夾芯泡沫材料性能及其在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用

周文華，周百能

（四川東樹新材料有限公司 四川德陽 618000）

1 常用的夾層結(jié)構(gòu)芯材

夾芯泡沫的概念要從夾層結(jié)構(gòu)說起，夾層結(jié)構(gòu)是一種層合復(fù)合材料的特殊形式。夾層結(jié)構(gòu)的好處是提供了高剛度、高強(qiáng)度、低重量的優(yōu)異組合，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的強(qiáng)重化。夾層結(jié)構(gòu)一般由上面板、上面板與芯材的粘接層、芯材、下面板與芯材的粘接層和下面板所構(gòu)成。夾層結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電、航空航天、交通運(yùn)輸、船艇制造、建筑和其他工業(yè)領(lǐng)域。

夾層結(jié)構(gòu)中的芯材要求密度小、厚度大，具有一定的承剪能力。芯材的關(guān)鍵性能指標(biāo)是壓縮和剪切強(qiáng)度，圖1介紹了目前夾層結(jié)構(gòu)中常用的芯材，包括蜂窩芯材、Balsa木（輕木）、泡沫芯材等。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)常用的芯材Fig.1 Common core materials used for sandwich structure

蜂窩芯材具有各向異性的特點(diǎn)，由于蜂窩和面板的粘接接觸面積相對(duì)較小，抗疲勞性能較差，蜂窩的開孔容易滲水，導(dǎo)致芯材和面板的粘接破壞等，且不適合于真空灌注工藝。

Balsa 木因?yàn)槊芏冗x擇范圍小、面層破壞后吸水腐爛等缺點(diǎn)，已逐漸被 PVC 泡沫取代。

和蜂窩芯材相比，泡沫芯材具有加工費(fèi)用低、粘接面積大、各向同性等優(yōu)點(diǎn)。

夾芯泡沫是指高分子聚合物經(jīng)發(fā)泡而成的硬質(zhì)閉孔材料，主要種類有聚氯乙烯（PVC）、熱塑性聚酯（PET）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚醚酰亞胺（PEI）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚苯乙烯（PS）和聚氨酯（PU）。其中 PS 和 PU 泡沫通常僅作為浮力材料，而不作為結(jié)構(gòu)材料使用。SAN 泡沫性能和線性的 PVC 接近，一般用于船舶市場(chǎng)。PEI 泡沫可以作為結(jié)構(gòu)泡沫，且具有良好的防火阻燃性能，但其價(jià)格太高，一般在飛機(jī)和列車車體中應(yīng)用較多。PVC、PET、PMI 泡沫以其優(yōu)異的性能及可接受的價(jià)格，應(yīng)用得最為廣泛。

2 應(yīng)用于風(fēng)電葉片的泡沫

風(fēng)電葉片上夾層結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于殼體和大梁中，常用的芯材是交聯(lián) PVC 泡沫和 Balsa 木。風(fēng)電葉片的典型設(shè)計(jì)方案是把強(qiáng)度較高的 Balsa 木用于承受載荷較大的靠近葉根的部位，PVC 泡沫用于承受載荷較小的靠近葉尖的部位，從葉根向葉尖方向，芯材的厚度逐漸減小。

PVC 泡沫由于開發(fā)技術(shù)成熟，綜合性能優(yōu)異，且價(jià)格相對(duì)較低，得到了廣泛的應(yīng)用，但是其加工和使用溫度較低。目前 PVC 泡沫國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家少，價(jià)格高，而且供應(yīng)緊張，尋找合適的替代材料成為當(dāng)務(wù)之急。近幾年來，PET 泡沫在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用越來越多，PMI 泡沫在風(fēng)電葉片上也有嘗試性的應(yīng)用。

2.1 PVC泡沫

圖2為 PVC 泡沫的化學(xué)式，PVC 泡沫是由聚氨酯對(duì) PVC 樹脂改性后發(fā)泡而成，改性機(jī)理為接枝共聚。目前市場(chǎng)上有 Diab 的 Divinycell 系列，Alcan 的C70、C71，JFC的 Navicel 系列，常州天晟的 Strucell系列 PVC 泡沫。

圖2 PVC泡沫的化學(xué)式Fig.2 Chemical formula of PVC foam

2.2 PET泡沫

圖3為 PET 泡沫的化學(xué)式，PET 泡沫由芳香族的二元羧酸和二元醇縮聚反應(yīng)產(chǎn)生的聚酯經(jīng)發(fā)泡而成。目前市場(chǎng)上有Alcan公司的T90、T91和T92系列 PET 泡沫。

圖3 PET泡沫的化學(xué)式Fig.3 Chemical formula of PET foam

2.3 PMI泡沫

圖4為 PMI 泡沫的化學(xué)式，是由甲基丙烯腈和甲基丙烯酸在引發(fā)劑存在下低溫預(yù)聚，然后在高溫下環(huán)化異構(gòu)化生成 PMI 可發(fā)泡聚合物板。這類反應(yīng)很奇特，是由氰基和羧基分子間重排環(huán)化生成酰亞胺結(jié)構(gòu)的。PMI 可發(fā)泡聚合物板在加熱的條件下，發(fā)泡劑分解膨脹，發(fā)泡成 PMI 泡沫板。目前市場(chǎng)上有 Degussa的 Rohacell 系列PMI泡沫和日本Sekisui公司生產(chǎn)的商標(biāo)為 Formac 的 PMI 泡沫。

圖4 PMI泡沫的化學(xué)式Fig.4 Chemical formula of PMI foam

3 PET、PVC、PMI泡沫的比較

參考權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu) DNV 對(duì)風(fēng)電葉片用夾芯泡沫的要求，本文將從靜態(tài)力學(xué)性能、疲勞性能、吸水性和樹脂吸收率、耐熱性、安全性、環(huán)保性等方面對(duì)PET、PVC、PMI 泡沫進(jìn)行比較。

3.1 靜態(tài)力學(xué)性能比較

夾芯泡沫在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用要求泡沫本身具有較高的力學(xué)性能，表1比較了PVC泡沫（60 kg/m3）、PMI泡沫（60 kg/m3）、PET泡沫（110 kg/m3）的拉壓彎剪力學(xué)性能（以下數(shù)據(jù)來源于市場(chǎng)上各種泡沫的主流制造商）。

表1 幾種夾芯泡沫力學(xué)性能的比較Tab.1 Comparison of mechanical properties of several sandwich foams

從表1中幾種夾芯泡沫力學(xué)性能的比較可以看出，PVC泡沫（60 kg/m3）和PET泡沫（110 Kg/m3）的力學(xué)性能相當(dāng)，PMI泡沫（60 kg/m3）的力學(xué)性能顯著高于PVC泡沫（60 kg/m3）和PET泡沫（110 kg/m3）；要達(dá)到PVC泡沫（60 kg/m3）的力學(xué)性能，PET泡沫的密度需要在110 kg/m3以上。

3.2 疲勞性能比較

夾芯泡沫往往應(yīng)用于動(dòng)力載荷下的構(gòu)件，如機(jī)車、高速船、航空和風(fēng)力發(fā)電葉片等，在風(fēng)電葉片實(shí)際運(yùn)行過程中拉壓等交變載荷的作用下，夾層結(jié)構(gòu)會(huì)受到強(qiáng)烈的疲勞作用，所以需要對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能進(jìn)行比較。

3.2.1 PMI 泡沫和 PVC 泡沫疲勞性能對(duì)比

在Stockholm的Royal Institute of Technology KTH 進(jìn)行了交聯(lián) PVC 泡沫、PMI 泡沫夾心結(jié)構(gòu)梁的四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)夾具使得夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形式是芯材發(fā)生剪切破壞。在500萬次循環(huán)以后，對(duì)未發(fā)生破壞的梁，使用靜力測(cè)試方法測(cè)試樣件的殘余抗剪強(qiáng)度［1］。

一系列的試驗(yàn)表明，PMI 泡沫能夠承受相當(dāng)于58%的靜力斷裂荷載的疲勞強(qiáng)度，交聯(lián)PVC泡沫能承受相當(dāng)于33%的靜力斷裂荷載的疲勞強(qiáng)度。PMI泡沫的抗疲勞性能好于 PVC 泡沫。

3.2.2 PET 泡沫和 PVC 泡沫疲勞性能對(duì)比

汪鵬等［2］測(cè)試了 PET 泡沫和 PVC 泡沫夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)1 000萬次四點(diǎn)彎曲疲勞后的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明PET泡沫的抗剪強(qiáng)度為0.35 MPa，而 PVC 泡沫的抗剪強(qiáng)度為0.20 MPa，說明 PET 泡沫的疲勞性能優(yōu)于 PVC 泡沫。

3.3 吸水性比較

這3種泡沫都是閉孔泡沫，吸水率都很低。

PMI 泡沫由于具有酰胺結(jié)構(gòu)吸水率較高，容易吸潮，故對(duì)操作環(huán)境要求嚴(yán)格。PMI 泡沫吸水后，熱蠕變性能會(huì)下降。一般情況下，PMI 泡沫需存儲(chǔ)在密封防潮的包裝中，使用前需加熱烘干處理。

3.4 樹脂吸收率比較

樹脂吸收率取決于泡沫的閉孔率，泡沫的閉孔率越高，樹脂吸收率越低。泡沫的閉孔率來源于2個(gè)方面，一方面是泡沫本身的閉孔率，另一方面是后期切割等機(jī)械加工導(dǎo)致泡沫表面的開孔。在真空灌注過程中，樹脂會(huì)進(jìn)入到開孔中，導(dǎo)致葉片重量增加。

PET 泡沫泡孔尺寸通常較大，故樹脂吸收率通常較高，表面也容易掉渣。劉魁［3］對(duì)PET、PVC 泡沫在灌注前后的面密度進(jìn)行比較，得出泡沫吸膠量的測(cè)試結(jié)果：PET 泡沫吸膠量為1 261.5 g/m2、PVC 泡沫吸膠量為1 117.8 g/m2。經(jīng)封孔處理的 PET 泡沫吸膠量比 PVC 低，但會(huì)增加額外的工藝步驟。

據(jù)國(guó)內(nèi)某泡沫制造商介紹，PMI 泡沫樹脂吸收率較低，只有 PVC 泡沫的一半。

3.5 耐熱性比較

泡沫的耐熱性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

①為滿足風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，泡沫在使用前需進(jìn)行切割、倒角等機(jī)械加工，在加工過程中，由于泡沫材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，若切割進(jìn)給速度過快，泡沫機(jī)械加工部位溫度升高過快，可能會(huì)出現(xiàn)燒焦等情況。

②葉片固化時(shí)，由于局部區(qū)域放熱集中也會(huì)產(chǎn)生很高的溫度。泡沫耐熱溫度不足可能出現(xiàn)變色或燒焦等情況。

PET 泡沫具有良好的耐熱性，在110 ℃時(shí)泡沫本體的性能基本不會(huì)下降，同時(shí)也有良好的尺寸穩(wěn)定性。

PVC 泡沫最高耐溫90 ℃，在葉片制造過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于放熱峰過高導(dǎo)致 PVC 泡沫變色或燒糊的現(xiàn)象，直接影響葉片的性能。

PMI 泡沫經(jīng)適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗?，能滿足190 ℃的固化工藝對(duì)泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，且在高溫下耐蠕變［4］。泡沫的耐熱性對(duì)風(fēng)電葉片真空灌注過程的固化溫度提出了要求，泡沫耐熱溫度越低，越需要更嚴(yán)格地監(jiān)控固化溫度以保證泡沫性能的穩(wěn)定性。

3.6 安全性、環(huán)保性比較

以 PVC 為代表的熱固性泡沫，由于無法降解和回收，對(duì)環(huán)境和資源存在影響，故隨著未來低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，熱塑性泡沫將會(huì)越來越得到重視和發(fā)展。PVC 泡沫主要原料是固態(tài)的 PVC 泡沫粉，生產(chǎn)過程中可能會(huì)產(chǎn)生少量 Hcl 等有害氣體。

PET 泡沫采用物理發(fā)泡，生產(chǎn)過程中沒有有害物質(zhì)放出，可以回收利用，具有良好的環(huán)保性能。

PMI 泡沫生產(chǎn)使用的原料多為液態(tài)、有毒有害有機(jī)化合物，如甲基丙烯腈有慢性毒性、催淚作用，并且對(duì)皮膚有傷害。甲基丙烯酸也是有毒有害物質(zhì)，且遇明火和高溫易燃易爆。但 PMI 泡沫生產(chǎn)過程中液態(tài)原料只在第一步存在，讓第一步在密閉的環(huán)境下進(jìn)行可以避免生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染及對(duì)人體的傷害。

3.7 阻燃、燃燒煙霧濃度、毒性

夾芯泡沫在航空和列車上應(yīng)用時(shí)，除了對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力學(xué)性能有嚴(yán)格要求外，還需要泡沫材料具備防火、低煙、無毒等性能，這方面 PEI 泡沫最具優(yōu)勢(shì)，完全通過了航空材料上阻燃、燃燒煙霧濃度和毒性的測(cè)試，PMI 和 PVC 泡沫次之，PET 泡沫較差。夾芯泡沫在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用也有上述要求。

3.8 價(jià)格比較

在相同密度下，進(jìn)口 PMI 泡沫價(jià)格是 PVC 泡沫的 1.8～2.5 倍，雖然 PMI 泡沫已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但價(jià)格仍較高，限制了其在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用，目前 PMI 泡沫主要應(yīng)用于航空航天、高速列車等領(lǐng)域。西北工業(yè)大學(xué)的張廣成團(tuán)隊(duì)采用丙烯腈替代了甲基丙烯腈［5］，制備的 PMI 泡沫在成本上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。PET 泡沫的價(jià)格比 PVC 泡沫略低。

4 結(jié)論與展望

PET 泡沫成本較低，耐熱性能優(yōu)異，可以回收利用，具有良好的環(huán)保性能，但良好的環(huán)保性能體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)服役結(jié)束后，在現(xiàn)有情況下，環(huán)保性能未必會(huì)作為葉片制造商選擇夾芯泡沫的必要條件。

同時(shí)，PET 泡沫也有很多缺點(diǎn)：

①力學(xué)性能不如 PVC 泡沫，要達(dá)到密度為60 kg/m3PVC 泡沫的性能，PET 泡沫的密度要在110 kg/m3以上；

②阻燃性能不足；

③目前的 PET 泡沫孔隙比較大，樹脂吸收量較高，表面容易掉渣，需要封閉或打平等表面處理方可降低其樹脂吸收率，限制了 PET 泡沫的應(yīng)用。但隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)也有廠家解決了表面孔隙較大的問題，推廣了 PET 泡沫在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用。

PVC 泡沫技術(shù)成熟，綜合性能優(yōu)異，且價(jià)格相對(duì)較低，但耐熱溫度低，需要更嚴(yán)格地監(jiān)控固化溫度保證泡沫性能的穩(wěn)定性。

PMI 泡沫具有較高的耐熱溫度，力學(xué)性能及疲勞性能更優(yōu)，防火阻燃，樹脂吸收率低且各向同性，綜合性能比 PVC 泡沫好，是一種高性能的泡沫。PMI 泡沫的不足主要是價(jià)格較高，限制了其在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用，但可以通過原料的替換降低成本，還可以利用自身性能優(yōu)勢(shì)，通過其使用工藝的優(yōu)化進(jìn)一步降低其使用綜合成本。PMI 泡沫吸水率較高，對(duì)存儲(chǔ)及使用環(huán)境要求嚴(yán)格，最好密封防潮包裝，使用前可適當(dāng)加熱處理。

總之，PET、PVC、PMI 泡沫各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但均能滿足風(fēng)電葉片的使用需求，夾芯泡沫的選擇應(yīng)基于材料、結(jié)構(gòu)、工藝、成本等因素綜合考慮，需要通過大量試驗(yàn)等進(jìn)行驗(yàn)證。沒有最好的泡沫，只有最合適的泡沫?！?/p>