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本文分为四部分:一、新近环氧树脂体系在风力机叶片、机舱罩和叶片模具中的应用;二、FRP叶片的材料回收与更新近况;三、介绍两种新颖的FRP成型工艺;四、小结。全文中FRP在叶片、叶片模具中的应用是重点;新的、环保材料—热塑性复合材料是叶片材料的发展方向;FRP叶片的材料回收、“正运行叶片破损自修复环氧树脂体系”是发展动向;“修复召回有瑕疵叶片的实例”是舆论热点。
1 概 述
风电属极具发展潜力、发展最快的可再生能源。“目前,世界最大风力机的输出功率达6MW(叶轮直径126m,叶片长61.5m)、” [1] 7 MW(GE公司)甚至10 MW(英国正在试制)。[2]风力机叶片起着将风能转化为电能的作用,是风力机的关键构件。目前,叶片一般采用环氧复合材料(碳纤维或玻纤/环氧树脂)加工。随着风电业的迅猛发展,叶片的复合材料[注]消耗量逐年递增([注]:以环氧复合材料为主——笔者注):以印度风力机叶片的复合材料消耗量为例(见表1),2008年为2.596万t, 2006~2009年的增长率约28%;“我国2007年约7万t,年增长率约80%”[3]。随着风力机、树脂生产实践和科技的发展,环氧复合材料除了广泛用于加工叶片外,还加工叶片的模具和机舱罩、驱动轴,新近还出现了用于修复叶片的新趋势,等等,不一而足——真可谓不可或缺、用途广矣!
2 制造叶片用环氧树脂体系与成型工艺
2.1 环氧树脂、预浸料
乘风电业迅猛发展的大好形势,“世界顶级化工公司——德国BASF公司和美国Dow Epoxy System公司,都瞄准了风力机叶片市场,纷纷竞相推出叶片用环氧复合材料配套系列产品。”[5]
最近,江苏泰州市惠利电子材料有限公司与山东大学合作,研制成环氧树脂浇注料——叶片专用树脂[注]。该材料有7项性能指标达到或超过国外同类产品,质优、价格低于进口货,今年6月投产,预计明年产量达1 500t/a ([注]:此前,该树脂我国依赖进口)。[21] Risoe DTU公司宣布:帮助中国林业部门利用竹纤维(bamboo shreds)/环氧树脂试制叶片。[6]
AIRSTONE system风力机叶片用环氧产品(美国Dow Epoxy System公司)的性能好,通过了德国劳埃德(Germanischer Lloyd,GL)认证;此外,还有模具用环氧树脂、粘结剂等。其适用的成型工艺很多,如:真空灌注、湿法手糊等。真空灌注用低粘度环氧树脂的流动性极佳,可改善产品的力学性能、热敏性能。该产品可使叶片更强韧、轻质、易于生产。另讯:AIRSTONE牌环氧树脂、半成品有三种配方:①美国POLY-CARB Inc. 的配方;②美国GNS Technologies的配方;③德国UPPC AG的配方,可用于加工叶片;[2]该公司的Styrofoam牌绝缘材料也可用于加工叶片。[7]
瑞士Gurit公司推出两种叶片用环氧预浸料:①Spar Prog牌单向纤维预浸料,用于加工气泡少、质量高的厚层层压板,生产效率高;②WE91L牌预浸料,放热性低,低温(如:80℃)固化或120℃/65分固化,21℃环境里的贮存期为60d。[8]
德国BASF公司与德国Leuna-Harze公司[注]签约,合作生产叶片用环氧树脂(已通过德国劳埃德认证),共同供应欧洲市场;同时也使BASF公司得到了长期原料供应的保障([注]:德国Leuna-Harze公司是欧洲领先的环氧树脂制造商,其产品有:普通环氧树脂、特种环氧树脂(如:双酚F环氧树脂)和各种活性稀释剂)。[1]目前BASF公司提供的叶片用双组分环氧树脂有:两种浸渍环氧树脂(infusion resin),一种层压环氧树脂。[8]
EPOVIA™乙烯基酯树脂(Cray Valley公司和VVP公司)加工叶片的厚度5~15mm,长度达50m。层压板里的GF(或CF)含量65~70%。跟环氧树脂相比它的优点有:①物料的粘度较低:室温110cps;35℃<50cps(环氧树脂的物料则达1000cps);②固化性能较好,初始湿强度(initial green strength)尤佳。应该指出,湿强度对长条形复合材料制品(如:叶片、结构件)很关键。因为该制品必须经受住>120℃的后固化工艺(要求快速提高到最大固化速度和固化性能),模具材料每天必须在>120℃的高温环境里暴露6~8h。该树脂能快速提高湿强度,模具的成本也较低。总之,作为叶片的粘结基材,该树脂优于市售普通环氧树脂。[9]
2.2 辅助材料
拜耳公司利用CF/环氧树脂、纳米碳管填料等加工叶片,可使叶片长度超过60m,并大大减轻重量,例如:利用不到20kg新材料[纳米碳管填料等——编者注],就可使叶片重量减轻3t。[10]
SGL集团把CF和其他高性能纤维制品等科学地应用到复合材料里,为设计理念开发出创新的、最佳解决方案,例如:把Sigrafil C牌碳纤维、UD预浸料用来增强叶片,效果很是理想。[11]
BASF公司生产Baxxodur牌叶片用环氧树脂的固化剂、促进剂和添加剂。Baxxodur牌胺固化剂通过了德国劳埃德认证,将用于下一代环氧树脂。[8]XTEND牌叶片用水性脱模剂(美国Axel塑料研究试验室),由Xtand WS-47水性密封膜(sealer)和Xtand W7838D表面无光脱模膜组成,环保,强度高(满足环氧、不饱和聚酯树脂成型工艺的要求)。密封膜和脱模膜都是喷射在室温(或加热)的模具型面上,可使制品产生无光表面。该剂具有阻燃、无气味、快干、快固化的特性。[7]
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