风机叶片模具用环氧树脂体系的改性研究

风机叶片模具用环氧树脂体系的改性研究

吴志刚

吴志刚

东方电气（天津）风电叶片工程有限公司天津300480

摘要：对某品牌的YD5/TH5模具环氧树脂体系进行了稀释改性，通过实验确定了较佳的改性配方，比较分析了改性前后的性能变化。结果表明：当环氧树脂YD5：稀释剂669：固化剂TH5：固化剂DMP-30=100：8：（20.4～22.8）：（3.0～3.5）配比时，可基本保证原树脂体系各项性能的前提下，使改性后的环氧树脂体系适合真空灌注的工艺要求。

关键词：稀释剂；固化剂；耐热性；真空灌注

风机叶片模具用环氧树脂是叶片模具制造的关键材料。尤其是兆瓦级大型叶片模具的制造，对环氧树脂的要求很高，这不仅需要环氧树脂具有优异的力学性能，较高的耐热性，耐候性，低收缩率等，而且还需要环氧树脂体系具有较低的粘度，较低的放热温度和较长的适用期等以适应实际工艺的操作需要。本研究通过大量摸索性试验后，选择合适的稀释剂和固化剂对湿法袋压成型用环氧树脂体系进行稀释改性，以保证原来环氧树脂体系的力学性能和耐热性降低不大的状况下，通过降低体系的粘度和延长适用期使改性的环氧树脂体系适应真空灌注的工艺要求。

1.实验部分

1.1主要原料及试剂

实验中用到的主要原料和试剂YD5环氧树脂；TH5固化剂；669稀释剂；2，4，6-三（二甲胺基甲基）；苯酚（DMP-30）。实验中所用原料均为工业级，直接使用。

1.2实验测试仪器及设备

主要实验仪器及设备差示扫描量热仪；100KN万能试验机；冲击试验机；数字显示粘度计；数字显示粘度计。

1.3实验操作

（1）将稀释剂669分别按6%，8%，10%，12%，14%（相对于YD5环氧树脂的质量比，下同）加入YD5环氧树脂中，然后按计算配比加入TH5，DMP-30固化剂，固化后测体系的粘度和耐热性的变化，从而确定稀释剂669合适的用量。

（2）按步骤（1）制作测试样条，对改性后的体系进行各项力学性能的测试，同时与稀释改性前的体系进行各项性能对比。

（3）测试试样规格按国标制作，各项测试按国标进行，固化制度为：室温/12h+60℃/2h+120℃/6h。

2.改性方案的确定

2.1原材料的基本参数

YD5环氧当量为：175～185g/eq，则环氧值为：0.54～0.57mol/100g；

669环氧当量为：125～143g/eq，则环氧值为：0.70～0.80mol/100g；

由于YD5：TH5=100：30，则TH5固化剂的活泼氢当量=30/（0.54～0.57）=53～55；

DMP-30固化剂的活泼氢当量为：18.5～19.6。

2.2树脂体系配比计算

以稀释剂用量8%为例来计算稀释改性后固化剂用量的确定，其它比例下计算方法类似。

当加8%稀释剂稀释后体系的环氧值为：（0.54～0.57）×100/108＋（0.70～0.80）×10/108=0.56～0.60mol/100g；

稀释后固化剂TH5的单独用量为：（0.56～0.60）×（53～55）=29.7～33.0。

稀释后固化剂DMP-30的单独用量为：（0.56～0.60）×（18.5～19.6）=10.4～11.8。

若固化剂TH5与DMP-30以7：3混配使用时，其固化剂的各自用量

固化剂TH5用量=（29.7～33.0）×7/10=20.8～23.1

固化剂DMP-30用量=（10.4～11.8）×3/10=3.1～3.5

根据是否加入DMP-30可得出表1所示的两种稀释改性配方：

表1稀释改性配方

从图1可以看出，随着669稀释剂用量的增加，体系的粘度逐渐下降，当稀释剂的用量为14%时，体系的粘度降到原来的43.4%，这说明669这种乙二醇二缩水甘油醚稀释剂稀释能力强，稀释效果明显，达到了降低体系粘度，满足真空灌注的要求。但同时，随着669稀释剂用量的增加，体系的耐热性能得到了大幅度的降低，当稀释剂的用量为14%时，体系的粘度降到原来的56.2%，这是由于稀释剂的加入一方面降低了原来体系中苯环等刚性耐热基团的浓度，另一方面固化物的交联密度也会随着降低，因而体系的玻璃化转变温度会逐渐降低。

综合考虑稀释剂的用量对体系的粘度和玻璃化转变温度的影响，再结合图1中粘度和玻璃化转变温度的曲线交汇情况，当稀释剂的用量为8%左右时是比较合理的。

2.3DMP-30的加入对改性体系的性能影响

固化剂DMP-30即2，4，6-三（二甲胺基甲基）苯酚，它是一种液态芳香胺，在分子结构中含有热稳定性好的苯环，其固化物的耐热性、耐药品性、机械强度都较好[1]。图2是按照表3的两种配方所做的树脂浇铸体的性能对比。

从图2的性能对比来看，加入了DMP-30改性体系的各项性能要明显优于未加DMP-30的改性体系的性能，这说明DMP-30这种芳香胺固化剂的加入能有效弥补由稀释剂的加入对整个体系性能的影响。

总之，对整个改性体系来说DMP-30这种芳香胺固化剂的加入是非常必要的。从上面的结果来看较合理的配方为表3列出的配方二，即Thai环氧YD5：稀释剂669：固化剂TH5：固化剂DMP-30=100：8：（20.8～23.1）：（3.1～3.5）。

3.改性前后的性能变化

稀释剂的加入一方面能有效降低体系的粘度，但另一方面对整个的体系的性能影响较大。所以在利用稀释剂其低粘度特点的同时，还得考虑其不利的方面。表2是改性前后的相关性能情况。

从上表中的数据可以看出：稀释改性后，体系的粘度降到了300mPa·s左右，满足了真空灌注工艺对体系粘度的性能指标；同时凝胶时间也有原来的133.0min延长到了247.5min，很好的满足了真空灌注需要较长适用期的要求。力学性能方面，改性体系的力学性能相对于改性前有一定程度的下降，但下降不明显，拉伸强度和弯曲强度分别下降了6.6%和4.5%，相反压缩强度较改性前提高了9.7%。耐热性能方面，改性体系的玻璃化转变温度较改性前下降了14.9℃，这是由于随着低分子量活性稀释剂的加入，固化物的交联密度相应的降低，因而整个的体系的耐热性能会下降，但在本改性研究中，由于669稀释剂的用量相对不高，因此对热性能的影响不太大。

4.结论

（1）通过稀释剂用量的变化对体系粘度和耐热性的影响，确定出稀释剂的用量在8%左右时是较佳的。

（2）通过加入DMP-30对各项性能的影响再结合稀释剂的用量状况，得出本改性研究较合理的配方，即Thai环氧YD5：稀释剂669：固化剂TH5：固化剂DMP-30=100：8：（20.8～23.1）：（3.1～3.5）。

（3）从改性前后的各项性能变化来看，改性的环氧树脂体系在保证了体系的力学性能的同时，有效降低了体系的粘度，延长了适用期，从而很好的满足了真空灌注的性能指标。

（4）本改性实验是将湿法袋压成型用环氧树脂体系转化为真空灌注用环氧树脂体系的较好尝试。

参考文献：

[1]王德中.环氧树脂生产与应用.北京：化学工业出版社，2001年：230～231.

[2]王欣，薛亚鹏，王晶，等．大型风机叶片新材料和新技术的发展[J]．玻璃钢／复合材料，2011，（3）：55-59．

[3]李艳菲，李敏，顾轶卓，等．风电叶片用真空灌注型环氧树脂及其复合材料性能研究[J]．玻璃钢／复合材料，2012，（4）：109一l14．

[4]郑澎，张彦飞，赵贵哲，等．风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能的研究[J]．玻璃钢／复合材料，2011，（2）：8-11．