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用于风力机叶片的先进环氧技术换气机

2022年07月07日

用于风力机叶片的先进环氧技术

用于风力机叶片的先进环氧技术 2011：风电产业快速发展，成为世界复合材料应用最大领域之一。随着风能的增加，制造更大更好的风力机叶片已是大势所趋。更大是因为一台风力机所产生的能量会随着叶片扫掠面积半径的增加而增加，更好是因为风电行业需要寿命更长的叶片。当前，这种需求已经十分迫切。GL风力机认证要求风力机叶片设计寿命在3000h/a全载荷下为20年。作为一个对比，以20rpm的速度运行20年相当于一辆轿车行驶总里程35万公里（以平均轮胎的尺寸计算），这样也远远超过目前轿车的寿命要求。此外，风力机叶片白天黑夜运转，有时是在极其恶劣的气候环境下（-40～50℃和7000T变化/年）。所以叶片的可靠性是该产业重要的参数，这并不令人感到惊讶。除了更长寿命的叶片以外，这个产业还要求更快的生产速度。面对风力发电不断增长的需求，制造商正提高生产率来增加产量。根据推算，在2020年，每三分钟生产一片新叶片才可以满足需求。这样大的产量只有优化制造周期和最大效率才可能实现。可靠性和生产率这两项指标将降低每kWh电能的成本，而这正是风电产业和其他能源产业竞争所需要的。简单地说，就是要缩短周期，同时保持高质量来延长复合材料叶片的寿命。1 风力机叶片韧性改善疲劳试验后，复合材料层合板典型的破坏有微裂纹，甚至纤维剥离，如图1所示，该图显示了手工层合板试样疲劳试验后的情况。

这些缺陷可以使用增韧技术有效解决。塑料基体的增韧已是一个有几十年之久的难题。在很早时期，使用增塑剂改善材料的脆性，虽然它能降低材料的机械和化学强度。而且，增塑剂不是固定在树脂基体中，间久了会迁移，这必然改变材料的性能。对于风力机叶片而言，由于其较长使用寿命要求在二十年内材料性能不改变，这种方法可能并不合适。除增塑剂之外，也可通过松驰树脂网状结构达到在基体主链中增塑的效果。然而，即使增塑是建立在基体里，不利的影响仍然存在。松弛的网状结构明显地降低了玻璃化转变温度（Tg）。真正的增韧是在橡胶材料如端羧基丁腈液体橡胶（CTBN）的出现才得以实现，这种增韧剂在保持Tg不变的同时改善脆裂性能。不过，CTBN确实提高了环氧树脂基体的粘度，至少对灌注技术而言，它似乎形成了一些障碍。后来在纳米核壳橡胶增韧上的努力解决了这个多余的粘度增加，但因为预分散颗粒，粘度仍然是一个问题。新的增韧技术是以一种嵌段共聚物为基础。它仅仅在固化的环氧树脂中形成第二相。这种橡胶第二相使固化体系在裂纹发生前能吸收更多能量。达到这种效果的关键是控制第二相的颗粒大小、多分散性和界面强度。仅仅在固化体系中形成第二相是不够的，因为第二相的尺寸、形状以及和基体之间的相互作用也很重要。

一个嵌段是“憎环氧”，即不能与环氧基体混合，而其他嵌段是“亲环氧”，也就是很容易与环氧基体混合。当这种嵌段共聚物加入系统，憎环氧嵌段自己崩塌形成第二相（就像油在水中一样），而亲环氧嵌段包围着憎环氧嵌段，使之稳定地悬浮在基体中。这种自组装过程的优点在于需要较少的材料就可达到所需的韧性。改性的和未改性的试样拥有相同的刚度，改性或增韧系统已提高了延伸率，应力/应变曲线下方的面积增加了。根据定义，应力应变曲线下方的面积就是韧性。第二增韧相能阻止微裂纹的传播。图片显示了在第二相中裂纹是如何被终止的。这种形变能够吸收裂纹的能量。

当增韧作用在第二相发生时，Tg保持不变。图4展示两种不同的性能：断裂韧性和玻璃化转变温度。结果显示，嵌段共聚物能够在不改变玻璃化转变温度下改善断裂韧性。

但这如何转换成抗疲劳数据呢？为了解答这个问题，Dow公司以常规疲劳试验方案对嵌段共聚物增韧进行了测试。这个研究显示了在风能上应用嵌段共聚物增韧技术，复合材料抗疲劳性能显著提高。Dow公司使用的嵌段共聚物增韧技术是基于一种完全混合、低粘度材料，它最适合用于风能应用中最常见的树脂灌注成型工艺（RIM）。由于材料完全溶解在液态基体中，这样就没有传统颗粒增韧所带来的过滤效应。第二相在固化和提供增韧作用时才会分离，即材料灌注后。这是一个非常显著的改善，包含了风力机叶片制造中另一个重要的需求：提高生产率。2 提高生产率当前市场需求是基于工艺要求，如较低的放热量，较长的使用时限以及快速固化反应。针对这种情况，Dow公司开发了新的AIRSTONE?灌注线，它提供了可调整的使用时限，以适用于现今和将来灌注超大型叶片的最高要求。但是，这就增加了对一种相对潜伏性环氧系统的需求，它将显示在灌注期间粘度并无明显增加。这种需求似乎与快速固化反应相抵触，相对于快速灌注，快速固化最终可以更多地缩短周期。Dow公司设法在不同温度下优化反应速率，以便在较高温度下的固化速度超过传统的灌注系统。最终，如果固化反应较好，叶片就能够得到更好的固化均匀度。不考虑自加热的作用，更快地在叶片的所有部分达到玻璃化转变温度，将缩短固化时间。最后，超过90℃的玻璃转变温度将可能取决于固化条件。以这种方式，Dow公司在风电产业提高生产率的要求上已经做出了很大的贡献。风力机叶片用AIRSTONE环氧系统已经获得业界领先的认证机构—德国船级社的认证。