熱塑性復合材料風輪葉片研制一例
風力發電機葉片通常由玻璃纖維增強環氧樹脂制成。但隨著風電行業迅速發展,人們需要更省時間的生產工藝。如果能用一種熱塑性塑料來替代環氧,這些葉片的制造就會快得多。荷蘭代爾夫特理工大學在這方面取得了進展。
然而,雖然用增強熱塑性塑料來制造風輪葉片可以快得多,但用注塑方法只能制得很小的葉片,而熱壓工藝也會限制產品的尺寸。
對長達數十米的工業規模葉片來說,需要采用真空灌注成型。但熔融熱塑性塑料的粘度太高,不能進入這些巨大葉片的每個角落、縫隙和玻璃纖維之中。另一個缺點是材料要求更高的成型溫度,這又會增加成本。
對此,各地的相關制造商和研究人員正在嘗試新的方法,例如采用容易流動的材料,如環構PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)和聚合的內酰胺等。
荷蘭代爾夫特大學的Duwind研究所則研發了一種使用APA 6(陰離子聚酰胺)的工藝。此工藝不是把APA 6以聚合物的形式置人模具之中,而是以反應混合物的形式置入,隨后發生延遲的現場聚合,使單體(e-己內酰胺)聚合成高分子量的熱塑性聚酰胺6(PA6)。該混合物粘度為10mPas(環氧粘度的十分之一),能比環氧快得多地流入模具,而且也能快得多地固化形成聚合物。
濕度
研究人員測試了不同材料產品的強度,發現增強APA 6的力學性能基本上與增強環氧一樣好,甚至更好一些。但是,這些性能在材料干燥時才如此,而聚酰胺吸水,吸水后其性能低于環氧。
測試數據表明,APA 6的疲勞曲線斜率與環氧相同,但起點和終點更低,這說明它不如環氧好。但把APA 6的曲線與普通PA6的曲線相比就看到了很大改進。
試驗證明,在固化過程中,APA 6的分子鏈附在了纖維之上。
特殊的玻璃纖維浸潤劑
研究人員解釋說:
“玻璃纖維上激活的浸潤劑能使聚合物鏈開始從纖維生長,使纖維與基體樹脂結合更好?!?BR> “普通熱塑性塑料與APA 6之類反應性熱塑性塑料之間有很大差別。在普通塑料中,聚合物在玻璃纖維周圍硬化,與玻璃纖維的結合只由收縮引起,所以在纖維周圍只有機械聯鎖。而在反應性塑料中,還存在化學鍵,這使它們變得更強?!?BR> 這一點對那些取決于基體的性能如剪切強度、橫向拉伸強度和疲勞性能特別有用。研究團隊認為纖維的浸潤劑有很大影響,所以他們開始與玻璃纖維供應商一起研制特別的浸潤劑。他們研制的浸潤劑與樹脂反應,在纖維與基體之間生成更強的化學鍵。
特殊浸潤劑導致更短的成型時間和更低的成型溫度(從180℃降到150℃)。據介紹,產品可以在30分鐘后從模具內取出,但為了釋放機械應力,產品在模具內多留了30分鐘。
盡管延長了退火時間,但此過程仍比環氧的6~8小時固化時問快。此外,雖然對APA 6需要多一點時問來加熱模具以達到所需的更高溫度,但這可由更短的灌注時間來補償。
用了新的浸潤劑,材料不僅變得更強,而且更緊的化學鍵還形成了對水分的更強壁壘,致使終制品吸水更少。即使被飽和,其力學性能至少也應與環氧相似。
葉片的試制
研究人員確認,采用APA 6的生產工藝與采用環氧的工藝基本相同,所以風輪葉片制造商無需完全轉換技術。制造過程仍然是把由纖維包覆的泡沫芯材置入模具內,然后加熱模具,采用真空灌注法充入樹脂。
為了利用熱塑性材料的所有優點,研究人員用模型模擬了風輪葉片的外表面和運行時的荷載,然后用電腦計算出需用增強材料來有效承受荷載的部位。這就得出了更象飛機機翼的設計:用主梁和加強肋來取代芯材。
據介紹,新設計在葉片中部有一承受荷載的箱型段,葉片前端和后端用肋條加強。此設計與含泡沫芯材的傳統環氧葉片相比,獲得了減重3%~5%的效果。
還需要進行更多的試驗,例如老化、大規模生產可行性、成本研究等。但生產時間可以減少近一半的潛力已經引起了行業的很大興趣。










































