热塑性材料开创风机叶片应用先河

作者：Django Mathijsen

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 风机叶片通常是由玻纤增强环氧树脂制成的。但是风能行业的迅速发展，需要周期更短的生产工艺。是的，如果我们可以用热塑性材料替代环氧树脂，我们就可以更快地制造出更多的叶片。 如果我们可以用热塑性增强材料取代环氧树脂来制造风机叶片，我们就可以加快风机的制造速度。但是，采用注塑工艺只能生产非常小的叶片，热压技术同样也限制了产品的尺寸。 对于长度达几十米的工业级风机叶片，需要采用真空灌注工艺。但是，熔融的热塑性塑料的密度太高，无法将其压入每一个角落、缝隙和巨型叶片的玻璃纤维里。另一种缺陷就是这种材料需要较高的加工温度，从而增加了成本。 但是世界各地的生产商和研究者们都在尝试新的方法。例如，比较容易流动的材料，像聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚合内酰胺（APLC-12）， 以及低密度溶剂载体等溶液。 荷兰Delft 大学的Duwind 风机研究所开发了一种以APA 6（阴离子聚酰胺） 为原料的加工工艺。材料不是作为聚合物而是作为反应混合物被放入模具的， 随后单体（ε- 己内酰胺）发生原位聚合，成为高分子量的热塑性聚酰胺6（PA 6）。混合物的密度为10mPas（环氧树脂密度的十分之一），能够以比环氧树脂更快的速度流入模具内。它也能够更快地固化形成聚合物。 Duwind 研究所的研究员Kjelt van Rijswijk 在他的博士学习阶段提出了这种材料。低密度（因此对于成品没有尺寸限制）和低加工温度是最重要的标准。APA 6 的固化过程在180℃时大约需要90 分钟。这一点与PBT 相比毫不逊色， 后者需要的温度在180 ～ 200℃之间。 “我想方设法进一步缩短固化时间，降低固化温度。”Duwind 的研究员Julie Teuwen 说， 她在大约一年前获得了博士学位。“我们现在可以在150℃下，在30 分钟内固化APA 6 制成的叶片。” 湿度 Teuwen 接替了van Rijswijk 的工作， 他测试了不同材料制成的样品强度，发现增强型APA 6 的机械性能几乎与增强型环氧树脂一样好，甚至还要更好一点。 听起来很不错，但是有一个大问题。 “这些性能在材料处于干态时是非常好的。”Teuwen 说，“但是尼龙会吸水， 因此它的性能比环氧树脂要差一些。” 幸运的是，他们在测试数据中发现了某些有趣的事情。 APA 6 的疲劳曲线的斜率与环氧树脂是相同的，但是，它开始和结束的点都比环氧树脂低一点。”她说。“因此， 它并非像环氧树脂一样好，但是在我们将APA 6 的曲线与普通PA 6 对比之后， 我们看到了较大的改进。” 事实证明，在固化过程中，APA 6 的分子链会通过化学键与纤维连接在一起。 特殊的玻纤浸润剂 “玻纤的活性浸润保证了聚合物链可以从纤维上开始生长，因此纤维可以与基体更好地粘接。”Teuwen 解释说。 “这是常规热塑性材料与诸如APA 6 的活性热塑性材料之间的一大差别。在常规热塑性材料中，聚合物在玻璃纤维周围固化，它与纤维之间的粘接仅仅是依靠收缩作用。因此，纤维周围只有机械连接。而活性热塑性材料与纤维之间存在化学连接，因此更牢固。” 这一点对于能够决定性能，例如剪切性能、横向拉伸强度和疲劳性能的基体来说尤其具有参考价值。研究小组猜想纤维的浸润具有很大的影响。浸润剂是一种涂料或者底漆，可以保护玻纤长丝，增强玻纤与基体之间的粘接力度。因此，他们决定与玻纤供应商一起开发一种特殊的浸润剂。 “我们采用化学浸润剂，它能够与树脂发生反应，在纤维和基体之间产生较强的化学连接作用。”Teuwen 说。 这种特殊的浸润剂具有较短的固化时间和较低的固化温度：150℃，而不是180℃。 “我们可以在30 分钟之内将产品从模具中取出来。但是我们仍然需要将其额外再静止30 分钟，以消除机械应力。” 即使算上这额外的30 分钟退火时间，该工艺的固化时间仍然比环氧树脂短，后者通常需要4 ～ 6 小时。APA 6 的确需要多一点时间来加热模具，以达到较高的温度，但是其灌注时间比较短。而且，APA 6 成品固化后，可以将其从模具中取出，然后放入烘箱中进行退火处理，如此可以进一步加快生产过程。 采用新的浸润剂，这种材料不仅会变得更加牢固，更紧密的化学连接也更好地防止了湿气的侵入。因此，成品会吸收更少的水分，甚至已达到饱和状态。因此，其机械性能至少与环氧树脂保持在同一水平上。 更精简的叶片 Teuwen 确保APA 6 的生产过程基本上与环氧树脂是相同的，因此，风机叶片制造商不必转换为全新的生产技术。这不过还是一个把泡沫芯材用纤维包裹后放入模具的过程。然后加热模具， 采用真空灌注方法将树脂注入模具。“你需要一种可以耐受高温的泡沫芯材。”Teuwen 说，“将基材粘接到泡沫上也是一个问题，但是我们想办法解决了。” 遗憾的是，Teuwen 不能透漏他们采用的是哪种芯材。 另一方面，采用热塑性材料开启了一个具有多种加工工艺可能性的全新领域。热塑性塑料可以热成型，可以通过焊接连接在一起，成品具有良好的抗冲击性能、高强度和耐化学腐蚀性，因为不需要使用胶水。假设你是从零开始， 并尝试利用热塑性材料的所有优势：你可以设计出更好的叶片吗？ 这正是从Duwind 研究所毕业的另一位博士Simon Joncas 所做的工作。他模拟了运行中的风机叶片的外表面和载荷。然后，他通过计算机找出需要额外的材料以有效承受载荷的点，优化了叶片的设计。 “最终的设计更像是飞机机翼， 带有翼肋和翼梁， 而不是泡沫芯材。”Teuwen 解释道。 “新的设计在叶片中间带有一个载荷承载箱，加强肋位于前方和尾部。这一设计比使用泡沫芯材的环氧树脂叶片重量轻3 ～ 5%。” 技术演示 该研究团队采用Joncas 的设计和玻纤织物增强的APA 6 做了一个概念验证，如图所示。 “这是一个叶片的截面部位，2 米长、1 米宽、60 厘米高。”她说，“在这个叶片中。我们努力集合所有的元素：不仅是新材料，还有热塑性材料的加工优势。” 该原型是模块化构造。叶片中间的承载箱是在模具中制成的，叶片的前部也是在模具中制成的，而尾部采用两块平板制成。 加强肋采用平板切割而成。接着采用红外加热器进行加热，随后，在金属模具和橡胶模具之间将其压弯，在他们的四周形成突出的边缘。所有的部件采用金属网焊接在一起：将金属网放在部件中间进行焊接，然后通电，两侧的塑料就会通过金属网熔融在一起了。当然， 采用碳或者超声焊接也可以实现。 更加环保 采用APA 6 制成的叶片应该比环氧树脂更加环保，因为没有挥发性有机物（VOC）释放出来。此外，环氧树脂的化学组分只有两年的保质期，而APA 6 的保质期是无限期的。 “这种材料已经被用于各行各业的各种应用中。”Teuwen 说。 “甚至还有一家工厂可以回收这种材料，将其变回我们最初采用的单体状态。但是，最可能的回收方式是粉碎。Simon Joncas 看到了我们废料堆上的产品，其中一些已经放在那四年了。他将这些产品粉碎，然后通过挤出机得到新的测试产品。结果这些产品比用HPA 6 制成的常规挤出产品具有更好的化学和机械性能，两者采用的纤维长度是相同的。这再一次得益于APA 6 复合材料具有更强的化学粘接力。” 广泛的关注 采用新型浸润剂的风机叶片仍然需要进行基准测试。老化、大规模生产的可行性和成本等问题也需要进一步的研究。但是，生产周期缩短一半以上的潜在可能已经吸引了业内人士的广泛关注。 APA 6 可能还会令风机叶片的价格变低。 “这种材料更便宜，但是模具更贵， 因为所需的加工温度更高。”Teuwen 解释说。 “一开始，你需要一个较高的灌注温度：90 ～ 100℃，然后你必须加热到150℃以便固化。因此，对于APA 6， 模具至少要能够承受180℃的高温，因为固化过程中会有热量释放出来。环氧树脂用的模具玻璃化温度可以低至120℃。然而，在风机叶片行业，许多制造商采用预浸料。它们也具有相对较高的固化温度：120 ～ 140℃之间。因此， 相对于此，APA 6 的固化温度并不是那么高。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/24/2014)