【摘 要】
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近年来,碳纤维复合材料(CFRP)蓬勃发展,2021年的全球碳纤维需求已经达到11.8万吨并保持10.4%的高速增长。其中风电行业需求占比28%,稳居第一。拉挤工艺因其自动化程度高、成本低、产品长度不受限,成品质量可控等优势成为风电叶片碳梁最主要的生产工艺。热固性环氧树脂因其优异的机械性能、耐热性和耐溶剂性能等优点,广泛用于风电叶片碳梁基体。然而,风电叶片使用寿命只有15~20年左右,环氧树脂高度
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近年来,碳纤维复合材料(CFRP)蓬勃发展,2021年的全球碳纤维需求已经达到11.8万吨并保持10.4%的高速增长。其中风电行业需求占比28%,稳居第一。拉挤工艺因其自动化程度高、成本低、产品长度不受限,成品质量可控等优势成为风电叶片碳梁最主要的生产工艺。热固性环氧树脂因其优异的机械性能、耐热性和耐溶剂性能等优点,广泛用于风电叶片碳梁基体。然而,风电叶片使用寿命只有15~20年左右,环氧树脂高度交联、不溶不熔的网络结构使得风电叶片损伤修复、回收利用困难重重。目前大多采用机械回收、热处理、化学回收等低效、耗能、高成本的方式处理废弃风电叶片碳梁。从环保和可持续发展的角度出发,开发具有可回收功能的环氧树脂是解决风电叶片回收再利用的一个重要途径。2011年,Leibler教授利用锌离子催化酯交换反应构建了一种具有热塑性高分子性质的热固性树脂,命名为Vitrimer(固塑体)。这一发现为热固性复合材料的回收指引了新的方向。近年来固塑体体系不断发展丰富,新的结构和催化剂不断涌现,但绝大部分都停留在实验室阶段,其实际应用和产业化研究比较欠缺,目前市场上还未有成熟的固塑体产品。本文立足于当前CFRP市场和固塑体的研究现状,以商业风电叶片拉挤碳梁基体环氧树脂体系为参照样,利用酯交换构建可代替的固塑体并制备,系统地研究了其各项性能,并对其拉挤工艺条件进行了拟合,进一步将该新型固塑体推向产业化。本文的研究主要分为以下三个方面:(1)基于市售风电叶片拉挤碳梁用环氧酸酐树脂体系,探究了不同促进剂含量对树脂体系粘度,固化动力学及浇注体性能的影响。研究发现促进剂含量对于树脂体系的粘度和凝胶时间影响较为明显。通过非等温DSC探究了不同配方的固化动力学,建立了固化动力学模型,确定了工艺窗口,对于固化机理有了更深入的了解。不同促进剂配方的固化动力学略有差异,浇注体的热机械性能及力学性能存在最优配比,以此为参照样。(2)基于参照样环氧树脂和酸酐固化剂,通过对比优化从四种催化剂中选取三羟基胺(TEOA)制备了综合性能媲美参照样的固塑体。该固塑体在高温下易松弛,耐溶剂性好,有良好的形状记忆、可修复、可焊接和可回收性能。进一步探究了该新型固塑体的拉挤工艺条件,结果表明其与参照样固化特征类似,工艺条件接近,满足实际生产要求。(3)利用手糊-热压成型工艺制备了参照样和新型环氧固塑体的两种环氧树脂基CFRP,对比了拉伸、弯曲性能,两者结果基本相同。利用乙二醇降解回收碳纤维,对回收前后的碳纤维进行SEM微观形貌,拉曼光谱,单纤维强力测试分析,结果表明回收后的碳纤维拉伸强度保持率为94%,表面光洁度好,无树脂残留,无损伤,石墨化程度与回收前相同,基本实现碳纤维的无损回收。
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