不同树脂基体对玻璃纤维增强复合材料边框力学性能的影响

Effect of Different Resin Matrices on Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Composite Frame

摘要

为探究树脂基体对玻璃纤维增强复合材料边框力学性能的影响，采用乙烯基树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸-聚氨酯树脂、改性聚氨酯树脂制备玻璃纤维增强复合材料边框，通过拉伸试验、弯曲试验、剪切试验等方法对比不同树脂基体复合材料边框的力学性能，结合扫描电镜微观形貌分析探讨树脂基体与玻璃纤维结合界面与力学性能的关系。结果表明：力学性能主要受基体致密程度及基体与玻璃纤维界面结合情况的影响。与乙烯基树脂相比，聚氨酯及丙烯酸-聚氨酯树脂基体致密性及与玻璃纤维结合界面致密度较好，力学性能较乙烯基复合边框高。在聚氨酯树脂中添加改性树脂能够进一步增加基体致密度及与玻璃纤维的结合力，有效提升综合力学性能。

Abstract

In order to explore the influence of resin matrix on the mechanical properties of glass fiber reinforced composite frames, the glass fiber reinforced composite frames prepared by ethylene resin, polyurethane resin, acrylic-polyurethane resin and modified polyurethane resin were used. The mechanical properties of different resin matrix composite frames were compared by tensile test, flexural test and shear test, and the relationship between the interface between resin matrix and glass fiber and mechanical properties was analyzed by scanning electron microscopy. The results showed that the mechanical properties were mainly affected by the compactness of the matrix and the interfacial bonding between the matrix and the glass fiber. Compared with ethylene resin, the compactness of polyurethane and acrylic-polyurethane resin matrix and the interfacial bonding strength with glass fiber were better, and the mechanical properties were higher than those of ethylene resin composite frame.The addition of modified resin to polyurethane resin can further increase the compactness of the matrix and the interfacial bonding strength with glass fiber, and effectively improve the comprehensive mechanical properties.

Graphical abstract

关键词

复合材料边框 / 玻璃纤维增强复合材料 / 光伏边框 / 树脂 / 力学性能

Key words

Composite frame / Glass fiber reinforced composite / Photovoltaic frame / Resin / Mechanical property

边框作为光伏组件中重要辅材之一，主要用于边缘密封、提供机械强度、固定安装等^[1-2]。在传统大型地面电站中，光伏组件的边框通常采用铝合金型材。但铝合金边框也存在一些问题，例如在光伏组件辅材成本中占比较高、不适宜在强腐蚀环境下使用等。随着光伏产品对提质降本和应用场景多元化的要求越来越高，玻璃纤维增强复合材料也用于制作复合材料边框。与传统铝合金边框相比，复合材料边框具有密度低、耐腐蚀、机械强度高、成本低等优点，有利于大尺寸组件的轻量化生产和应用^[3-5]。

玻璃纤维增强复合材料边框(以下简称复合边框)是以玻璃纤维为增强体、聚合物为基体的复合材料，通过拉挤工艺制作而成的光伏组件封装用边框^[6]。复合材料的力学性能主要受增强纤维种类、纤维含量、纤维取向、基体类型、基体与增强材料的界面结合情况等因素影响^[7-9]。目前，应用于光伏组件的复合边框主要采用单向连续玻璃纤维，其质量分数一般在70%~80%左右，聚合物基体主要包括聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、环氧树脂等，且以聚氨酯基体为主。现有的玻璃纤维增强复合材料研究及应用主要分布在船舶、建筑、风电、交通、体育等领域^[10-17]，而针对光伏组件用复合边框的相关研究较少。

为探究不同基体复合边框的力学性能变化规律，本文采用乙烯基树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸-聚氨酯树脂、改性聚氨酯树脂制备的玻璃纤维增强复合材料边框，通过拉伸试验、弯曲试验、剪切试验、扫描电镜微观形貌分析等方法对比分析树脂基体对复合边框力学性能的影响，以期为复合边框的选材及应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

玻璃纤维，386T-4800，中国巨石股份有限公司；乙烯基树脂，441-400，上海英力士复合材料有限公司；聚氨酯树脂，Baydur18BD298，科思创聚合物中国有限公司；丙烯酸-聚氨酯树脂，江苏瑞阳化工股份有限公司；改性聚氨酯树脂，江苏瑞阳化工股份有限公司；脱模剂，P-107，上海东恒化工有限公司；固化剂，Desmodur N3390，科思创聚合物中国有限公司。

1.2 仪器与设备

拉挤一体化生产线，RD-6T，广东仁达智能装备有限公司；线切割机，DK7720，苏卓凯龙机电科技有限公司；微机控制电子万能试验机，68FM-100，美国Instron公司；场发射式扫描电子显微镜(SEM)，Sigma，德国蔡司公司。

1.3 样品制备

1.3.1 复合边框制备

采用连续玻璃纤维作为增强材料、树脂作为基体材料，添加填料、脱模剂、固化剂等助剂，使用拉挤生产线按照拉挤工艺制备复合边框。图1为复合边框生产工艺流程。其中玻璃纤维的质量分数约为75%，树脂基体的质量分数约为20%，填料和助剂的质量分数约为5%。分别采用乙烯基树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸-聚氨酯树脂、改性聚氨酯树脂作为基体材料制备4种复合边框。

1.3.2 力学试样制备

使用线切割机将不同树脂基体制备的玻璃纤维增强复合边框分别按照T/CPIA 0081—2024^[6]中对应的制样要求制备力学性能试样，拉伸试样尺寸为200 mm×10 mm，弯曲试样尺寸为80 mm×10 mm，剪切试样尺寸为20 mm×10 mm，每项力学性能测试至少取5个平行试样。为防止拉伸试样在测试过程中出现滑移，制样时在拉伸试样两端粘贴加强片。图2为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的力学试样。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：按GB/T 1447—2005，采用微机控制电子万能试验机及配套拉伸夹具进行测试，拉伸速率为2 mm/min，引伸计标距为25 mm；采用微机控制电子万能试验机及配套弯曲夹具进行弯曲试验，测试过程按照GB/T 1449—2005进行，弯曲速率为2 mm/min；采用微机控制电子万能试验机及配套剪切夹具进行剪切试验，按GB/T 30969—2014进行测试，剪切速率为1 mm/min。

SEM测试：采用场发射式扫描电镜观察拉伸试验后断裂试样的内部微观形貌，测试时加速电压为20 kV，信号采集采用二次电子探头，按GB/T 16594—2008进行测试。

2 结果与讨论

复合材料的力学性能通常分为静态力学性能和动态力学性能，静态力学性能包括拉伸性能、弯曲性能、剪切性能、压缩性能等，动态力学性能包括抗冲击性能、抗侵彻性能、抗爆炸性能等^[18-21]。光伏组件用复合边框在实际户外应用过程中，主要起固定和连接作用，主要受力类型为拉伸应力、弯曲应力和剪切应力，故采用拉伸试验、弯曲试验和剪切试验来考量复合边框的力学性能。

2.1 拉伸试验结果

表1为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的拉伸强度。从表1可以看出，乙烯基复合边框的拉伸强度较为分散，聚氨酯复合边框拉伸强度略高于乙烯基，丙烯酸-聚氨酯及改性聚氨酯制备的复合边框拉伸强度明显高于聚氨酯复合边框。

图3为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的拉伸应力-应变曲线。

从图3可以看出，不同树脂基体复合边框均在达到最大应力后突然断裂，均属于脆性断裂；在聚氨酯基体中添加丙烯酸及改性聚氨酯树脂后，虽然提高了拉伸强度，但也进一步增加了边框的脆性。

2.2 弯曲试验结果

表2为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的弯曲强度。从表2可以看出，乙烯基、聚氨酯、丙烯酸-聚氨酯基体复合边框弯曲强度相当，改性聚氨酯复合边框的弯曲强度明显高于其他3种树脂基体复合边框。

图4为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的弯曲应力-应变曲线。从图4可以看出，乙烯基、聚氨酯复合边框在弯曲过程中为逐步断裂，丙烯酸-聚氨酯和改性聚氨酯复合边框在达到最大弯曲应力后集中断裂，且改性聚氨酯复合边框形变量小。

2.3 剪切试验结果

表3为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的剪切强度。从表3可以看出，乙烯基复合边框的剪切强度较低，改性聚氨酯复合边框的剪切强度较高。

图5为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框的剪切应力-应变曲线。从图5可以看出，丙烯酸-聚氨酯和改性聚氨酯复合边框剪切曲线出现明显台阶，乙烯基和丙烯酸-聚氨酯基体复合边框剪切曲线尾部呈明显锯齿状，即在测试过程中复合材料内部出现分层。

2.4 断面微观形貌分析

图6为不同树脂基体玻璃纤维增强复合边框拉伸断面的SEM微观形貌。从图6可以看出，乙烯基树脂基体呈颗粒状，而聚氨酯基体断面呈层片状，丙烯酸-聚氨酯和改性聚氨酯基体复合边框断裂界面上断裂纤维与基体均结合较好，改性聚氨酯基体复合边框的断裂界面可见纤维断裂处基体仍保持完整，未发生脱落，树脂基体断面均呈现微小层片状结构，且改性聚氨酯基体中层片状裂纹更加细小致密。

将不同树脂基体复合边框拉伸断裂后断面形貌放大至2 000倍，观察基体与玻璃纤维结合界面情况。图7为不同树脂基体与玻璃纤维的结合界面的SEM微观形貌。从图7可以看出，乙烯基体成颗粒状附着在玻璃纤维表面，树脂与玻璃纤维的界面及树脂基体中均有明显空隙，且在界面结合处可见明显颗粒脱落后留下的陷坑。聚氨酯及丙烯酸-聚氨酯基体均较为致密，与玻璃纤维结合较好，在结合界面处的基体中有少量微孔。改性聚氨酯与玻璃纤维结合紧密，无明显界限，玻璃纤维间隙处树脂基体致密。

乙烯基复合边框拉伸断裂后，断面有较多拔出纤维，且树脂基体与玻璃纤维结合界面有较多空隙，结合致密性较差，基体中颗粒易从树脂中剥离脱落，对应复合边框的拉伸强度为907 MPa，弯曲强度为1 035 MPa，剪切强度为52.5 MPa。聚氨酯树脂基体致密性较乙烯基体致密，对玻璃纤维的包覆较好，但结合界面有较多微小气孔，对应复合边框的拉伸强度为928 MPa，弯曲强度为1 129 MPa，剪切强度为60.7 MPa。丙烯酸-聚氨酯树脂基体致密性与聚氨酯基体相当，断面处层片状碎裂纹更加细小均匀，与玻璃纤维结合界面处仍有微孔，对应复合边框的拉伸强度为1 097 MPa，弯曲强度为1 163 MPa，剪切强度为64.3 MPa。在聚氨酯中加入改性树脂后，树脂基体与玻璃纤维的黏结力增加，断面微观形貌中可发现纤维断裂处树脂基体仍然包裹完整，同时玻璃纤维之间的树脂基体致密，且在界面处层片状碎裂纹更加细密，对应复合边框的拉伸强度为1 166 MPa，弯曲强度为1 568 MPa，剪切强度为67.1 MPa，3项力学性能指标较聚氨酯基体复合边框分别提升约25.6%、38.9%和10.5%。改性树脂的添加使复合边框在拉伸断裂时增加了裂纹扩展路径，断裂面中光滑面减少，进而提高了材料的层间韧性从而提升综合力学性能。

3 结论

不同树脂基体制备的复合边框力学性能存在明显差异，聚氨酯复合边框力学性能优于乙烯基复合边框，丙烯酸-聚氨酯复合边框在聚氨酯复合边框基础上有略微提升，在聚氨酯中添加改性树脂能够有效提升复合边框的综合力学性能，改性聚氨酯复合边框在聚氨酯复合边框基础上拉伸强度提升约25.6%，弯曲强度提升约38.9%，剪切强度提升约10.5%。通过对不同树脂基体与玻璃纤维结合界面微观形貌进行观察分析，乙烯基树脂与玻璃纤维界面有较多空隙，聚氨酯及丙烯酸-聚氨酯树脂与玻璃纤维结合较致密，基体中仍存有少量孔隙，在聚氨酯中添加改性树脂后，其与玻璃纤维结合界面更加致密，层间韧性提高，综合力学性能提升。目前，复合边框已开始进入规模化应用阶段，但其不可逆的固化过程使其在回收上存在困难，后期需要进一步对复合边框的配方和工艺进行优化，便于推广和应用。

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基金资助

无锡市检验检测认证研究院科研基金(2024JYKJ007)