风电叶片用聚氨酯与环氧树脂结合界面的剪切性能研究

刘艳霞，别春华，杨 忠，刘鲜红，贾宇婷

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

风电叶片作为捕获风能的核心部件，通常以纤维增强树脂基复合材料作为其材料体系[1]。“30·60”碳中和目标的提出为大力发展风电行业提供了契机，轻量化、大型化和精益化是风电叶片发展的趋势，随之对叶片成型的工艺要求也越来越高。风电并网标杆电价不断下降，叶片的成本压力促使行业积极寻求新的降本增效途径，降低叶片材料成本和寻求更廉价树脂体系尤为重要。传统的环氧树脂材料在风电叶片上的大规模应用已超过 30年，但随着叶片越做越长，环氧树脂在价格、工艺等方面的瓶颈已经显现，相比环氧树脂，聚氨酯树脂材料更能适应叶片的发展趋势。聚氨酯树脂并非新材料，其优良的综合性能特点早已被国内领先叶片生产厂商深度研究，聚氨酯树脂低黏度、快固化的特性为叶片精益化生产提供了新的思路，也将更有力地推动风电单位千瓦造价的下降。

聚氨酯(PU)是指分子结构中含有氨基甲酸酯基团(—NH—COO—)聚合物，一般由异氰酸酯和多元醇反应获得，自发明以来，因其配方灵活、产品形式多样、制品性能优良，被广泛应用于各行各业[2]。聚氨酯树脂应用于叶片真空灌注工艺具有以下优点：一是聚氨酯树脂黏度低，在较低温度下仍能保持良好的流动性和浸润性；二是聚氨酯树脂的可操作时间较长，且可在加热条件下快速凝胶固化，因此，在叶片生产过程中可以缩短固化时间，同时相较于环氧树脂价格更低[3]。

目前聚氨酯叶片的设计是在叶片的主梁制作中采用聚氨酯树脂，经壳体环氧树脂一体灌注。聚氨酯树脂与玻璃纤维有着非常好的浸润性和界面结合能力，其基体(浇注体)力学性能和玻璃纤维复合材料(FRP)力学性能均较环氧体系更为优越。因此，聚氨酯树脂与环氧树脂的界面性能对叶片的抗载荷能力和使用寿命有直接影响，是影响聚氨酯在叶片上应用的关键因素。在本文的研究测试中，试样采用单向纤维织物强化的层合板制得，其几何形状比较稳定，力学平衡性较好，面内异向性较小，测试结果离散低，能更准确地反映复合层合板的剪切性能[4]。本文结合叶片现场制造工艺，对不同固化度的聚氨酯树脂与环氧树脂的界面结合性能[5]进行了试验研究，以期为聚氨酯叶片设计和工艺研究提供理论依据。

1 实验方案

实验模拟叶片用材料进行试样制作。通常的主梁采用高模或超高模单向布，采用聚氨酯树脂真空灌注，壳体采用普通模量纤维布，采用环氧树脂真空灌。分别制备以上 2种层合板的拉伸剪切(GB/T7124—2008)和层间剪切(ISO 14130)试样。通过控制聚氨酯树脂的加热固化时间得到具有不同固化程度的聚氨酯层合板。

1.1 聚氨酯层合板制备

分别铺设为 3和 7层超高模量单向布 SI-UD-1200(PU)，表面需要铺设聚酯脱模布、灌注流道，采用聚氨酯树脂灌注，设置3个加热固化方案：50℃固化 1h，再升温至 70℃ 1h，总时间 2h；50℃固化1.5h，再升温至 70℃ 1.5h，总时间 3h；50℃固化2h，再升温至70℃ 2h，总时间4h。

1.2 环氧层合板制备

将 3个方案聚氨酯样板标识好，并脱除导流网、脱模布，分别铺设3和7层UD-1200(EP)(铺放方向与第二步骤中聚氨酯玻纤保持一致)，灌注环氧树脂，按照50℃固化1h，升温至70℃固化7h。

上述 3个方案制备的样板按照拉伸剪切和层间剪切如图1所示进行标样裁切，要求测试0度方向与玻纤方向一致。层间剪切试样尺寸为 50mm×25mm×5mm。

图1 试样示意图Fig.1 Schematic diagram of sample

2 结果与讨论

2.1 测试过程及样品表观形貌

拉伸剪切测试如图 2所示。样板经切割机裁切成标准试样。

图2 拉伸剪切测试过程Fig.2 Tensile shear test process

试样测试后的形貌如图 3、4所示，拉伸剪切测试和层间剪切测试的界面均为玻璃钢层破坏，树脂种类无明显指向性，不同固化时间的界面破坏形态无明显区别。说明不同固化度的聚氨酯树脂在与环氧树脂灌注后形成了统一基体，两者之间的界面结合效果良好，无明显分层。

图3 拉伸剪切测试后试样Fig.3 Sample after tensile shear test

2.2 聚氨酯树脂固化程度测试

聚氨酯树脂的固化测试不同于环氧树脂。在风电叶片上，通常采用差示扫描量热仪测试环氧玻璃钢的玻璃化转变温度(Tg)≥70℃来表征完全固化。聚氨酯树脂玻璃钢由于测试曲线的 Tg峰值非常微弱，测试取值不明显而无法判断，因此，在实际生产中，均采用纯的聚氨酯树脂进行测试，通过取热量变化的曲线得出残余热焓值进行表征，当残余热焓值小于40J/g即可判定固化满足要求。本试验不同固化时间下的聚氨酯的残余热焓测试结果如表1所示，残余热焓测试如图5所示。结果表明3种固化时间下，聚氨酯树脂的固化残余放热加热时间越长，残余放热值越低，即固化程度越高，在加热总时长 4h时，其值为22.89J/g，远小于要求值。

图4 层间剪切测试后试样Fig.4 Sample after interlaminar shear test

表1 不同固化条件下聚氨酯树脂的残余放热Tab.1 Residual exothermic properties of polyurethane resin under different curing conditions

图5 固化4h的残余放热测试值Fig.5 Residual exothermic test value after curing time 4h

2.3 剪切性能测试结果

由表2和图6试样层间剪切性能测试结果可知，聚氨酯树脂不同的固化时间条件下试样层间抗剪强度均为 60MPa，而叶片结构设计中要求单向布的面内抗剪强度≥55MPa；聚氨酯树脂不同的固化时间条件下试样抗拉伸剪切强度为 32～35MPa，参照叶片结构设计中玻纤拉挤板与灌注树脂的抗剪强度≥25MPa，表明聚氨酯树脂与环氧树脂间的界面剪切性能完全达到叶片结构设计要求，现有的聚氨酯树脂固化工艺、与环氧树脂的结合方式能够满足结构对层合板剪切性能的要求。

表2 剪切性能测试值Tab.2 Test value of shear properties

图6 不同固化时间的剪切性能测试值Fig.6 Shear properties of different curing times

3 结 论

测试不同固化时间下聚氨酯树脂的固化残余放热结果表明，在加热总时长 4h时，残余放热为22.89J/g，满足聚氨酯树脂的固化放热要求。对于聚氨酯叶片生产固化工艺，加热时间具有参考价值。叶片结构设计要求中，聚氨酯树脂不同固化时间条件下与环氧树脂的抗拉伸剪切强度≥25MPa、面内抗剪强度要求为≥55MPa。测试结果表明在不同固化度下，聚氨酯和环氧树脂的结合性能差异不明显，均可以满足叶片结构设计值，拉伸剪切测试和层间剪切测试的界面均为玻璃钢层破坏，树脂材质无明显指向性，破坏形式为可接受的剪切失效模式。在叶片生产过程中，不同固化时间的聚氨酯玻璃钢结构在与环氧树脂固化成型后，不会对叶片结构的剪切性能产生影响。