一款反应型热塑性树脂真空辅助灌注特性的研究

2021-10-28 13:15毛建晖姬凌云李军向
玻璃纤维 2021年5期
关键词:合板层数织物

毛建晖,姬凌云,李军向

(明阳智慧能源集团股份公司,中山 528437)

0 前言

风电叶片的制造普遍采用真空灌注成型工艺。它利用抽真空产生的负压使树脂通过预铺的管路注入纤维层中,让树脂浸润增强材料,最后充满整个模具,待树脂固化后移去辅材得到所需制品。真空灌注成型工艺具有操作简单、设备投资少、生产成本低、产品孔隙率低等优点,特别适合大型和复杂结构制品的制备。

目前各叶片制造商普遍使用的灌注树脂为低粘度、双组份环氧树脂。它是一种热固性树脂,固化成型后形成三维网状结构,存在固化周期长、需要额外加热、不可回收利用等问题。常见的热塑性树脂大部分需要在180~340 ℃的温度下加工,具有熔融粘度大、对玻璃纤维浸润性差等特点,不适用于叶片制造的真空灌注体系。而已开发的反应型热塑性树脂,如代尔夫特理工大学开发的阴离子聚酰胺(A-PA6)、Cyclics公司开发的环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)等虽具有极低的熔融粘度 (10~40 mPa·s),但却存在聚合温度高(>150 ℃)、对水分敏感及对聚合环境洁净度要求高等特点,限制其在大型结构制品中的应用[1-3]。

近来,Arkema公司开发了一款反应型热塑性树脂(Elium系列),三组份体系,以过氧化物为引发剂,通过自由基聚合生成大分子量的线性高聚物。它可以常温固化,具有低粘度、可操作时间较长、可回收利用、可焊接性等特点,有望应用于风电叶片的设计与制造中[4-6]。本文研究了Elium系列反应型热塑性树脂的真空灌注特性,主要通过不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数、玻璃化转变温度、固化特点、进胶量等指标进行评价。

1 实验部分

1.1 原料

Arkema反应型热塑性树脂Elium 系列,阿科玛(常熟)化学有限公司;

引发剂MCP-75,美国硕津(SYRGIS);

玻纤织物UD-1250 g/㎡(高模),CPIC;

脱模剂,NanokoteA-8,东莞耐诺新材料技术有限公司。

另有导流网、脱模布、密封胶带及VAP透气膜等辅材。

1.2 仪器设备

双组份脱泡机,DH200,无锡登红风电科技有限公司;

DSC差示扫描量热仪,DSC3500,德国耐驰;

电子天平, JJ124BC,常熟市双杰测试仪器厂;

温度记录仪,TCP-16XL,杭州慧谱仪器有限公司;

马弗炉,SX2-8-13NP,上海一恒科学仪器有限公司;

红外测温枪,GM320,深圳市聚茂源科技有限公司;

真空泵、真空计、卷尺、电动切割机等。

1.3 热塑性复合材料层合板的制备

采用真空灌注工艺制备热塑性复合材料层合板,具体步骤:在模具表面打脱模剂NanokoteA-8→铺放导流网及脱模布→铺设玻纤织物(按每10层为一错层,共7个错层)→铺放VAP透气膜、导流网等辅材→打袋插管→抽真空及灌注→固化(常温4 h)→脱模,最终截面示意图如图1所示,脱模后层合板如图2所示。

1.4 实验过程

1.4.1 纤维体积分数测试

在不同玻纤织物层数(10~80层)的层合板处分别取样,按照标准ISO 1172-1996《纺织玻璃纤维增强塑料、预浸料、模塑料和层压塑料 纺织玻璃纤维和矿物质填料含量的测定 煅烧法》测试其纤维体积分数。

1.4.2 Tg测试

在不同玻纤织物层数(10~80层)的层合板处分别取样,按照标准ISO 11357-2-2013《塑料差示扫描量热法(DSC)第2部分:玻璃传导温度的测定》测试其Tg。

1.4.3 放热温度

铺设玻纤织物时分别在10层、30层、50层、70层中心位置处布置4个热电偶,实时测量热塑性树脂固化过程中的放热温度。

1.4.4 进胶量

将混合好的热塑性树脂置于电子秤上,按要求的时间间隔实时记录进胶量。

1.4.5 厚度

用游标卡尺测量不同层数层合板的实际厚度。通过2.4.1测得不同层数层合板的纤维体积分数、玻纤织物规格参数、玻璃纤维密度已知条件,按公式(1)计算得到理论厚度。

式中:

h——层合板理论厚度,mm;

FVF——纤维体积分数,%。

2 结果与讨论

2.1 层合板纤维体积分数

由表1可知,不同玻纤织物层数FRP的纤维体积分数最小值为61.61%,最大值63.08%,离散系数0.84%。这表明不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数波动较小,Elium树脂对玻纤织物有较好的浸润能力以及真空辅助灌注的匹配性。

表1 不同玻纤织物层数的层合板纤维体积分数

2.2 层合板玻璃化转变温度

由表2可知,不同玻纤织物层数FRP的玻璃化转变温度最低为88.3 ℃,最高为98.0 ℃,离散系数3.5%,两次对10层和80层玻纤织物FRP升温扫描过程均出现了明显的Tg,且无其他放热峰出现,这表明树脂已经完全反应。

表2 不同玻纤织物层数的层合板玻璃化转变温度

2.3 放热温度

由图3可知:0~120 min内,各层放热温度缓慢上升;120~165 min内,各层依次达到放热峰温度,随后温度开始下降;不同层数放热峰温度差别不大(PT1 105 ℃ PT2 108.5 ℃ PT4 109.9 ℃),这表明热塑性树脂反应呈先慢后快的特点,这与自由基聚合慢引发、快增长、速终止的特点吻合。

图3 放热温度与固化时间的关系图

2.4 进胶量

由图4可知,整个灌注过程持续40 min,前25%灌注时间占67%的总进胶量,前50%灌注时间占88%的总进胶量。这表明进胶速度呈先快后慢的特点,这是由于树脂粘度、浸润系数一定时,压力差越小、离注胶口越远所需灌注时间越长,符合达西定律,如公式(2)所示。

图4 进胶量与灌注时间的关系图

式中:

t——灌注时间,s;

l——注射长度,m;

η——为树脂粘度,cps;

ΔP——压力差,Pa;

K——渗透系数。

2.5 厚度

由图5可知,FRP实际厚度随玻纤层数的增加而近乎线性增加(相关系数0.999),且实际厚度均与理论厚度差异较小。这表明热塑性树脂对玻纤的浸润能力好,能实现较好的灌注效果。

图5 不同玻纤织物层数FRP的实际厚度与理论厚度

3 结论

(1)不同玻纤织物层数FRP的纤维体积分数差异小,且FRP实际厚度随玻纤层数的增加而近乎线性增加,实际厚度与理论厚度差异小,这均表明Elium树脂对玻纤织物有着较好的浸润性能。

(2)不同玻纤织物层数FRP均有明显Tg,且无其他放热峰,这表明树脂已完全固化。

(3)放热温度的变化趋势:先缓慢上升,然后迅速上升,最后下降,表明热塑性树脂反应呈先慢后快的特点。

(4)进胶量呈现先快后慢的特点,符合达西定律。

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