風(fēng)電葉片用芯材PET的性能研究

劉艷霞，仇艷龍，楊 忠，劉鮮紅，劉衛(wèi)兵，別春華

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是乙二醇和對苯二甲酸的縮聚反應(yīng)產(chǎn)物，PET發(fā)泡材料作為熱塑性材料，具有比強(qiáng)度高、質(zhì)輕、優(yōu)良的電絕緣性、耐化學(xué)藥品性及耐蠕變、耐疲勞、耐磨擦等特性。目前除了用于生產(chǎn)纖維、各類容器、包裝材料外，還是一種非常好的風(fēng)力發(fā)電葉片材料[1]。

芯材是風(fēng)電葉片的主要材料，葉片殼體、剪切腹板等重要部件一般采用夾心結(jié)構(gòu)，通過這個(gè)結(jié)構(gòu)，將葉片所受剪切力從表層向內(nèi)部傳遞，進(jìn)而提高葉片的載荷能力[2]。目前材質(zhì)輕的 Balsa木、PVC廣泛應(yīng)用于葉片芯材，而 PET以其優(yōu)異的力學(xué)性能和環(huán)保性能作為替代 PVC的優(yōu)選材料，逐步占領(lǐng)風(fēng)電葉片芯材市場。本文結(jié)合國內(nèi)外PET發(fā)泡技術(shù)和產(chǎn)品性能，研究了風(fēng)電葉片用 PET 的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，并對下一步風(fēng)電葉片用PET性能提出建議。

1 試驗(yàn)方案

采用 3種不同廠家發(fā)泡 PET進(jìn)行平行對比測試，A樣品為國外發(fā)泡產(chǎn)品，B為國內(nèi)發(fā)泡產(chǎn)品。根據(jù)葉片成型工藝對夾心材料的性能要求，重點(diǎn)分析測評內(nèi)容包括：表觀形貌、本體壓縮輕度、本體剪切強(qiáng)度、灌注工藝適用性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌結(jié)果

A、B樣品如圖1所示：PET表面發(fā)泡均勻，孔隙微?。粚Ρ華樣品可觀測到明顯的“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)。

圖1 兩種PET的剖面形貌Fig.1 Section morphologies of two kinds of PET

利用超臨界CO2擠出發(fā)泡法是PET主要的發(fā)泡手段，通過將擠出機(jī)的螺桿旋轉(zhuǎn)和料筒加熱熔融，物料不斷地被混合剪切，在機(jī)頭處由高壓瞬間變?yōu)榈蛪憾谷苡谖锪系臍怏w膨脹發(fā)泡[3]。由于我國的 PET發(fā)泡技術(shù)剛剛起步，對發(fā)泡技術(shù)的研究相對較少，理論和工藝實(shí)踐不成熟，對發(fā)泡 PET的密度和泡孔尺寸控制不穩(wěn)定。

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

進(jìn)口 PET的性能和國產(chǎn) PET性能數(shù)據(jù)對比參見表1。

表1 兩種PET的力學(xué)性能測試Tab.1 Test results of mechanical properties of two kinds of PET

泡沫 PET的本體壓縮強(qiáng)度和灌注后剪切強(qiáng)度是風(fēng)電葉片衡量其性能的主要測試方面，其次為保證其工藝適用性，通過吸膠量衡量泡沫芯材與樹脂機(jī)體的結(jié)合程度以及灌注工藝的適用性。

從測試結(jié)果來看，樣品 A與 B的壓縮模量差異較小，表示在承受大載荷的情況下，兩者的壓縮形變難易程度相當(dāng)，樣品 A的壓縮強(qiáng)度比葉片設(shè)計(jì)要求的1.2MPa高出近30%，比國產(chǎn)PET泡沫高出28%，壓縮模量差異較小，說明在相同條件下樣品 A能夠抵抗更大的載荷；對于風(fēng)電葉片而言，較高的壓縮強(qiáng)度和模量就意味著葉片具有更高的強(qiáng)度、更大的承受載荷，那么葉片的設(shè)計(jì)壽命就越長。

剪切強(qiáng)度和模量代表了材料承受剪切力的能力，灌注后泡沫芯材的剪切強(qiáng)度可以表征泡沫材料與環(huán)氧樹脂層間結(jié)合的牢固程度。從表1可知，樣品A、B灌注后的剪切強(qiáng)度和模量都高出設(shè)計(jì)值 2%～10%，可滿足風(fēng)電葉片使用；樣品A為腹板板材時(shí)，其剪切強(qiáng)度大于樣品 B，殼體板材樣品 A的剪切強(qiáng)度小于樣品B，泡沫PET的加工方式對其剪切性能有影響，主要在于表面樹脂含量有差異。一般而言，腹板的加工工藝較簡單，隨型性要求小，表面樹脂含量較殼體小，因而其剪切強(qiáng)度和模量低于殼體泡沫；泡沫表面樹脂含量越高，剪切強(qiáng)度越大。對于同種加工方式，樣品 A較 B的表面吸膠量小，一定程度可以降低樹脂的使用量。

2.3 泡沫PET與PVC性能對比

PET與 PVC的力學(xué)性能對比見表 2。隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，泡沫材料的競爭日趨激烈，在保持風(fēng)電葉片原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展材料的使用范圍和種類成為行業(yè)研究的熱門課題。PET泡沫已逐步進(jìn)入國內(nèi)葉片市場。通過測試對比，PET泡沫的壓縮、剪切等性能基本與 PVC相當(dāng)，甚至優(yōu)于 PVC；腹板和殼體 2種加工方式的單位吸膠量為 PET少于PVC，在實(shí)際使用中可降低樹脂用量。同時(shí)，PET泡沫的耐高溫性能和高溫不變色性能優(yōu)于 PVC，在葉片實(shí)際應(yīng)用中能夠提高生產(chǎn)效率和葉片表觀質(zhì)量，頗受風(fēng)電葉片行業(yè)的青睞。

表2 PET與PVC的力學(xué)性能測試對比Tab.2 Comparison of mechanical properties between PET and PVC

3 結(jié) 論

樣品 A和樣品 B的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度都可滿足風(fēng)電葉片用泡沫芯材對材料的要求，且樣品 A的力學(xué)性能優(yōu)于樣品 B。PET泡沫的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和耐高溫性能優(yōu)于 PVC泡沫，吸膠量低于 PVC，因此作為風(fēng)電葉片芯材使用有較大的優(yōu)勢。由于目前國內(nèi)PET發(fā)泡技術(shù)剛剛起步，發(fā)泡工藝不夠成熟，在選用 PET時(shí)還需要根據(jù)材料的實(shí)際表觀質(zhì)量和力學(xué)性能判定。