Влияние пирогенного диоксида кремния на механические свойства ветровых клеев 

Лопасти ветрогенераторов являются основными несущими элементами ветроустановок. Эпоксидные конструкционные клеи для их склеивания длительное время подвергаются переменным ветровым нагрузкам, температурным циклам и старению под воздействием окружающей среды. Материал должен одновременно обладать высокой прочностью на растяжение и оптимальным относительным удлинением при разрыве, обеспечивая конструкционную жёсткость и определённую способность к деформационному амортизированию, чтобы избежать риска отслоения клеевого шва из-за концентрации напряжений.

Пирогенный диоксид кремния — широко применяемый нанофункциональный наполнитель в системах эпоксидных клеёв. После гидрофобной поверхностной модификации он придаёт системе тиксотропные свойства и предотвращает стекание, а также усиливает механические характеристики клея за счёт органико-неорганических межфазных взаимодействий. Первичный размер частиц, степень агрегации и равномерность поверхностной модификации наполнителя напрямую определяют итоговый эффект армирования.

Компания Хубэй Хуйфу Наноматериалс Ко., Лтд. провела исследование эпоксидных конструкционных клеёв для лопастей ветрогенераторов. Сравнение прочности на растяжение и относительного удлинения при разрыве контрольного образца, образца HB-139B и конкурирующих марок пирогенного диоксида кремния служит ориентиром при выборе наполнителей для ветровых клеёв.

Рисунок 1

Как показано на рисунке 1, контрольный образец не содержит пирогенного диоксида кремния; его прочность на растяжение составляет около 50 МПа, а относительное удлинение при разрыве является максимальным среди образцов данной серии. После введения гидрофобного наполнителя на основе пирогенного диоксида кремния механическое поведение эпоксидного клея существенно изменяется.

Прочность на растяжение образца с добавкой HB-139B повышается примерно до 55,5 МПа, что демонстрирует выраженное армирование по сравнению с чистой матрицей. Прочность на растяжение остальных четырех конкурирующих образцов находится в диапазоне 53–55 МПа, их общий армирующий эффект ниже, чем у HB-139B. Показатель относительного удлинения при разрыве в целом снижается при добавлении пирогенного диоксида кремния. Нанонаполнитель повышает жёсткость матрицы и одновременно ограничивает подвижность макромолекулярных цепей эпоксидной смолы, уменьшая деформационную способность материала до разрыва при растяжении. Комплексный анализ двух групп данных показывает, что HB-139B обеспечивает более высокую прочность на растяжение при сохранении относительного удлинения при разрыве в допустимом для инженерных применений диапазоне. По сравнению с конкурирующими продуктами он демонстрирует преимущество сбалансированности прочности и вязкости.

Это обусловлено тем, что хорошо диспергированные наночастицы диоксида кремния формируют внутри эпоксидной матрицы обратимую трехмерную физическую сетку. При воздействии внешней растягивающей нагрузки напряжение передается от смоляной матрицы к жестким наночастицам через органико-неорганическую границу раздела, распределяя внешнюю нагрузку и повышая критическое напряжение, при котором происходит разрушение материала при растяжении; макроскопически это проявляется ростом прочности на растяжение. В то же время жесткие наночастицы ограничивают скольжение и разворачивание макромолекулярных цепей под действием внешних сил, свободная деформация полимерных цепей подавляется, что в итоге приводит к снижению относительного удлинения при разрыве. Различия характеристик между разными коммерческими продуктами по сути обусловлены различиями в распределении первичных размеров частиц, степени гидрофобного покрытия и равномерности модификации. Контролируемая технология гидрофобной модификации HB-139B эффективно улучшает диспергируемость наполнителя и снижает дефекты агрегации, позволяя максимально реализовать наноармирующий эффект без существенного потери вязкости, что соответствует строгим требованиям ветровых клеев к балансу механических свойств.

С быстрым развитием крупногабаритных длинномерных лопастей ветрогенераторов требования к стабильности наполнителей и комплексным механическим характеристикам клеящих материалов для ветроэнергетики постоянно возрастают. Отечественный высокоэффективный гидрофобный пирогенный диоксид кремния является ключевым материалом для обеспечения независимости цепочки поставок эпоксидных клеев для ветроустановок. Удовлетворительные эксплуатационные показатели продукта Хуйфу Наноматериалс HB-139B подтверждают, что отечественные нанонаполнители способны соответствовать требованиям высококачественных ветровых клеев и служат основой для выбора материалов при проектировании крупного ветроэнергетического оборудования с длительным безопасным сроком эксплуатации.