CN101302302B - 风力发电机叶片用半预浸料及其生产方法 - Google Patents

风力发电机叶片用半预浸料及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分子材料领域，具体地说是风力发电机叶片用半预浸料及其生产方法。单向增强纤维存在于上下两层片状增强纤维之间，基体树脂存在于上下两层片状纬单向布之间且部分树脂浸渍于上下两层片状纬单向布的内侧表面，且基体树脂浸透率为大于等于10％，小于等于80％，上下两层片状纬单向布的纬向纤维形成一定对称角度。以离型纸作为载体，涂覆基体树脂形成一定质量的树脂膜，将离型纸上的树脂膜粘贴在上下两层片状增强纤维的中间，同时在上下两层片状增强纤维的中间加入0°单向增强纤维，在室温～80℃的条件下加压，使树脂与片状增强纤维有部分浸渍。

Description

风力发电机叶片用半预浸料及其生产方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体地说是一种用增强纤维及片状增强纤纬单向布与热固性树脂浸渍成为半预浸料及其生产工艺，特别是涉及用作生产风力发电叶片的材料。
背景技术
风力发电叶片是风电机组的核心部件之一，能够生产出优质的叶片就需要有性能优越及适宜的原材料作保证。纤维增强塑料复合材料(简称为FRP)因为具有比强度高，比模量大等优点，是作为风力发电叶片生产的首选材料。通常，生产叶片用的材料最普遍的是采用不饱和聚酯树脂或常温固化体系的环氧树脂作为基体树脂与玻璃纤维结合固化。使用不饱和聚酯树脂在生产过程中有苯乙烯等挥发物，会对环境及操作人员产生不良影响。同样用环氧树脂常温固化体系作为基体材料也存在产品的树脂含量不稳定，固化体系对人体有害，操作环境差等缺点。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足，提供一种风力发电机叶片用半预浸料及其生产工艺，用预浸料生产风力发电叶片则可以改善上述缺点，风力发电叶片用预浸料一般为热熔法生产，能够保证预浸料的树脂含量及增强纤维质量的稳定性，因此能够保证风力发电叶片的质量均匀性，且整体叶片的树脂含量会低于上述工艺生产的叶片，这样固化后的叶片整体机械性能会明显优于同类产品；另外，用预浸料生产的可操作性好，可直接将预浸料铺覆在模具上即可成型固化，无需再注入树脂；同时生产环境能够得到明显改善。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种风力发电机叶片用半预浸料，由单向增强纤维及片状增强纤维纬单向布和热固性环氧树脂组合物组成，所述的片状增强纤维纬单向布由增强纤维织成，其特征是所述单向增强纤维存在于上下两层片状增强纤维纬单向布之间，热固性环氧树脂组合物存在于上下两层片状增强纤维纬单向布之间且部分树脂浸渍于上下两层片状增强纤维纬单向布的内侧表面，且热固性环氧树脂组合物浸渍率为大于等于10％，小于等于80％，上下两层片状增强纤维纬单向布的纬向纤维形成角度在60°～85°之间的对称角度。
本发明还可通过如下措施来实现：环氧树脂组合物在120℃的凝胶时间为小于等于25分钟。增强纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。单向增强纤维的线密度为大于等于300Tex，小于等于2400Tex。片状增强纤维纬单向布的单位面积重量为大于等于100g/m2、小于等于1000g/m2。片状增强纤维纬单向布所用经纱的线密度为大于等于12Tex，小于等于216Tex；片状增强纤维纬单向布所用纬纱的线密度为大于等于600Tex，小于等于2400Tex。上下两层片状增强纤维纬单向布形成的对称角度，范围为如上层片状增强纤维的纬向纤维角度在60°～85°之间，对应的下层片状增强纤维的纬向纤维角度为与之对称的-60°～-85°之间，反之亦然。片状增强纤维纬单向布为织物形态，幅宽为大于等于200mm，小于等于1500mm。
一种生产前述风力发电机叶片用半预浸料的方法，其特征是在以离型纸作为载体，涂覆热固性环氧树脂组合物形成一定质量的树脂膜，将树脂膜与一层片状增强纤维纬单向布相贴合，同时向片状增强纤维纬单向布的中间加入0°方向的单向增强纤维，将离型纸剥离后，将树脂膜与另一层片状增强纤维纬单向布相贴合，在室温～80℃的条件下加压，使树脂与片状增强纤维纬单向布有部分浸渍。
本发明的有益效果是：采用纤维增强热固性树脂预浸料作为叶片成型主要材料，使基体树脂并未完全浸入到增强材料的纤维当中，而是被置于两层纬单向布之间，形成特有的夹心状态，树脂夹在两层纬单向布之间，树脂将上下两层纬单向布粘接在一起，又未完全将浸渍完全，同时又加入了0°方向的单向增强纤维，这样在叶片生产时，能够进一步保证材料的原始状态使材料不易变形；同样，此种设计结构会更加有利于生产操作，各层与层之间不会出现过度粘连使材料变形等，能够保证在叶片生产时的可操作性及性能稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是半预浸料的垂直于片状增强纤维纬单向布的经向方向进行切割的半预浸料的截面模式图；
图2是半预浸料的垂直于片状增强纤维纬单向布的纬向方向的上层纬单向布进行切割的截面模式图；
图3是半预浸料的垂直于片状增强纤维纬单向布的纬向方向的下层纬单向布进行切割的截面模式图；
图4是基体树脂的粘度/温度曲线图的例子；
图5是本发明的一个实施例的模式图。
图中1.基体树脂，2.上层纬单向布，3.下层纬单向布，4.单向增强纤维，5.纬纱，6.经纱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述：
一种风力发电机叶片用半预浸料，由单向增强纤维4及增强纤维织成的片状纬单向布和基体树脂1组成，其特征是所述单向增强纤维4存在于片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3之间，基体树脂1存在于片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3之间，且部分树脂浸渍于片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3的内侧表面，且基体树脂1浸透率为大于等于10％，小于等于80％，片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3的纬向纤维形成一定对称角度。基体树脂1为热固性环氧树脂组合物，热固性环氧树脂组合物以环氧树脂为主要成份，环氧树脂组合物，在120℃的凝胶时间为小于等于25分钟。增强纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或几种的混合，单向增强纤维4的线密度为大于等于300Tex，小于等于2400Tex。片状上层纬单向布2及片状下层纬单向布3的单位面积重量为大于等于100g/m2、小于等于1000g/m2。片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3所用经纱6的线密度为大于等于12Tex，小于等于216Tex；片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3所用纬纱5的线密度为大于等于600Tex，小于等于2400Tex。片状上层纬单向布2与片状下层纬单向布3的增强纤维纬之间形成对称角度，范围为如上层纬单向布2的纬向纤维角度在60°～85°之间，对应的下层纬单向布3的纬向纤维角度为与之对称的-60°～-85°之间，反之亦然。片状上层纬单向布2及片状下层纬单向布3为织物形态，幅宽为大于等于200mm，小于等于1500mm。
一种生产前述风力发电机叶片用半预浸料的生产工艺，其特征是在以离型纸作为载体，涂覆基体树脂形成一定质量的树脂膜，将离型纸上的树脂膜粘贴在上下两层片状增强纤维的中间，同时在上下两层片状增强纤维的中间加入0°单向增强纤维，在室温～80℃的条件下加压，使树脂与片状增强纤维有部分浸渍。
本发明涉及的半预浸料，是由单向增强纤维及增强纤维织成的片状增强纤维纬单向布浸渍基体树脂而形成的一种半预浸料，其中基体树脂与增强材料并未完全浸渍，浸渍率在10％～80％之间的状态。基体树脂存在于上下两层片状纬单向布之间，上下两层纬单向布在生产半预浸料过程中纬向纤维排布方向发生变化，上下两层的纬向纤维产生一定对称角度，对称角度范围为，如上层片状增强纤维的纬向纤维角度在60°～85°之间，对应的下层片状增强纤维的纬向纤维角度为与之对称的-60°～-85°之间，反之亦然。例如：上层纬单向布的纬向纤维角度如为80°，则下层纬单向布的纬向纤维角度对应为-80°。作为用于半预浸料的增强纤维及片状增强纤维纬单向布所使用的纤维材料，无特殊限制，可以使用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等，但从实际情况及综合因素考虑来看，可优选玻璃纤维。另外，用于半预浸料的基体树脂为热固性环氧树脂，特别优选使用中温潜伏性环氧树脂固化体系。
对于半预浸料状态来看，树脂夹于上下两层片状增强纤维纬单向布之间，则树脂浸渍纤维应在某个适当范围，这样既然可以保证生产时操作方便，又能在固化成型时树脂充分地浸渍纤维。因此现将树脂浸渍率进行详细说明。图1是半预浸料树脂存在于上下两层布之间的总体状态模式图。具体浸渍率情况的说明见图2和图3模式图，在图2中上层纬单向布的织物厚度为d1，从此织物下端到A1点距离为b1；则上层纬单向布的浸渍率为：
上层浸渍率＝b1/d1×100％
在图3中下层纬单向布的织物厚度为d2，从此织物上端到A2点距离为b2；则下层纬单向布的浸渍率为：
下层浸渍率＝b2/d2×100％
树脂对上下两层片状增强纤维纬单向布的浸渍率以下述公式表示：
浸渍率＝(上层浸渍率+下层浸渍率)/2
对于半预浸料中树脂浸渍率优选范围在10％～80％之间，在半预浸料成型时如浸渍率偏低，则成型时树脂不易完全浸渍纤维，从而影响固物性能；如浸渍率过高又会影响生产使用时的操作。因此特别优选树脂浸渍率在40％～50％之间为宜。
生产半预浸料中的片状增强纤维纬单向布的单位面积重量，为大于等于100g/m2、小于等于1000g/m2。由于片状增强纤维纬单向布有一定厚度，这样能够使树脂保持在上下两层片状增强纤维纬单向布之间适于操作，同时成型时树脂容易将纤维完全浸渍。片状增强纤维纬单向布为600g/m2则更为优选。
生产半预浸料中的加入部分的单向增强纤维作为增加抵抗经向拉伸变形，其线密度优选范围在300Tex～2400Tex之间，在生产使用时可特别优选1200Tex，既可明显增强抵抗经向变形，又对半预浸料的整体质量无太大影响。
半预浸料的生产工艺可分为两个工序，第一道工序是先将环氧树脂加热熔化后，按要求的单位面积重量涂覆于离型纸上，收卷后待用。第二道工序是将涂好树脂膜的离型纸上树脂先与片状增强纤维纬单向布的其中一层相贴合，同时按要求加入几根单向增强纤维，将离型纸剥离后，再将另上层片状增强纤维纬单向布与另一树脂面相贴合，在此生产过程中，上下两层片状增强纤维纬单向布的纬向纤维形成对称角度。
所用热固性环氧树脂为中温潜伏性环氧树脂固化体系，主要以双酚A型环氧树脂为主体，固化剂为双氰胺，促进剂为脲类化合物。所用的增强材料中单向增强纤维和片状增强纤维纬单向布所用纤维均为无碱玻璃纤维。
树脂粘度曲线
以1℃/min升温速率，振动频率为1Hz，测得树脂粘度/温度曲线，所用仪器为美国TA公司生产的AR2000流变仪测得，参见图4。
具体生产实例
在离型纸上涂550g/m2单位面积重量的树脂膜，用600g/m2玻璃纤维纬单向布(编织方式为2/2斜纹)两卷，幅宽为1285mm，分别放于生产设备的上下两放卷处，首先将树脂与下层纬单向布贴合，同时平均每320mm为一组在其中间100mm内间隔地加入等分的5根1200Tex单向玻璃纤维，揭去离型纸后的树脂面再与上层纬单向布相贴合，纬单向布的纬向纤维生产过程中形成的对称角度为±80°。浸渍时温度设定为50℃，生产速度设定为3m/min。制得的半预浸料浸渍率为50％，确认为本发明的半预浸料，参见图5。

Claims (9)

1.一种风力发电机叶片用半预浸料，由单向增强纤维及片状增强纤维纬单向布和热固性环氧树脂组合物组成，所述的片状增强纤维纬单向布由增强纤维织成，其特征是所述单向增强纤维存在于上下两层片状增强纤维纬单向布之间，热固性环氧树脂组合物存在于上下两层片状增强纤维纬单向布之间且部分树脂浸渍于上下两层片状增强纤维纬单向布的内侧表面，且热固性环氧树脂组合物浸渍率为大于等于10％，小于等于80％，上下两层片状增强纤维纬单向布的纬向纤维形成角度在60°～85°之间的对称角度。
2.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的环氧树脂组合物，在120℃的凝胶时间为小于等于25分钟。
3.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的增强纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的单向增强纤维的线密度为大于等于300Tex，小于等于2400Tex。
5.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的片状增强纤维纬单向布的单位面积重量为大于等于100g/m2、小于等于1000g/m2。
6.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的片状增强纤维纬单向布所用经纱的线密度为大于等于12Tex，小于等于216Tex；片状增强纤维纬单向布所用纬纱的线密度为大于等于600Tex，小于等于2400Tex。
7.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的上下两层片状增强纤维纬单向布形成的对称角度，范围为如上层片状增强纤维的纬向纤维角度在60°～85°之间，对应的下层片状增强纤维的纬向纤维角度为与之对称的-60°～-85°之间，反之亦然。
8.根据权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料，其特征在于所说的片状增强纤维纬单向布为织物形态，幅宽为大于等于200mm，小于等于1500mm。
9.一种生产如权利要求1所述风力发电机叶片用半预浸料的方法，其特征是在以离型纸作为载体，涂覆热固性环氧树脂组合物形成一定质量的树脂膜，将树脂膜与一层片状增强纤维纬单向布相贴合，同时向片状增强纤维纬单向布的中间加入0°方向的单向增强纤维，将离型纸剥离后，将树脂膜与另一层片状增强纤维纬单向布相贴合，在室温～80℃的条件下加压，使树脂与片状增强纤维纬单向布有部分浸渍。
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