一种改性玻璃纤维增强树脂层合板及其制备方法与流程

本发明涉及风电机叶片材料领域，特别是涉及一种改性玻璃纤维增强树脂层合板及其制备方法。

背景技术：

随着人口的增长及工业的飞速发展，以及当今的不可再生资源(石油、天然气、金属矿产)的日益减少，迫切需要开发清洁型的可再生能源(风能、太阳能等)来满足当今工业发展进程及生活所需的能量消耗。风能作为一种清洁型的可再生能源，一直受到国内外众多开发机构的关注。风力发电机组可将将风能转化为电能的装置，由风轮、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电气系统等部件构成。近年来，随着风电机组单机容量的不断攀升，风电叶片也在逐渐向大型化、轻量化的方向发展。这也对构成叶片的复合材料强度、刚性、韧性和密度方面提出了更加苛刻的要求。

构成叶片的主要材料包括：层合板、芯材、涂料、粘接剂等，其中层合板的性能是决定叶片承载和寿命的重要因素。目前，国内外风电叶片所用的层合板大多由玻璃纤维和环氧树脂构成。随着风电机组容量的攀升，普通玻纤增强的环氧树脂已经不能满足大功率、大尺寸风电叶片的要求。因此，碳纤维增强材料被逐渐应用于风电领域，但由于生产成本的原因，碳纤维材料并未在风电领域得到大规模应用。

此外，利用玻纤增强环氧树脂复合材料制造风电叶片已有几十年的经验，铺布、灌注和固化工艺都已经非常成熟。如何在原有材料的基础上进行改性，以提高玻璃纤维和环氧树脂的界面结合力，从而有效的提高复合材料的力学性能，一直是风电行业有待突破的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种改性玻璃纤维增强树脂层合板及其制备方法，通过采用硅烷偶联剂高玻璃纤维和环氧树脂的界面结合力，从而有效提高复合材料的力学性能。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种改性玻璃纤维增强树脂层合板，所述层合板由若干层改性玻璃纤维和树脂通过真空灌注工艺浇注而成，所述若干层改性玻璃纤维采用0°/90°或﹢45°/-45°的方向平铺，所述改性玻璃纤维为通过硅烷偶联剂改性的玻璃纤维。

本发明的层合板采用硅烷偶联剂改性玻璃纤维，可以增强玻璃纤维和树脂的表面结合力，以增加复合材料的强度、耐化学性、耐水性及耐候性。

进一步地，所述玻璃纤维采用单轴向、双轴或三轴玻璃纤维。

进一步地，所述玻璃纤维大小为600mm×600mm。

另一方面，提供一种改性玻璃纤维增强树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将玻璃纤维裁剪后放入马弗炉中高温灼烧；

2)将经过高温灼烧的玻璃纤维室温环境冷却，然后浸入硅烷偶联剂溶液中；

3)取出浸泡后的玻璃纤维，将其放入烘箱中在45～55℃烘干，后将烘箱升温至120℃，进行高温处理，使得硅烷偶联剂与玻璃纤维进行化学结合，得到改性玻璃纤维；

4)纤维铺层：将改性玻璃纤维按照0°/90°或﹢45°/-45°的方向均匀平铺；

5)在纤维铺层中采用真空灌注工艺灌注树脂，树脂一般为环氧树脂；

6)灌注完成后，将灌注件保持真空状况升温至70℃，完成树脂固化；

7)固化完成后得到层合板，然后进行脱模及后处理。

本发明采用硅烷偶联剂改性玻璃纤维，并制备偶联剂修饰的玻纤增强树脂复合材料，偶联剂具有双官能团，其中氨基或环氧基官能团可与玻璃纤维形成化学键，而疏水官能团可以树脂结合，旨在提高复合材料的强度、耐化学稳定性及使用寿命，进而提高风电叶片的综合性能。

硅烷偶联剂是一种特殊的低分子有机硅化合物，分子结构式一般为:y-r-si(or)3(式中y—有机官能基,sior—硅烷氧基)。硅烷氧基对无机物具有反应性，对有机物具有反应性或相容性，本发明采用硅烷偶联剂在高温条件下使得偶联剂的硅氧基与玻纤中的羟基结合形成化学键。通过对玻璃纤维改性可以增强玻璃纤维和环氧树脂的界面张力，提高复合材料的强度、耐化学稳定性及使用寿命，进而提高风电叶片的综合性能。

本发明是针对现有纤维增强树脂复合材料中，或存在力学性能差，或存在界面结合力弱的问题，或存在制品白斑、瑕疵等问题。提出一种制备工艺简单、浸润性好、界面结合力强、力学性能优异的玻纤增强树脂复合材料。

进一步地，所述步骤1)中，高温灼烧时间为30-60min。

进一步地，玻璃纤维采用单轴向、双轴或三轴玻璃纤维。

进一步地，玻璃纤维的裁剪大小为600mm×600mm。

进一步地，所述步骤2)中，室温冷却时间为25～35min，浸泡时间为8～15min。

进一步地，所述硅烷偶联剂选用kh-550、kh-560、kh-570、kh-792、dl-602中的一种或多种。

进一步地，所述步骤3)中，烘箱中50℃的烘干40min～1.5h，120℃的高温处理时间为2-4h。

进一步地，所述步骤5)中，真空灌注工艺为：打开真空泵，抽真空，当真空压力表达到-0.9后，关闭真空缓冲阀门，15min后检查模具真空压力表，如压力表示数≤-0.85，则开始真空灌注，将注胶管端口的密封胶去掉，放入按照预定比较配好的树脂桶，开始进胶，直到树脂完全浸润，停止注胶，并保压30min后，再将进胶管对折并取出进胶管。

进一步地，所述步骤6)中，在70℃保温8h。

进一步地，脱模及后处理包括：清除层合板表面的真空辅助材料，并将层合板表面的杂物清理干净，备用。

再一方面，提供一种所述的制备方法制备得到的层合板的应用，用于制作风力发电机的叶片。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明利用硅烷偶联剂改性玻璃纤维，偶联剂具有双官能团，其中氨基或环氧基官能团可与玻璃纤维形成化学键，而疏水官能团可以树脂结合，以提高纤维和树脂的界面结合性能、促进树脂在纤维中的充分浸润，提高树脂与纤维的粘接强度及复合材料的力学性能。且该制备方法简单易行，成本低，对于开发高性能风电叶片复合材料具有较高的应用价值。材料性能测试表明，与未改性的玻纤增强树脂层合板相比，采用偶联剂改性可使得层板的拉伸强度提高20％以上，压缩强度和剪切强度提高15％以上。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的改性玻璃纤维增强树脂层合板的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的工艺流程图；

图3是本发明的硅烷偶联剂的结构式；其中，(a)γ-氨丙基三乙氧基硅烷kh-550,(b)γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷kh-560,(c)γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷,(d)n-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷kh-792,(e)n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷dl-602。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的产品，均在保护范围之内。

本发明提供一种改性玻璃纤维增强树脂层合板的实施例，如图1所示，层合板由若干层改性玻璃纤维1和树脂通过真空灌注工艺浇注而成，若干层改性玻璃纤维采用0°/90°或﹢45°/-45°的方向平铺，改性玻璃纤维为通过硅烷偶联剂改性的玻璃纤维。玻璃纤维可以采用单轴向、双轴或三轴玻璃纤维。玻璃纤维裁剪的大小一般为600mm×600mm。

本发明的层合板采用硅烷偶联剂改性玻璃纤维，可以增强玻璃纤维和树脂的表面结合力，以增加复合材料的强度、耐化学性、耐水性及耐候性。

本发明的制备方法的一个实施例的流程图，如图2、图3所示，可以列举的一个具体实施例如下：

实施例1

第一步，将单轴向玻璃纤维织物剪成600×600mm的方块，并置于马弗炉中，在150℃下灼烧1h，去除表面处理剂。然后将玻纤取出并室温放置30min,再将其浸入1wt.％kh550氨基硅烷偶联剂水溶液中，浸泡10min，取出浸泡后的玻璃纤维，将其放入烘箱中在50℃烘干1h，后将将烘箱升温至120℃，并高温处理2-4h。在干燥过程中，kh-550会发生水解作用，并与玻璃纤维形成o-si-o键。

第二步，采用0°/90°，0°/90°铺层方式将单轴布两端纤维对齐，均匀平整的铺在制样台上。

第三步，打开真空泵，抽真空，当真空压力表达到-0.9后，关闭真空缓冲阀门，15min后检查模具真空压力表，如压力表示数≤-0.85，则注胶管端口的密封胶去掉，放入按照预定比较配好的树脂桶，开始进胶，直到树脂完全浸润时，停止注胶，并保持30min后，再将进胶管对折并取出进胶管。

第四步，灌注完成后，将灌注件保持真空状况并升温至70℃保温8h，以完成树脂固化。

第五步，固化完成后，清除层合板表面的真空辅助材料，并将层合板表面的杂物清理干净，备用。

与未改性的层合板相比，本实施例所制备的层合板，0°拉伸强度提高了21％(1280mpav.s.1059mpa)，0°压缩强度提高了18％(1017mpav.s.862mpa)，面内剪切强度提高了16％(54.7mpav.s.47.2mpa)。

实施例2

第一步，将单轴向玻璃纤维织物剪成600×600mm的方块，并置于马弗炉中，在150℃下灼烧1h，去除表面处理剂。然后将玻纤取出并室温放置30min,再将其浸入1wt.％kh-560环氧基硅烷偶联剂水溶液中，并加入少量醋酸调节溶液ph值5.5，浸泡10min，取出浸泡后的玻璃纤维，将其放入烘箱中在50℃烘干1h，后将烘箱升温至120℃，并高温处理2-4h。

第二步，采用0°/90°，0°/90°铺层方式将单轴布两端纤维对齐，均匀平整的铺在制样台上。

第三步，打开真空泵，抽真空，当真空压力表达到-0.9后，关闭真空缓冲阀门，15min后检查模具真空压力表，如压力表示数≤-0.85，则将注胶管端口的密封胶去掉，放入按照预定比较配好的树脂桶，开始进胶，直到树脂完全浸润时，停止注胶，并保持30min后，再将进胶管对折并取出进胶管。

第四步，灌注完成后，将灌注件保持真空状况并升温至70℃保温8h，以完成树脂固化。

第五步，固化完成后，清除层合板表面的真空辅助材料，并将层合板表面的杂物清理干净，备用。

与未改性的层合板相比，本实施例所制备的层合板，0°拉伸强度提高了23％(1302mpav.s.1059mpa)，0°压缩强度提高了19％(1025mpav.s.862mpa)，面内剪切强度提高了15％(54.3mpav.s.47.2mpa)。

上述实施例中，将硅烷偶联剂的种类，替换为kh-550、kh-560、kh-570、kh-792、dl-602中的一种或多种，也能获得较好的结果。

本发明的目的是，提高当今风电叶片所用的玻纤增强树脂复合材料力学性能，解决树脂与玻纤之间的界面结合力弱，以及树脂浸润差等问题。

本发明采用硅烷偶联剂处理玻璃纤维，有效的提高了树脂与纤维之间的浸润性，避免制品中出现白斑和缺陷的概率。同时，偶联剂的引入显著改善了玻纤与树脂之间的界面结合力，从而大幅度提高了复合材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能。经硅烷偶联剂改性后，该层合板的0°拉伸强度提高了20％以上，0°压缩强度提高了15％以上，面内剪切强度提高了15％以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。