盐雾老化对风电叶片用环氧树脂性能的影响

2016-08-30 16:42 [新能源论文] 来源于：湖南工业大学包装新材料与技术重作者：湖南工业大学包装新材

导读：关键词：叶片技术风电叶片盐雾老化风能作为一种清洁的可再生能源，其开发潜力已被各国所认可。叶片是风力发电机组(简称风电叶片)有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率以获取更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕

关键词：叶片技术风电叶片盐雾老化

风能作为一种清洁的可再生能源，其开发潜力已被各国所认可。叶片是风力发电机组(简称风电叶片)有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率以获取更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕风能力的提高与叶片尺寸密切相关，而叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料，目前叶片的材料体系有基体材料、增强材料和夹心材料。环氧树脂由于其优异的力学性能、粘结性能、低收缩率、低粘度等优点，被广泛用做叶片基体材料。

随着科学技术的发展以及海上风能项目的开发，海上风电发展十分迅速。安装在海上的叶片要经受空气中盐水和Cl-，通过人工加速老化来模拟海洋大气环境对叶片材料性能的影响，评估海洋环境下叶片材料的耐久性，可以为叶片结构设计、叶片材料的研发和寿命的预估提供依据。

目前，国内外专家学者研究了盐雾对热固性树脂基体复合材料性能的影响，在盐雾环境下树脂化学性质基本稳定，但在长时间的盐水浸泡下，水分子对树脂基复合材料起到了增塑作用，因此韧性提高，其它力学强度、模量下降，电性能衰减严重。但是这些研究都是针对环氧树脂基复合材料而言，对于盐雾环境下树脂性能的变化以及变化的机理的报道并不多。

本文通过对盐雾老化后树脂浇铸体的玻璃化转变温度、力学性能分析和红外光谱分析，得到了盐雾老化对树脂性能的影响，并研究了产生这些影响的机理。

1、实验部分

1. 1试验原材料和浇铸体制备

本文所用树脂为美国陶氏化学公司提供的风电叶片专用760E/766 H环氧树脂体系，其中，760E为树脂，766H为固化剂，树脂和固化剂的质量配比为100:32。将环氧树脂和组装好的模具放置烘箱中70℃放置1h，将环氧树脂和固化剂按比例配好，搅拌均匀后放入真空脱泡箱内，当真空度达到—0. 1 MPa后脱泡15min，待脱泡完毕后缓慢放气，将胶液引流注入浇铸体模具中，然后再将浇铸体模具放人真空脱泡箱脱泡15min，将脱好泡的浇铸体放入烘箱中按70℃/5 h+25℃/12 h的固化工艺进行加热固化。

1.2盐雾老化试验

试验设备为高铁检测仪器(中国)有限公司生产的GT-7004-L盐水喷雾试验机;盐雾试验参照GB-T 10125-1997进行。为了较好地模拟海洋大气环境，采用中性盐雾条件，试验溶液为质量分数10%的分析纯NaCl的水溶液，试验温度为35℃。连续喷雾50天.每隔10天取一组样。

1.3 DSC分析

试验设备为德国NETZSCH公司生产的STA449C型差示扫描量热仪(DSC)。试验条件：测试时的升温速率为10℃/min,温度范围为30一30090，在氮气气氛下进行。

1.4红外光谱分析

红外光谱分析采用傅里叶变换红外光谱仪，美国热电一尼高力仪器公司，型号：Nicolet 380，实验环境：温度为25℃，湿度为60%，采用压片法取样。

1.5静态力学分析

树脂浇铸体的拉伸、弯曲性能使用美特斯工作系统(中国)有限公司生产的CMT5105型电子式万能材料试验机进行测试。拉伸、弯曲过程加载速度为2mm/min，分别按国标GB/T2568-1995和GB/T2570-1995实验方法测试，每组式样8个，取平均值。

2、结果与分析

2.1 DSC分析

环氧树脂盐雾老化10天、20天、30天、40天、50天的玻璃化转变温度(Tg)如图1所示，盐雾10天老化的Tg为60℃，和老化前比略有上升;盐雾老化20天时Tg为62℃，和老化前比提高了7℃;老化进行到30天时，Tg呈现下降的趋势。老化30天、40天、50天的Tg分别为55℃ ,52℃ ,51℃。分析表明，在前20天的老化过程中树脂近进一步固化，交联密度和分子量均增大，因此导致Tg上升;水分子的浸入，在树脂中形成氢键从而导致Tg提高。经过20天盐雾老化后，大量水分子浸人树脂增塑作用占主导作用，从而导致Tg下降。

图1盐雾老化后的Tg

(a)0天;(b)10天;(c)20天;(d)30天;(e)40天;(f)50天

Fig. I The飞after salt spray aging

(a)Oday;(b)IOday;(c)20day;(d)30day;(e)40day;(f)50day

2.2红外分析

树脂老化前和盐雾10天、20天、30天、40天、50天老化后的红外光谱图如图2所示，老化前1090cm -1处出现了主链醚C-0-C的不对称伸缩振动吸收峰;1252cm-1处和840cm-1处出现了环醚的对称和反对称伸缩振动吸收峰;2870cm-1处出现——CH3对称伸缩振动，在2960cm-1处出现一CH，反对称的伸缩振动;2930cm-1附近的宽吸收带为醋环饱和碳的碳氢振动，由于环氧树脂本身是羟基物质，因此经基吸收峰的面积比较大，3420cm-1处的吸收峰为狡基中的一OH 吸收峰。经过10天盐雾老化后，1090cm-1, 1510cm-1,1610cm-1,3420cm-1处的吸收峰加强，分析表明经过盐雾10天老化后树脂发生后固化，进一步交联反应，导致吸收峰加强。由于树脂受吸湿的影响，水分子介入交联网络，因此盐雾20天、30天、40天、50天老化后各吸收峰强度明显减弱。

2.3静态力学分析

图3和图4分别为环氧树脂经盐雾10天、20天、30天、40天、50天老化后拉伸强度和弯曲强度的力-位移载荷图。由拉伸试验和弯曲试验的力-位移曲线可知，环氧树脂浇铸体的拉伸强度和弯曲强度随着老化时间的延长呈现下降趋势。老化10天后的拉伸强度下降不明显，经过20天、30天、40天、50天老化后拉伸强度呈现明显的下降趋势。随着老化时间的延长，弯曲强度不断下降，老化10天后的弯曲强度下降明显，经过20天、30天、40天、50天的老化，下降速率减慢但一直保持下降的趋势表1为盐雾老化后各项力学性能数据，到50天老化后拉伸强度为58MPa，和老化前相比下降了12%。50天老化后的弯曲强度为91. 85MPa，和老化前比下降了13%。树脂的弹性模量随着老化时间的增加，不断减小，到50天的时候，树脂的弹性模量是老化前的16%,弯曲模量也呈现下降趋势。分析表明，吸湿对环氧树脂影响较大，水分子浸人树脂，对树脂起到增塑作用，因此树脂拉伸、弯曲强降低，此结论也可以从图3得到证实，经过老化后拉伸强度曲线在达到屈服极限后出现了平缓的台阶，而且随着老化时间的延长平缓台阶越明显。

3、总结

(1)经过10天、20天、30天、40天、50天盐雾老化后，树脂玻璃化转变温度(Tg)呈现先上升后下降的趋势，在第10,20天的时候玻璃化转变温度上升，第20天的时候，玻璃化转变温度达到62℃，比老化前提高了7℃，在30天、40天、50天呈现下降趋势，经过盐雾50天老化后飞为51℃，和老化前比下降了4℃;

(2)随着老化时间的增加，力学强度下降，经过50天的盐雾老化后，树脂浇铸体的拉伸强度和弯曲强度分别下降了13%和12%;弹性模量是老化前的16%，弯曲模量也呈现下降趋势，下降了9%。

（编辑：东北亚）

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