风力发电机主轴油封用浇注型聚氨酯弹性体研究*

2023-01-13胡雪松

聚氨酯工业 2022年6期

胡雪松吴斌向宇

(1.国电联合动力技术有限公司北京100039)

(2.广州机械科学研究院有限公司广东广州510700)

聚氨酯弹性体是一类在分子链中含有较多氨基甲酸酯基团的聚合物材料，一般由低聚物多元醇柔性长链构成软段，以二异氰酸酯及扩链剂构成硬段，硬段和软段交替排列，形成重复结构单元[1]，根据加工工艺可分为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和浇注型聚氨酯弹性体(CPU)。CPU材料具有较好的力学性能、耐磨性能、耐介质性能及大型制品加工成型性能[2]。但纯CPU材料存在导热性能差和内生热高的缺陷，在连续高动态环境下的应用受限，导致国内外这方面的研究较少[3]。风力发电机主轴油封多为复杂的多支结构，设备尺寸大，且风力发电场通常建设在荒漠、高山和大海中，油封的维护和更换不便。目前主轴油封普遍使用氢化丁腈橡胶材料，使用寿命通常不足2年，破坏形式主要为磨损。因此，开发满足风力发电机主轴油封使用的聚氨酯密封材料意义重大。

本研究以预聚体法和一步法两种聚合工艺制备CPU，并添加少量碳纤维(CF)制备了风力发电机主轴油封用CPU复合材料。研究了工艺对CPU材料力学性能、耐润滑脂性能、耐磨性能和动态性能的影响，以及CF添加量对CPU复合材料力学性能和导热性能的影响，并与风力发电机主轴用橡胶材料的性能进行对比，为CPU复合材料在风力发电机主轴油封中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料及设备

聚碳酸酯二醇(PCDL，Mn＝1 000)，工业级，旭化成株式会社；对苯二异氰酸酯(PPDI)，纯度98.0%，浙江丽水有邦新材料有限公司；1，4-丁二醇(BDO)，纯度99.5%，德国巴斯夫公司；碳纤维(CF)，牌号ECC-N，长度5～15 μm、外径7～15 nm)，天津晶林新材料科技有限公司。试验用油脂，FD-G1昆仑风电主轴润滑脂，中国石油润滑油公司。

3117型橡胶硬度计、10kN/0.5级Z010万能材料试验机，德国Zwick Roell公司；YN-DIN磨耗试验机，东莞市南粤实验设备有限公司；CRS AAM阿克隆磨耗实验机，苏州亚诺天下仪器有限公司；Q800动态热机械分析仪，美国TA Instruments公司。

1.2 CPU材料制备

PCDL、BDO和PPDI以摩尔比1∶2.6∶3.8计算用量，设计异氰酸酯指数均为1.06。

预聚体法:将已真空脱水的PCDL预热至75℃，计量并快速加入PPDI，通入N2保护，维持温度55℃，反应24 h。将预聚体快速预热至80℃保温5 min，加入室温BDO，快速搅拌并脱泡，随后浇注于120℃模具中反应1 h后脱模，取出试样后在120℃后熟化24 h，室温放置7 d后进行性能测试。

一步法:将已真空脱水的PCDL预热至80℃，PPDI加热至105℃并全部熔融。将PPDI和BDO快速加入PCDL中搅拌并脱泡，随后浇注于120℃模具中反应1 h后脱模，取出试片后在120℃后熟化24 h，室温放置7 d后进行测试。

碳纤维增强CPU的制备:CF先与合成的预聚体混合均匀后，再用BDO进行扩链反应，后续工艺与预聚体法相同。

1.3 性能测试

硬度按照GB/T 531.1—2008测试；100%定伸模量、拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 528—2009测试；撕裂强度按照GB/T 529—2008测试；耐油性能按照GB/T 1690—2006测试；动态性能按照GB/T 40396—2021测试；阿克隆磨耗按照GB/T 1689—2014测试；DIN磨耗按照DIN 53516方法测试；热导率按照GB/T 11205—2009测试。

润滑脂润滑摩擦系数测试采用自制设备，使用旋转半径200 mm、Φ10 mm不锈钢钢珠与试样表面涂覆约0.2 mm润滑脂，转速600 r/min，负载10 N，产品摩擦系数由传感器自动读取，测试结果取5～10 min区间的摩擦系数平均值。动态性能采用单悬臂法，试片厚度4 mm，测试温度－80～200℃，测试频率为10 Hz。

2 结果与讨论

2.1 聚合工艺对CPU材料物理机械性能的影响

聚合工艺不仅影响CPU材料软硬段的排布方式，还会影响其微相分离和氢键的形成[4]。2种聚合工艺合成的CPU材料物理机械性能见表1。

由表1可以看出，预聚体法合成的CPU材料100%定伸模量、拉伸强度和撕裂强度均较高，一步法合成的CPU材料断裂伸长率较高，2种聚合工艺合成的CPU材料硬度一致。这可能是因为预聚法聚合工艺合成的CPU材料相比于一步法合成的分子链结构更规整，微相分离程度更好，因此拉伸强度和撕裂强度更高。由于PPDI的蒸气压较低，一步法合成过程中可能有少量PPDI逃逸出反应体系，导致配方偏离设计造成性能下降[5]。

表1 2种CPU的物理机械性能

2.2 聚合工艺对CPU材料耐润滑脂老化的影响

风力发电机的主轴工作环境封闭，密封介质为润滑脂，主轴油封使用过程中被润滑脂浸润，评估CPU材料的耐润滑脂性能对油封的使用寿命具有重大意义。2种聚合工艺合成的CPU材料耐润滑脂性能见表2。润滑脂老化实验条件为:80℃下老化1 344 h。

表2 2种CPU材料的耐润滑脂老化性能

由表2可以看出，润滑脂老化后，2种聚合工艺合成的CPU材料力学性能均有下降，体积和质量均增加，有溶胀发生。力学性能的下降是因为润滑脂老化和溶胀作用共同引起。一步法合成的CPU材料拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率较低，变化率较大，体积和质量变化率较高。造成此现象的原因可能是一步法合成的CPU分子链的规整程度较差，微相分离程度、软段结晶度和硬段结晶度较低，分子间自由空间较大，润滑脂更容易进入到CPU材料中，体积和质量变化率增加，受外力作用更容易产生相对滑移，拉伸强度和断裂伸长率下降更多。因此，预聚体法合成的CPU材料耐润滑脂老化性能较好。

2.3 聚合工艺对CPU材料耐磨性能的影响

风力发电机主轴油封使用过程中被润滑脂浸润，摩擦系数较干摩擦会低很多，油封的磨损破坏形式主要表现为设备运行过程中摩擦产生的颗粒物对油封的磨损破坏。2种聚合工艺合成的CPU材料耐磨性能如表3所示。

表3 2种CPU材料的耐磨性能

由表3可以看出，预聚体法合成的CPU材料阿克隆磨耗和DIN磨耗均优于一步法合成的CPU材料。这是因为在体系和硬度一致的情况下，拉伸强度和撕裂强度高的材料普遍具有较好的耐磨性能[6]。

由表3还可以看出，在润滑脂润滑的条件下，2种聚合工艺合成的CPU材料摩擦系数一致。这是因为在润滑脂条件下测得的摩擦力主要是克服磨副与润滑脂的粘滞阻力，所以在CPU材料硬度相对接近的情况下，测试得到的摩擦系数一致。

2.4 聚合工艺对CPU材料动态性能的影响

风力发电机主轴油封的温升主要来自于工作过程中油液的粘滞阻力生热和油封的内生热。CPU材料是热的不良导体，摩擦生热和内生热很容易在油封处聚集，造成油封的异常温升和老化从而导致破坏失效。2种聚合工艺合成的CPU材料的损耗正切值(tanδ)如图1所示。

图1 2种CPU材料的损耗正切值

由图1可以看出，预聚体法合成的CPU材料具有较低的玻璃化转变温度(Tg)和Tg处的tanδ值。同体系的CPU材料Tg和tanδ值是表征CPU材料动态性能的重要指标，tanδ值越低，说明材料在动态工况下弹性形变更大，粘性形变更小，动态性能越好，内生热更小[7]。这也说明预聚体法合成的CPU材料软硬段微相分离更充分，动态内生热更低。

2.5 CF添加量对CPU复合材料性能的影响

为改善CPU材料的耐磨性能和耐热性能，除了材料本身具有较好的耐磨性能和动态性能、工况下具有较低的摩擦系数以外，还可通过增加CPU材料的导热性能，防止热量在材料中聚集，避免材料加速老化和磨损加剧，进而提升油封使用寿命。添加CF是增加高分子材料导热系数的常用方法[8]。本实验考察了添加少量CF对CPU材料性能的影响，结果见表4。

表4 CF含量对CPU复合材料性能的影响

由表4可以看出，在CF质量分数0～3%范围内，随着CF添加量的增加，材料拉伸强度先增加后降低，当CF质量分数为2%时，拉伸强度达到最高，断裂伸长率逐渐下降，撕裂强度逐渐增加，导热性能得到明显改善，有利于延长产品的使用寿命。当CF质量分数为3%时，撕裂强度和导热系数达到最大，较高的导热系数有利于CPU复合材料散热，减少热量在产品上的聚集，但CPU复合材料拉伸强度下降且磨耗显著增加。综合考虑选择CF质量分数2%为宜。