表1 Table 1
Ｒesin system 145 ～ 0． 5 2515 3325 2511 A0 33． 25839 33． 15442 98． 92878 79． 69172 A1 － 0． 17651 － 0． 15811 － 0． 57974 － 0． 45849
图1 Fig. 1
流变模型预测的四种环氧树脂体系 Prediction results by rheological model for resin system studied
， 预报结果列于图 1 （ 1） （ 2） （ 3）
log（ η） = a + bt a = A0 + A1 T + A2 T2 b = B0 + B1与最佳灌注温度
真空导入工艺用树脂的适用期是指能够满足真 空导入充模过程粘度要求所能达到的最长时间 。 有 研究表明树脂体系在注入纤维预成型体的过程中 ， 其粘度应当控制在 500 ～ 800mPa·s， 以保证树脂充
145 树脂体系是一种三组分树脂体系， 其促进剂的 含量 可 以 变 化， 本文研究的仅是促进剂含量为 0. 5% 的树脂体系。如果降低促进剂的用量， 145 树 脂体系的适用期还会更长， 这一点已经在以往的研 究中得到证实
［16 ］
。145 树脂体系也同时拥有最高的
最佳灌注温度， 达到了 60 ～ 65℃ ， 而普通的玻纤用
Note： The parameters of the rheological model for 145 ～ 0． 5 were from reference［13］ ．
如图 1 所示， 四种环氧树脂表现出完全不同的 适用期和最佳灌注温度。所有碳纤用树脂体系的适 用期都长于常规的玻纤用树脂体系， 区别只是增加 的幅度不同。适用期最长的是 145 树脂体系， 其适 用期几乎是常规树脂体系的 3 倍， 增幅最小的 3325 体系其适用期仅增加了 20% 左右。 需要说明的是 FＲP / CM 2015. No. 5
不同温度下达到目标粘度的时间曲线
流变模型拟合参数
The rheological model parameters
A2 2． 2175 × 10 － 4 － 1． 4886 × 10 － 4 8． 17489 × 10 － 4 6． 25828 × 10 － 4 B0 0． 02107 0． 07755 0． 04352 0． 03698 B1 － 1． 29242 × 10 － 4 － 4． 94510 × 10 － 4 － 2． 91561 × 10 － 4 － 2． 54920 × 10 － 4 B2 1． 98475 × 10 － 7 7． 89462 × 10 － 7 4． 89912 × 10 － 7 4． 40518 × 10 － 7
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13 玻璃钢 / 复合材料 树脂体系的这一温度仅仅在 30 ～ 35℃ 。 在实际的 工程应用中， 大型碳纤维复合材料结构件长度可以 超过 40m， 厚度达到 30mm 以上， 这是普通的碳纤维 制品所不具备的特征。为了实现这些大型构件的成 通常使用单面硬模加热的方式成型 ， 较高的灌注 型， 温度和短时大量的树脂需求， 会使得碳纤维预成型 通常树脂 体和树脂体系的预热变得很困难。 因此， 的最佳灌注温度越接近室温， 越有利于大规模工业 化的使用。在工程化的应用中， 还可能由于树脂放 热集中而缩短实际适用期。 这里使用 DSC 测试了 四种树脂体系完全固化后的放热， 列于表 2 中。 可 以看到， 碳纤用树脂体系都表现出低放热的特点 ， 其 中 145 树脂体系放热量最小， 因而可以推断在实际 的应用中 145 树脂长适用期的特性将会更加突出。 由于缺乏行业标准， 对于碳纤维结构件究竟需要树 脂有多长的适用期并没有明确的规定， 能够确定的 是长适用期将有助于成型更厚的制件 。 通过上面的 可以灌注的最大厚度排序为 145 ＞ 分析可以确认， 这两种环氧酸酐固化体系， 所需要的固化条件较为 ， 苛刻 都 需 要 长 时 间 和 高 温 才 能 达 到 目 标 Tg， 而 3325 和 2511 这两种环氧胺固化体系则可以在较低 的温度下固化。 对于真空导入成型的大型复合材料构件， 固化 过程主要为一面依靠单面模具加热， 另一面铺放保 温材料保温， 这是一种不均衡的加热方式， 固化的热 源除了模具自身外， 更多依赖于树脂的自放热。 因 此具有低温快速固化优势的环氧胺固化体系具有 明显的工程化应用可行性， 能够减少占模时间， 降低 成本。表 3 中给出了四种树脂体系在不同的固化制 145 树 脂 体 系 和 度下的 Tg 值， 从 表 中 可 以 看 到， 2515 树脂对固化条件要求比其他两种的树脂高， 尤 其是 145 树脂体系。主要原因是厂家提供的技术说 明文件中提到 145 树脂与 2515 树脂体系的固化剂 而其他两种固化剂是胺类， 两种固化剂的 是酸酐类， 固化机理不同。 酸酐类体系反应活化能较高， 酸酐 固化环氧树脂需要较高的固化温度和较长的固化 时间。
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11 玻璃钢 / 复合材料
大型碳纤维结构件用真空导入环氧树脂的对比分析
* 贾智源 ，宋秋香，关晓方 （ 中材科技风电叶片股份有限公司，北京 102101 ）
摘要： 应用真空导入成型技术制作大型碳纤维复合材料结构件 是 大型化风电叶片 制 造技术 的 一个 重要 发展 方 向。 由于 碳纤维预成型体的可渗透性远远低于玻纤预成型体， 因此具有特殊性能的环氧树脂是这一技术成功的关键。 本文 系 统 分析了 三种专用环氧树脂体系的适用期、 固化行为和力学性能， 并与普通玻纤用环氧树脂进行了对比。分析结果 表 明， 三 种专 用树脂 的适用期长短不一， 但都大于普通树脂; 环氧酸酐体系固化过程中 性能建立 慢 的 特 点， 使其 在大型结构件 的 应 用 中 存 在风 险; 预成型体预热有助于获得高纤维体积含量和力学性能更佳的碳纤维复合材料。 关键词： 碳纤维; 环氧树脂; 风电叶片; 真空导入 中图分类号： TB332 ； TQ323. 5 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 0999 （ 2015 ） 05 － 0011 － 05
的优点。风电叶片中使用的碳纤维直径仅为所使用 普通 E 玻纤直径的 1 /3 左右， 使得碳纤维预成型体 树脂导入难度显著 的渗透率远低于玻纤预成型体， ［9 ］ 。 ， 增大 较低的渗透率意味着 同样条件下， 制作同 样大小的复合材料结构件， 需要更长的工艺时间。 使用风电叶片制造中常用的环氧树脂体系制作碳纤 维复合材料结构件存在较大的工艺风险 ， 为此， 国内
1020 收稿日期： 2014基金项目： 国家高技术研究发展计划 （ 863 计划） 资助 （ 2012AA03A205 ） ） ，男，博士，高级工程师，主要从事风电叶片原材料评测技术与低成本复合材料成型技术研究。 作者简介： 贾智源 （ 1980-
FＲP / CM 2015. No. 5
12 2015 年 5 月 大型碳纤维结构件用真空导入环氧树脂的对比分析 用于对比的常规环氧树脂体系。
2 实 验 2. 1 原材料
MGS ＲIM145 （ 简称 145 ） 三组分环氧酸酐体系， 包含树脂 MGS ＲIMＲ145 、 固化剂 MGS ＲIMH145 、 促 进剂 MGS ＲIMH145 三种组分， 由迈图化工企业管 理（ 上海） 有限公司提供； 2515A / B （ 简称 2515 ） 双组 分环氧酸酐体系和 2511A1 / BS （ 简称 2511 ） 双组分 环氧胺体系， 由上纬 （ 天 津 ） 风 电 材 料 有 限 公 司 提 供； AM 3325A / B （ 简称 3325 ） 双组份环氧胺体系由 广州市博汇新材料科技有限公司提供。 其中 145 、 2515 和 3325 为碳纤维专用环氧树脂体系， 2511 为
［10 ～ 12 ］ 。 模过程的顺利进行和树脂对纤维的彻底浸润 而由于碳纤维预成型体的渗透率较低， 要求树脂粘
度不能过高， 本文选择 500mPa · s 作为限定值。 环 氧树脂的粘度增长速度依赖于所处的温度， 通常温 度越高粘度增长越快。适用期的长短与所处温度和 温度和初始粘度都处于低值， 适用期 初始粘度有关，
［8 ］ 料的工艺方法 。这一技术使用一面硬模一面真空 袋， 具有工艺成本低、 适合制作大型复合材料结构件 ［1 ～ 5 ］
外的环氧树脂厂家积极研发， 至少已经有三种碳纤 维专用树脂体系可供选择。由于行业内尚无统一的 技术要求， 因此各厂家独立开发的碳纤维专用环氧 树脂表现出不同的性能特点， 有环氧酸酐固化体系 的， 也有环氧胺固化体系的， 有需要预热灌注的， 也 有不需要预热灌注的。这在一定程度上给风电叶片 制造方造成了困惑： 何种树脂才是大型碳纤维复合 材料结构件需要的， 如何应用才是恰当的？ 为了回 答上述问题， 有必要对大型碳纤维复合材料结构件 用环氧树脂体系进行分析研究。 本文选取了三种已知的大型碳纤维结构件用环 氧树脂体系和一种常规的环氧树脂体系进行对比分 析， 系统研究了树脂适用期、 固化条件和力学性能的 差异。这一研究为推动大型碳纤维结构件的低成本 化应用建立一些基础。
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引
言
目前风电产业快速向陆上低风速区和海上发 展， 出于追求度电成本降低的目的， 叶片长度不断增 。碳纤维由于其高比模、 加， 减重需求越发突出 高比强的性能优势， 特别适用于制作轻质大型风电 叶片的主承力结构， 但成本高的缺点制约了它的大 ［6 ， 7 ］ 。 规模应用 国内外的许多叶片公司， 包括通用 电气、 维斯塔斯、 西门子、 中材叶片等都已经实现了 碳纤维复合材料风电叶片的批量化生产， 并且所采 用的成型技术都是预浸料技术。与预浸料成型工艺 相比， 真空导入工艺由于对模具要求低和不需要低 而具有明显的成本优势。 为降低碳 温储藏和运输， 纤维复合材料的应用成本， 大型碳纤维复合材料结 构件的真空导入成型技术近年来成为研究热点 。 真空导入工艺是在真空状态下排除纤维预成型 体中的气体， 通过导流介质加速树脂的流动、 渗透， 实现对纤维及其织物的快速浸渍， 并在一定的加热 条件下进行固化， 形成一定纤维 / 树脂比例的复合材