风能织物用无碱玻纤直接纱的浸润剂 (一)技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维增强热固性树脂技术，特别是一种风能织物用无碱玻纤直接纱的浸润剂。
(二)背景技术
风力发电因能取代有限资源且较其它大型再生能源如太阳能、生质原料、水力等更具价格优势故受到重用，发展极为迅速。风机设备是风电项目投资的主要部分，约占60％-80％，而叶片是风机设备的最主要部分。叶片的设计及选材决定发电性能与功率，目前风力叶片已是100％的复材产品，此决定了复材工业成为风力发电装置中的枢纽地位。恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。
今天选择的材料以E-玻纤增强塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，研究表明，碳纤维(carbon fiber，简称CF)复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电上的大范围应用。故采用玻璃纤维增强的FRP材料已经作为目前风能领域应用及研究的主题。
作为风力叶片各结构件的选择性增强，一般需要对玻璃纤维加工成单向或多轴向织物。因此玻纤纱首先需要具备优良的织造性能，如织造过程中低毛羽等要求。此外，需适合目前风力叶片主流的成型工艺：即与环氧基体树脂相容性好，渗透速度快，适合真空辅助树脂灌注成型工艺。最主要的是要求玻璃纤维制品具备优异的机械性能。一般性能要求如下(玻纤含量均为65％)：
·拉伸性能(按照ASTMD2343测试方法)：拉伸强度≥2400MPa，拉伸模量≥79GPa；
·剪切性能(按照ISO3597测试方法)：剪切强度≥55MPa，剪切模量≥26GPa；
·弯曲性能(按照ISO3597测试方法)：弯曲强度≥950MPa，弯曲模量≥35GPa；
·压缩性能(按照ISO3597测试方法)：压缩强度≥650MPa；
为此在采用E玻璃成分不变的前提下，需通过研制一种新型的浸润剂：要能和环氧树脂具备优良的相容性，提高界面结合的效果，以达到机械性能标准的要求。
(三)发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种风能织物用无碱玻纤直接纱的浸润剂，采用该浸润剂生产的直接无捻粗纱，不但具备优异的织造性能，而且要求能与环氧树脂相容性好、渗透性好，并且能使制品的机械性能高，满足标准的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种风能织物用无碱玻纤直接纱的浸润剂，所述浸润剂由偶联剂、润滑剂、成膜剂A、成膜剂B、pH值调节剂、抗静电剂和去离子水制成，所述浸润剂的固体质量占浸润剂总质量的5～10％，余量为水(包括原料自身带的水加上配制浸润剂加入的去离子水)；所述偶联剂采用硅烷偶联剂；所述润滑剂采用水溶性的PEG类润滑剂；所述成膜剂A采用环氧树脂乳液A，所述环氧树脂乳液A中的环氧树脂的环氧当量在180～300；所述成膜剂B采用环氧树脂乳液B，所述环氧树脂乳液B中的环氧树脂的环氧当量在500～1500；所述抗静电剂采用水溶性的有机盐类抗静电剂；所述pH值调节剂采用酸；所述浸润剂的各组分以其固含量计占浸润剂固体质量的比例如下：
偶联剂 5～13％
润滑剂 5～15％
成膜剂A 10～75％
成膜剂B 10～75％
成膜剂A+成膜剂B 65～85％
抗静电剂 0.5～2％
pH值调节剂 1～5％
进一步，本发明优选所述浸润剂中各组分以其固含量计占浸润剂固体质量的比例如下：
偶联剂 7～12％
润滑剂 8～12％
成膜剂A 20～50％
成膜剂B 21～51％
成膜剂A+成膜剂B 71～80％
抗静电剂 0.5～1.5％
pH值调节剂 2～4％
本发明所述浸润剂的pH值在2～8，优选pH值在3～7。
本发明所述的偶联剂一般采用硅烷偶联剂，本发明适用的硅烷偶联剂可选用的产品牌号有A-172，A-174，A-1100、A-187等。偶联剂的作用，不但在拉丝过程保护纤维，而且在与基体树脂偶联，起玻璃纤维和基体树脂间的偶联作用，因此是影响玻璃纤维强度以及玻璃钢制品强度的关键，合适的偶联剂选择，可以使生产出来的FRP产品具有更好的机械性能。在浸润剂中，硅烷偶联剂的使用量一般占浸润剂固体质量地3～20％，为保证有足够的含量，起到保护纤维和偶联作用。本发明优选硅烷偶联剂的用量为浸润剂固体质量的5～13％，更优选7～12％。
本发明使用的润滑剂可采用水溶性的有机化合物，特别是PEG类润滑剂，如PEG400、PEG600、PEG1000、PEG3000等。一般采用的使用量为浸润剂固体质量的3～20％，润滑剂的用量以满足玻璃纤维在拉丝、后处理、使用过程的润滑效果为标准，设计的原则是够用就可，太多的润滑剂会影响原丝间的粘结效果，并且会影响最终玻璃钢制品的机械性能，本发明优选所述润滑剂的用量为浸润剂固体质量的5～15％，更优选8～12％。
本发明的成膜剂A、成膜剂B作为浸润剂的主要成分起到保护纤维，并且对最终制品的机械强度起着决定性的影响。通常可选用的成膜剂有环氧类乳液、聚酯类乳液等。需在以上几类成膜剂中挑选合适的种类。一般比较常用的成膜剂配合(成膜剂A/成膜剂B)：环氧/环氧，环氧/聚酯，聚酯/聚酯。为了提高与环氧树脂的相容性，达到机械强度高的要求，本发明采用环氧/环氧的配合，即采用两种环氧树脂乳液组合使用，其中环氧树脂乳液A中的环氧树脂的当量相对较小，一般可在180～300，优选当量在200～300；环氧树脂乳液B中环氧树脂的当量相对较大，一般可在500～1500，优选当量在500～800。本发明优选环氧树脂乳液A的用量以其固含量计为浸润剂固体质量的20～50％，优选环氧树脂乳液B的用量以其固含量计为浸润剂固体质量的21～51％，优选环氧树脂乳液A和环氧树脂乳液B的总用量以它们的固含量计为浸润剂固体质量的71～80％。本发明采用不同当量的环氧乳液搭配使用，主要是考虑到玻璃纤维纱的集束性、及纱质、浸透性：一般使用环氧当量小的乳液，对应的玻纤纱质软，集束性差些；而使用环氧当量大的乳液，对应的玻纤纱质硬，集束性好、浸透性略差。两者搭配使用，可以起到提高玻璃纤维的耐磨性、改善浸透性，提高机械强度的作用。这样的组合可保证玻璃纤维与环氧树脂具备良好的浸透、优越的机械强度。本发明所述的环氧树脂乳液可使用市售商品。
本发明的抗静电剂采用水溶性有机盐类抗静电剂，所述的有机盐类抗静电剂可使用有机季铵盐类、咪唑啉等，有机盐类抗静电剂可使用市售商品，比如所述的有机季铵盐可选用1631、1827、1227等型号的商品。抗静电剂涂覆在玻纤表面，能通过吸收空气的水分，形成导电通路，从而消除玻璃纤维在纺织过程中产生的静电，但是用量不易太多，否则会导致产品易吸潮，影响最终制品的机械性能。本发明优选所述的抗静电剂的使用量为浸润剂固体质量的0.5～1.5％。
本发明的pH调节剂采用酸，有机酸或无机酸均可，如可使用柠檬酸、醋酸、甲酸、乙酸、硼酸等，优选醋酸。浸润剂中的偶联剂的分散需要在一定的pH条件下水解，具体看偶联剂的种类和分散要求。配制好的浸润剂，一般要求在一定的pH范围存储和使用，pH值的范围一般可在2～8，通常会在3～7之间的酸性环境。
本发明风能织物用无碱玻纤直接纱的浸润剂的配制方法包括以下步骤：在一个干净的容器中加入一半总量去离子水，然后再加入浸润剂成分中酸的量，充分搅拌3～5分钟后，再缓慢加入浸润剂成分中的硅烷偶联剂，持续搅拌25～30分钟；浸润剂成分中的润滑剂在3倍于其量的温去离子水(40～50℃)中充分搅拌稀释后加入容器；浸润剂成分中成膜剂A、成膜剂B分别采用成膜剂量的3倍水进稀释；浸润剂成分中的抗静电剂采用3倍于其量的热去离子水(80～90℃)中充分搅拌稀释后加入容器，若浸润剂pH值不能达到最佳范围，加入适量的酸进行调整并搅拌均匀，直至pH值达到最佳范围。
本发明玻璃纤维的L.O.I(玻璃纤维的可燃物含量，即浸润剂涂附在玻璃纤维上的量占玻璃纤维质量的比例，下同)一般控制在0.5～1.0％，具体的值需要根据原料本身的性能，从产品需要达到的性能指标和实验测试结果来看，L.O.I在0.5～0.9％生产的产品，机械强度能够满足要求。
与现有技术相比，本发明所述的浸润剂能与环氧树脂相容性好、渗透性好，并且能使制品的机械性能高，从而满足市场及应用需求。
(四)具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体的说明，但本发明的内容并不受以下实施例的任何制约。
本发明实施例使用的浸润剂各组分如下：
所述偶联剂使用环氧基硅烷偶联剂，产品牌号为A-187；
所述润滑剂使用PEG1000；
所述成膜剂A使用环氧树脂乳液A，牌号：Neoxil 965D(生产厂家：荷兰DSM公司)；
所述成膜剂B采用环氧树脂乳液B，牌号为DSM JS129(生产厂家：荷兰DSM公司)；
所述抗静电剂采用有机季铵盐1631；
所述pH值调节剂采用醋酸。
本发明实施例中，水的含量占浸润剂总质量的95％，下面是一些配方的实例和测试结果，其中的数值均为各组分以其固含量计占浸润剂固体质量的百分比。
从以上的配方测试实例，我们可以从中看出，通过对组分和组分含量的设计，我们可以得到合乎要求的浸润剂，其中尤以实例3、4、5效果更佳。
本发明实施例根据风能织物用无碱玻纤直接纱的技术特点，通过浸润剂原料的选择，配方的优化，采用合适的玻璃纤维生产工艺，生产出满足该领域需求的无碱玻璃纤维直接纱产品。