玻璃钢切割微粉回收利用的可行性研究

刘召军，章 靓，李雪健，杨 降，王运明

（振石集团华智研究院（浙江）有限公司，桐乡 314500）

0 前言

随着双碳目标的确定，清洁能源风电又迎来了快速发展的机遇。当前由于陆上优质风资源有限以及海上风电的兴起，风机叶片朝着百米级大型化趋势快速发展［1］。如此大的叶片对材料刚度和主机载荷提出了更高的要求。如何保证叶片增长不增重、发电提效和制造降本是叶片开发者们研究的重点。

传统的玻璃纤维经编织物由于材料刚度极限限制，难以满足大叶片的设计需求。玻璃纤维增强的拉挤板因为纤维含量高、纤维取向性好，所以纤维模量转化率高，使用同种类型的纤维生产的拉挤板和玻璃纤维单向织物增强的层压板比，模量可以提升约25%~30%，这为大型叶片的设计开发和叶片降本减重提供了很大空间，目前国内很多陆上和海上风机叶片主梁都采用拉挤板设计制造［2-3］。

拉挤板生产过程中，常规的质量检测均需要进行拉挤板的切割，为此会产生切割微粉废料和废板，随着拉挤板市场需求量的逐年增加，这种废料和废板也会呈指数级增长。行业内目前对这部分固废主要采用填埋的处理方式，随着时间的积累对生态环境会造成极大伤害［4-5］。因此，研究玻璃钢切割微粉的回收再利用，特别是在拉挤板制造过程中自身固废的消化吸收，对生产企业的经济效益、节能环保及碳中和均具有重要意义。

1 实验部分

1.1 实验原料

氢氧化铝为中铝山东有限公司提供的H-WF-10牌号，切割微粉为振石集团华美新材料E8玻纤拉挤板在线切割产生的粉料。

1.2 实验仪器

粉料粒径检测设备：Mastersizer 2000 Ver.6.00

粉料微观表征设备：Zeiss EVO15

1.3 实验方法

通过对常规填充粉料粒径和切割微粉粒径的分布测量分析，对比切割微粉的粒径均匀性和颗粒大小，以判断是否符合拉挤工艺。同时，通过对两种粉料的微观表面形貌进行扫描电镜观测，以分析二者的外观形貌和比表面积的差异，为后续分析是否对板材性能产生影响提供理论依据。

1.4 实验过程和分析

1.4.1 填料的粒径分布

1.4.1.1 氢氧化铝

拉挤工艺中常用的填料为氢氧化铝，采用的对比填料为中铝山东有限公司提供的H-WF-10牌号氢氧化铝。样品为白色粉末固体，粒径分布主要在10μm以内，如图1所示。

图1 氢氧化铝填料粒径分布图

1.4.1.2 切割微粉

玻璃纤维拉挤板在生产过程中，落卷或质量抽检时均需要进行在线切割，切割过程中产生的细微粉通过吸风装置进行清理与收集。微粉中混有树脂和碎纤维，粒径分析结果显示其粒径分布较广（1-400μm），如图2所示，但多数集中在10μm左右。

图2 切割微粉填料的粒径分布图

1.4.2 填料的微观表征

为表征两种不同类型填料的微观状态，我们采用扫描电镜观察了两种粒子的微观特征，如下图3所示。从图上可以看出氢氧化铝粉料粒子多数呈球状，粒径大小不一，与上文的粒径分析结果基本一致。切割微粉料粒呈不规则形状，个别未碎纤维呈棒状，且粒径较小，两种粉料的微观形态差异较大。

图3 不同填料SEM扫描图谱

2 填料的影响

2.1 填料对环氧树脂粘度的影响

树脂粘度对拉挤工艺的影响很大，主要是影响纱线的浸润效果和拉挤速度，一般粘度越大纱线浸胶速度越慢，浸胶效果越差，最终形成的玻璃钢板材性能越差［6-7］。通过将氢氧化铝和切割微粉填料分别加入众博 ER6136X/EH6136X和欧林550E/555H 环氧树脂体系（添加比例树脂∶固化剂∶填料=100∶105∶2），来观察搅拌均匀后树脂粘度变化情况。如下表1所示，填料加入后树脂粘度均会增加，且切割微粉增加的幅度大于氢氧化铝。

表1 不同填料对树脂粘度的影响

2.2 填料对玻璃纤维板外观的影响

采用众博 ER6136X/EH6136X 和巨石E8DR17-2400-390 玻璃纤维进行试样，通过加入氢氧化铝和切割微粉不同填料，制备出不同的拉挤板样品，如下图4所示。从外观上看两种板材均呈黄色，这是树脂本体色，二者无明显色差。

图4 不同填料生产的拉挤板

2.3 填料对玻璃纤维板内部微观结构的影响

将上述制备好的拉挤板样品，通过截面切割制样，进行电子显微镜扫描观察其内部结构，如下图5、图6所示。两种样板中树脂和纤维均紧密结合，氢氧化铝填料板的树脂均一性较好，但存在少量空隙。切割微粉板的树脂中明显观察到有均匀分布白色点状物，其为碎纤维颗粒，对树脂基体有一定增强作用，未发现有明显空隙［8-9］。从图上可以看出白色圆饼状物体为玻璃纤维，由于表面切割影响，部分纤维有不同程度损伤。

图5 氢氧化铝填料拉挤板内部结构SEM扫描图

图6 切割微粉板填料拉挤板内部结构SEM扫描图

2.4 填料对板材力学性能的影响

采用万能材料试验机对上述两种玻璃纤维拉挤板进行静态力学性能测试评估，测试结果如下图7、图8所示。通过对比分析，二者材料刚度和强度性能基本一致，切割微粉拉挤板个别强度性能略高于氢氧化铝拉挤板，这可能跟微粉中的玻璃纤维碎对树脂形成了一定增强作用的原因。

图7 不同填料玻璃纤维拉挤板刚度

图8 不同填料玻璃纤维拉挤板强度

此外，为验证切割微粉是否具备通用性，我们将玻璃钢切割微粉和氢氧化铝分别作为不同的填料加入到聚氨酯树脂体系（科思创 PUL-2500）中与碳纤维（浙江精功 JG4524-25K）结合制备出碳纤维拉挤板（填料加入量为树脂总重的8%），并对两种碳纤维拉挤板进行了力学性能测试评估，结果如下图9、图10所示。对比结果显示两种碳纤维拉挤板的刚度基本一致，强度方面切割微粉略优于氢氧化铝。

图9 不同填料碳纤维拉挤板刚度

图10 不同填料碳纤维拉挤板强度

3 总结

通过本文分析，玻璃纤维拉挤板制造过程中产生的切割微粉可以跟拉挤工艺中常用的氢氧化铝粉料一样作为填料，填充纤维间隙和树脂收缩产生的间隙，以减少板材内空隙，板面凹坑，防止富树脂和出粉等质量异常［10］。切割微粉作为填料制成的拉挤板其外观、微观结构和材料的力学性能与氢氧化铝填料板均无明显差异。此外，切割微粉填料不仅可以兼容环氧和聚氨酯不同的树脂体系，还可以用于玻璃纤维和碳纤维不同类型拉挤板，通用性好，这对其推广使用具有重要意义。基于此，我们探索出了一条拉挤板生产过程中的绿色循环工艺路线，变废为宝，为拉挤工艺走向碳中和奠定了坚实基础。