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新型环氧树脂固化剂提高复合材料风机叶片产量 |
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作者：BASF |
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巴斯夫（BASF）开发了一种新型环氧树脂系统，专门用于复合材料风机叶片的生产。这些产品可以大大缩短叶片生产周期，从而提高产率。巴斯夫中间体部门环氧系统业务经理Gregor Daun介绍了这一系统的作用机制。
风能发电的增长势头有增无减。2008年，风力发电总装机容量达120 GW，比2007年增长了30%。审计公司KPMG在其报告《欧洲海上风场》（Offshore Windparks in Europe）中指出，风电目前是全世界范围内发展最快的行业之一，已经有80个国家利用风力来发电。
位于德国波恩（Bonn）市的世界风能协会（WWEA）的秘书长Stefan Gesager说，风力发电量已经占到总发电量的1.5%以上。
多年来，德国的风力发电能力一直占据第一位，其次是美国、西班牙、中国和印度。
这些国家占据了全球风电总装机容量的四分之三。WWEA认为，到2040年，风力发电和其他可再生能源可以完全满足世界总人口的需求。据Gesager说，风能的快速增长是当前金融危机和能源危机背景下的正确之路。
典型风机叶片的结构
风机的发展
当前，风能主要有两大发展趋势 ：一是风机越来越大，单机发电能力增加 ；二是海上风电的发展。因此叶片直径也有了显著增加。Repower和Enercon公司分别是第一家提供5 MW和6 MW风机的制造商。Repower的5 MW风机叶片直径达126米，单支叶片长度达61.5米。Enercon的E-126系列6 MW风机叶片直径为127米，长度为58米。但是，这些巨大的尺寸显然并不是风机尺寸的极限。
Enercon正在试验其E-126系列8 MW风机的实际发电能力。其他设计者目前也正考虑制造10、12甚至15 MW的风机。2010年的目标是制造出20 MW的机型。欧洲的UpWind项目于2006年启动，将延续至2011年。
“UpWind是欧洲各国在风机开发领域合作研究的旗舰项目。”丹麦技术大学RisØ国家实验室的项目经理Peter Hjuler Jensen说。
新的大型风机将用于海上发电，因为海上的风更强劲，更连续。
因为长度变为两倍时，扫风面积就可以变成4倍，也就可以产生出4倍的能量，因此叶片变得越来越大。同时，叶片长度变为两倍，重量通常会变为4倍。一个30米长的叶片重4-5吨，而一个 60米长的叶片重量将近20吨。虽然重量不断增加，但新材料（例如碳纤维复合材料）的应用极限还远未达到。有些人已尝试设计70米长的叶片，并开发可用于测试90米叶片的装置。50米左右的叶片可以采用玻璃纤维增强；超出50米则多采用碳纤维，但其成本大约是玻纤的5倍。
最适合的复合材料
然而，叶片的长度极限并不是由材料决定的，其本质原因还是经济方面的，因为风机的盈利能力只能随着叶片直径增加到有限的程度。大型风机固然效率更高，但运输和安装成本也更昂贵，因此其盈利能力受到许多因素的影响，这些因素对于叶片的制造非常重要。
为解决风能行业面临的这些挑战，德国巴斯夫公司最近开发了一种专门用于大型风机叶片制造的环氧树脂系统，并通过了德国劳氏船级社（GL）的认证。一个由固化剂、加速剂和添加剂组成的商标为Baxxodur的系统，可以使这些环氧树脂得到高质量的加工。
在欧洲，海上风电的发展在许多国家占有重要地位。德国波恩的欧洲风能协会（EWEA）在关于海上风电的报告中预测，到2020年，发电能力达到20-40 GW的海上风场将接入输电网。
“我们预计2014年海上风电新增装机容量将达到4200 MW。”西门子风电集团CEO Andreas Nauen说。该公司在2007和2008年获得了最多的海上装机合同。
在此背景下，材料供应商面临的挑战非常明显，特别是叶片制造行业的供应商。对于跨度超过100米的风机，传统的聚酯树脂基复合材料逐渐被弹性更好 的纤维增强环氧树脂基材料取代。巴斯夫最新开发的环氧树脂系统一方面可用于大型叶片的长时间生产工艺中，另一方面可以缩短固化时间，缩短周期长度。单支叶片的周期长度可缩短30%左右。
即使是40米长的叶片，也要承受巨大的压力。叶片边缘的重量载荷可达70 kN左右（相当于5辆大众高尔夫车的重量），其转速取决于向外的离心力，特别是作用在切线方向上的风力（取决与风速），而这一切会在叶片根部产生大约6000 kNm（相当于11辆大众高尔夫作用在叶片尖端的重力）的弯矩。
为了满足这些需求，制造商主要采用环氧树脂系统和玻纤毡用于结构的增强。这些增强层不是编织在一起的，而是一层接一层的叠放在一起，或采用多层材料。在这一领域，碳纤维也有应用，但由于其价格昂贵，产量又少，用量并不多；而其他纤维材料（芳纶纤维或玄武岩纤维）还没有应用。
在大型叶片的制造中，纤维或纤维毡首先用两种液态成分——树脂和固化剂——浸渍，这两种成分在模具中受热后会发生反应，形成一种非常坚固的聚合物。由基体和纤维组成的这种系统会形成一种纤维复合材料，为叶片提供必要的机械稳定性。
灌注工艺
树脂浸渍主要有四种方法。在层压工艺中，采用人工浸渍法将干性纤维毡浸入环氧树脂系统中。在灌注工艺中，采用真空法将环氧树脂吸到模具内的干性纤维毡内。第三种方法是将纤维毡在模具外预先浸渍，使其半固化，再将半硬质的材料铺放到模具中进行最终的固化（预浸渍技术）。对于又长又圆的部件，预浸渍的纤维在固化前被缠绕到模具上，然后采用热固化方法固化（纤维缠绕技术）。
灌注工艺：标准系统和巴斯夫产品的比较
以上四种方法通常都可以制造风机的主要结构部件，其中包括厚重的多层叶根（将压力传送到轮毂）和内部结构加强筋，它们承受着作用在整个叶片长度上的大部分压力。第三种部件是中空叶片的外层，它实现了叶片的空气动力学功能，采用浇注或粘结法固定在叶根和内部结构上。
用于风能行业的新型灌注系统有两部分组成 ：树脂和固化剂。胺类化合物通常被用作固化剂，因为它们能够很好地满足叶片的机械稳定性和加工性能需求。
巴斯夫新的环氧树脂系统也采用这类物质。在灌注开始前，两种组分按照预先确定的比例混合在一起，同时记录反应时间，因为这两种组分的反应起初是较慢的，但随着温度的升高会加速。为了确保灌注的效果，系统必须具有合适的粘度。
固化：标准系统和巴斯夫产品的比较
为此，一种称作活性稀释剂的成分被加入其中，以降低粘度，但同时也构成了这一交联反应体系的一部分。树脂的交联或固化是由胺与环氧基团反应形成三维网络结构而实现的。反应取决于反应温度，但也受添加剂（例如加速剂）的影响。
海上风机的制造商大多采用长度超过50米的大型叶片，以有效利用海上更加连续的风能。对于大型结构，例如叶片的外层蒙皮，采用灌注工艺的成型商面临着一种矛盾境况 ：一方面，环氧树脂要缓慢反应以在凝胶前完全充满模具；另一方面，一旦受热，环氧树脂系统应快速反应，以便模具可以尽快用于下一支叶片的成型，提高产率。
为解决这一矛盾，巴斯夫提出了一种采用所谓潜伏系统（latent system）的先慢后快的化学反应路线。在这种方法中，达到一定的温度时，一些原本“处于睡眠状态的”固化剂会被激活。
结束语
巴斯夫新的环氧系统已在全世界的实践中获得认可。第一片采用Baxxodur固化剂成型的叶片已投入使用。
巴斯夫已经与多家风机制造商达成协议，为其加工工艺提供新的化学产品。这一解决方案在世界范围内引起了极大的关注。
这些潜伏固化剂的组成可以很容易地进行调整，因而简化了整个加工工艺 ；而且，这一系统还可以带来更高的质量、更好的加工稳定性和更低的废品率。由于外部因素（例如温度）的不同，通常要将几种固化剂混合在一起。Baxxodur系统在这一点上则具有显著的优势，因为它适用的温度范围非常广。这也就是说，固化剂的成分不需要每天改变或调整。库存管理也就更加简单。
环氧基纤维增强复合材料行业一直努力改进叶片的机械性能和纤维基材的粘着性。这一环氧树脂系统已经在叶片制造过程中改进了现有的一些性能，包括机械强度的增加、循环周期的显著缩短和生产率的提高。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/7/2010) |
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