的四个点绘制 S-N 曲线 （见图6）。 由图6 可知， 在相同的应力下， DQ200E 环氧树脂能耐更多的疲劳次数。 因此 DQ200E 环氧树脂具有更优异的耐疲劳性能。

图6 DQ200E 环氧树脂耐疲劳性能

2.2 工程应用

用 DQ200E/DQ204H 环氧树脂灌注 1.5MW 风机叶片 （长 37.5m）。 从灌注时间、 树脂用量、 放热温度、可使用时间、固化时间、玻璃化转变温度、 后处理情况等方面考察 DQ200E 环氧树脂，DQ200E 环氧树脂应用情况良好。 用 DQ200E 环氧树脂制作的叶片进行二类风场和三类风场静力试验 （见图7）， 以及 500 万次循环疲劳试验 （见图8）， 试验的结果符合理论值， 满足设计要求。2010 年8 月份， 4 套使用 DQ200E 环氧树脂生产的叶片在风场开始挂机实验，至今已测试了近两年的时间，风机运转状况良好，仍在风场运转。

图7 DQ200E 环氧树脂叶片静力试验

图8 DQ200E 环氧树脂叶片疲劳试验

3 结束语

DQ200E 系列灌注型环氧树脂具有低粘度， 可操作时间长的特点，适用于真空灌注工艺。DQ200E 环氧树脂固化物性能良好， 对纤维的浸润能力好， 并具有优异的 FRP 性能和耐疲劳性能。特别适合于制作高动态的风力发电机叶片部件。DQ200E 系列灌 注环氧 树脂已成 功地 应用 于1.5MW 风力发电机叶片。

[1] 周润培,姚星,刘坐镇.风力发电机叶片用环氧乙烯基酯树脂 [J]. 热固性树脂,2009,24(2):42-43

[2]S.Baitinger,A.B.,J.Bossaerts,C.W.Kensche,J.M eunier,E.J. Rühle,J.-P.Schümann. 应用于未来叶片的环氧树脂和胶粘剂 [J]. 电气制造,2010(3):68-71

[3] 陈平, 刘胜平.环氧树脂 [M]. 北京： 化学工业出版社, 1997

[4] 王德中. 环氧树脂生产及其应用[M]. 北京： 化学工业出版社,2002

[5] 倪爱清,蔡红涛,王继辉.真空灌注成型工艺中玻璃纤维毡渗透率的测量[J]. 武汉理工大学学报,2009,31(4):67-70

Performance Study of DQ200E Infusion Epoxy Resin System

Zhou Baineng， Yang Hong， Zhong Lianbing， Lu Yi， Yang Qinghai， Zhai Baoli
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The advantage and development of epoxy resin used in wind turbine blades and the requirements were briefly introduced.DQ200E infusion epoxy resin system for wind blades was developed.The processing properties,mechanical properties, FRP performance and fatigue resistance of this resin system were tested.The results showed that DQ200E epoxy resin system with low viscosity,long operation time,good mechanical properties and excellent fatigue resistancemet the requirements ofwind turbine blades.DQ200E epoxy resin had been used in 1.5MW wind turbine blades successfully.

wind turbine blades,infusion,epoxy resin,application

周百能 （1984-）， 男， 硕士， 毕业于中国科学技术大学分析化学专业， 现从事风力发电相关非金属材料产品研发工作。