固化程度对玻纤层合板与 涂层界面性能的影响

石志琪，林 明，杨孝庆

（洛阳双瑞风电叶片有限公司，洛阳 471039）

0 前言

面对石化能源日益枯竭、气候变化、环境污染等问题的挑战，大规模利用可再生能源已成为国际社会的普遍共识［1］。风力发电作为一种绿色可再生能源，有利于减少温室气体排放、保障能源安全［2］，在我国及世界范围内得到迅速发展。

风力发电叶片作为风电机组的关键部件之一，其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷，在很大程度上决定了机组的整体性能和风电开发利用的经济性。

风电叶片通常在恶劣环境中运行，雨水腐蚀、紫外线、风沙、盐雾等不断侵蚀玻璃钢叶片［3］，为了保护叶片长久运行的安全性，需要在叶片表面涂覆涂层［4］。涂层对叶片具有防护性能，除了涂层本身性能优异外，还需要涂层与玻璃钢基材具有良好的附着力［5］。

目前叶片生产工艺，通常为2个半片粘结合模制备，在合模缝外部区域，需进行手糊玻纤布进行加强，在手糊玻纤布工序结束，叶片开始进行修型涂层工序［6］。叶片通常是连续生产，近10年来，风电产业的迅猛发展，对叶片生产效率要求不断提高，手糊玻纤织物后，受车间条件限制，通常在无人为热源条件下固化，常温条件下，手糊树脂固化通常需要1～2 h，气温降低，固化时间相应延长，手糊层合板常温固化后，其固化程度较低，其Tg通常较低，因为存在固化程度对界面结合性能影响的担忧［7］，实际生产工通常需要消耗大量的物力和大量时间对手糊制品进行加热处理，提高固化程度即Tg值，再进行后续涂层施工［8］。本文考察手糊制品固化程度对界面结合性能影响，确保在保证质量的前提下，提高生产效率，对指导生产有重要意义。

1 实验部分

1.1 原料

为模拟真实使用工况，本实验所用原料与风力发电叶片生产常用原料保持一致。

玻璃纤维织物，E-glass BX810，欧文斯科宁复合材料有限公司；

手糊树脂主剂，环氧树脂 235#，瀚森化工企业管理（上海）有限公司；

手糊树脂固化剂，胺类固化剂 234#，瀚森化工企业管理（上海）有限公司；

手糊树脂固化剂，胺类固化剂 239#，瀚森化工企业管理（上海）有限公司；

修型腻子，聚氨酯 100#，麦加芯彩新材料科技（上海）股份有限公司。

1.2 仪器设备

本实验所用检测设备均经第三方计量认证校准合格，主要仪器设备：

鼓风干燥箱：DHG-9030A，上海一恒科学仪器有限公司；

DSC：404F1，NETZSCH；

邵氏硬度计：HS-D，上海高致精密仪器有限公司；

拉拔力测试仪：PosiTest AT-M，Defelsko。

1.3 实验过程

在环境温度为15～25 ℃，相对湿度RH≤75%条件下［9］，依据厂家推荐的手糊树脂配比，快速固化剂：慢速固化剂质量配比4∶3进行调配，手糊4块玻璃纤维织物样布，室温放置120 h，将样板分别放置在55 ℃、60 ℃、75 ℃环境中数小时进行后固化［10］，提高玻璃钢Tg值，模拟叶片实际生产中不同的工艺条件，样板冷却后，样板表面刮涂修型腻子，常温放置7 d，通过附着力考察Tg对玻璃钢/涂层界面附着力的影响［11］。

2 结果与讨论

2.1 不同温度加热处理样品Tg测试

通过考察不同热处理温度玻璃钢的Tg值，用于表征制品的固化程度，测试结果见图1。

从图1可以看出，常温固化处理的试样Tg为40.6 ℃，加热温度为55 ℃、60 ℃和75 ℃热处理试样，测定的Tg分别为54.5 ℃、59.9 ℃、70.4 ℃；常温固化处理方式代表生产现场未加热固化的试样状态，不同温度加热方式模拟生产现场不同的加热状态，加热温度提高，试样的Tg随之升高，Tg从59.9 ℃到70.4 ℃过程中，热处理温度提高较大，且加热处理时间相应延长，但Tg值增加变缓，表明此Tg接近最终Tg值。

图1 不同温度处理样品Tg测试

2.2 不同温度处理试样的邵氏硬度测定

对于手糊玻璃钢样板，采用不同加热方式处理，通过测定邵氏硬度用于表征样板基材的固化度，为实际叶片生产提供快速便捷的质量评价标准，测定结果见表1。

表1 不同温度处理试样的硬度测定

通过测定，不同加热方式处理的试样的邵氏硬度值接近，对于确定的高分子材料，硬度值的影响因素主要是分子交联程度和分子主链中柔性基团的影响，从测试结果看出，常温固化处理的试样，对应的硬度值已经较高，其内部分子交联程度较高。同时可以看出，不同温度处理的试样的邵氏硬度均小于90HD以下，通常认为该材料材质仍然偏软，且试样的厚度仅为2～3 mm，为了避免因基板原因对后续附着力测试产生影响，需要将试样粘附在较厚的复合材料上，硬度应不低于试样。本次试验中，将上述试样粘附在厚度超过15 mm的夹芯复合材料表面。

2.3 Tg值对玻璃钢/涂层界面结合力影响

附着力测试依据GB/T 5210-2006《色漆和清漆拉开法附着力实验》［9］的规定，采用直径20 mm的铝锭，采用美国Defelsko生产的PosiTest AT-M型号拉拔仪进行附着力测定，本次测定对铝锭周围涂层进行旋切，破坏状态见图2，测试结果见表2。

表2 不同热处理方式的样板附着力测试结果

图2 不同固化程度测试附着力

通过附着力测试，结果如下：常温固化处理的附着力平均值为6.27 MPa，55 ℃鼓风加热1 h的附着力平均值为6.48 MPa，60 ℃鼓风加热1 h的试样附着力平均值为6.42 MPa，75 ℃鼓风加热2 h的试样附着力平均值为6.68 MPa，从破坏模式看，100%均为腻子 内聚破坏，对比分析可以看出，随着试样热处理温度提高，附着力增加，但是增加很缓慢，即手糊树脂Tg对玻璃钢/聚氨酯修型腻子界面附着力无显著影响。对于正常修型腻子涂层，附着力一般大于5 MPa即可满足叶片实际运行，因此从测试结果看出，手糊树脂常温固化后，直接施工修型腻子不会对界面性能产生影响，同样不会对后续涂层作业产生影响。

3 结论

（1）手糊玻纤层合板的硬度随着手糊树脂交联固化程度（Tg表征）提高而缓慢提高，但增加缓慢，表明手糊层合板的邵氏硬度与手糊树脂交联程度非敏感关联。

（2）手糊树脂交联固化程度对玻璃钢板/修型腻子界面结合性能无显著影响。测试结果表明：Tg为40.6 ℃、54.5 ℃、59.9 ℃、70.4 ℃对玻璃钢/涂层界面结合性能差异较小，且都能满足技术 要求。

（3）叶片实际生产现场，从玻璃钢/涂层附着力角度考虑，手糊树脂固化后，即可刮涂腻子，其界面结合性能良好，不会因Tg偏低存在腻子与手糊玻璃钢板之间界面结合弱的风险，手糊玻纤层合板的Tg值可以在腻子及后续的相关工序全部完成后再进一步的增加，最终达到最小许可范围，进而可以避免手糊布Tg值过低而不能进行后续作业工序的问题，从而提高叶片生产效率。