杨 红周百能 李文可黄赋东方电气东方汽轮机有限公司。I珏l JII德阳618000

摘要：通过改变风电叶片用环氧树脂体系中DQ204n固化剂的A、B组分相对含量，或者替换B组分，并添加高活性固

化剂和固化促进剂来提高其反应活性。研究表明：用l，3一环己二甲胺代替B组分能提高环氧树脂体系的反应活性；用异

佛尔酮二胺作为高活性固化剂比用三乙烯四胺更能提高环氧树脂体系的反应活性；固化促进剂对环氧树脂体系反应活性的

提高效果为：苯酚>双酚A>DIVlP一30；当用苯酚作为固化促进弃l且用1。3一环己二甲胺代替B组分时，环氧树脂体系的

工艺性能和力学性能最好。最符合性能要求的固化剂配方为A组分：1，3一环己二甲胺：异佛尔朝二胺：苯酚=50：20：25：5。

通过力学性能和工艺性能对比测试，该配方与DQ200E组成的风电叶片用快速固化环氧树脂体系的性能优于760E／762tt进

口环氧树脂体系。

关键词：风电叶片；快速固化；环氧树脂

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1001—9006(2012)03—0057—06

Study on Fast Curi ng

Used in WindEpoxy Resin Systems

Turbi ne Blades

YANG Hong,ZHOU Bai·-neng,LI Wen—·ke,HUANG Fu

(Do．cfa．g Steam Turbine Co．，Ⅲ．，618000，Deynng．$ichuan。China)

Abstract：The reactivity of oQ204I-i curing agent call be improved by changing the content of its component A and eoraporlent B，OF by

adding a higrdy active curing agent and a promoter．We find that the reactivity of epoxy resin system is improved by cha．giI．g the

component B to 1，3一BAC，and that IPD is mole active than TETA．We also find that phenol is mole active than BPA a8 a curing

promoter,and BPA is mole active than DMP一30 as a curing promoter．When component B is replaced by 1，3一BAC and phenol is

used 0,8 promoter．the processing properties and the mechanical properties of epoxy systems a弛the best．The best curing agent formula

is that component A：1，3一BAC：IPD：phenol=50：20：25：5．When this curing agent formula combined with DQ200E鹪a fast curing

epoxy resin system used for wind turbine blades．the properly of this epoxy resin system is better than 760F_"62It epoxy resin system．

Key words：wind turbine blades，fast curing，epoxy resin

风力发电由于具有高效、清洁和可再生的诸

多优点而被广泛关注。作为风力发电机的核心部

件，叶片的市场潜力巨大，同时，叶片的好坏直

接影响风力发电机组的效率、寿命和性制11。风力发电机的叶片主要采用复合材料制备，尤其是

兆瓦级以上的风力发电机叶片，复合材料的叶片

用环氧树脂体系是风力发电机叶片制备的关键

材料【2'3l。

由于风力发电机叶片体积大，制作工艺时间

长，所用的环氧树脂体系一般需要拥有长的可操

作时间，即拥有长的凝胶时间H一01。然而，在风

力发电机叶片的生产和使用过程中，常常也会用

到快速固化环氧树脂体系。例如，风力发电机叶

片的梁和腹板由于体积相对较小，生产时制作工

收稿日期：2012—05—23

作者筒介：杨红(1986一)，男，工学硕士。2010年毕业于浙江大学高分子科学与工程学专业，现从事风力发电相关非金属材料的研发

工作。

艺时间短，此时普通的叶片用环氧树脂体系由于

其凝胶时问太长将影响到叶片的生产效率和产量

而不再适用。针对凝胶时间过长导致的生产效率

降低，目前国际上主流的解决方法是用一种快速

固化体系与通用固化体系复配，缩短其凝胶时间。

相对于普通环氧树脂体系，风电叶片用环氧

树脂体系要求拥有更高的力学性能和耐疲劳性

能¨1|。由于要与通用固化体系复配，快速固化体

系同时要求具有和通用固化体系相同的树脂／固化

剂配比。而一般在缩短环氧固化体系凝胶时间的

同时，其力学性能特别是冲击强度，和树脂／固化

剂配比都将大大减小，这将导致复配后的环氧树

脂体系的性能变差¨2。1引。因此，本实验的主要目

的为研究风电叶片用快速固化环氧树脂体系中各

组分对性能的影响，在保持树脂／固化剂配比不变

的情况下，开发一种性能满足风电叶片性能要求

的快速固化环氧树脂体系。

1．1仪器与试剂

1．1．1仪器

旋转式粘度测试仪：美国Brookfield LV DV

一Ⅱ。

精密电子万能材料试验机：日本Shimadzu

0／＼

ACIC一100kN。

示差扫描量热仪(DSC)：德国

Netzsch 200F3。

真空干燥箱：上海精宏。

1．1．2试剂

DQ200E环氧树脂、DQ204H环氧固化剂：工

业级，东汽树脂事业部。

双酚A(BPA)：工业级，无锡树脂厂。

三乙烯四胺(TETA)：化学纯，成都市科龙

化工。

异佛尔酮二胺(IPD)：工业级，深圳佳迪达。

1，3一环己二甲胺(1，3一BAC)：工业级，

日本三菱瓦斯。

苯酚：化学纯，成都市科龙化工。

2，4，6一三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP一

30)：工业级，深圳佳迪达。

760E环氧树脂、762H环氧固化剂：工业级，

某大型跨国公司。

1．2实验原理

目前风电叶片用环氧树脂体系一般为环氧树

脂与胺类固化剂的混合体系。其固化机理为环氧

树脂的环氧基与胺类固化剂的氨基反应，反应基

本原理如图1所示。

OH

l H：H

R1一C——CH2 + R2一NH2—_+R1一C—C—N—R2H H

／o＼ 甲H H： H 甲H H：

R1一C——CH2 + R1一C—C—N—R2—}Rl—C—C—N—R2H H H

H IRl—c—cH2

OH

图1 环氧基与氨基的反应原理

如图1所示，环氧基与伯氨基反应先生成仲氨

基化合物，而后仲氨基化合物与环氧基团继续反

应生成叔氨基化合物。实际上使用的环氧树脂和

胺类固化剂均为多官能团化合物，所以固化时会

逐步反应生成大型交联网状结构¨5'16j。

本实验的目的为开发一种可直接与环氧树脂

DQ200E复配使用的快速固化剂。在环氧树脂与胺

58

类固化剂的反应中，若环氧树脂和外界环境均保

持不变，该反应的反应活性受胺类固化剂的种类

和用量、固化促进剂的种类和用量等因素影响¨7|。

因此，用活性更高的固化剂代替B组分，或向其

中加入其他高活性固化剂及固化促进剂，并改变

DQ204H固化剂中A、B组分的相对含量来达到提

高其反应活性的目的。该方法的难点在于：①高

活性固化剂的活泼氢当量一般比较低，这将导致

最终体系的环氧树脂／固化剂的比例变小，不能直

接与通用型环氧树脂体系复配；②大多数高活性

固化剂及促进剂固化环氧树脂后，将导致固化物

的韧性降低，具体表现在其冲击强度降低，如何

在提高其反应活性的同时保持固化物的韧性是目

前国内外急待解决的一大难题。

1．3实验方法

通过以下3种方法提高固化剂体系的反应活

性：①用活性更高的固化剂代替固化剂体系中的B

组分，如1，3一BAC；②向固化剂体系中加入固

化促进剂，如DMP一30、BPA或苯酚；③向固化

剂体系中加入高活性固化剂，如TETA或IPD。

首先研究各种方法对反应活性的影响，即测

试各个体系的凝胶时间，通过研究不同条件对凝

胶时间的影响，找出凝胶时间较短的体系。然后

对这些固化剂体系进行力学性能和玻璃化转变温

度的测试，研究不同条件对力学性能和玻璃化转

变温度的影响，找出性能最佳的体系。

2．1 各组分对反应活性的影响

2．1．1 固化剂体系成分的影响

在固化剂体系中的B组分为脂环胺，我们选

择与它结构接近的1，3一BAC来代替B组分，测

试其对反应活性的影响。

／＼H，N l I NH，2＼入入／‘

图2 1。3一BAC的分子结构

用1，3一BAC代替B组分时，由于l，3一

BAC的活泼氢当量比B组分小，要保持树脂／固化

剂的配比不变，1，3一BAC的用量需要比B组分

略少，同时增加A组分的用量。对比测试方案配

方及所对应的凝胶时间如表1所示。

表1 1。3一BAC反应活性对比测试配方及所对应的凝胶时间

如表1所示，即使增加了反应活性较低的A TETA由于活泼氢当量很低，要保持树脂／固化剂

组分的用量，用1，3一BAC代替B组分时其凝胶 的配比不变，只有表2所示的1号配方满足要求；

时间仍有大幅度缩短。并且，增加A组分可以带 而IPD的活泼氢当量比较大，可以有多个配方满足

来增强固化物韧性的有益效果。所以，用1，3一 配比要求。各测试配方见表2，按GBl2007．7¨副凝

BAC代替B组分满足对高活性固化剂的要求。 胶时间测定方法测试各配方的凝胶时间，其结果

2．1．2 高活性固化剂对反应活性的影响 如表2所示。

选用TETA和IPD作为高活性固化剂，其中

表2高反应活性固化齐j测试配方及所对应的凝胶时间

固化剂编号 树脂 ． 凝胶时间／rain

A组分 B组分 IPD TETA BPA

Ⅻ

％

鲐

弱

弛

卯

5

O

O

O

O

O

O

m

垮

加

筋

加

弱

∞

弱

如

巧

笛

"

帖

∞

稻

笛

∞

●

2

3

4

5

6

从表2中可以得出如下结论：①由于反应活性

低的A组分所占比例比较大，TETA配方的凝胶时

间长；②随着IPD含量从10份增加到25份，凝胶

时间从76 rain逐渐降低到38 min，也就是说，IPD

含量越高，反应速率越快；③IPD的反应活性比B

组分高；④A组分的反应活性比B组分低。

IPD更加满足我们对高活性固化剂的要求。

2．1．3 固化促进剂对反应活性的影响

选用DMP一30、BPA和苯酚作为固化促进剂。

DMP一30、BPA和苯酚对环氧树脂固化的加速机

理为分子中的酚羟基或叔氨基对环氧基与伯、仲

氨基的反应能起加速作用，并且叔氨基还能催化

环氧树脂发生自聚并加快反应速率。三者的分子

结构如图3所示。

l

N／l

DMP．30 BPA

图3 DMP一30、BPA和苯酚的分子结构

表3 固化促进剂反应活性测试配方

用表3所示配方，分别用3种固化促进剂在相

同的条件下测试各体系的凝胶时间，结果如图4。

300

250

200

=云'150

<-g

嚣100

50

O

图4不同固化促进剂配方的凝胶日寸闻对比

从图4中可以看出，DMP一30对体系反应活

性的提高效果最弱，其次为BPA，苯酚对体系反

应活性的提高效果最好。也就是说，仅从反应活

性方面考虑，苯酚最满足对高活性固化剂的要求。

综上所述，用1，3一BAC代替B组分能很好

地提高体系的反应活性；用IPD作为高活性固化剂

比TETA更能提高体系的反应活性；固化促进剂对

对体系反应活性的提高效果为：苯酚>BPA>DMP

一30。

2．2各组分对工艺性能和力学性能的影响

如上所述，选用IPD为高活性固化剂，选用

BPA或苯酚作为固化促进剂，对比测试1，3一

BAC代替B组分前后的工艺性能和力学性能。对

比测试的配方如表4所示。

表4各组分对工艺性能和力学性能的影响对比测试配方

2．2．1 工艺性能

风电叶片用环氧树脂体系在使用时最重要的

工艺性能是混合粘度和凝胶时间。对比测试了1—

4号配方的混合粘度和凝胶时间，其结果如图5所

示。从图5中可以看出：

(1)2号、4号配方的混合粘度分别比1号、

3号配方小，2号、4号配方的凝胶时间分别比1

60

号、3号配方短。这说明，相对于BPA，苯酚作为

固化促进剂的时候，环氧树脂体系的混合粘度更

小、凝胶时间更短。

(2)3号、4号配方的混合粘度分别比l号、

2号配方小，3号、4号配方的凝胶时间分别比1

号、2号配方短。这说明，用1，3一BAC代替B

组分后的配方混合粘度更小、凝胶时间更短。

内

0耥

图5 各配方混合粘度和凝胶时间对比测试结果

对于风电叶片用快速固化环氧树脂体系，混

合粘度越小、凝胶时间越短，其工艺性能越好，

也就是说，用苯酚作为固化促进剂且用l。3一

BAC代替B组分时，其工艺性能最好。

2．2．2力学性能

对比测试了1—4号配方的力学性能，包括其

拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率、弯曲强度、

弯曲模量、冲击强度和玻璃化转变温度Tg。力学

性能测试结果见表5。

表5各配方力学性能对比测试结果

注：固化条件为：室温24 h+70℃8 h

从表5中可以看出：

(1)3、4号配方的冲击强度和压缩强度比1、

2号配方大，这说明1，3一BAC代替B组分后的

固化剂体系的韧性更好，这是由于柔韧性好的A

组分用量更大的缘故；

(2)3、4号配方的拉伸强度和弯曲强度比1、

2号配方略小，这说明l，3一BAC代替B组分后

的固化剂体系的刚性变小：

(3)2、4号配方的拉伸强度和弯曲强度分别

比1、3号配方大，这说明用苯酚作固化促进剂时

的拉伸强度和弯曲强度比用BPA作固化促进剂

时大。

如前所述，对于风电叶片用快速固化环氧树

脂体系，在其反应活性增加的同时往往会导致韧

性降低，也就是冲击强度减小。所以，在其他力

学性能满足设计指标的条件下，冲击强度越高的

环氧树脂体系其综合力学性能越好。也就是说，3、

4号配方的综合力学性能比I、2号配方好，或者

说用1，3一BAC代替B组分后固化剂体系的固化

物的综合力学性能更好。

2．2．3 小结

从工艺性能和力学性能两方面综合考虑，可

以得出如下结论：用苯酚作为固化促进剂且用1，

3一BAC代替B组分时，其工艺性能和力学性能最

好，此时固化剂的配比是A组分：1．3一BAC：IPD

：苯酚=50：20：25：5。

2．3与进口产品对比验证

将DQ200E与快速固化剂组成风电叶片用快速

固化环氧树脂体系，并和进口产品760E／762H一

起进行了对比性能测试。测试项目包括拉伸强度、

拉伸模量、伸长率、冲击强度、凝胶时间和Tg，

测试结果见表6。

表6快速固化体系和760E／762H性能对比测试结果

注：固化条件为：室温24 h+70℃8 h

束亏审氨坪畚zo惶o。。s 第26卷V01．26总第103期DON6F^NG EⅡCTRlC REVIEW

口一

=

R倒

0 2 3 4 5 6 7 8

引伸计I应变，％快速周化体系

0 0 2 0．4 0，6()8 l l 2 l 4 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3

引伸计I应变，％760E／762H

图6快速固化体系和760E／762H的拉伸应力一应变曲线

从表6中可以看出，从拉伸强度、拉伸模量、

伸长率和冲击强度各方面比较，快速固化体系的

性能均优于760E／762H。并且，如图6所示，详细

比较快速固化体系和760E／762H的拉伸应力一应

变曲线，发现760E／762H为脆性断裂，而快速固

化体系为韧性断裂。这说明快速固化体系的韧性

比760E／762H好很多，这从冲击强度数据上也能

反映出来。

从表6中还可以看出，快速固化体系的凝胶时

间比760E／762H短，这说明快速固化体系的反应

活性更高。

综上所述，可以得出结论：快速固化环氧树脂

体系的性能优于760E／762H进口环氧树脂体系。

通过以上实验和讨论，得知：用l，3一BAC

代替B组分能提高环氧树脂体系的反应活性；用

IPD作为高活性同化剂比TETA更能提高环氧树脂

体系的反应活性；固化促进剂对环氧树脂体系反

应活性的提高效果为：苯酚>BPA>DMP一30。当

用苯酚作为固化促进剂且用l，3一BAC代替B组

分时，环氧树脂体系的工艺性能和力学性能最好。

最符合性能要求的固化剂配方为A组分：1，3一

BAC：IPD：苯酚=50：20：25：5。当环氧树脂为

DQ200E，固化剂为上述配方时，环氧树脂体系的

性能优于进口产品760E／762H。

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