大型風(fēng)電葉片主梁用免脫模布拉擠片材開(kāi)發(fā)

徐強(qiáng) 張曦月 黃輝秀 王志偉 劉傳瑞

摘 要 為助力風(fēng)電葉片用原材料降本，在現(xiàn)有的拉擠片材體系中加入改性內(nèi)脫模劑，提高片材表面極性、增加表面能，由此開(kāi)發(fā)免脫模布拉擠片材。對(duì)于免去脫模布后可能造成的力學(xué)及表面性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其開(kāi)展了本體力學(xué)性能、界面性能及表面粘接強(qiáng)度穩(wěn)定性研究，并選用相同原材料體系的有脫模布拉擠片材作為對(duì)照組。測(cè)試結(jié)果表明免脫模布拉擠片材各項(xiàng)性能均與有脫模布拉擠片材相當(dāng)，90天內(nèi)的表面粘接性能波動(dòng)幅度在均值的±5%范圍內(nèi)，能夠滿足葉片使用需求。

關(guān)鍵詞 免脫模布；拉擠片材；風(fēng)電葉片；性能測(cè)試

Development and Application of the Pultruded Plate

Without Peel Ply

XU Qiang1，ZHANG Xiyue1，HUANG Huixiu1，WANG Zhiwei2，LIU Chuanrui2

（1.Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.， Ltd.， Lianyungang 222000；

2.Zhongfu Carbon Fiber Core Cable Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222000）

ABSTRACT In order to reduce the cost of raw materials for wind turbine blades， modified internal release agent was added to the existing pultruded plate system to improve the surface polarity of sheet and increase the surface energy， so as to develop the pultruded plate without peel ply. In order to avoid the risk of deterioration of mechanical and surface properties caused by the absence of peel ply， the mechanical properties， interface properties and surface bonding strength stability of the body were studied， and the pultruded plate with peel ply and the same raw material system were selected as the control group. The test result shows that the properties of the pultruded plate without peel ply is comparable to this of the pultruded plate with peel ply， and the fluctuation range of surface bonding properties within 90 days is within the average ±5%， which can meet the requirements of blade use.

KEYWORDS without peel ply; pultruded plate; wind turbine blades; performance test

1 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，為提高在新能源發(fā)電領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，風(fēng)電行業(yè)只能依靠持續(xù)降本［1-3］。度電成本降低的最有效手段就是不斷擴(kuò)大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，因此，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度不斷增加。所以，平價(jià)時(shí)代機(jī)組大型化是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，隨著風(fēng)機(jī)向著大兆瓦發(fā)展，價(jià)格也在持續(xù)降低：2020年競(jìng)標(biāo)價(jià)高于3000元/千瓦，2023年競(jìng)標(biāo)價(jià)小于1500元/千瓦。風(fēng)電葉片作為風(fēng)機(jī)最基礎(chǔ)的關(guān)鍵零部件，占主機(jī)成本20%以上，而原材料占葉片成本的80%。因此，從原材料方面降低成本是最直接、最行之有效的降本方案。

拉擠片材因具機(jī)械性能優(yōu)異、材料質(zhì)量穩(wěn)定、能夠模塊化生產(chǎn)以降低葉片生產(chǎn)投資等優(yōu)勢(shì)［4］，有助于實(shí)現(xiàn)葉片輕量化，成為大型百米葉片主梁的首選材料。拉擠片材通常在表面鋪覆一層脫模布，其主要作用為：（1）吸附遷移至表面的內(nèi)脫模劑；（2）形成粘接粗糙面提高界面結(jié)合性能［5-6］；（3）保護(hù)片材表面免受污染和損傷。但使用脫模布產(chǎn)生的各項(xiàng)成本也不容忽視，以90m葉片為例，每支葉片所用脫模布總成本約占拉擠主梁原材料成本的4.6%～7.5%；撕除一套葉片主梁的脫模布約需要2h，還涉及到片材翻轉(zhuǎn)等操作，增加了生產(chǎn)工時(shí)及人力資源；而脫模布帶來(lái)的褶皺、搭接損耗、撕除損傷等片材質(zhì)量缺陷也會(huì)造成額外的成本損耗。除此之外，脫模布造成的固廢污染也與綠色生產(chǎn)制造要求相悖［7］。免除脫模布拉擠片材則在原工藝的基礎(chǔ)上，省去了脫模布及其加熱和導(dǎo)入裝置，降低了脫模布本身的材料成本、導(dǎo)入工裝成本和加熱產(chǎn)生的能耗成本，也規(guī)避了脫模布使用所帶來(lái)的質(zhì)量及環(huán)保問(wèn)題。

本文介紹了免脫模布拉擠片材的粘接機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試其本體力學(xué)性能和界面性能，與使用相同材料體系的有脫模布拉擠片材進(jìn)行對(duì)比分析，并探究片材儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)界面粘接性能的影響，為免脫模布拉擠片材在大型風(fēng)電葉片上批量應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 免脫模布粘接機(jī)理

免脫模布拉擠片材的原理是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)脫模劑進(jìn)行改性，使片材表面產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)（如羥基），形成高能表面。而灌注樹(shù)脂本身存在的較多極性基團(tuán)（如羥基和氨基），對(duì)片材的高能表面具有很好的浸潤(rùn)性和吸附性。根據(jù)表面浸潤(rùn)理論，當(dāng)兩組分能實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)，樹(shù)脂在高能表面上的物理吸附所提供的強(qiáng)度將大大超過(guò)樹(shù)脂的內(nèi)聚強(qiáng)度。同時(shí)，由于灌注樹(shù)脂的可流動(dòng)性和滲透性，其極性基團(tuán)與板材表面的極性基團(tuán)易形成氫鍵，賦予板材和灌注樹(shù)脂界面良好的粘接性能，彌補(bǔ)免脫模布拉擠片材表面粗糙度小、比表面積低的劣勢(shì)。

由于使用改性內(nèi)脫模劑及粘接機(jī)理的變化，使得免脫模布拉擠片材產(chǎn)生一些需要驗(yàn)證的性能風(fēng)險(xiǎn)，主要分為三方面：

（1）改性內(nèi)脫模劑使得片材原有的脫模劑體系發(fā)生改變，是否會(huì)對(duì)片材的本體性能產(chǎn)生影響；

（2）免除脫模布后比表面積的顯著降低，是否能夠通過(guò)高能表面的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償，從而保持片材良好的界面性能；

（3）表面極性基團(tuán)是否會(huì)受時(shí)間及環(huán)境的影響，從而造成界面穩(wěn)定性的波動(dòng)等。

因此，本文針對(duì)上述本體性能、界面性能及表面粘接穩(wěn)定性分別開(kāi)展測(cè)試方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)部分

3.1 原材料及設(shè)備

3.1.1 原材料

本試驗(yàn)選用的主要原材料及規(guī)格型號(hào)如表1所示。

3.1.2 設(shè)備

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：INSTRON 5582

疲勞試驗(yàn)機(jī)：INSTRON 8801

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 本體性能測(cè)試方案

由于改性內(nèi)脫模劑的加入，使得片材原本的樹(shù)脂體系發(fā)生改變，因此需重點(diǎn)驗(yàn)證受樹(shù)脂影響較大，即可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、90°方向力學(xué)性能、層間剪切強(qiáng)度以及疲勞性能等。

免脫模布拉擠片材的本體性能測(cè)試參照行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，具體測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

3.2.2 界面性能測(cè)試方案

對(duì)于任何體系的復(fù)合材料，想要充分發(fā)揮其優(yōu)越的力學(xué)性能及減重優(yōu)勢(shì)，了解增強(qiáng)纖維和基質(zhì)系統(tǒng)的粘合特性是至關(guān)重要的［8-10］。對(duì)于常規(guī)的拉擠片材而言，脫模布的應(yīng)用有利于形成粗糙面，從而使片材具有良好的界面性能。而免除脫模布后的拉擠片材是否會(huì)產(chǎn)生界面性能差異，成為其能否在風(fēng)電葉片上批量應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，本文重點(diǎn)對(duì)界面性能開(kāi)展研究，并結(jié)合片材在實(shí)際應(yīng)用中存在的界面形式設(shè)計(jì)測(cè)試方案，測(cè)試項(xiàng)目如表3所示。

（1）表面粘接性能測(cè)試方案

拉擠片材在實(shí)際應(yīng)用中存在兩種表面粘接形式：拉擠片材+層合板、拉擠片材+導(dǎo)流織物+拉擠片材。該方案需要將免脫模布拉擠片材厚度由8mm單面打磨至5mm后開(kāi)展制樣及測(cè)試。拉擠片材與層合板粘接形式：先鋪設(shè)6層單向高模玻纖織物（HUD1240玻纖織物），然后將拉擠片材未打磨面貼向玻纖織物鋪設(shè)；拉擠片材與拉擠片材粘接形式：需在2層拉擠片材間鋪設(shè)一層導(dǎo)流織物（Biax200玻纖織物），拉擠片材未打磨面貼向?qū)Я骺椢镤佋O(shè)。鋪設(shè)完成后，用灌注樹(shù)脂進(jìn)行真空灌注固化，參照EN1465開(kāi)展制樣及測(cè)試。

（2）90°拉伸性能測(cè)試方案

拉擠片材沿葉片弦向鋪放時(shí)，兩片拉擠片材的側(cè)立面之間可能會(huì)形成一定寬度的間隙，在灌注時(shí)被樹(shù)脂填充。為驗(yàn)證由此產(chǎn)生的界面性能，設(shè)計(jì)了90°拉伸和V型剪切性能測(cè)試方案，如圖2所示。將兩片拉擠片材并排鋪放，拼接間隙為m（m=2mm或4mm），用灌注樹(shù)脂進(jìn)行真空灌注固化。試樣寬度方向?yàn)槔瓟D片材0°纖維方向，參照ISO 527開(kāi)展制樣及測(cè)試。

（3）V型剪切性能測(cè)試方案

該方案是為了驗(yàn)證兩片拉擠片材側(cè)立面之間界面的剪切性能。V型剪切和90°拉伸性能測(cè)試所用的試樣鋪層灌注方式是一致的，如圖2所示，拼接間隙為m（m=2mm或4mm），用灌注樹(shù)脂進(jìn)行真空灌注固化。試樣寬度方向?yàn)槔瓟D片材0°纖維方向，參照ASTM D7078進(jìn)行制樣及測(cè)試。

（4）層間剪切性能測(cè)試方案

表征拉擠片材上下表面與玻纖織物和樹(shù)脂的界面剪切性能。本方案試樣的鋪層形式與表面粘接性能試樣一致，參照ISO 14130開(kāi)展制樣及測(cè)試，樣品尺寸100mm×50mm×10mm。

（5）斷裂韌性測(cè)試方案

為掌握拉擠片材的沖擊韌性，需有效獲取其層間斷裂特性。復(fù)合材料的Ⅰ型層間斷裂韌性（GIC）往往小于Ⅱ型層間斷裂韌性（GIIC），故GIC的可靠識(shí)別對(duì)復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)尤為重要。雙懸臂梁試驗(yàn)是研究復(fù)合材料Ⅰ型層間斷裂行為并測(cè)定其GIC的常用方法，適用于具有脆性聚合物基體的碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)層合板［11］，因此本方案參照ASTM D5528標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定GIC。

3.2.3 表面粘接穩(wěn)定性測(cè)試方案

拉擠片材表面覆蓋的脫模布能夠保護(hù)片材表面免受污染和損傷，從而使片材表面具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的粘接性能。對(duì)于免脫模布拉擠片材，為了驗(yàn)證時(shí)間對(duì)界面性能的影響，本文設(shè)計(jì)了表面粘接強(qiáng)度穩(wěn)定性測(cè)試方案。

選用成熟的生產(chǎn)工藝所制造的免脫模布拉擠片材，存放于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中，設(shè)定不同間隔周期，最長(zhǎng)存放時(shí)間為90天，對(duì)拉擠片材表面粘接（拉擠片材+導(dǎo)流織物+拉擠片材）性能進(jìn)行測(cè)試，試樣形式如圖1（b）所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 本體性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案開(kāi)展測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與使用相同材料體系的有脫模布拉擠片材進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可知，免脫模布拉擠片材的本體性能并未發(fā)生明顯改變。一些與樹(shù)脂體系相關(guān)性較大的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、90°方向力學(xué)性能、層間剪切強(qiáng)度和疲勞性能等，未出現(xiàn)顯著的性能降低；葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制要素如模量和疲勞m值等，也與有脫模布拉擠片材的性能水平基本一致，這說(shuō)明加入的改性內(nèi)脫模劑對(duì)片材力學(xué)性能未產(chǎn)生不利影響。

4.2 界面性能測(cè)試結(jié)果

界面性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，免脫模布拉擠片材較有脫模布拉擠片材的各項(xiàng)界面性能并未發(fā)生顯著的提升或下降，與有脫模布拉擠片材性能基本相當(dāng)，能滿足風(fēng)電葉片使用要求。分析原因有以下三方面：

（1）傳統(tǒng)的有脫模布拉擠片材表面可能會(huì)存在少量的內(nèi)脫模劑殘留，從而降低其表面粘接性能，但免脫模布片材所使用的改性內(nèi)脫模劑則無(wú)此不利影響。

（2）免脫模布拉擠片材會(huì)因表面粗糙度下降致使比表面積減少，但表面并非完全光滑平整，在微觀下可以看到纖維與樹(shù)脂之間存在一些微小的凹凸不平、縫隙和空隙，如圖7所示，利于灌注樹(shù)脂滲透到片材表面起到機(jī)械鉸合的作用，有利于提高片材與灌注樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度。

（3）由于加入的改性內(nèi)脫模劑，使片材表面產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)（如-OH羥基），形成高能表面，易與灌注樹(shù)脂中的羥基和氨基形成氫鍵，使得灌注樹(shù)脂對(duì)片材表面有很好的浸潤(rùn)性和吸附性。根據(jù)表面浸潤(rùn)理論，當(dāng)兩組分能實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)，灌注樹(shù)脂在高能表面上的物理吸附所提供的強(qiáng)度將大大超過(guò)樹(shù)脂的內(nèi)聚強(qiáng)度，從而增強(qiáng)界面的粘接性能，能夠彌補(bǔ)其粘接面粗糙度不足所造成的影響。

基于以上數(shù)據(jù)和原因分析，說(shuō)明無(wú)脫模布拉擠片材仍能夠保持良好的界面性能。

4.3 表面粘接強(qiáng)度穩(wěn)定性

表面粘接強(qiáng)度穩(wěn)定性數(shù)據(jù)如圖8所示。

拉擠片材暴露于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中，在不同暴露時(shí)間后測(cè)試其表面粘接的拉剪強(qiáng)度，平均拉剪強(qiáng)度值為38.6MPa。在90天的測(cè)試周期內(nèi)，片材表面拉剪強(qiáng)度在均值的±5%范圍內(nèi)波動(dòng)。拉剪強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在第1天（36.5MPa），拉剪強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在第75天（39.9MPa），說(shuō)明存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)拉擠片材界面性能的影響較小，長(zhǎng)期暴露于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中，免脫模布拉擠片材仍具有較好的表面粘接強(qiáng)度穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）加入的改性內(nèi)脫模劑未對(duì)片材本體力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，免脫模布拉擠片材與有脫模布拉擠片材性能基本相當(dāng)。

（2）免脫模布拉擠片材的界面性能并未發(fā)生顯著的提升或下降，仍具有良好的界面性能。

（3）免脫模布拉擠片材在90天的測(cè)試周期內(nèi)，表面粘接強(qiáng)度的波動(dòng)幅度在均值的±5%范圍內(nèi)，存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)拉擠片材界面性能無(wú)明顯影響。

綜上所述，免脫模布拉擠片材的各項(xiàng)性能均能夠滿足風(fēng)電葉片主梁用拉擠片材的技術(shù)指標(biāo)要求。在降本增效的行業(yè)大背景下，免脫模布拉擠片材具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠降低撕除脫模布所帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及人工成本。預(yù)計(jì)近幾年將陸續(xù)替代傳統(tǒng)的拉擠片材，在風(fēng)電葉片制造中大量應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］黃輝秀，于永峰，劉煥旭，等. 拉擠復(fù)合材料板材在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用研究［J］. 風(fēng)能，2018（07）：86-88.

［2］孫二平，蘇寶定，江海濤. 大風(fēng)機(jī)葉片材料輕量化的探索［J］. 玻璃纖維，2022（2）：37-42.

［3］李成良，楊超，倪愛(ài)清，等. 復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用與發(fā)展［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2023，40（3）：1274-1284.

［4］趙新濤，姜寧，王明道，等. 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料拉擠成型工藝研究進(jìn)展［J/OL］. 材料導(dǎo)報(bào). https：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.TB.20230308.1317.006.html

［5］王琪. 脫模布對(duì)風(fēng)電葉片用復(fù)合材料二次粘接的影響分析［D］. 東華大學(xué)，2018.

［6］王偉偉，楊忠，劉鮮紅，等. 風(fēng)電葉片玻纖拉擠板性能影響因素的研究［J］. 天津科技，2022，49（7）：84-87.

［7］譚伯楊，閆美娟. 無(wú)脫模布玻纖拉擠板在風(fēng)電葉片應(yīng)用研究［J］. 玻璃纖維，2022（5）：21-24.

［8］喬小亮，呂召濤. 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片拉擠片材層間樹(shù)脂填充研究［J］. 纖維復(fù)合材料，2022（3）：118-122.

［9］馬騰，賈宇婷，吳海亮，等. 風(fēng)電葉片拉擠玻板層間夾層織物性能研究［J］. 天津科技，2022，49（7）：30-33.

［10］劉煥旭，于永峰，姜建建. 風(fēng)電葉片拉擠片材主梁樹(shù)脂與片材之間粘接強(qiáng)度分析［J］. 纖維復(fù)合材料，2021（1）：41-48.

［11］肖鵬程，鄧健，王增賢，等. 超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板層間斷裂韌性［J/OL］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào). https：//doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20230407.001