風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑

《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》是巨石集團有限公司於2009年12月29日申請的發明專利，該專利的申請號為2009101556574，公布號為CN101734869A，公布日為2010年6月16日，發明人是張毓強、米娜、張燕、費其鋒。

《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》所述浸潤劑由偶聯劑、潤滑劑、成膜劑A、成膜劑B、pH值調節劑、抗靜電劑和去離子水製成，所述浸潤劑的固體質量占浸潤劑總質量的5～10％，餘量為水；所述成膜劑A採用環氧樹脂乳液A，所述環氧樹脂乳液A中的環氧樹脂的環氧當量在180～300；所述成膜劑B採用環氧樹脂乳液B，所述環氧樹脂乳液B中的環氧樹脂的環氧當量在500～1500。所述浸潤劑的各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的比例如下：偶聯劑5～13％，潤滑劑5～15％，成膜劑A10～75％，成膜劑B10～75％，成膜劑A+成膜劑B65～85％，抗靜電劑0.5～2％，pH值調節劑1～5％。

2014年11月6日，《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

基本介紹

• 中文名：風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑
• 公布號：CN101734869A
• 公布日：2010年6月16日
• 申請號：2009101556574
• 申請日：2009年12月29日
• 申請人：巨石集團有限公司
• 地址：浙江省桐鄉市經濟開發區文華南路669號
• 發明人：張毓強、米娜、張燕、費其鋒
• 分類號：C03C25/36（2006.01）I
• 代理機構：杭州天正專利事務所有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：黃美娟、王兵

專利背景

風力發電因能取代有限資源且較其它大型再生能源如太陽能、生質原料、水力等更具價格優勢故受到重用，發展極為迅速。風機設備是風電項目投資的主要部分，約占60％-80％，而葉片是風機設備的最主要部分。葉片的設計及選材決定發電性能與功率，2009年12月前風力葉片已是100％的復材產品，此決定了復材工業成為風力發電裝置中的樞紐地位。惡劣的環境和長期不停地運轉，對葉片的要求有：比重輕且具有最佳的疲勞強度和機械性能，能經受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好；發電成本較低，維護費用最低。

今天選擇的材料以E-玻纖增強塑膠（GFRP）居多，2009年12月前已開始採用碳纖維複合材料（CFRP），研究表明，碳纖維（carbonfiber，簡稱CF）複合材料葉片剛度是玻璃鋼複合葉片的兩至三倍。雖然碳纖維複合材料的性能優於玻璃纖維複合材料，但價格昂貴，影響了它在風力發電上的大範圍套用。故採用玻璃纖維增強的FRP材料已經作為風能領域套用及研究的主題。

作為風力葉片各結構件的選擇性增強，一般需要對玻璃纖維加工成單向或多軸向織物。因此玻纖紗首先需要具備優良的織造性能，如織造過程中低毛羽等要求。此外，需適合2009年12月前風力葉片主流的成型工藝：即與環氧基體樹脂相容性好，滲透速度快，適合真空輔助樹脂灌注成型工藝。最主要的是要求玻璃纖維製品具備優異的機械性能。一般性能要求如下（玻纖含量均為65％）：拉伸性能（按照ASTMD2343測試方法）：拉伸強度≥2400兆帕，拉伸模量≥79吉帕；剪下性能（按照ISO3597測試方法）：剪下強度≥55兆帕，剪下模量≥26吉帕；彎曲性能（按照ISO3597測試方法）：彎曲強度≥950兆帕，彎曲模量≥35吉帕；壓縮性能（按照ISO3597測試方法）：壓縮強度≥650兆帕。

為此在採用E玻璃成分不變的前提下，需通過研製一種新型的浸潤劑：要能和環氧樹脂具備優良的相容性，提高界面結合的效果，以達到機械性能標準的要求。

發明內容

專利目的

《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》所要解決的技術問題是提供一種風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，採用該浸潤劑生產的直接無捻粗紗，不但具備優異的織造性能，而且要求能與環氧樹脂相容性好、滲透性好，並且能使製品的機械性能高，滿足標準的要求。

技術方案

《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》所述浸潤劑由偶聯劑、潤滑劑、成膜劑A、成膜劑B、pH值調節劑、抗靜電劑和去離子水製成，所述浸潤劑的固體質量占浸潤劑總質量的5～10％，餘量為水（包括原料自身帶的水加上配製浸潤劑加入的去離子水）；所述偶聯劑採用矽烷偶聯劑；所述潤滑劑採用水溶性的PEG類潤滑劑；所述成膜劑A採用環氧樹脂乳液A，所述環氧樹脂乳液A中的環氧樹脂的環氧當量在180～300；所述成膜劑B採用環氧樹脂乳液B，所述環氧樹脂乳液B中的環氧樹脂的環氧當量在500～1500；所述抗靜電劑採用水溶性的有機鹽類抗靜電劑；所述pH值調節劑採用酸；所述浸潤劑的各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的比例如下：偶聯劑5～13％；潤滑劑5～15％；成膜劑A10～75％；成膜劑B10～75％；成膜劑A+成膜劑B65～85％；抗靜電劑0.5～2％；pH值調節劑1～5％。

進一步，該發明優選所述浸潤劑中各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的比例如下：偶聯劑7～12％；潤滑劑8～12％；成膜劑A20～50％；成膜劑B21～51％；成膜劑A+成膜劑B71～80％；抗靜電劑0.5～1.5％；pH值調節劑2～4％。

該發明所述浸潤劑的pH值在2～8，優選pH值在3～7。

該發明所述的偶聯劑一般採用矽烷偶聯劑，該發明適用的矽烷偶聯劑可選用的產品牌號有A-172，A-174，A-1100、A-187等。偶聯劑的作用，不但在拉絲過程保護纖維，而且在與基體樹脂偶聯，起玻璃纖維和基體樹脂間的偶聯作用，因此是影響玻璃纖維強度以及玻璃鋼製品強度的關鍵，合適的偶聯劑選擇，可以使生產出來的FRP產品具有更好的機械性能。在浸潤劑中，矽烷偶聯劑的使用量一般占浸潤劑固體質量的3～20％，為保證有足夠的含量，起到保護纖維和偶聯作用。該發明優選矽烷偶聯劑的用量為浸潤劑固體質量的5～13％，更優選7～12％。

該發明使用的潤滑劑可採用水溶性的有機化合物，特別是PEG類潤滑劑，如PEG400、PEG600、PEG1000、PEG3000等。一般採用的使用量為浸潤劑固體質量的3～20％，潤滑劑的用量以滿足玻璃纖維在拉絲、後處理、使用過程的潤滑效果為標準，設計的原則是夠用就可，太多的潤滑劑會影響原絲間的粘結效果，並且會影響最終玻璃鋼製品的機械性能，該發明優選所述潤滑劑的用量為浸潤劑固體質量的5～15％，更優選8～12％。

該發明的成膜劑A、成膜劑B作為浸潤劑的主要成分起到保護纖維，並且對最終製品的機械強度起著決定性的影響。通常可選用的成膜劑有環氧類乳液、聚酯類乳液等。需在以上幾類成膜劑中挑選合適的種類。一般比較常用的成膜劑配合（成膜劑A/成膜劑B）：環氧/環氧，環氧/聚酯，聚酯/聚酯。為了提高與環氧樹脂的相容性，達到機械強度高的要求，該發明採用環氧/環氧的配合，即採用兩種環氧樹脂乳液組合使用，其中環氧樹脂乳液A中的環氧樹脂的當量相對較小，一般可在180～300，優選當量在200～300；環氧樹脂乳液B中環氧樹脂的當量相對較大，一般可在500～1500，優選當量在500～800。該發明優選環氧樹脂乳液A的用量以其固含量計為浸潤劑固體質量的20～50％，優選環氧樹脂乳液B的用量以其固含量計為浸潤劑固體質量的21～51％，優選環氧樹脂乳液A和環氧樹脂乳液B的總用量以它們的固含量計為浸潤劑固體質量的71～80％。該發明採用不同當量的環氧乳液搭配使用，主要是考慮到玻璃纖維紗的集束性、及紗質、浸透性：一般使用環氧當量小的乳液，對應的玻纖紗質軟，集束性差些；而使用環氧當量大的乳液，對應的玻纖紗質硬，集束性好、浸透性略差。兩者搭配使用，可以起到提高玻璃纖維的耐磨性、改善浸透性，提高機械強度的作用。這樣的組合可保證玻璃纖維與環氧樹脂具備良好的浸透、優越的機械強度。該發明所述的環氧樹脂乳液可使用市售商品。

該發明的抗靜電劑採用水溶性有機鹽類抗靜電劑，所述的有機鹽類抗靜電劑可使用有機季銨鹽類、咪唑啉等，有機鹽類抗靜電劑可使用市售商品，比如所述的有機季銨鹽可選用1631、1827、1227等型號的商品。抗靜電劑塗覆在玻纖表面，能通過吸收空氣的水分，形成導電通路，從而消除玻璃纖維在紡織過程中產生的靜電，但是用量不易太多，否則會導致產品易吸潮，影響最終製品的機械性能。該發明優選所述的抗靜電劑的使用量為浸潤劑固體質量的0.5～1.5％。

該發明的pH調節劑採用酸，有機酸或無機酸均可，如可使用檸檬酸、醋酸、甲酸、乙酸、硼酸等，優選醋酸。浸潤劑中的偶聯劑的分散需要在一定的pH條件下水解，具體看偶聯劑的種類和分散要求。配製好的浸潤劑，一般要求在一定的pH範圍存儲和使用，pH值的範圍一般可在2～8，通常會在3～7之間的酸性環境。

該發明風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑的配製方法包括以下步驟：在一個乾淨的容器中加入一半總量去離子水，然後再加入浸潤劑成分中酸的量，充分攪拌3～5分鐘後，再緩慢加入浸潤劑成分中的矽烷偶聯劑，持續攪拌25～30分鐘；浸潤劑成分中的潤滑劑在3倍於其量的溫去離子水（40～50℃）中充分攪拌稀釋後加入容器；浸潤劑成分中成膜劑A、成膜劑B分別採用成膜劑量的3倍水進稀釋；浸潤劑成分中的抗靜電劑採用3倍於其量的熱去離子水（80～90℃）中充分攪拌稀釋後加入容器，若浸潤劑pH值不能達到最佳範圍，加入適量的酸進行調整並攪拌均勻，直至pH值達到最佳範圍。

該發明玻璃纖維的L.O.I（玻璃纖維的可燃物含量，即浸潤劑塗附在玻璃纖維上的量占玻璃纖維質量的比例，下同）一般控制在0.5～1.0％，具體的值需要根據原料本身的性能，從產品需要達到的性能指標和實驗測試結果來看，L.O.I在0.5～0.9％生產的產品，機械強度能夠滿足要求。

改善效果

與2009年12月前已有技術相比，該發明所述的浸潤劑能與環氧樹脂相容性好、滲透性好，並且能使製品的機械性能高，從而滿足市場及套用需求。

權利要求

1.《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》其特徵在於所述浸潤劑由偶聯劑、潤滑劑、成膜劑A、成膜劑B、pH值調節劑、抗靜電劑和去離子水製成，所述浸潤劑的固體質量占浸潤劑總質量的5～10％，餘量為水；所述偶聯劑採用矽烷偶聯劑；所述潤滑劑採用水溶性的PEG類潤滑劑；所述成膜劑A採用環氧樹脂乳液A，所述環氧樹脂乳液A中的環氧樹脂的環氧當量在180～300；所述成膜劑B採用環氧樹脂乳液B，所述環氧樹脂乳液B中的環氧樹脂的環氧當量在500～1500；所述抗靜電劑採用水溶性的有機鹽類抗靜電劑；所述pH值調節劑採用酸；所述浸潤劑的各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的比例如下：偶聯劑5～13％；潤滑劑5～15％；成膜劑A10～75％；成膜劑B10～75％；成膜劑A+成膜劑B65～85％；抗靜電劑0.5～2％；pH值調節劑1～5％。

2.根據權利要求1所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述浸潤劑中各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的比例如下：偶聯劑7～12％；潤滑劑8～12％；成膜劑A20～50％；成膜劑B21～51％；成膜劑A+成膜劑B71～80％；抗靜電劑0.5～1.5％；pH值調節劑2～4％。

3.根據權利要求1所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述浸潤劑的pH值在2～8。

4.根據權利要求3所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述浸潤劑的pH值在3～7。

5.根據權利要求1～4之一所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述矽烷偶聯劑選自下列牌號的產品：A-172，A-174，A-1100、A-187。

6.根據權利要求1～4之一所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述的PEG類潤滑劑選自下列之一：PEG400、PEG600、PEG1000、PEG3000。

7.根據權利要求1～4之一所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述的有機鹽類抗靜電劑選自下列之一：有機季銨鹽類、咪唑啉。

8.根據權利要求7所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述的有機季銨鹽類抗靜電劑選自下列型號的商品：1631、1827、1227。

9.根據權利要求1～4之一所述的風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑，其特徵在於：所述的pH值調節劑選自下列之一：檸檬酸、醋酸、甲酸、乙酸、硼酸。

實施方式

該發明實施例使用的浸潤劑各組分如下：所述偶聯劑使用環氧基矽烷偶聯劑，產品牌號為A-187；所述潤滑劑使用PEG1000；所述成膜劑A使用環氧樹脂乳液A，牌號：Neoxil965D（生產廠家：荷蘭DSM公司）；所述成膜劑B採用環氧樹脂乳液B，牌號為DSMJS129（生產廠家：荷蘭DSM公司）；所述抗靜電劑採用有機季銨鹽1631；所述pH值調節劑採用醋酸。

該發明實施例中，水的含量占浸潤劑總質量的95％，下面是一些配方的實例和測試結果，其中的數值均為各組分以其固含量計占浸潤劑固體質量的百分比。

組分		實例1	實例2	實例3	實例4	實例5	實例6
偶聯劑		5.5	7	8.5	9.5	11	12.5
潤滑劑		6	7	8	10	12	14
成膜劑A		15	20.7	29.2	38	47.5	56.4
成膜劑B		70	61.8	50.6	38.5	25.2	12.1
pH調節劑		1.5	2	2.5	3	3.5	4.5
抗靜電劑		2	1.5	1.2	1	0.8	0.5
配方固體含量比例合計		100	100	100	100	100	100
產品的L.O.I		0.75	0.68	0.65	0.6	0.58	0.55
產品的線密度（tex）		1200	1205	1198	1203	1201	1196
原絲集束狀態		好	好	好	好	好	差
紗質		很硬	硬	適中	適中	軟	很軟
毛羽（毫克/千克）		80	65	40	30	20	15
樹脂中浸透效果		較多白絲	少量白絲	透明	透明	透明	透明
拉伸強度（兆帕）	ASTMD2343	2280	2350	2430	2480	2528	2420
拉伸模量（吉帕）		78.6	78.4	79.1	79.5	79.4	78.9
彎曲強度（兆帕）	ISO3597	850	878	955	978	980	942
彎曲模量（吉帕）	ISO3597	34.6	34.8	35.6	35.7	35.6	35.5
剪下強度（兆帕）	ISO3597	50.5	53.6	55.6	56.1	57.2	56.9
剪下模量（吉帕）	ISO3597	25.2	25.3	26.2	26.9	26.7	26.3
壓縮強度（兆帕）	ISO3597	590	620	660	685	696	601
FRP玻纖含量（%）		65	65	65	65	65	65

從以上的配方測試實例，可以從中看出，通過對組分和組分含量的設計，可以得到合乎要求的浸潤劑，其中尤以實例3、4、5效果更佳。

該發明實施例根據風能織物用無鹼玻纖直接紗的技術特點，通過浸潤劑原料的選擇，配方的最佳化，採用合適的玻璃纖維生產工藝，生產出滿足該領域需求的無鹼玻璃纖維直接紗產品。

榮譽表彰

2014年11月6日，《風能織物用無鹼玻纖直接紗的浸潤劑》獲得第十六屆中國專利優秀獎。