热塑性复合材料风轮叶片研制一例

  风力发电机叶片通常由玻璃纤维增强环氧树脂制成。但随着风电行业迅速发展,人们需要更省时间的生产工艺。如果能用一种热塑性塑料来替代环氧,这些叶片的制造就会快得多。荷兰代尔夫特理工大学在这方面取得了进展。
  然而,虽然用增强热塑性塑料来制造风轮叶片可以快得多,但用注塑方法只能制得很小的叶片,而热压工艺也会限制产品的尺寸。
  对长达数十米的工业规模叶片来说,需要采用真空灌注成型。但熔融热塑性塑料的粘度太高,不能进入这些巨大叶片的每个角落、缝隙和玻璃纤维之中。另一个缺点是材料要求更高的成型温度,这又会增加成本。
  对此,各地的相关制造商和研究人员正在尝试新的方法,例如采用容易流动的材料,如环构PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)和聚合的内酰胺等。
  荷兰代尔夫特大学的Duwind研究所则研发了一种使用APA 6(阴离子聚酰胺)的工艺。此工艺不是把APA 6以聚合物的形式置人模具之中,而是以反应混合物的形式置入,随后发生延迟的现场聚合,使单体(e-己内酰胺)聚合成高分子量的热塑性聚酰胺6(PA6)。该混合物粘度为10mPas(环氧粘度的十分之一),能比环氧快得多地流入模具,而且也能快得多地固化形成聚合物。
  湿度
  研究人员测试了不同材料产品的强度,发现增强APA 6的力学性能基本上与增强环氧一样好,甚至更好一些。但是,这些性能在材料干燥时才如此,而聚酰胺吸水,吸水后其性能低于环氧。
  测试数据表明,APA 6的疲劳曲线斜率与环氧相同,但起点和终点更低,这说明它不如环氧好。但把APA 6的曲线与普通PA6的曲线相比就看到了很大改进。
  试验证明,在固化过程中,APA 6的分子链附在了纤维之上。
  特殊的玻璃纤维浸润剂
  研究人员解释说:
  “玻璃纤维上激活的浸润剂能使聚合物链开始从纤维生长,使纤维与基体树脂结合更好。”
  “普通热塑性塑料与APA 6之类反应性热塑性塑料之间有很大差别。在普通塑料中,聚合物在玻璃纤维周围硬化,与玻璃纤维的结合只由收缩引起,所以在纤维周围只有机械联锁。而在反应性塑料中,还存在化学键,这使它们变得更强。”
  这一点对那些取决于基体的性能如剪切强度、横向拉伸强度和疲劳性能特别有用。研究团队认为纤维的浸润剂有很大影响,所以他们开始与玻璃纤维供应商一起研制特别的浸润剂。他们研制的浸润剂与树脂反应,在纤维与基体之间生成更强的化学键。
  特殊浸润剂导致更短的成型时间和更低的成型温度(从180℃降到150℃)。据介绍,产品可以在30分钟后从模具内取出,但为了释放机械应力,产品在模具内多留了30分钟。
  尽管延长了退火时间,但此过程仍比环氧的6~8小时固化时问快。此外,虽然对APA 6需要多一点时问来加热模具以达到所需的更高温度,但这可由更短的灌注时间来补偿。
  用了新的浸润剂,材料不仅变得更强,而且更紧的化学键还形成了对水分的更强壁垒,致使终制品吸水更少。即使被饱和,其力学性能至少也应与环氧相似。
  叶片的试制
  研究人员确认,采用APA 6的生产工艺与采用环氧的工艺基本相同,所以风轮叶片制造商无需完全转换技术。制造过程仍然是把由纤维包覆的泡沫芯材置入模具内,然后加热模具,采用真空灌注法充入树脂。
  为了利用热塑性材料的所有优点,研究人员用模型模拟了风轮叶片的外表面和运行时的荷载,然后用电脑计算出需用增强材料来有效承受荷载的部位。这就得出了更象飞机机翼的设计:用主梁和加强肋来取代芯材。
  据介绍,新设计在叶片中部有一承受荷载的箱型段,叶片前端和后端用肋条加强。此设计与含泡沫芯材的传统环氧叶片相比,获得了减重3%~5%的效果。
  还需要进行更多的试验,例如老化、大规模生产可行性、成本研究等。但生产时间可以减少近一半的潜力已经引起了行业的很大兴趣。