中國(guó)在哥本哈根提出2020年單位GDP的二氧化碳比2005年下降40%到45%，風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)成熟且成本最低的新型能源在這幾年得到快速發(fā)展。環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能，所以成為風(fēng)電葉片首選的基體材料。大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電葉片生產(chǎn)主要采用真空灌注工藝進(jìn)行，此種工藝要求灌注樹(shù)脂具有較低的黏度，能夠滿足在真空負(fù)壓下較快地浸潤(rùn)纖維體后固化成型。隨著風(fēng)電葉片朝著更大功率的方向發(fā)展，葉片也越來(lái)越長(zhǎng)，這就使得葉片根部為滿足葉片質(zhì)量的要求而變得越來(lái)越厚。通常1.5 MW的葉片根部厚度能夠達(dá)到90 mm，如圖1，大量的樹(shù)脂在浸潤(rùn)葉片根部后由于固化放熱過(guò)于集中且玻璃纖維灌注體散熱較差，導(dǎo)致葉根部位固化時(shí)的溫度往往高于葉片其他部位，通過(guò)控制固化程序葉根部環(huán)氧樹(shù)脂固化時(shí)其最大的固化溫度一般在70～110℃。環(huán)氧樹(shù)脂的固化溫度決定了產(chǎn)品最終性能，不同的固化方式對(duì)玻璃鋼力學(xué)性能會(huì)帶來(lái)較大影響，葉片根部作為葉片與風(fēng)電整機(jī)的鏈接部位要求具有良好的力學(xué)性能，葉片由于自重和風(fēng)載作用受到的彎矩非常大。本文討論固化溫度對(duì)低黏度環(huán)氧樹(shù)脂帶來(lái)的影響，通過(guò)控制固化溫度對(duì)3種溫度條件下固化的樣件進(jìn)行測(cè)試研究其變化規(guī)律，分析葉片灌注用低黏度樹(shù)脂在70～110℃固化溫度范圍內(nèi)對(duì)葉片根部可能帶來(lái)的影響。
           
    1·實(shí)驗(yàn)部分
    1.1材料與儀器
    陶氏760E低黏度環(huán)氧樹(shù)脂和766H固化劑，配方質(zhì)量比為100:32。
    氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀:7890A-5975C，美國(guó)安捷倫公司;傅里葉紅外光譜儀:NICOLET IS/10，賽默飛世爾;萬(wàn)能拉力機(jī):CMT5105，美特斯。
    1.2實(shí)驗(yàn)方法
    1.2.1氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析
    色譜條件:進(jìn)樣口溫度250℃;程序升溫過(guò)程:柱初溫50℃保持1 min，以10℃/min升至280℃，保持20 min;載氣:高純氦氣;載氣流速:1.0 mL/min;分流進(jìn)樣，分流比50:1;進(jìn)樣量1μL。
    質(zhì)譜條件:GC-MS接口溫度280℃;離子源溫度:230℃，電離方式:EI;四級(jí)桿溫度:150℃;全掃描模式，質(zhì)量數(shù)范圍:1.6～1 050 amu;溶劑延遲3 min;NIST05質(zhì)譜庫(kù)，用于質(zhì)譜譜圖檢索。
    1.2.2固化樣件紅外光譜測(cè)試
    使用溴化鉀作為樣品稀釋劑，將固化好的樣件研磨后進(jìn)行壓片，按要求對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，利用計(jì)算機(jī)自帶的軟件將測(cè)試得到的透射光譜轉(zhuǎn)變?yōu)槲展庾V，對(duì)三種條件下紅外光譜的吸光度進(jìn)行比較分析。
    1.2.3樹(shù)脂澆鑄體制備及性能測(cè)試
    將環(huán)氧樹(shù)脂和組裝好的模具在烘箱中40℃放置1 h，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑按比例配好，攪拌均勻后放入真空脫泡箱內(nèi)，當(dāng)真空度達(dá)到－0.1 MPa后脫泡15min，待脫泡完畢后緩慢放氣，將膠液引流注入澆鑄體模具中，然后再將澆鑄體模具放入真空脫泡箱脫泡15 min，將脫泡后的澆鑄體放入烘箱中按設(shè)定的加熱程序進(jìn)行加熱固化。制備好的試樣在萬(wàn)能拉力機(jī)上按國(guó)標(biāo)GB/T 2567—2008測(cè)試其拉伸、彎曲和壓縮性能，沖擊性能在擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照國(guó)標(biāo)GB/T2571—1995進(jìn)行測(cè)試。
    玻璃鋼樣件采用真空灌注工藝制作，將單軸纖維布(1 200 g/m2)鋪設(shè)在模具表面，然后在表面鋪設(shè)脫模布和導(dǎo)流網(wǎng)，對(duì)纖維體系封真空，借助真空負(fù)壓將低黏度膠液導(dǎo)流纖維體內(nèi)，按設(shè)定好的溫度對(duì)纖維體進(jìn)行固化。玻璃鋼板測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005進(jìn)行測(cè)試。
    2·結(jié)果與討論
    2.1氣相色譜－質(zhì)譜分析
    氣相色譜將樣品各組分進(jìn)行分離，分離后的各組分依次進(jìn)入質(zhì)譜儀電離，分別得到樹(shù)脂和固化劑的質(zhì)譜圖見(jiàn)圖2、圖3。
           
    得到各組分的質(zhì)譜圖，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行對(duì)比得到測(cè)試樣品中的組分，見(jiàn)表1。

    從表1可以看出，此環(huán)氧樹(shù)脂主體成分為1，4–丁二醇二縮水甘油醚和雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂，雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂黏度比較大，在復(fù)配時(shí)加入1，4–丁二醇二縮水甘油醚能夠改善樹(shù)脂黏度。氣質(zhì)聯(lián)用對(duì)固化劑成分分析準(zhǔn)確度稍差，不能完全分析出成分，但根據(jù)匹配度觀察其成分中含有異氟爾酮二胺、N–異丙基甲胺這類多元胺固化劑，此類固化劑屬于室溫固化劑，是較強(qiáng)的親核試劑，在室溫下就能夠打開(kāi)環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基。
    2.2紅外光譜分析
    利用紅外光譜定量分析，根據(jù)朗伯–比爾定律，當(dāng)一束光通過(guò)樣品時(shí)任意波長(zhǎng)的吸光度與樣品各組分的濃度成正比，也與樣品厚度成正比［11］。用測(cè)得紅外光譜的吸光度可以定量分析不同固化條件下樣品中基團(tuán)的變化，如圖4。
               
    圖4為不同固化條件下樣品紅外吸光度圖譜，通過(guò)分析在經(jīng)過(guò)不同固化溫度固化后圖譜中4種基團(tuán)吸收峰出現(xiàn)變化，如圖5。
           
    圖5顯示的是4個(gè)基團(tuán)吸收峰在不同固化溫度下的變化。環(huán)氧基上的氧原子有較多負(fù)電荷，末端碳原子則帶有等量的正電荷，叔胺具有使環(huán)氧開(kāi)環(huán)的能力進(jìn)行陰離子加成聚合反應(yīng)，生成聚合物的大分子間通過(guò)醚鍵交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，最后生成三向交聯(lián)的大分子。
            
    通過(guò)紅外光譜測(cè)得波數(shù)1 180 cm－1為叔胺基吸收峰，隨溫度升高其含量不斷下降，同時(shí)對(duì)應(yīng)的波數(shù)1 104 cm－1的醚鍵吸收峰觀察，隨溫度升高醚鍵含量也呈下降趨勢(shì)?？梢酝茢嘤捎谳^高的反應(yīng)溫度使得叔胺基的含量降低，導(dǎo)致反應(yīng)體系內(nèi)環(huán)氧基開(kāi)環(huán)能力降低，醚鍵含量下降，從而在一定程度上影響了整個(gè)體系的高分子交聯(lián)度。波數(shù)1 743 cm－1為羰基吸收峰紅外吸光度顯示，隨溫度升高固化物中羰基含量增加，環(huán)氧基和胺基固化反應(yīng)中只會(huì)產(chǎn)生羥基和醚鍵，羰基產(chǎn)生會(huì)消耗氧負(fù)離子降低反應(yīng)物中活性基團(tuán)含量從而影響整個(gè)體系交聯(lián)度。波數(shù)2 926 cm－1為亞甲基紅外吸收峰，譜圖顯示70℃固化物中亞甲基含量相對(duì)較低，而在高于70℃固化時(shí)固化物中亞甲基含量增加，經(jīng)分析在較高溫度固化時(shí)固化劑中異氟爾酮二胺會(huì)開(kāi)環(huán)使得亞甲基含量增加。異氟爾酮二胺的主要作用是提高反應(yīng)體系的交聯(lián)度，開(kāi)環(huán)后其反應(yīng)活性會(huì)降低，在較高的溫度下直接固化會(huì)造成固化物中高分子的交聯(lián)度下降。   
    2.3力學(xué)性能分析
    對(duì)環(huán)氧澆鑄體和玻璃鋼進(jìn)行靜力學(xué)性能測(cè)試，分析此固化體系在3種固化溫度下固化物力學(xué)性能的變化趨勢(shì)以及樹(shù)脂固化物對(duì)玻璃鋼性能的影響，如表2。
            
    力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，表2中每組數(shù)據(jù)是測(cè)得10個(gè)有效數(shù)據(jù)的平均值。從測(cè)試的數(shù)據(jù)顯示，固化溫度從70℃、90℃到110℃分三個(gè)階段升高，樹(shù)脂澆鑄體的強(qiáng)度和模量均出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，這種下降的趨勢(shì)也體現(xiàn)在樹(shù)脂與玻璃纖維復(fù)合的玻璃鋼樣件中。這說(shuō)明樹(shù)脂性能下降會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能的降低，這與紅外光譜分析在70℃到110℃固化中隨固化溫度升高固化物交聯(lián)度呈下降趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。從70℃到110℃測(cè)得的樹(shù)脂澆注體和玻璃鋼層合板的最大載荷伸長(zhǎng)率均隨溫度升高而呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，觀察樹(shù)脂澆注體的沖擊強(qiáng)度則是隨著溫度升高而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過(guò)紅外光譜分析溫度升高會(huì)造成醚鍵含量下降，這樣會(huì)影響固化物的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致從70℃到110℃固化溫度升高固化物交聯(lián)度呈下降的趨勢(shì)。在受到外界緩慢的作用力時(shí)交聯(lián)度相對(duì)較低，高分子在局部出現(xiàn)了分子鏈之間的相對(duì)滑移，所以測(cè)得最大載荷伸長(zhǎng)率隨固化溫度升高而增加，相反在受到瞬時(shí)作用力時(shí)交聯(lián)度下降會(huì)造成耐沖擊性能的下降。
    3·結(jié)論
    1)本體系以多元胺為固化劑的環(huán)氧固化體系，固化溫度從70℃到110℃的固化過(guò)程中固化物醚鍵含量呈降低趨勢(shì)，同時(shí)羰基和亞甲基含量呈增加趨勢(shì)，這種變化使得在固化溫度升高后環(huán)氧固化物有交聯(lián)度降低的趨勢(shì)。
    2)力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果說(shuō)明本固化體系在70℃、90℃到110℃三個(gè)階段隨固化溫度升高環(huán)氧固化物的力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)在環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維復(fù)合的玻璃鋼樣件中也表現(xiàn)了這種趨勢(shì)。為保證葉片根部能夠獲得較好的力學(xué)性能應(yīng)在固化工藝的調(diào)整上盡量避免較高的放熱峰出現(xiàn)。