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风机叶片通常是由玻纤增强环氧树脂制成的
作者:48365365体育投注    发布于:2015-07-24 08:25:23    文字:【】【】【
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。
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