CN112226045A - 一种耐老化风机叶片复合材料制备方法 - Google Patents
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种耐老化风机叶片复合材料制备方法；涉及风机技术领域，包括以下步骤：（1）改性木质素；（2）氧化石墨烯；（3）复合处理；（4）环氧树脂复合；本发明方法制备的风机叶片复合材料不仅具有优异的力学性能，同时，还具有优异的耐老化性能。
Description
技术领域
本发明属于风机技术领域，特别是一种耐老化风机叶片复合材料制备方法。
背景技术
在当今不可再生能源日渐短缺、气候急剧变化、环境日益恶化的全球背景下，风能作为可再生、绿色环保能源受到各国高度关注，也将是我国当前新能源利用的主要方向，也是未来电力的先进生产力。按叶片造价在总机中占1/4成本计算，未来15年中国风机叶片的国内市场规模将超过500亿元。“十一五”规划明确提出，新建的风电场的风机叶片等风电设备的国产化率必须达到70%以上， 因此， 仅十几年里风能发电在我国有相当大的发展空间，形成了当前国内的风电热。
风机在长时间工作后，其叶片会出现老化，性能降低的现象出现，无法继续承受高速旋转带来的冲击，因此，需要对其性能进行改进，以提高其耐老化性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，以解决现有技术中的不足。
本发明采用的技术方案如下：
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至130-140℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至68-70℃，以150r/min转速搅拌8-10小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；
将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在60-65℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；
将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌30-40min，即得。
所述氢氧化钠溶液质量分数为5-7%。
所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为80-120g：400mL。
所述惰性环境为氮气或氦气气氛。
所述盐酸质量分数为0.1%；
真空干燥箱中干燥温度为40℃。
所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为10-12:50-52:15-18；
所述双氧水质量分数为10%。
所述氧化石墨烯分散液质量分数为4-6%；
所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1-1.8:35。
所述复合料分散液质量分数为9.5-10%；
将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:68-75。
所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:3-6:40。
环氧树脂采用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺；
本发明制备的复合材料中含有环氧基、醚键、羟基、胺键、酯键等，这些基团都具有较大的活性，通过这些活性基团再固化时，形成结构更加致密的风机叶片基体，同时，其固化收缩率较低，固化时，体积减少仅仅0.9%左右，通过其较低的固化率，能够使得制备的风机叶片具有更好的尺寸稳定性。
本发明制备的复合环氧树脂与硬脂酸、固化剂混合后，发生化学反应，产生了聚合和交联反应，形成高度交联的三维网络状的固化物，本发明通过以复合环氧树脂、硬脂酸和固化剂进行结合，低分子量的聚合物链相互连接，形成一个巨大的三维交联分子链网络结构，单体之间相互连接、交联，形成更大的聚合物链，完全固化后，形成一个密集网络结构，在网络点之间在还有几个单体，这种紧密的交联网络结构使得复合材料表现出优异的性能。
本发明通过以改性木质素与氧化石墨烯相结合，形成复合料，通过复合料与环氧树脂相结合，在三维网络结构中形成网络点，环氧树脂中含有的多种活性基团与复合料之间形成化学键，促进网络结构稳定性的提高，从而表现出更好的耐老化性能。
有益效果：
本发明方法制备的风机叶片复合材料具有优异的耐磨性能，通过向环氧树脂中引入石墨烯，能够显著的改善环氧树脂的耐磨性能，但是，由于单纯的石墨烯分散性较差，易于聚集，导致其对环氧树脂耐磨性提升效果有限，因此，本发明通过对石墨烯进行氧化处理，然后再将改性木质素与氧化石墨烯相结合，进而极大的降低了纯石墨烯易于聚集的弊端，极大的提高了其分散性，能够更好更均匀的在环氧树脂体系中分散，同时，还能够与环氧树脂分子之间结合更加紧密，大幅度的提高了环氧树脂的耐磨性能。
本发明方法制备的风机叶片复合材料不仅具有优异的力学性能，同时，还具有优异的耐老化性能。
具体实施方式
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至130-140℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至68-70℃，以150r/min转速搅拌8-10小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；
将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在60-65℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；
将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌30-40min，即得。
所述氢氧化钠溶液质量分数为5-7%。
所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为80-120g：400mL。
所述惰性环境为氮气或氦气气氛。
所述盐酸质量分数为0.1%；
真空干燥箱中干燥温度为40℃。
所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为10-12:50-52:15-18；
所述双氧水质量分数为10%。
所述氧化石墨烯分散液质量分数为4-6%；
所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1-1.8:35。
所述复合料分散液质量分数为9.5-10%；
将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:68-75。
所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:3-6:40。
环氧树脂采用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺。
下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至130℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；所述氢氧化钠溶液质量分数为5%。所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为80g：400mL。所述惰性环境为氮气气氛。所述盐酸质量分数为0.1%；真空干燥箱中干燥温度为40℃。
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为10:50:15；所述双氧水质量分数为10%。
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至68℃，以150r/min转速搅拌8小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；所述氧化石墨烯分散液质量分数为4%；所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1:35。
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在60℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌30min，即得。所述复合料分散液质量分数为9.5%；将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:68。所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:3:40，环氧树脂采用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺。
实施例2
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至140℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；所述氢氧化钠溶液质量分数为7%。所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为120g：400mL。所述惰性环境为氦气气氛。所述盐酸质量分数为0.1%；真空干燥箱中干燥温度为40℃。
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为12:52:18；所述双氧水质量分数为10%。
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至70℃，以150r/min转速搅拌10小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；所述氧化石墨烯分散液质量分数为6%；所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1.8:35。
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在65℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌40min，即得。所述复合料分散液质量分数为10%；将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:75。所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:6:40，环氧树脂才用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺。
实施例3
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至132℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；所述氢氧化钠溶液质量分数为5.5%。所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为90g：400mL。所述惰性环境为氮气气氛。所述盐酸质量分数为0.1%；真空干燥箱中干燥温度为40℃。
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为11.2:51:16；所述双氧水质量分数为10%。
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至68.5℃，以150r/min转速搅拌9小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；所述氧化石墨烯分散液质量分数为5%；所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1.5:35。
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在62℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌35min，即得。所述复合料分散液质量分数为9.8%；将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:70。所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:4:40，环氧树脂采用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺。
实施例4
一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至136℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；所述氢氧化钠溶液质量分数为5.8/%。所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为100g：400mL。所述惰性环境为氮气气氛。所述盐酸质量分数为0.1%；真空干燥箱中干燥温度为40℃。
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40min，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为12:51.8:16；所述双氧水质量分数为10%。
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至69.3℃，以150r/min转速搅拌9小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；所述氧化石墨烯分散液质量分数为5.4%；所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1.5:35。
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在62.5℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌30-40min，即得。所述复合料分散液质量分数为9.8%；将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:72。所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:4.3:40，环氧树脂采用E-44(6101)型双酚A型环氧树脂，环氧当量为232g/eq；固化剂采用二乙烯三胺。
试验
耐磨性能检测：采用HT-100的摩擦磨损试验机进行，试样尺寸采用30mm×30mm×5mm，摩擦材料采用直径为5mm的轴承钢球，试验机转速为220r/min，载荷为1500g，室温条件下，摩擦50min，通过摩擦前后质量与摩擦时间，计算磨损率（每组试样5次，取平均值）；
表1
| 20min磨损率% | |
| 实施例1 | 0.0314 |
| 实施例2 | 0.0388 |
| 实施例3 | 0.0281 |
| 实施例4 | 0.0235 |
| 对比例1 | 0.0563 |
| 对照组 | 0.0872 |
对比例1：与实施例1区别为复合料替换为等量纯石墨烯；
对照组：纯环氧树脂；
由表1可以看出，本发明方法制备的复合材料具有优异的耐磨性能，通过向环氧树脂中引入石墨烯，能够显著的改善环氧树脂的耐磨性能，但是，由于单纯的石墨烯分散性较差，易于聚集，导致其对环氧树脂耐磨性提升效果有限，因此，本发明通过对石墨烯进行氧化处理，然后再将改性木质素与氧化石墨烯相结合，进而极大的降低了纯石墨烯易于聚集的弊端，极大的提高了其分散性，能够更好更均匀的在环氧树脂体系中分散，同时，还能够与环氧树脂分子之间结合更加紧密，大幅度的提高了环氧树脂的耐磨性能。
采用万能拉伸试验机在室温下进行拉伸试验，每组5个试样，试样长为60mm、宽为15mm，厚度为3mm，标距为55mm，拉伸速率为0.5mm/min，拉伸的最大载荷为5kN；
表2
| 拉伸强度MPa | |
| 实施例1 | 54.68 |
| 实施例2 | 53.34 |
| 实施例3 | 55.07 |
| 实施例4 | 57.21 |
| 对比例1 | 46.38 |
| 空白对照组 | 29.83 |
对比例1：与实施例1区别为复合料替换为等量纯石墨烯；
空白对照组：纯环氧树脂；
由表2可以看出，本发明方法制备的风机叶片材料具有优异的拉伸性能，通过显著提高其拉伸性能，进而能够促进提高其使用寿命。
湿热老化试验：
将实施例与对比例相同规格的试样置于温度为75℃，空气相对湿度为100%环境下，放置，每隔10h称量一次，直至质量不在变化后，取出，进行拉伸性能检测，对比，各组拉伸强度损失率（每组试样5次，取平均值）；
表3
| 拉伸强度损失率% | |
| 实施例1 | 4.21 |
| 实施例2 | 4.38 |
| 实施例3 | 4.05 |
| 实施例4 | 3.87 |
| 对比例1 | 6.37 |
| 空白对照组 | 18.24 |
对比例1：与实施例1区别为复合料替换为等量纯石墨烯；
空白对照组：纯环氧树脂；
由表3可以看出，本发明方法制备的风机材料具有优异的耐老化性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）改性木质素：
配制氢氧化钠溶液，然后再将木质素添加到氢氧化钠溶液中，以500r/min转速搅拌40min，再在惰性环境下，调节温度至130-140℃，保温反应35min，然后再采用盐酸析出木质素，经过蒸馏水清洗至中性，在真空干燥箱中进行干燥处理，即得；
（2）氧化石墨烯：
将石墨烯均匀分散到去离子水中，然后再添加双氧水，搅拌反应40mi，再进行抽滤，烘干至恒重，得到氧化石墨烯；
（3）复合处理：
将氧化石墨烯均匀分散到去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后再将改性木质素添加到氧化石墨烯分散液中，调节温度至68-70℃，以150r/min转速搅拌8-10小时，然后再进行冷冻干燥，得到复合料；
（4）环氧树脂复合：
将复合料均匀分散到无水乙醇中，得到复合料分散液；
将复合料分散液与环氧树脂依次添加到搅拌机中，在60-65℃水浴保温下，搅拌2小时，然后再进行旋蒸去除乙醇，得到混合料；
将混合料、硬脂酸、固化剂混合到一起，搅拌均匀，以200r/min转速搅拌30-40min，即得。
2.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液质量分数为5-7%。
3.根据权利要求2所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述木质素、氢氧化钠溶液混合比例为80-120g：400mL。
4.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述惰性环境为氮气或氦气气氛。
5.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述盐酸质量分数为0.1%；
真空干燥箱中干燥温度为40℃。
6.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述石墨烯、去离子水、双氧水混合质量比为10-12:50-52:15-18；
所述双氧水质量分数为10%。
7.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯分散液质量分数为4-6%；
所述改性木质素与氧化石墨烯分散液混合质量比为1-1.8:35。
8.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述复合料分散液质量分数为9.5-10%；
将复合料分散液与环氧树脂质量比为10:68-75。
9.根据权利要求1所述的一种耐老化风机叶片复合材料制备方法，其特征在于：所述混合料、硬脂酸、固化剂混合质量比为：100:3-6:40。
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