CN108995251A - 一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺 - Google Patents

一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，涉及风电叶片生产领域，包括如下步骤：将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型，制成拉挤板材；将粘接材料复合至所述拉挤板材的表面；按需裁切并打磨所述拉挤板材的端部，使所述拉挤板材的两端呈倒角；用气泡膜包裹所述倒角，收卷所述拉挤板材后运输。本发明在垃圾板材的表面覆盖有热固性预浸料，在叠层后不在需要使用灌注树脂，工艺上更加简单，同时也避免了出现灌注间隙的风险。

Description

一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺
技术领域
本发明涉及风电叶片生产领域，具体涉及一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺。
背景技术
随着风电相关产业的技术不断升级，目前风电叶片的长度越来越长，而叶片减重需求也日趋迫切。同时迫于市场竞争压力，叶片的成型成本也受到了巨大的挑战。
风电叶片通常由连续纤维增强树脂基复合材料制成，理想状况是，风电叶片尽可能轻，并且风电叶片的外壳将因此通常包括相对少量的树脂基复合材料层，叶片的内部增强提供了承载结构，也就是通常所示的风电叶片主梁。
由于碳纤维复合材料具有比强度比模量高、疲劳性能优异等性能特点，使用碳纤维制造风电叶片的主梁可以明显降低叶片的总体重量。但是由于碳纤维自身的价格数倍甚至数十倍于玻璃纤维价格，这使得碳纤维复合材料在风电叶片上的应用仅局限于少数场合。随着大丝束碳纤维成本的降低，一种新的碳纤维复合材料——碳纤维拉挤板材正在逐渐成为风电叶片领域的主流。
拉挤成型是将浸渍过树脂的纤维通过模具挤压作用成型后连续生产的一种工艺，其具备连续生产、自动化程度高、纤维直线度高等特点。通过拉挤成型制造出的板材具有其他工艺(如单向布灌注成型、单向预浸料成型)成型出的复合材料更高的单向拉伸、压缩和弯曲模量，这使得风电叶片的结构设计人员可以选择更高性能的材料，从而减少碳纤维复合材料的使用量。最重要的是，通过拉挤成型的碳纤维复合材料具有最低的成本。
碳纤维拉挤板材在使用过程中最大的难点在于板材之间的结合问题。现有的一些技术发明，如专利(申请公布号CN105848860A，申请公布日2016.08.10)公开了一种风轮机叶片的拉挤成型工艺，在板材表面施加灌注促进层以使得拉挤板材在风电叶片中可以使用普通灌注树脂进行灌注粘接，灌注促进层一般使用纤维织物，这既可以提供树脂流动所需要的流道，同时也可以控制板材之间的树脂层厚度。虽然该专利提出了一种新的方法，但是实际实施中不具有可操作性，这是因为拉挤板材使用的长度一般大于30m，板材由生产厂家到叶片厂家时运输问题很难解决；同时，附在板材表面的灌注促进层及容易脱落。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，包括如下步骤：
S1，将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型，制成拉挤板材；
S2，将粘接材料复合至所述拉挤板材的表面；
S3，按需裁切并打磨所述拉挤板材的端部，使所述拉挤板材的两端呈倒角；
S4，用气泡膜包裹所述倒角，收卷所述拉挤板材后运输。
优选的，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11，将碳纤维放置在抽纱架上并由导引装置拉出；
S12，使引出的碳纤维进入浸渍槽进行树脂浸渍，所述浸渍槽内预先加入热固性树脂；
S13，浸渍树脂的碳纤维经过预成型模具形成板材的形状；
S14，预成型的板材两侧覆盖脱模布后进入成型模具，优选克重为75～110g/m2脱模布，成型模具的设计根据树脂的固化收缩率决定，固化收缩率为0.05～0.1％；
S15，将固化成型后的板材从所述成型模具中拉出，并回收所述脱模布。
优选的，所述热固性树脂包括如下重量份数的成分：50～80份环氧树脂，50～80份固化剂，0.5～2份促进剂，0.75～2份脱模剂。
优选的，所述环氧树脂包括两种或两种以上不同环氧值的双酚A型环氧树脂的任意比例混合，环氧树脂环氧值范围为40～60；所述固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐和甲基六氢邻苯二甲酸酐中的一种或者两种的组合，所述促进剂为三亚乙基二胺、苄基二甲胺、1-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑中的一种或者两种的组合；所述脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂中的一种。
优选的，所述步骤S2具体包括：通过压辊施加的压力将粘接材料复合至拉挤板材的上、下表面，所述粘接材料的宽度与所述拉挤板材的宽度一致。
优选的，所述粘接材料为热固性预浸料，所述热固性预浸料的增强纤维为单向的碳纤维、单向的玻璃纤维、不同克重的碳纤维编织布、不同克重的玻璃纤维编织布中的一种；优选200gsm玻璃纤维平纹布，优点在于可以增强板材横向的抗拉强度；热固性预浸料的树脂体系为环氧树脂/双氰胺固化体系，配方体系可根据叶片的制造工艺要求进行调配，并满足30℃以下温度仓储寿命大于3个月的条件。
优选的，所述热固性预浸料的表面预先覆盖有PE膜；PE膜可以防止表面被污染，在使用前可撕掉。
优选的，所述步骤S3具体包括：通过上下移动的砂轮打磨并切割所述拉挤板材；本部分机构为切割和打磨一体装置，采用金刚石砂轮切割打磨配置无尘装置，砂轮为上下移动式，拉挤方向上砂轮不移动，根据砂轮的上下移动速度配合拉挤速度可以打磨出不同斜角长度的倒角，可定长切割的长度范围为1～80m，可根据实际情况设定。
优选的，所述步骤S4具体包括：通过气泡膜包裹所述倒角，将拉挤板材弯曲成首尾相接的环状，并用绳子捆绑固定后运输。
优选的，所述步骤S4具体包括：通过气泡膜包裹所述倒角，将拉挤板材收卷成具有固定内径和固定外径的平面螺旋状，固定后运输。
本发明的有益效果：
(1)本发明在垃圾板材的表面覆盖有热固性预浸料，在叠层后不在需要使用灌注树脂，工艺上更加简单，同时也避免了出现灌注间隙的风险；
(2)本发明能够一次成型具有倒角的拉挤板材，无需额外对拉挤板材进行机械加工，减少了加工工序，降低了加工成本，提高了生产效率；
(3)本发明所采用的热固性树脂，具有力学性能优异、工艺性能良好的特性，采用本发明的热固性竖直所制成的拉挤板材，在应用中，两层板材被粘接在一起后的层间结合强度大；
(4)本发明还解决了传统的运输方式无法运送几十米的板材的问题，通过本发明的方法则可以用10m的货车运送30～80m的板材，降低了运输成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的优选的理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明将拉挤板材收卷成环状的示意图；
图3为本发明将拉挤板材收卷成平面螺旋状的示意图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的具体实施方式。
实施例1
本实施例1
如图1所示，本发明碳纤维拉挤板材的制备工艺：
将碳纤维放置在外抽纱架1上并由导引装置拉出，末端采用张力控制；
使引出的碳纤维进入浸渍槽2进行树脂浸渍，浸渍槽2采用沉浸式胶槽，浸渍槽2内预先加入热固性树脂；
浸渍树脂的碳纤维经过预成型模具3形成板材的形状；
克重为75～110g/m2的脱模布预先卷绕在脱模布辊4上，预成型的板材两侧覆盖脱模布后进入成型模具5，成型模具5的设计根据树脂的固化收缩率决定，固化收缩率为0.05～0.1％；
将固化成型后的板材从成型模具5中拉出，并通过回收辊6回收脱模布；
固定粘接材料的辊轮7将粘接材料复合至拉挤板材的表面，辊轮7可根据生产需要设定张力，粘接材料为热固性预浸料，热固性预浸料的增强纤维为单向的碳纤维、单向的玻璃纤维、不同克重的碳纤维编织布、不同克重的玻璃纤维编织布中的一种；优选200gsm玻璃纤维平纹布，优点在于可以增强板材横向的抗拉强度；热固性预浸料的树脂体系为环氧树脂/双氰胺固化体系，配方体系可根据叶片的制造工艺要求进行调配，并满足30℃以下温度仓储寿命大于3个月的条件；热固性预浸料的表面预先覆盖有PE膜，PE膜可以防止表面被污染，在使用前可撕掉；
粘接有粘接材料的拉挤板材通过压辊8，压辊8所施加的压力将粘接材料复合至拉挤板材的上、下表面，粘接材料的宽度与拉挤板材的宽度一致；
整个工艺过程通过履带式牵引机9提供牵引动力，履带式牵引机9将复合有粘接材料的拉挤板材牵引至切割装置11，切割装置11采用金刚石砂轮切割打磨，并配置无尘装置，金刚石砂轮为上下移动式，拉挤方向上金刚石砂轮不移动，根据金刚石砂轮的上下移动速度配合拉挤速度可以打磨出不同斜角长度的倒角，可定长切割的长度范围为1～80m，可根据实际情况设定；
在工艺中还设有传感器10，传感器10包含速度传感器和长度计米器，可根据设定的速度反馈给履带式牵引机9，计米器将长度数据反馈给控制中心后进行定长度的切割，切割后即得本实施例1的成品拉挤板材。
本实施例1的树脂配方采用如表1所示的重量份数的成分：
表1
其中，环氧树脂是环氧值为50的双酚A型环氧树脂；
固化剂全部为甲基六氢邻苯二甲酸酐；
促进剂为1-甲基咪唑与2-乙基-4-甲基咪唑按1:1的比例混合；
脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂。
实施例2
实施例2采用与实施例1相同的拉挤成型方法制成的拉挤板材，仅采用的树脂配方不同，拉挤成型方法在此不再赘述；
本实施例2的树脂配方采用如表2所示的重量份数的成分：
表2
其中，环氧树脂是环氧值为40的双酚A型环氧树脂与环氧值为60的双酚A型环氧树脂按2.5:1的比例混合；
固化剂全部为甲基四氢邻苯二甲酸酐；
促进剂为三亚乙基二胺与2-乙基-4-甲基咪唑按1:3的比例混合；
脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂。
实施例3
实施例3采用与实施例1相同的拉挤成型方法制成的拉挤板材，仅采用的树脂配方不同，拉挤成型方法在此不再赘述；
本实施例3的树脂配方采用如表3所示的重量份数的成分：
表3
其中，环氧树脂是环氧值为40的双酚A型环氧树脂与环氧值为60的双酚A型环氧树脂按1:1的比例混合；
固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐与甲基六氢邻苯二甲酸酐按1:1的比例混合；
促进剂为三亚乙基二胺与1-甲基咪唑按2.5:1的比例混合；
脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂。
实施例4
实施例4采用与实施例1相同的拉挤成型方法制成的拉挤板材，，仅采用的树脂配方不同，拉挤成型方法在此不再赘述；
本实施例4的树脂配方采用如表4所示的重量份数的成分：
表4
其中，环氧树脂是环氧值为50的双酚A型环氧树脂；
固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐与甲基六氢邻苯二甲酸酐按1:1的比例混合；
促进剂为三亚乙基二胺与苄基二甲胺按1:1的比例混合；
脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂。
对比例1
对比例1采用市面上普通配方的热固性树脂，经过与实施例1相同的拉挤成型方法制成的拉挤板材。
将以上实施例1至实施例4以及对比例1在相同的条件下，分别进行拉伸试验(ISO527)、剪切强度测试(ISO 14130)以及弯曲性能测试(ISO 14125)，试验结果如表5所示：
表5
由上表可知，采用本发明的热固性树脂所制成的拉挤板材，具有力学性能优异、工艺性能良好的特性。
本发明所制成的拉挤板材，已经在线进行了倒角加工，无需额外机械加工，减少了加工工序，由于风电叶片所使用的拉挤板材长度较长，不便于运输，可以通过本发明方法降低运输成本，具体可以通过气泡膜包裹所述倒角，将拉挤板材弯曲成首尾相接的环状，如图2所示，并用绳子捆绑固定后运输；或者通过将拉挤板材收卷成具有固定内径和固定外径的平面螺旋状，如图3所示，固定后运输，即可用10m的货车运送30～80m的板材，降低运输成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型，制成拉挤板材；
S2、将粘接材料复合至所述拉挤板材的表面；
S3、按需裁切并打磨所述拉挤板材的端部，使所述拉挤板材的两端呈倒角；
S4、用气泡膜包裹所述倒角，收卷所述拉挤板材后运输。
2.根据权利要求1所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11、将碳纤维放置在抽纱架上并由导引装置拉出；
S12、使引出的碳纤维进入浸渍槽进行树脂浸渍，所述浸渍槽内预先加入热固性树脂；
S13、浸渍树脂的碳纤维经过预成型模具形成板材的形状；
S14、预成型的板材两侧覆盖脱模布后进入成型模具；
S15、将固化成型后的板材从所述成型模具中拉出，并回收所述脱模布。
3.根据权利要求2所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述热固性树脂包括如下重量份数的成分：50～80份环氧树脂，50～80份固化剂，0.5～2份促进剂，0.75～2份脱模剂。
4.根据权利要求3所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述环氧树脂包括两种或两种以上不同环氧值的双酚A型环氧树脂的任意比例混合，环氧树脂环氧值范围为40～60；所述固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐和甲基六氢邻苯二甲酸酐中的一种或者两种的组合；所述促进剂为三亚乙基二胺、苄基二甲胺、1-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑中的一种或者两种的组合；所述脱模剂为硬酯酸锌类脱模剂中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤S2具体包括：通过压辊施加的压力将粘接材料复合至拉挤板材的上、下表面，所述粘接材料的宽度与所述拉挤板材的宽度一致。
6.根据权利要求5所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述粘接材料为热固性预浸料，所述热固性预浸料的增强纤维为单向的碳纤维、单向的玻璃纤维、碳纤维编织布、玻璃纤维编织布中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述热固性预浸料的表面预先覆盖有PE膜。
8.根据权利要求1所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括：通过上下移动的砂轮打磨并切割所述拉挤板材。
9.根据权利要求1所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤S4具体包括：通过气泡膜包裹所述倒角，将拉挤板材弯曲成首尾相接的环状，并用绳子捆绑固定后运输。
10.根据权利要求1所述的一种适用于风电叶片主梁用碳纤维拉挤板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤S4具体包括：通过气泡膜包裹所述倒角，将拉挤板材收卷成具有固定内径和固定外径的平面螺旋状，固定后运输。
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