聚氨酯风电叶片工艺问题浅析_蒋华.pdf

技术|Technology84 风能 Wind Energy 当前,风电叶片主要由玻璃纤维、巴沙木、环氧树脂（EP）等通过真空灌注固化成型。环氧树脂为风电叶片的基体材料,为叶片的主材之一。随着大宗物资的涨价,石油化工类原材料价格大幅上涨,环氧树脂也因原材料紧缺,价格持续上涨,且市面上供货紧张,导致叶片的成本持续增高,而风电机组又存在降本的需求,因此,寻找价格低廉、性能优异的新材料成为当前风电叶片制造领域的热门话题。聚氨酯（PU）为传统的热固性树脂,具有优异的机械性能,广泛应用于民用行业。聚氨酯树脂具有优异的力学性能、较低的粘度、较快的灌注及固化速度,同时放热较低。形成层合板具有较高的纤维含量,以及价格较低（聚氨酯树脂价格约为环氧树脂的 2/3）的优势,使聚氨酯可较好地嵌入于现有叶片成型工艺。当前,部分企业开始在风电叶片大梁上试用聚氨酯树脂体系,但由于大梁结构相对简单,为纯玻璃纤维布,影响因素相对较少。同时,大梁重量约占总叶片重量的 1/4,仅在大梁上试用难以发挥聚氨酯的成本优势。此外,有极少数的企业开始采用聚氨酯进行全聚氨酯叶片的生产试制,但工艺不稳定仍然是一个亟待解决的问题。全聚氨酯叶片对于叶片降本具有重要的意义,因此,有必要加强叶片生产工艺稳定性的研究。本文针对聚氨酯叶片制作过程中缺陷形成的原因进行探索分析,围绕材料的预处理、选型、固化条件等因素展开分析论证,旨在提高聚氨酯叶片工艺稳定性,减少制作过程中的缺陷。聚氨酯风电叶片工艺问题浅析文|蒋华，崔志刚，黄远通，张鹏聚氨酯叶片存在的工艺问题聚氨酯树脂为多元醇和异氰酸酯聚合形成,异氰酸酯基团对水分较为敏感。相比于环氧树脂体系,聚氨酯体系对叶片的制造工艺挑战较大。如图 1 所示,目前聚氨酯叶片制造主要存在以下几个方面的问题：（1）灌注气泡问题。由于聚氨酯树脂组分中异氰酸酯对水分较为敏感,容易与水汽及含有水性基团的材料反应产生 CO2,从而导致叶片玻璃钢层中存在气泡、发白等现象。（2）壳体浸润不良问题。由于聚氨酯树脂粘度较低,约为 4090mPa S,灌注速度较快,极易形成浸润不良、包围等质量缺陷。（3）厚预制件灌注固化问题。聚氨酯树脂反应较快,对温度敏感,在厚部件固化过程中容易出现鼓包等问题。（4）聚氨酯腹板白斑问题。通常风电叶片腹板为布层较薄的三明治结构（上下表面为玻纤布层,中间为泡沫夹芯材料层）,泡沫的多槽孔结构容易造成槽缝间流速差异较大,进而形成白斑。聚氨酯叶片主要工艺问题的应对思路一、灌注气泡问题由于聚氨酯原材料的特性,在聚氨酯叶片生产过程中须对材料进行恒温、除湿的控制,且保证整个真空灌注体（a）浸润不良 （b）气泡图1 聚氨酯灌注缺陷（c）鼓包 （d）腹板白斑Technology|技术2023年第01期 85 1:李绍熊，朱吕民.聚氨酯树脂 M.江苏科学技术出版社，1992.2:美 R.S.戴夫，A.C.卢斯.高分子复合材料加工工程 M.方征平，沈烈.北京：化学工业出版社，2004.图2 导流网布置系的密封性良好。因此,可通过以下方式避免灌注及固化过程中气泡缺陷的产生。（1）对聚氨酯树脂进行循环脱泡处理。目前,环氧树脂通过脱泡设备加热至 8090左右来降低粘度,并通过真空抽气的方式进行脱泡处理,但聚氨酯树脂容易出现异氰酸酯自聚现象,在 70左右异氰酸酯具有较高的反应活性1。因此,在进行聚氨酯树脂脱泡处理过程中应注意控制树脂的加热温度,建议设置脱泡温度为 60。可通过多次循环脱泡方式来提升脱泡效果,并且由于聚氨酯树脂脱泡过程中的温度不能太高,需要考虑增加脱泡设备的脱泡行程,增加单位面积树脂量的脱泡时间。此外,应保证脱泡过程中所有接口处于密封状态。（2）对原材料,如连续毡、夹芯等多孔类的材料,应提前进行加热,保证原材料的含水率在合格范围内。在材料铺设至模具,完成真空布置后,再次进行加热除湿处理。除湿时,可考虑增加部分导流介质作为水汽排出系统的介质。在环氧树脂叶片灌注过程中,为了避免出现白斑等问题,导流介质与模具边缘往往预留一定的距离。但对于无导流介质的区域,水汽容易附着在真空袋膜上,无法排出,对此可通过间断布置导流介质的方法（图 2）来提升除湿效果。除湿过程其实为叶片内水分的蒸发过程,由于水分在不同温度条件下的饱和蒸气压有所差异（表 1）,建议设置除湿温度高于叶片真空压力下所对应的水的饱和蒸气压温度。通常,叶片在真空灌注状态条件下的压力为3050mbar,考虑不同布层厚度区域,压力状态差异及预留一定的安全余量,建议设置除湿温度为 4050。通常需要除湿 58 小时,在此过程中可用氯化钴试纸进行除湿检测。（3）在真空准备及灌注过程中,应保证所有管路与阀门等处于一个密闭的系统,包括灌注设备与树脂桶的上料接口、与叶片连接的真空灌注口等,避免与水汽接触。（4）控制车间温度 1630。二、壳体浸润不良问题聚氨酯树脂相比环氧树脂具有更低的混合粘度,边缘跑道效应2明显,因此,其在玻纤束及芯材槽内流速较快,导流网非导流介质区域导流介质区域表1 水在不同温度下的饱和蒸气压温度/饱和蒸气压/kPa温度/饱和蒸气压/kPa202.3388365.9453212.4877376.2795222.6447386.6298232.8104396.9969242.985407.3814253.169417.784263.3629428.2054273.567438.6463283.7818449.1075294.0078459.5898304.24554610.094314.49534710.62324.75784811.171335.03354911.745345.32295012.344355.6267技术|Technology86 风能 Wind Energy 容易导致叶片灌注过程中在预制件边缘区域、芯材过渡区域、叶根端面等部位存在干丝、包围等浸润不良现象。如图3、图 4 所示,由于局部存在高度差、拐角等,布层难以完全随型贴附紧密,容易形成一定的空腔。这些空腔在灌注过程中将成为树脂优先的跑道,而跑道两侧的纤维层则容易形成封闭的区域。由于封闭区域缺乏压力差,树脂难以流入,因而形成或大或小的白斑。因此,在灌注过程中应控制以下几点：（1）保证玻纤布、辅材等贴实压紧,尤其是模具的拐角及边缘区域,可采用喷胶或纤维胶带等进行粘贴,避免搭桥形成快速通道。（2）控制树脂温度 1823,保证树脂处于合适的粘度范围和适用期。（3）在关键部件位置设置阻流带,如芯材结束位置、后缘 UD 区域等,可采用导流网断开,或粘贴密封胶带,以此调节控制叶片上下表面的流速差,尽量保证上下表面的流速相当。避免因上下表面流速差异较大,形成不规则的由上至下或由下至上的树脂流动,造成局部玻纤包围,形成干玻纤、浸润不良等类似缺陷。（4）采用克重较低的导流网,减缓上表面流速,同时通过在布层较厚区域增加导流材料,增加布层中下层的流速。（5）可调整局部区域的导流方式,采用下导流、VAP 膜辅助的方式,增加树脂垂直方面的流动,减少局部包流。三、厚预制件灌注固化问题聚氨酯的固化速度较环氧树脂快,在灌注完成后,应尽量保证固化过程平稳放热。图 5 为科思创 PU 树脂不同布层厚度的放热曲线,放热峰基本在 150170min。在放热过程中如果模具出现较大的变形,或者模具变形不同步,容易出现鼓包等现象。（1）由于聚氨酯树脂反应较快,对温度的敏感性较高。在叶片灌注过程中应控制车间温湿度条件,控制树脂温度,避免在灌注过程中出现树脂发热。（2）在固化过程中应保证各区域固化同步,减少固化过程鼓包问题。首先应对模具进行温度检测,保证模具的温度差在 5以内,对模具对接缝区域应作重点检查,保证对接位置温度与非对接区域图3 叶根区域空腔图5 聚氨酯玻璃钢放热图4 大梁边缘空腔图6 聚氨酯腹板灌注树脂前锋80706050403020温度/C时间/min科思创-大梁-5层科思创-大梁-25层科思创-大梁-50层0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Technology|技术2023年第01期 87 图7 一字槽树脂流动示意图8 十字槽树脂流动示意的温度偏差在 5以内。对接区域钢架应连接良好,保证整体模具只有一个运动方向,避免对向收缩运动。（3）控制固化温度,在部件固化过程中应控制加热温度,尤其是在固化前期,应避免快速升温,尽量将模具升温与树脂的放热峰错开,使树脂反应尽量平稳。在固化前期尽量控制模具加热温度在 4555左右,让固化反应平稳,避免放热温度叠加过高,导致夹芯材料变色等其他问题。若局部温度过高,可采取揭开保温棉被、风冷降温等措施进行控制。四、聚氨酯腹板芯材上白斑问题风电叶片腹板主要起到抗剪作用,其主要由双轴向布及泡沫组成。聚氨酯叶片腹板在灌注过程中极易在腹板芯材上出现白斑,以及在泡沫槽缝内出现气泡。在灌注过程中由于腹板泡沫开槽打孔结构的存在,树脂在泡沫槽中流速较快,在树脂前锋到达腹板灌注的另一侧后,所有的槽孔均被树脂填满,而上下表面的布层却未被及时浸润。未浸润区域缺乏压差,容易留下白斑、一白线等浸润不良缺陷。通常,腹板的开槽打孔结构为十字槽和一字槽。其中,对于一字槽芯材结构,在灌注过程中,树脂前锋易形成较深的 V 字型,如图 6、图 7 所示。在灌注后期,抽气侧槽孔均被树脂封死,槽间的纤维未来得及被完全浸润,在抽气侧容易形成细小的白线；对于十字槽芯材结构,由于增加了横向的槽,泡沫被分割成更多的小块,树脂主要还是在槽内流动,槽与槽之间的小方块由于跑道效应不易被浸润,形成局部小范围包围,固化完成后在强光手电照射下,容易看到未被完全浸润的纤维丝,如图 8 所示。此外,由于腹板芯材在开槽打孔加工后,加工面难以进行封孔处理,加工区域开放的泡孔区域易吸附水汽,增加除湿难度。而除湿不到位,则容易形成存积在泡沫槽孔位置的气泡,固化后形成缺陷。因此,在工艺设计时可适当考虑减少腹板的开槽,并采用铺设导流辅材,增强腹板的除湿效果,同时改善泡沫上下布层浸润效果,充分保证芯材上下表面的布层浸润树脂来源。在腹板灌注过程中应确保布层完全浸润后再闭管,避免因局部未浸润玻纤吸走泡沫槽内的树脂而导致腹板泡沫槽内产生气泡。结语聚氨酯作为风电叶片环氧树脂潜在的替代材料,只有在制造工艺上对制造温度、湿度、含水率等进行控制,结合环境条件以及材料特性调整生产工艺,对灌注速度、固化速度、真空状态进行把控,注意生产细节,才能提升聚氨酯叶片质量,缩短叶片制造周期。全聚氨酯叶片目前虽有一些应用,但在制造工艺方面还有一些需要探索和解决的问题,如聚氨酯叶片的固化收缩控制,聚氨酯与不同芯材的匹配工艺,叶片的修补工艺等。在提升全工序链条稳定性的基础上,实现全聚氨酯叶片的大批量应用。（作者单位：株洲时代新材料科技股份有限公司）