CN109054289A - 一种用于风机叶片的三维机织复合材料及其纤维/树脂界面改性方法 - Google Patents

一种用于风机叶片的三维机织复合材料及其纤维/树脂界面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风机叶片的三维机织复合材料纤维树脂界面改性方法。其采用如下方法进行制备，以四经五纬三维正交机织物为复合材料增强体，以加入一定量KH‑560硅烷偶联剂的环氧树脂与固化剂混合胶液为基体，采用真空辅助成型技术(VARTM)制备复合材料试样。该专利中利用三维正交机织物的整体性克服传统铺层织物的分层缺点，并且通过硅烷偶联剂改性可改善复合材料的纤维/基体界面性能，从而提高风机叶片的强度及耐疲劳性能。

Description

一种用于风机叶片的三维机织复合材料及其纤维/树脂界面 改性方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种用于风机叶片的三维机织 复合材料纤维/树脂界面改性方法。
背景技术
叶片作为风电机组关键部件，是风机进行能量转换的重要组成部分，其 强度和疲劳特性对风机可靠性、风能应用效率具有重要影响。随着叶片向大 型化发展，且受复杂、周期性载荷作用，对叶片强度及疲劳性能提出更高要 求。
风机叶片强度和疲劳特性依赖于组份材料增强体结构、玻璃纤维和树脂 基体的性能以及纤维/树脂基体界面结合强度。
复合材料质量轻、比刚度和比强度大，是大型风机叶片蒙皮及结构件主 要材料。叶片疲劳失效以复合材料的纤维/树脂界面分层为主。纤维/树脂基 体界面结合强度不高是纤维/基体界面失效和纤维断裂的主要原因。
传统风机叶片以多轴向经编结构织物为增强体，存在层间力学性能弱、 容易分层等常见疲劳失效问题。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提供一种新型的风机叶片的结构及复合材 料纤维/树脂界面的改性方法，通过采用三维机织结构代替传统的风机叶片， 并且通过纳米改性添加剂改善纤维/树脂界面的性能，从而改善风机叶片强度 和疲劳特性。
基于此，本发明提供一种用于风机叶片的复合材料，其结构为三维正交 机织结构，三维正交机织物中经、纬纤维束呈平行排列，由三组两两相互垂 直的纱线即经纱、纬纱及捆绑纱交织而成。
其中，所述三维正交结构为四经五纬结构。
其中，所述叶片三维机织复合材料的纤维/树脂界面采用纳米硅烷偶联剂 改性。
其中，所述纳米硅烷偶联剂分子式为RSiX3的硅烷偶联剂，其中X为烷 氧基，R为活性官能团。
本发明还提供上述三维机织复合材料的成型方法，其包括：
第一步，模具准备；
第二步，材料铺放；
第三步，密封及保压测试；
第四步，树脂灌注；
第五步，板材脱模。
其中，所述第二步进一步具体为，按照所需尺寸对预处理后三维正交机 织物和成型辅助材料进行裁剪，并在模具表面按从下到上的顺序依次铺放三 维正交机织物、脱模布、导流网及真空袋，去除布边多余纤维束及杂物，铺 放导流管等材料。
其中，所述第四步进一步具体为，将环氧树脂与固化剂按100：30的质量 比进行混合，并加入称量好的KH-560偶联剂，应用搅拌器搅拌均匀，并进 行预抽真空处理，去除混合液内多余的气泡，降低板材孔隙率，灌注过程中， 设定模具温度为60℃，保证树脂黏度稳定于0.1～0.3Pa.s范围内，该黏度范围 内树脂流动性较好，能够快速、均匀地浸润增强体。灌注完成后，密封树脂 管和真空管，设定固化温度为80℃，保证板材在恒温和真空条件下固化8h。
有益的技术效果
采用本发明提供的三维机织复合材料，通过采用三维机织结构代替传统 的风机叶片，并且通过纳米改性添加剂改善纤维/树脂界面的性能，从而改善 风机叶片强度和疲劳特性。
附图说明
图1(a)风机叶片三维正交机织物正视图；
图1(b)风机叶片三维正交机织物整体图。
1-纬纱；2-经纱；3-Z纱。
具体实施方式
本发明提供一种用于风机叶片的复合材料，其结构为三维正交机织结 构，三维正交机织物中经、纬纤维束呈平行排列，由三组两两相互垂直的纱 线即经纱、纬纱及捆绑纱交织而成。三维机织预成形件作为复合材料风机叶 片的增强体，该结构具有尺寸稳定、刚度高、强度高、抗分层、抗损伤的优 点。
本专利设计采用三维正交机织物代替多轴径向经编织物作为复合材料叶 片增强体，如图1所示。三维正交机织物选用经纬纱细度均为800tex玻璃纤 维束，Z纱细度为34tex。经纬密度均为50根/10cm，织物克重3600g/m2， 采用四经五纬结构。
三维正交机织物与多轴向经编织物最大的区别在于织物厚度方向有密集 的Z向捆绑纱。由于捆绑纱的存在，将各层经纱和纬纱约束在一起，结构稳 定，提高了织物的整体性。伸直的面内纱线可以充分提高复合材料沿经纬向 的强度和刚度，而捆绑纱可减慢和阻止复合材料层间裂纹在外界载荷作用下 的扩展，提高复合材料的力学性能。与基体树脂成型的复合材料，在比强 度、比刚度、层间剪切强度、抗冲击损伤容限及弯曲疲劳性能具有其他材料 无可比拟的优越性。
叶片良好的力学性能是保证风机正常运行的先决条件，优良的组份材料 可为其提供支持。由于复合材料失效的主要形式有基体断裂，纤维/基体界 面失效和纤维断裂，其中纤维/基体界面结合强度不高为主要原因。基于 此，通过化学方法对纤维表面改性，从而提高界面结合强度，增强复合材料 整体性能。
复合材料内基体与增强体间的界面相是相互连接，并能传递二者间载荷 的微小区域。界面结合强度过高或过低均会导致材料整体无法有效分散载荷， 力学性能下降，界面改性过程中寻求最佳的结合强度，才能有效改善复合材 料整体力学性能。国内外研究表明，纺织复合材料界面改性主要以树脂改性 和纤维表面处理为主，其中关于纤维表面处理的研究较为常见，主要集中于 通过物理刻蚀、涂层和化学等离子体、偶联处理、接枝改性等方法增强基体 和增强体间的界面结合强度。
纤维材料选用E-玻纤，E-玻纤中碱金属氧化物的含量小于0.1％，且该纤 维具有较好的耐热性、耐水性及力学性能，是生产复合材料增强体的主要原 料，因此选用E-玻纤作为三维正交机织物的纤维材料。但该玻纤表面较为光 滑，与树脂界面结合较弱，在受到较大外部载荷时易发生脱粘现象。本发明 中通过加入纳米改性剂，应用化学方法改善纤维/树脂间的界面结合强度，提 高复合材料力学性能。在纳米改性剂分子内基团分别与树脂和纤维发生反应， 从而提高结合强度。
所采用的纳米改性剂具体为纳米硅烷偶联剂，进一步优选分子式为 Y-R-Si(OCH3)3的硅烷偶联剂，其中X为烷氧基，该基团是与Si相连的无机 末端可水解基团，常见官能团包括甲氧基、乙氧基、异丙氧基等。Y为活性 官能团，该基团可与有机树脂发生反应，常见官能团包括氨基、环氧基、乙 烯基、巯基及脲基等。分子式为Y-R-Si(OCH3)3的硅烷偶联剂对玻纤复合材 料具有较好的处理效果，且根据硅烷偶联剂与树脂的匹配原则，最优选纳米硅烷偶联剂KH-560。
在使用时，选择迁移法在环氧树脂基体和固化剂构成的混合胶液中加入 纳米硅烷偶联剂，添加量为混合胶液总质量的2-4％，优选为3.5％，该添加 比例对玻璃纤维增强体具有很好的改性作用。复合材料成型中树脂选用上纬 (天津)风电材料有限公司提供的风机叶片制造专用环氧树脂2511-1A和固 化剂2511-1BT，以100∶30质量比混合。根据风机叶片成型工艺要求，该基 体树脂具有黏度低、对纤维浸润效果好、胶化时间长、固化后强度高等特性。 复合材料成型选用VARTM成型技术。
KH-560硅烷偶联剂以特殊的分子结构，能够有效提高有机物对无机物 的粘结作用。该偶联剂内部含有三个甲氧基和一个环氧基，特殊的分子结构 决定其具有双重反应性，能够与无机物和有机物同时发生反应。KH560硅烷 偶联剂与环氧树脂都含有环氧基团，且都呈弱酸性，该硅烷偶联剂与环氧树 脂具有较好的相容性。
KH-560硅烷偶联剂与树脂混合液按比例混合后，经充分搅拌，甲氧基 发生水解反应，生成硅醇，部分硅醇自身发生缩合产生少量低聚物，均匀分 散于树脂混合液中。复合成型过程中，由于树脂黏度低，使其与玻璃纤维充 分接触并完全浸润，玻璃纤维中羟基与树脂混合液中硅醇发生反应，形成-Si -O-M共价键(M为玻璃纤维)，充分固定于纤维表面。随着树脂与玻璃纤维 间偶联反应不断发生，偶联剂分子不断聚集并相互缔合包覆于玻璃纤维表面， 经过升温固化，使得树脂形成空间网状结构紧紧包覆玻璃纤维，增强二者界 面结合。玻纤表面羟基主要与偶联剂水解液中大部分硅醇及少量低聚物反应， 反应过程如下所示。
复合材料成型前需对增强体织物进行预处理，将其放入烘箱中120℃处 理2h，去除玻璃纤维拉丝和织造时表面残留的水分和蜡质，为成型时KH-560 偶联剂迁移并结合到纤维表面和树脂浸润纤维提供有利条件。
本发明还提供三维机织复合材料的纤维/树脂界面改性方法，其包括：
第一步，模具准备，先后分别涂抹清洗剂、封孔剂，主要目的是清除模 具表面污垢并对微小气孔缺陷进行密封，使得模具具有较好的密封性，保证 真空成型工艺顺利进行，同时利于模具制作出表面光滑、清洁的板材试样。 模具表面满足工艺要求后，需对表面均匀涂抹脱模剂，主要目的是在树脂与 模具间添加易于剥离的稳定物质，保证树脂与增强体固化成型后，能够快速、 简便地取出完整产品，由于试验中脱模剂为蜡质，应避免模具表面残留过多 脱模剂影响板材试样平整；
第二步，材料铺放，按照所需尺寸对预处理后三维正交机织物和成型辅 助材料进行裁剪，并在模具表面按从下到上的顺序依次铺放三维正交机织物、 脱模布、导流网及真空袋，去除布边多余纤维束及杂物，铺放导流管等材料；
第三步，密封及保压测试，真空成型系统用于材料铺放完成后，采用粘 性密封胶条对整个系统进行密封，由于后期系统内具有较大真空负压，四条 边线进行密封时应分别对胶条进行对折打结处理，避免真空袋过紧破裂。密 封过程中应保证胶条与模具粘贴牢固，杜绝漏气现象，否则将导致板材试样 内孔隙率过高影响最终质量或试验失败。随后进行抽真空处理，真空压力为 -0.095MPa，当其保持稳定时进行保压测试，15min内压力降低不超过-0.006 MPa，则系统密封良好，否则需查找漏气部位再次进行密封处理，直至满足保压条件；
第四步，树脂灌注，将环氧树脂与固化剂按100∶30的质量比进行混合， 并加入称量好的KH-560偶联剂，应用搅拌器搅拌均匀，并进行预抽真空处 理，去除混合液内多余的气泡，降低板材孔隙率，灌注过程中，设定模具温 度为60℃，保证树脂黏度稳定于0.1～0.3Pa.s范围内，该黏度范围内树脂流动 性较好，能够快速、均匀地浸润增强体。灌注完成后，密封树脂管和真空管， 设定固化温度为80℃，保证板材在恒温和真空条件下固化8h；
第五步，板材脱模，复合材料完全固化后，停止加热，使其自然冷却后， 进行脱模处理，获得板材试样。
以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如 何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并 据以实施。
基于偶联剂改性处理增强体织物，分析改性处理对纤维表面和纤维/树脂 界面结合的影响，并采用VARTM(Vacuum assisted resin transfer molding， 真空辅助树脂传递模塑成型)工艺成型三维机织复合材料风机叶片随炉试样。
测试未改性与偶联剂改性三维机织复合材料风机叶片随炉试样的准静态 拉伸、弯曲及面内剪切性能，对比分析试样损伤形貌、不同力学性能变化及 损伤机理。
实施例1界面改性的三维机织复合材料
在模具表面先后分别涂抹清洗剂、封孔剂，脱模剂；按照所需尺寸对预 处理后三维正交机织物和成型辅助材料进行裁剪，并在模具表面按从下到上 的顺序依次铺放三维正交机织物(如图1a和1b所示)、脱模布、导流网及 真空袋，去除布边多余纤维束及杂物，铺放导流管等材料；料铺放完成后， 采用粘性密封胶条对整个系统进行密封，进行抽真空处理，真空压力为 -0.095MPa，当其保持稳定时进行保压测试，15min内压力降低不超过-0.006 MPa，则系统密封良好，否则需查找漏气部位再次进行密封处理，直至满足 保压条件；将环氧树脂2511-1A和固化剂2511-1BT按100∶30的质量比进行 混合，并加入称量好的KH-560偶联剂，偶联剂占混液质量的3.5％应用搅拌 器搅拌均匀，并进行预抽真空处理，灌注过程中，设定模具温度为60℃，设 定固化温度为80℃，保证板材在恒温和真空条件下固化8h；复合材料完全固 化后，停止加热，使其自然冷却后，进行脱模处理，获得板材试样。
比较例未改性三维机织复合材料
采用与实施例1相同的制备方法，区别在于没有使用偶链接KH-560。
KH-560纳米偶联剂改性增强了纤维/基体界面结合强度，与未改性三维 正交机织复合材料相比，经向拉伸强度和弹性模量分别提高了7.15％和 5.88％，纬向拉伸强度和弹性模量分别提高了5.08％和9.87％。弯曲测试中经 向弯曲强度和弯曲模量分别提高了3.36％和2.57％，纬向弯曲强度和弯曲模 量分别提高了3.58％和4.81％。面内剪切测试中剪切强度和剪切模量分别提 高了5.50％和6.12％。
本专利提出的应用纳米KH560硅烷偶联剂粒子改性三维机织复合材料 风机叶片纤维/树脂界面强度，分析改性处理对纤维/树脂界面结合强度的影 响，并将其应用到叶片制造中。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这 种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改， 以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留 的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式 的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更 或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型， 仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于风机叶片的复合材料，其特征在于：结构为三维正交机织结构，三维正交机织物中经、纬纤维束呈平行排列，由三组两两相互垂直的纱线即经纱、纬纱及捆绑纱交织而成。
2.如权利要求1所述的叶片的复合材料，其特征在于：所述三维正交结构为四经五纬结构。
3.如权利要求1或2所述的叶片的复合材料，其特征在于：所述叶片三维机织复合材料的纤维/树脂界面采用纳米硅烷偶联剂改性。
4.如权利要求1至3所述的叶片的复合材料，其特征在于：所述纳米硅烷偶联剂分子式为RSiX3的硅烷偶联剂，其中X为烷氧基，R为活性官能团。
5.权利要求1至4所述三维机织复合材料纤维/树脂界面改性方法，其特征在于，包括：
第一步，模具准备；
第二步，材料铺放；
第三步，密封及保压测试；
第四步，树脂灌注；
第五步，板材脱模。
6.如权利要求5所述的所述三维机织复合材料的成型方法，其特征在于：第二步进一步具体为，按照所需尺寸对预处理后三维正交机织物和成型辅助材料进行裁剪，并在模具表面按从下到上的顺序依次铺放三维正交机织物、脱模布、导流网及真空袋，去除布边多余纤维束及杂物，铺放导流管等材料。
7.如权利要求5或6所述的所述三维机织复合材料的成型方法，其特征在于：所述第四步进一步具体为，将环氧树脂与固化剂按100∶30的质量比进行混合，并加入称量好的KH-560偶联剂，应用搅拌器搅拌均匀，并进行预抽真空处理，去除混合液内多余的气泡，降低板材孔隙率，灌注过程中，设定模具温度为60℃，保证树脂黏度稳定于0.1～0.3Pa.s范围内，该黏度范围内树脂流动性较好，能够快速、均匀地浸润增强体。灌注完成后，密封树脂管和真空管，设定固化温度为80℃，保证板材在恒温和真空条件下固化8h。
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