中國在哥本哈根提出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。大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電葉片生產(chǎn)主要采用真空灌注工藝進行，此種工藝要求灌注樹脂具有較低的黏度，能夠滿足在真空負壓下較快地浸潤纖維體后固化成型。隨著風(fēng)電葉片朝著更大功率的方向發(fā)展，葉片也越來越長，這就使得葉片根部為滿足葉片質(zhì)量的要求而變得越來越厚。通常1.5 MW的葉片根部厚度能夠達到90 mm，如圖1，大量的樹脂在浸潤葉片根部后由于固化放熱過于集中且玻璃纖維灌注體散熱較差，導(dǎo)致葉根部位固化時的溫度往往高于葉片其他部位，通過控制固化程序葉根部環(huán)氧樹脂固化時其最大的固化溫度一般在70～110℃。環(huán)氧樹脂的固化溫度決定了產(chǎn)品最終性能，不同的固化方式對玻璃鋼力學(xué)性能會帶來較大影響，葉片根部作為葉片與風(fēng)電整機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低黏度環(huán)氧樹脂帶來的影響，通過控制固化溫度對3種溫度條件下固化的樣件進行測試研究其變化規(guī)律，分析葉片灌注用低黏度樹脂在70～110℃固化溫度范圍內(nèi)對葉片根部可能帶來的影響。
           
    1·實驗部分
    1.1材料與儀器
    陶氏760E低黏度環(huán)氧樹脂和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，美國安捷倫公司;傅里葉紅外光譜儀:NICOLET IS/10，賽默飛世爾;萬能拉力機:CMT5105，美特斯。
    1.2實驗方法
    1.2.1氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析
    色譜條件:進樣口溫度250℃;程序升溫過程: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;分流進樣，分流比50:1;進樣量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，用于質(zhì)譜譜圖檢索。
    1.2.2固化樣件紅外光譜測試
    使用溴化鉀作為樣品稀釋劑，將固化好的樣件研磨后進行壓片，按要求對樣品進行紅外光譜測試，利用計算機自帶的軟件將測試得到的透射光譜轉(zhuǎn)變?yōu)槲展庾V，對三種條件下紅外光譜的吸光度進行比較分析。
    1.2.3樹脂澆鑄體制備及性能測試
    將環(huán)氧樹脂和組裝好的模具在烘箱中40℃放置1 h，環(huán)氧樹脂和固化劑按比例配好，攪拌均勻后放入真空脫泡箱內(nèi)，當真空度達到－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)定的加熱程序進行加熱固化。制備好的試樣在萬能拉力機上按國標GB/T 2567—2008測試其拉伸、彎曲和壓縮性能，沖擊性能在擺錘沖擊實驗機上按照國標GB/T2571—1995進行測試。
    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)，對纖維體系封真空，借助真空負壓將低黏度膠液導(dǎo)流纖維體內(nèi)，按設(shè)定好的溫度對纖維體進行固化。玻璃鋼板測試按照標準GB/T 1447—2005進行測試。
    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行分離，分離后的各組分依次進入質(zhì)譜儀電離，分別得到樹脂和固化劑的質(zhì)譜圖見圖2、圖3。
           
    得到各組分的質(zhì)譜圖，通過與標準譜庫進行對比得到測試樣品中的組分，見表1。

    從表1可以看出，此環(huán)氧樹脂主體成分為1，4–丁二醇二縮水甘油醚和雙酚A環(huán)氧樹脂，雙酚A環(huán)氧樹脂黏度比較大，在復(fù)配時加入1，4–丁二醇二縮水甘油醚能夠改善樹脂黏度。氣質(zhì)聯(lián)用對固化劑成分分析準確度稍差，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，是較強的親核試劑，在室溫下就能夠打開環(huán)氧樹脂的環(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，當一束光通過樣品時任意波長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，通過分析在經(jīng)過不同固化溫度固化后圖譜中4種基團吸收峰出現(xiàn)變化，如圖5。
           
    圖5顯示的是4個基團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)氧開環(huán)的能力進行陰離子加成聚合反應(yīng)，生成聚合物的大分子間通過醚鍵交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，最后生成三向交聯(lián)的大分子。
            
    通過紅外光譜測得波數(shù)1 180 cm－1為叔胺基吸收峰，隨溫度升高其含量不斷下降，同時對應(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。可以推斷由于較高的反應(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)中只會產(chǎn)生羥基和醚鍵，羰基產(chǎn)生會消耗氧負離子降低反應(yīng)物中活性基團含量從而影響整個體系交聯(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較低，而在高于70℃固化時固化物中亞甲基含量增加，經(jīng)分析在較高溫度固化時固化劑中異氟爾酮二胺會開環(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，開環(huán)后其反應(yīng)活性會降低，在較高的溫度下直接固化會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
    對環(huán)氧澆鑄體和玻璃鋼進行靜力學(xué)性能測試，分析此固化體系在3種固化溫度下固化物力學(xué)性能的變化趨勢以及樹脂固化物對玻璃鋼性能的影響，如表2。
            
    力學(xué)性能測試結(jié)果見表2，表2中每組數(shù)據(jù)是測得10個有效數(shù)據(jù)的平均值。從測試的數(shù)據(jù)顯示，固化溫度從70℃、90℃到110℃分三個階段升高，樹脂澆鑄體的強度和模量均出現(xiàn)明顯下降的趨勢，這種下降的趨勢也體現(xiàn)在樹脂與玻璃纖維復(fù)合的玻璃鋼樣件中。這說明樹脂性能下降會導(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)度呈下降趨勢相對應(yīng)。從70℃到110℃測得的樹脂澆注體和玻璃鋼層合板的最大載荷伸長率均隨溫度升高而呈現(xiàn)升高趨勢，觀察樹脂澆注體的沖擊強度則是隨著溫度升高而呈現(xiàn)下降趨勢。通過紅外光譜分析溫度升高會造成醚鍵含量下降，這樣會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。在受到外界緩慢的作用力時交聯(lián)度相對較低，高分子在局部出現(xiàn)了分子鏈之間的相對滑移，所以測得最大載荷伸長率隨固化溫度升高而增加，相反在受到瞬時作用力時交聯(lián)度下降會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℃的固化過程中固化物醚鍵含量呈降低趨勢，同時羰基和亞甲基含量呈增加趨勢，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。
    2)力學(xué)性能測試的結(jié)果說明本固化體系在70℃、90℃到110℃三個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，同時在環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復(fù)合的玻璃鋼樣件中也表現(xiàn)了這種趨勢。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)。