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鹽霧老化對風電葉片用環(huán)氧樹脂性能的影響

風能作為一種清潔的可再生能源，其開發(fā)潛力已被各國所認可。葉片是風力發(fā)電機組(簡稱風電葉片)有效捕獲風能的關鍵部件。在發(fā)電機功率確定的條件下，如何提高發(fā)電效率以獲取更大的風能，一直是風力發(fā)電追求的目標，而捕風能力的提高與葉片尺寸密切相關，而葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料，目前葉片的材料體系有基體材料、增強材料和夾心材料。環(huán)氧樹脂由于其優(yōu)異的力學性能、粘結性能、低收縮率、低粘度等優(yōu)點，被廣泛用做葉片基體材料。

  隨著科學技術的發(fā)展以及海上風能項目的開發(fā)，海上風電發(fā)展十分迅速。安裝在海上的葉片要經受空氣中鹽水和Cl-，通過人工加速老化來模擬海洋大氣環(huán)境對葉片材料性能的影響，評估海洋環(huán)境下葉片材料的耐久性，可以為葉片結構設計、葉片材料的研發(fā)和壽命的預估提供依據。

  目前，國內外專家學者研究了鹽霧對熱固性樹脂基體復合材料性能的影響，在鹽霧環(huán)境下樹脂化學性質基本穩(wěn)定，但在長時間的鹽水浸泡下，水分子對樹脂基復合材料起到了增塑作用，因此韌性提高，其它力學強度、模量下降，電性能衰減嚴重。但是這些研究都是針對環(huán)氧樹脂基復合材料而言，對于鹽霧環(huán)境下樹脂性能的變化以及變化的機理的報道并不多。

  本文通過對鹽霧老化后樹脂澆鑄體的玻璃化轉變溫度、力學性能分析和紅外光譜分析，得到了鹽霧老化對樹脂性能的影響，并研究了產生這些影響的機理。

  1、實驗部分
  
  1.1試驗原材料和澆鑄體制備
  
  本文所用樹脂為美國陶氏化學公司提供的風電葉片專用760E/766 H環(huán)氧樹脂體系，其中，760E為樹脂，766H為固化劑，樹脂和固化劑的質量配比為100:32。將環(huán)氧樹脂和組裝好的模具放置烘箱中70℃放置1h，將環(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，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人真空脫泡箱脫泡15min，將脫好泡的澆鑄體放入烘箱中按70℃/5 h+25℃/12 h的固化工藝進行加熱固化。

  1.2鹽霧老化試驗
  
  試驗設備為高鐵檢測儀器(中國)有限公司生產的GT-7004-L鹽水噴霧試驗機;鹽霧試驗參照GB-T 10125-1997進行。為了較好地模擬海洋大氣環(huán)境，采用中性鹽霧條件，試驗溶液為質量分數10%的分析純NaCl的水溶液，試驗溫度為35℃。連續(xù)噴霧50天.每隔10天取一組樣。

  1.3 DSC分析
  
  試驗設備為德國NETZSCH公司生產的STA449C型差示掃描量熱儀(DSC)。試驗條件：測試時的升溫速率為10℃/min,溫度范圍為30一30090，在氮氣氣氛下進行。

  1.4紅外光譜分析
  
  紅外光譜分析采用傅里葉變換紅外光譜儀，美國熱電一尼高力儀器公司，型號：Nicolet 380，實驗環(huán)境：溫度為25℃，濕度為60%，采用壓片法取樣。

  1.5靜態(tài)力學分析
  
  樹脂澆鑄體的拉伸、彎曲性能使用美特斯工作系統(tǒng)(中國)有限公司生產的CMT5105型電子式萬能材料試驗機進行測試。拉伸、彎曲過程加載速度為2mm/min，分別按國標GB/T2568-1995和GB/T2570-1995實驗方法測試，每組式樣8個，取平均值。

  2、結果與分析
  
  2.1 DSC分析
  
  環(huán)氧樹脂鹽霧老化10天、20天、30天、40天、50天的玻璃化轉變溫度(Tg)如圖1所示，鹽霧10天老化的Tg為60℃，和老化前比略有上升;鹽霧老化20天時Tg為62℃，和老化前比提高了7℃;老化進行到30天時，Tg呈現下降的趨勢。老化30天、40天、50天的Tg分別為55℃ ,52℃ ,51℃。分析表明，在前20天的老化過程中樹脂近進一步固化，交聯密度和分子量均增大，因此導致Tg上升;水分子的浸入，在樹脂中形成氫鍵從而導致Tg提高。經過20天鹽霧老化后，大量水分子浸人樹脂增塑作用占主導作用，從而導致Tg下降。

  圖1鹽霧老化后的天Tg

  
  2.2紅外分析
  
  樹脂老化前和鹽霧10天、20天、30天、40天、50天老化后的紅外光譜圖如圖2所示，老化前1090cm -1處出現了主鏈醚C-0-C的不對稱伸縮振動吸收峰;1252cm-1處和840cm-1處出現了環(huán)醚的對稱和反對稱伸縮振動吸收峰;2870cm-1處出現——CH3對稱伸縮振動，在2960cm-1處出現一CH，反對稱的伸縮振動;2930cm-1附近的寬吸收帶為醋環(huán)飽和碳的碳氫振動，由于環(huán)氧樹脂本身是羥基物質，因此經基吸收峰的面積比較大，3420cm-1處的吸收峰為狡基中的一OH 吸收峰。經過10天鹽霧老化后，1090cm-1, 1510cm-1,1610cm-1,3420cm-1處的吸收峰加強，分析表明經過鹽霧10天老化后樹脂發(fā)生后固化，進一步交聯反應，導致吸收峰加強。由于樹脂受吸濕的影響，水分子介入交聯網絡，因此鹽霧20天、30天、40天、50天老化后各吸收峰強度明顯減弱。

  2.3靜態(tài)力學分析
  
  圖3和圖4分別為環(huán)氧樹脂經鹽霧10天、20天、30天、40天、50天老化后拉伸強度和彎曲強度的力-位移載荷圖。由拉伸試驗和彎曲試驗的力-位移曲線可知，環(huán)氧樹脂澆鑄體的拉伸強度和彎曲強度隨著老化時間的延長呈現下降趨勢。老化10天后的拉伸強度下降不明顯，經過20天、30天、40天、50天老化后拉伸強度呈現明顯的下降趨勢。隨著老化時間的延長，彎曲強度不斷下降，老化10天后的彎曲強度下降明顯，經過20天、30天、40天、50天的老化，下降速率減慢但一直保持下降的趨勢表1為鹽霧老化后各項力學性能數據，到50天老化后拉伸強度為58MPa，和老化前相比下降了12%。50天老化后的彎曲強度為91. 85MPa，和老化前比下降了13%。樹脂的彈性模量隨著老化時間的增加，不斷減小，到50天的時候，樹脂的彈性模量是老化前的16%,彎曲模量也呈現下降趨勢。分析表明，吸濕對環(huán)氧樹脂影響較大，水分子浸人樹脂，對樹脂起到增塑作用，因此樹脂拉伸、彎曲強降低，此結論也可以從圖3得到證實，經過老化后拉伸強度曲線在達到屈服極限后出現了平緩的臺階，而且隨著老化時間的延長平緩臺階越明顯。

  3、總結
  
  經過10天、20天、30天、40天、50天鹽霧老化后，樹脂玻璃化轉變溫度(Tg)呈現先上升后下降的趨勢，在第10,20天的時候玻璃化轉變溫度上升，第20天的時候，玻璃化轉變溫度達到62℃，比老化前提高了7℃，在30天、40天、50天呈現下降趨勢，經過鹽霧50天老化后飛為51℃，和老化前比下降了4℃隨著老化時間的增加，力學強度下降，經過50天的鹽霧老化后，樹脂澆鑄體的拉伸強度和彎曲強度分別下降了13%和12%;彈性模量是老化前的16%，彎曲模量也呈現下降趨勢，下降了9%。

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