模壓工藝對風電葉片再生板材性能的影響研究

摘要：隨著風電行業(yè)的快速發(fā)展，我國退役風電葉片數(shù)量持續(xù)增長，其回收利用已成為制約風電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。試驗采用粉碎系統(tǒng)對退役風電葉片進行處理，然后利用模壓工藝將其與高密度聚乙烯復(fù)合，制備再生板材。其間通過響應(yīng)曲面設(shè)計，研究混料溫度、模壓溫度、模壓壓力和保壓時間對再生板材力學(xué)性能的影響，并采用拉伸強度、彎曲強度和壓縮強度作為再生板材力學(xué)性能的評價指標，通過最小二乘法分析制備工藝對再生板材力學(xué)性能的影響，得到最優(yōu)模壓工藝的制備參數(shù)，為再生板材生產(chǎn)推廣奠定工藝基礎(chǔ)。試驗結(jié)果表明，模壓工藝參數(shù)較優(yōu)時，混料溫度為89.03 ℃，模壓溫度為182.5 ℃，模壓壓力為22.82 MPa，保壓時間為8.09 min。在此工藝條件下，制備的再生板材拉伸強度為20.01 MPa，彎曲強度為39.15 MPa，壓縮強度為34.73 MPa。

關(guān)鍵詞：風電葉片；模壓工藝；再生板材；力學(xué)性能

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0033-06

Study on the influence of molding process on the regenerated Plate Properties of wind turbine blades

ZHANG Enfu1， LI Yanfeng1， JIANG Qingpan2， ZHOU Fengxiang2， BU Yuwei2， HE Faquan2

（1. Liaoning Longyuan Renewables Development Co.， Ltd.， Shenyang 110013， China; 2. China Energy Longyuan Environmental Protection Co.， Ltd.， Beijing 100039， China）

Abstract： With the rapid development of the wind power industry， the number of retired wind turbine blades in China continues to grow， and their recycling has become one of the bottlenecks restricting the sustainable development of the wind power industry. The experiment uses a crushing system to process retired wind turbine blades， and then uses molding process to composite them with high-density polyethylene to prepare regenerated plates. During this process， the effects of mixing temperature， molding temperature， molding pressure， and holding time on the mechanical properties of regenerated plates are studied through response surface design， and the tensile strength， flexural strength， and compressive strength are used as evaluation indicators for the mechanical properties of regenerated plates， by using the least squares method to analyze the influence of preparation process on the mechanical properties of regenerated plates， the optimal preparation parameters for the molding process are obtained， laying the technological foundation for the promotion of regenerated plate production. The experimental results show that when the molding process parameters are optimal， the mixing temperature is 89.03 ℃， the molding temperature is 182.5 ℃， the molding pressure is 22.82 MPa， and the holding time is 8.09 min. Under these process conditions， the prepared regenerated plates have a tensile strength of 20.01 MPa， a bending strength of 39.15 MPa， and a compressive strength of 34.73 MPa.

Keywords： wind turbine blades; molding process; regenerated plates; mechanical property

隨著風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國將于2025年迎來風電葉片的報廢潮，退役風電葉片數(shù)量迅猛增長，預(yù)計2028年將達到412 784 t[1-2]。熱固性纖維增強樹脂復(fù)合材料憑借密度小、強度高、耐腐蝕和耐候性好等優(yōu)點，成為風電葉片的常用制備材料[3]。但是，這種復(fù)合材料難以降解，回收處理流程復(fù)雜，長期沒有很好地得到回收處理及高值化利用[4]。因此，退役風電葉片的回收利用已成為未來制約風電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[5]。目前，退役風電葉片等復(fù)合材料的回收技術(shù)主要有機械回收法、熱回收法和化學(xué)回收法[6]。其中，機械回收法是采用切割粉碎的方式獲取葉片粉料，再將其與熱塑性樹脂相結(jié)合，制備再生產(chǎn)品，因可全部處置，已逐漸發(fā)展為退役風電葉片循環(huán)利用的一種重要技術(shù)手段[7-8]。

目前，退役風電葉片粉料結(jié)合熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝主要有擠出成型、注塑成型和模壓成型。其中，模壓成型具有操作快速方便、生產(chǎn)效率高等特點，是常用的成型工藝之一。然而，成型時，樹脂與粉料分布不均或熔融較差，易造成再生產(chǎn)品性能不佳等缺陷。在再生產(chǎn)品的實際生產(chǎn)中，如何合理控制混料溫度、模壓溫度及保壓時間等成型工藝參數(shù)是保證再生產(chǎn)品性能的關(guān)鍵[9-11]。試驗以退役風電葉片粉料和高密度聚乙烯為原料來制備再生板材，分析混料溫度、模壓溫度、模壓壓力和保壓時間等模壓工藝參數(shù)對再生板材力學(xué)性能的影響，從而確定最優(yōu)模壓制備工藝參數(shù)，獲得最佳力學(xué)性能，為再生板材生產(chǎn)推廣奠定工藝基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設(shè)備

試驗原料主要有3種。一是聚丙烯樹脂，購自中國臺塑集團，型號為5012XT。二是偶聯(lián)劑，購自濟南潤雨化工有限公司，型號為KH560。三是退役風電葉片粉料。退役風電葉片采用粉碎裝置進行處理，粉碎成粒徑48～150 μm的顆粒。原料采用SHR-50A系列混料機進行混合。采用RYJ-600E系列熱壓機制備再生板材，以拉伸強度、彎曲強度和壓縮強度作為材料力學(xué)性能的評價指標。采用IS768-20KN型微機控制電子萬能材料試驗機進行彎曲強度、拉伸強度及壓縮強度試驗。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計的目的是用最少的試驗次數(shù)建立指標與因素的關(guān)系，最終獲取合適的工藝參數(shù)或配方。在模壓成型工藝中，混料溫度、模壓溫度、模壓壓力和保壓時間4個因素的改變會導(dǎo)致再生板材在成型效果上呈現(xiàn)較大的差異，進而影響其力學(xué)性能。試驗采用中心復(fù)合設(shè)計的響應(yīng)曲面設(shè)計方法，探索模壓工藝混料溫度、模壓溫度、模壓壓力和保壓時間4個因素對再生板材力學(xué)性能的影響。為了使再生板材可以獲得較好的成型效果，制備時根據(jù)混料效果、聚乙烯熔點及前期試驗效果，合理選取參數(shù)范圍?；炝蠝囟鹊姆秶鸀?0～100 ℃，模壓溫度的范圍為160～190 ℃，模壓壓力的范圍為10～26 MPa，保壓時間的范圍為4～10 min。選擇2個中心點，設(shè)計4因素、3水平的正交試驗，設(shè)計方案如表1所示。

1.3 再生板材制備

根據(jù)前期探索試驗，將退役風電葉片粉料質(zhì)量占比控制在40%，添加聚乙烯樹脂及其他助劑，制備再生板材，工藝流程如圖1所示。將風電葉片粉料、聚乙烯樹脂及其他助劑混合后稱重，然后將其置于模壓裝置中，升溫至T1，隨即升壓至P，在壓力P下保壓時間為t，快速降溫至T2后脫模，完成再生板材制備。

1.4 性能測試

再生板材拉伸強度按照《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》（GB/T 1040.2—2022）測試，再生板材試樣為Ⅰ型試樣，呈啞鈴狀，規(guī)格為180 mm×10 mm×4 mm（長×寬×高）；彎曲強度按《塑料 彎曲性能的測定》（GB/T 9341—2008）測試，試樣規(guī)格為80 mm×10 mm×4 mm（長×寬×高），壓縮強度按《塑料 壓縮性能的測定》（GB/T 1041—2008）測試，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×4 mm（長×寬×高）。

2 結(jié)果與討論

2.1 模壓工藝對再生板材力學(xué)性能的影響

數(shù)據(jù)擬合采用二次多項式，根據(jù)性能測試結(jié)果，獲得回歸方程，如式（1）、式（2）和式（3）所示。由擬合方程可以看出，從高到低，模壓工藝參數(shù)對拉伸強度影響的顯著程度排序依次是模壓溫度、保壓時間、混料溫度、模壓壓力；從高到低，模壓工藝參數(shù)對彎曲強度影響的顯著程度排序依次是模壓壓力、模壓溫度、保壓時間、混料溫度；從高到低，模壓工藝參數(shù)對壓縮強度影響的顯著程度排序依次是模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、混料溫度。

（1）

（2）

（3）

式中：P1為拉伸強度；P2為彎曲強度；P3為壓縮強度。

結(jié)合預(yù)測模型，擬合每2個因素對力學(xué)性能的影響響應(yīng)曲面，其他因素使用固定值。混料溫度（X1）和模壓溫度（X2）對再生板材力學(xué)性能的影響如圖2所示，其中，模壓壓力（X3）和保壓時間（X4）采用固定中間值。由圖2可以看出，隨著混料溫度的提升，再生板材的拉伸強度逐漸升高，彎曲強度呈現(xiàn)先升高后略微降低的趨勢，壓縮強度呈現(xiàn)基本不變再逐漸升高的趨勢。數(shù)據(jù)顯示，隨著混料溫度的提升，相應(yīng)的混料時間延長，有助于促進樹脂與粉料、助劑的均勻混合，在一定范圍內(nèi)可提高板材的力學(xué)性能。由圖2可以看出，隨著模壓溫度的提升，樹脂的熔融程度提升，樹脂與粉料、助劑的融合度提升，再生板材的力學(xué)性能逐漸升高，當模壓溫度達到一定值時，力學(xué)性能達到最佳，之后再提升模壓溫度，拉伸強度和壓縮強度的提升幅度較小，基本維持不變，而彎曲強度呈現(xiàn)小幅度的下降趨勢。

模壓壓力（X3）和保壓時間（X4）對再生板材力學(xué)性能的影響如圖3所示，其中，混料溫度（X1）和模壓溫度（X2）采用固定中間值。由圖3可以看出，隨著模壓壓力的提升，再生板材的力學(xué)性能逐漸提升，在提升壓力的前期，力學(xué)性能提升速度最快，然后逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析，提升模壓壓力后，板材中的空氣隨之排出，板材的壓縮率也得到提升，葉片粉料與聚乙烯的界面結(jié)合也更加緊密，從而提升力學(xué)性能。由圖3可以看出，隨著保壓時間的延長，樹脂得到充分融熔，提升樹脂與粉料、助劑的融合度，再生板材的力學(xué)性能逐漸升高，當保壓時間達到一定值時，力學(xué)性能達到最佳，之后再提升保壓時間，拉伸強度和壓縮強度的提升幅度較小，基本維持不變。

2.2 驗證及優(yōu)化

設(shè)置意愿函數(shù)，拉伸強度、彎曲強度與壓縮強度的比值為1∶1∶1，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)，如表2所示。最優(yōu)工藝參數(shù)下，不同影響因素對力學(xué)性能的影響如圖4所示。其中，從各響應(yīng)的預(yù)測值來看，拉伸強度為20.07 MPa，彎曲強度為38.35 MPa，壓縮強度為34.03 MPa。在此工藝條件下制備再生板材，實際測得拉伸強度為20.01 MPa，彎曲強度為39.15 MPa，壓縮強度為34.73 MPa。實際測定值與理論預(yù)測值誤差較小，說明該數(shù)學(xué)模型能較好地預(yù)測各因素與力學(xué)性能的關(guān)系。

3 結(jié)論

試驗以退役風電葉片和高密度聚乙烯為原料，采用模壓工藝制備再生板材，分析混料溫度、模壓溫度、模壓壓力和保壓時間對再生板材力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，最佳工藝條件下，混料溫度為89.03 ℃，模壓溫度為182.5 ℃，模壓壓力為22.82 MPa，保壓時間為8.09 min。此時，再生板材的拉伸強度為20.01 MPa，彎曲強度為39.15 MPa，壓縮強度為34.73 MPa。其間采用中心復(fù)合設(shè)計的響應(yīng)曲面設(shè)計方法，探索模壓工藝參數(shù)對再生板材力學(xué)性能的影響。數(shù)據(jù)顯示，從大到小，模壓工藝參數(shù)對再生板材拉伸強度的影響程度排序依次為模壓溫度、保壓時間、混料溫度、模壓壓力；從大到小，模壓工藝參數(shù)對再生板材彎曲強度的影響程度排序依次為模壓壓力、模壓溫度、保壓時間、混料溫度；從大到小，模壓工藝參數(shù)對再生板材壓縮強度的影響程度排序依次為模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、混料溫度。其中，模壓溫度是決定再生板材力學(xué)性能的最重要因素。

參考文獻

1 張玲玲.風電葉片退役后何去何從？[N].中國建材報，2021-07-08（01）.

2 中國可再生能源學(xué)會風能專業(yè)委員會.2020年中國風電吊裝容量統(tǒng)計簡報[J].風能，2021（11）：72-84.

3 CHEN J L，WANG J H，NI A Q.Recycling and reuse of composite materials for wind turbine blades：an overview[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites，2019（12）：567-577.

4 許冬梅，張興林，荊 濤.廢舊熱固性復(fù)合材料綠色回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究：以風電行業(yè)廢棄風葉片為例[J].環(huán)境保護，2019（20）：54-56.

5 于雪梅，朱曉華，劉衛(wèi)生，等.廢棄風電葉片切割裝置設(shè)計及破碎料的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2018（6）：60-64.

6 Yang Y X，Boom R，Irion B，et al.Recycling of composite materials[J].Chemical Engineering amp; Processing （Process Intensification），2012（1）：53-68.

7 馬文靜，張宇彤，楊春振，等.大宗風電退役風機葉片資源化回收利用技術(shù)研究進展[J].潔凈煤技術(shù)，2023（10）：17-26.

8 陳天嘯.風力發(fā)電葉片回收技術(shù)及發(fā)展展望[J].玻璃纖維，2022（6）：30-36.

9 曾 彪，劉玉飛，王 寧，等.玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進展[J].上海塑料，2015（2）：11-16.

10 沃西源，薛 芳，李 靜.復(fù)合材料模壓成型的工藝特性和影響因素分析[J].高科技纖維與應(yīng)用，2009（6）：41-44.

11 師昌緒.材料大詞典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.