熊高虎 周百能 符罗坪 彭 豪 王恩东 张 丽

(四川东树新材料有限公司 四川 德阳 618000)

自2005年拜耳公司开始研发风电叶片用聚氨酯树脂以来，聚氨酯在风电叶片领域的应用逐渐走向市场。2021年株洲时代新材料科技股份有限公司已经制备出全球最长的EN156型聚氨酯叶片，兼具成本和性能优势的聚氨酯树脂有望成为制造风机叶片的备选。聚氨酯风电叶片契合了全球风电叶片大型化、轻量化的发展趋势，也为我国2030实现碳达峰提供了重要支撑。聚氨酯基复合材料在不同领域的应用有大量的研究[1-8]，其中也包括用于风电叶片。贾智源等[7]研究了聚氨酯和环氧树脂在黏度特性、工艺窗口、力学性能上的差异，认为聚氨酯灌注效率高、综合表现优异，用于制作风电叶片潜力巨大。梁自禄等[8]对聚氨酯制备叶片过程中的除湿工艺条件进行了详细研究。

本研究采用自制双组分聚氨酯树脂制备了聚氨酯浇注试片，并与玻纤采用真空灌注方法制备了玻纤增强复合材料(FRP)，讨论了聚氨酯树脂混合流变性能及其浇注体和FRP的性能。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器设备

聚氨酯树脂 DQ3010A/DQ3010B、环氧树脂DQ200E/DQ204H，四川东树新材料有限公司；聚氨酯专用玻纤(E8-UD1250、E6-UD1200和 E7-UD650型)，浙江恒石纤维基业有限公司。

MV1012型放热峰无纸记录仪，日本横河电机(苏州)有限公司；ACIC-100kN型精密电子万能材料试验机，日本Shimadzu公司；8801-100kN疲劳试验机，英国Instron公司；YK-Y0196型热变形温度测试仪，东莞耀科仪器设备厂；真空烘箱，上海精宏试验仪器厂；MCR302型流变仪，奥地利安东帕公司。

1.2 纯聚氨酯及环氧树脂浇注试片的制备

聚氨酯浇注试片制备:将DQ3010A/DQ3010B按比例混合均匀，加入真空脱泡机内，-0.095 MPa真空脱泡10 min，倒入提前准备好的玻璃夹层中。室温放置24 h后，在70～80℃烘箱内后固化2～8 h，冷却至室温，取出浇注体制品切割后进行相关测试。

环氧树脂DQ200E/DQ204H浇注试片的制备方法与上述方法一致，80℃烘箱内后固化4 h。

1.3 聚氨酯FRP的制备

将裁剪好的玻纤逐层铺设，预设好抽气管和进胶管，铺好真空袋，用密封胶带将四周密封，开启负压，控制平台加热板温度为50℃，保持真空2 h，降温至30℃以下。按比例称量聚氨酯树脂的DQ3010A和DQ3010B两个组分，搅拌混合均匀，置于真空脱泡箱内，保持-0.09 MPa真空脱泡20 min。取出物料后，插入真空导料管，开始灌注，灌注结束后开启平台底板温度到50℃保持2 h，再在70℃下保持2 h，取出后按要求切割制样。

1.4 分析与测试

树脂浇注试片拉伸性能参照ISO527-2:2012测试；FRP力学性能参照ISO527-5:2009测试。

疲劳测试参照ISO13003:2003进行，其中R指的是应力(应变)比，即一个循环内力或应力的最小值同最大值的比率，R＝0.1表示的是拉拉疲劳，R＝-1代表拉压疲劳；m代表应力S与应力循环数N取对数后的斜率，m值越大，表明材料的抗疲劳性越好。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯树脂混合料黏度变化研究

图1为在不同温度条件下采用流变仪测试的双组分聚氨酯混合料的黏度变化曲线。

图1 不同温度下聚氨酯混合料黏度变化曲线

由图1可知，温度越高，聚氨酯混合料初始混合黏度越低，反应也越快。如以混合料黏度达到600 mPa·s作为标准，可以看出30℃下混合料凝胶时间可达120 min，此温度既可获得较低的灌注黏度又可保持较长的凝胶时间，是叶片灌注的最佳参考温度。

图2为聚氨酯树脂两组分混合1 min时黏度随环境温度的变化曲线。

图2 两组分混合1 min时黏度随温度的变化曲线

由图2可见，25℃时聚氨酯树脂混合料黏度约为70 mPa·s，即便是在10℃的低温下，聚氨酯树脂混合料依然保持较低的黏度，约为230 mPa·s，具备良好的灌注工艺性能。

2.2 聚氨酯树脂混合料凝胶放热行为研究

图3是不同水浴温度下100 g聚氨酯树脂混合料的凝胶放热曲线。图4是在空气氛围下不同环境温度时，100 g聚氨酯树脂混合料的凝胶放热曲线。

图3 水浴条件下聚氨酯树脂混合料凝胶放热曲线

图4 空气氛围下聚氨酯树脂混合料凝胶放热曲线

由图3可见，在水浴环境下混合树脂凝胶时间由25℃的350 min缩短至50℃的30 min，水浴温度可以有效调节灌注不同部位时的操作时间，提高生产效率。

由图4可知，在空气氛围下的凝胶时间总体短于水浴环境下，这是因为水浴时介质水能带走热量。在空气氛围下25℃凝胶时间为120 min，混合树脂的凝胶时间随温度变化可以在30～120 min之间调节，按通常模具温度在25～30℃计算，混合树脂可具有90～120 min的有效灌注时间，由于聚氨酯树脂混合料黏度仅60～70 mPa·s，黏度低、流速快，可满足大型风电叶片的灌注。

2.3 聚氨酯浇注试片的热变形测试

图5是制备的聚氨酯浇注试片在不同后固化温度时测得的热变形温度数据。

图5 不同后固化温度下聚氨酯树脂的热变形温度

由图5可知，70℃进行后固化2 h，测试得到的热变形温度即可达到72℃，后固化4 h可达78℃，达到了现行叶片设计热变形温度65℃以上的要求。若按照现在叶片厂灌注环氧树脂的固化条件80℃固化4 h，则聚氨酯热变形温度可以达到90℃，超出设计要求38%。这充分证实聚氨酯具有后固化温度低、耐热性好等优点，在叶片制造过程中可以提高效率，降低能耗。更好的耐热表现可以给叶片设计留出更多的余量。

2.4 浇注试片的力学性能

为了验证聚氨酯和环氧树脂在不同温度下的力学性能表现，本研究分别对这两种浇注试片在常温23℃、高温50℃和低温-40℃的拉伸性能进行对比，结果见表1。

表1 不同温度下聚氨酯和环氧树脂浇注试片的力学性能

由表1可知，聚氨酯树脂浇注试片常温23℃时拉伸强度接近90 MPa，模量3.72 GPa，断裂伸长率在5%以上，比环氧树脂浇注试片拉伸强度高出31.7%，模量高出24.4%。高温50℃时聚氨酯浇注体表现依然良好，各指标均高于同条件下的环氧树脂。低温-40℃时，聚氨酯浇注试片拉伸强度比环氧树脂高46.9%，模量高出2.2%，断裂伸长率高出18%。这些数据说明所采用的聚氨酯材料的力学性能优于环氧树脂。

2.5 FRP性能研究

为进一步验证制品的综合性能，测试了由聚氨酯树脂与不同玻纤制得的FRP的静态和动态力学性能，结果见表2。

表2 聚氨酯树脂与不同玻纤制得FRP的力学性能

由表2可知，采用3种型号的玻纤布制得的聚氨酯FRP的0°方向(平行于玻纤纤维方向)拉伸强度均在1 000 MPa以上，模量分别为48.12 GPa、45.75 GPa和 41.69 GPa；90°方向(垂直于玻纤纤维方向)拉伸强度均在52 MPa以上，完全满足现行风电叶片的设计要求。R＝0.1的拉拉疲劳m值均在10以上，选用E6-UD1200玻纤时，聚氨酯FRP的拉拉疲劳m值为10.68，而同型号的玻纤采用环氧树脂灌注的疲劳m值为10.15[9]，聚氨酯FRP的高出约5%。二者相比，聚氨酯具有更好的耐疲劳性。不同类型玻纤在R＝-1时拉压疲劳测试表明，m值均在11以上，具有良好的抗疲劳性。

3 结论

(1)对自主开发的DQ3010系列风电叶片灌注聚氨酯树脂性能进行分析，该树脂体系常温水浴25℃的凝胶时间可达350 min，空气25℃凝胶时间为120 min，25℃时的混合黏度仅为70 mPa·s。

(2)聚氨酯浇注试片在70℃时进行后固化2 h，热变形温度即可达到72℃，80℃后固化4 h，热变形温度可达到90℃；-40℃、23℃和50℃下拉伸性能均高于现用环氧树脂。

(3)聚氨酯树脂与3种玻纤布 E8-UD1250、E6-UD1200、E7-UD650通过制作FRP复合材料进行匹配性测试，聚氨酯FRP的0°方向的拉伸强度均在1 000 MPa以上，90°方向的拉伸强度均在52 MPa以上，拉拉疲劳m值在10以上，拉压疲劳m值均在11以上，具有良好的机械性能和耐疲劳性。