CN114368172A - 风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法：上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维进入预处理块，其中，上玻璃纤维位于碳纤维的上方，下玻璃纤维位于碳纤维的下方；混合纤维经过预处理块预成型后，整齐进入预成型设备的注胶腔，预成型设备的上表面和下表面均设置多个注胶孔，通过注胶孔向注胶腔内连续注入聚氨酯树脂，使混合纤维充分浸润，得到预成型板；在预成型板的上表面和下表面覆盖玻璃纤维单向布并通入加热固化模具进行加热固化，得到聚氨酯碳玻混拉板材。本发明可提高风电叶片的强度，减少树脂的浪费，纤维分布更加均匀整齐，从而使叶片的强度均匀。

Description

风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法
技术领域
本发明涉及风电叶片制造技术领域，尤其是一种风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法。
背景技术
风电叶片是风力发电设备的重要组成部分，风电叶片的制造方式，正在朝着采用拉挤板材作为主梁的方式发展，并且发展速度迅猛，常用的板材挤拉制造工艺为：以树脂作为基体材料，以纤维、织物作为增强材料，在外力的牵引下，经过浸渍、预成型、热模固化，最后形成连续型规整截面制品，可参照CN201880010656.8-制造风力涡轮机转子叶片的方法、CN201080008869.0-通过嵌入预固化纤维增强树脂层制造风轮机叶片的方法、CN201910854164.3一种风电叶片用碳纤维复合材料树脂及其制备方法以及CN201810592882.3-拉挤成型聚氨酯纤维增强复合材料的制备方法。最开始使用的增强材料为碳纤维，制得拉挤碳板，成本高，且使用的叶型具有局限性，后续发展出采用玻璃纤维作为增强材料，但拉挤玻璃纤维板材重量重，力学性能不能够满足长叶片的需求。此外，在预成型过程中，通过浸渍的方式将树脂与纤维进行结合，树脂消耗量较大，造成浪费，且纤维浸渍时排列不整齐，影响产品强度的均匀性。另外，常规的树脂强度和粘度较低，易与水反应，难以满足大尺寸、小厚度的风电叶片的强度要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，提高风电叶片的强度，减少树脂的浪费，纤维分布更加均匀整齐，从而使叶片的强度均匀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，
上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维进入预处理块，其中，上玻璃纤维位于碳纤维的上方，下玻璃纤维位于碳纤维的下方；
混合纤维经过预处理块预成型后，整齐进入预成型设备的注胶腔，预成型设备的上表面和下表面均设置多个注胶孔，通过注胶孔向注胶腔内连续注入聚氨酯树脂，使混合纤维充分浸润，得到预成型板；
在预成型板的上表面和下表面覆盖玻璃纤维单向布并通入加热固化模具进行加热固化，得到聚氨酯碳玻混拉板材。
进一步地，所述预处理块包括依次设置的第一预处理块、第二预处理块和第三预处理块，所述第一预处理块上设置有至少三排均匀分布的预处理孔，所述第二预处理块上设置有至少三条水平的第一预处理缝，第三预处理块上设置有至少三条水平的第二预处理缝，相邻两第一预处理缝之间的间距大于相邻两第二预处理缝之间的间距。
进一步地，所述第三预处理块安装于预成型设备的进口处，所述第二预处理缝连通注胶腔。
进一步地，所述聚氨酯碳玻混拉板材中，玻璃纤维的体积含量在30-34％、碳纤维体积含量在28-33％。
进一步地，上玻璃纤维和下玻璃纤维的模量在80-100GPa，碳纤维的模量在200-400GPa。
进一步地，玻璃纤维单向布所用玻璃纤维模量在80-100Gpa。
进一步地，所述聚氨酯树脂的结构为
Figure BDA0003431634580000021
其中，m+n≥2，m/n≥1，X为H或-CH2OH，且-CH2OH-的数量少于或等于“H”，R为碳原子含量在0-10之间的烷基以及相关异构体。
进一步地，所述注胶腔的长度为250-290mm，注胶腔的高度从进口到出口逐渐减小。
进一步地，所述加热固化模具的长度为650-850mm。
进一步地，聚氨酯碳玻混拉板材的挤压速度为0.6-2.2m/min。
本发明的有益效果是：1、采用上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维加上两层玻璃纤维单向布作为板材骨架，纤维含量高，提高了板材强度，综合了碳纤维强度高、重量轻以及玻璃纤维成本低的优点，克服了单碳纤维板材成本高、叶型受限的缺陷和单玻璃纤维板材重量重、力学性能不能够满足长叶片的需求的缺陷。
2、采用改良后的聚氨酯树脂作为基体材料，树脂基体的强度提升20％左右，大大增加复合材料90度方向的力学性能，能够满足大尺寸、小厚度的风电叶片的强度要求，且粘度得到了提升，性能更优。
3、通过连续注胶的方式对混合纤维进行浸润，可以更加充分地利用树脂材料，减少树脂材料的浪费，此外，由于树脂进入注胶腔后立刻与混合纤维混合，被混合纤维吸收，不会暴露在空气中，且降低了停留时间，可有效降低树脂材料的吸水量，保持良好的性能，还能够实现连续生产。
4、混合纤维经过预处理块预处理后再进行注胶浸润，使得纤维在浸润的过程中排列整齐、均匀、有序，浸润后得到的预成型板中纤维分布均匀，强度均匀，力学性能优良。
附图说明
图1是本发明预处理块、预成型设备和加热固化模具的整体示意图；
图2是预成型设备的剖视示意图；
图3是第一预处理块的示意图；
图4是第二预处理块的示意图；
图5是第三预处理块的示意图；
附图标记：1—加热固化模具；2—模具入口；3—预成型设备；31—注胶腔；32—注胶孔；4—第三预处理块；41—第二预处理缝；5—第二预处理块；51—第一预处理缝；6—第一预处理块；61—预处理孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，包括
上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维进入预处理块，其中，上玻璃纤维位于碳纤维的上方，下玻璃纤维位于碳纤维的下方。为了保证板材的强度，本发明采用的上玻璃纤维和下玻璃纤维的模量在80-100GPa，碳纤维的模量在200-400GPa。
预处理块用于使上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维整齐、均匀、有序地分布，具体地：
如图1、图3、图4和图5所示，所述预处理块包括依次设置的第一预处理块6、第二预处理块5和第三预处理块4，所述第一预处理块6上设置有至少三排均匀分布的预处理孔61，所述第二预处理块5上设置有至少三条水平的第一预处理缝51，第三预处理块4上设置有至少三条水平的第二预处理缝41，相邻两第一预处理缝51之间的间距大于相邻两第二预处理缝41之间的间距。
上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维原材料均为纱线，组成上玻璃纤维的每根纱线穿过一个位于上排的预处理孔61，组成碳纤维的每根纱线穿过一个位于中间排的预处理孔61，组成下玻璃纤维的每根纱线穿过一个位于下排的预处理孔61，由于每一排预处理孔61均匀设置，且相邻两排预处理孔61之间的距离相等，穿过第一预处理块6后，上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维的纱线能够整齐、均匀地排列。
经过第二预处理块5时，上玻璃纤维从位于上方的第一预处理缝51穿过，碳纤维从位于中间的第一预处理缝51穿过，下玻璃纤维从位于下方的第一预处理缝51穿过。同样的，经过第三预处理块4时，上玻璃纤维从位于上方的第二预处理缝41穿过，碳纤维从位于中间的第二预处理缝41穿过，下玻璃纤维从位于下方的第二预处理缝41穿过。第一预处理缝51之间的间距大于相邻两第二预处理缝41之间的间距，使得上玻璃纤维和下玻璃纤维处于倾斜状态，前进时逐级收缩，使得纤维排列更加整齐。
混合纤维经过预处理块预成型后，整齐进入预成型设备3的注胶腔31，注胶腔31用于对混合纤维进行树脂浸润，预成型设备3的上表面和下表面均设置多个注胶孔32，通过注胶孔32向注胶腔31内连续注入聚氨酯树脂，使混合纤维充分浸润，得到预成型板。
注胶设备同时通过位于上下表面的各个注胶孔32进行注胶，将聚氨酯树脂均匀注入注胶腔31，使混合纤维得各个纱线充分、均匀地浸润。在注胶的过程中，聚氨酯树脂随注随消耗，不会长时间停留在注胶腔31中，减少了停留时间，防止聚氨酯树脂大量固化，聚氨酯树脂也不会暴露在外部空气中，减少了吸水量，保障了聚氨酯树脂的性能。此外，现有的注胶设备可以精确控制注胶量，根据生产需要均匀地将聚氨酯树脂注入注胶腔31，不需要一次性注入较多的聚氨酯树脂，可降低聚氨酯树脂的浪费，同时可以实现连续不断地生产，产品质量稳定。由于混合纤维经过预处理块预处理后再进行注胶浸润，使得纤维在浸润的过程中排列整齐、均匀、有序，浸润后得到的预成型板中纤维分布均匀，强度均匀，力学性能优良。
所述第三预处理块4安装于预成型设备3的进口处，所述第二预处理缝41连通注胶腔31。第三预处理块4具体可通过螺栓与预成型设备3相连，可减小占用的空间。第一预处理块6、第二预处理块5和第三预处理块4的高度均控制在20-30mm。
常规的树脂材料粘度较低，且性能一般，因此，本发明采用高邻位苯醚型酚醛树脂改性，具体结构为
Figure BDA0003431634580000041
其中，m+n≥2，m/n≥1，X为H或-CH2OH，且-CH2OH-的数量少于或等于H，R为碳原子含量在0-10之间的烷基以及相关异构体，0-10碳原子的异构体都满足要求，比如甲基，乙基，丙基等等。
采用这种聚氨酯树脂后，树脂基体的强度能够提升20％左右，力学性能大幅度增强，能够满足大尺寸、小厚度的风电叶片的强度要求。
如图2所示，所述注胶腔31的长度为250-290mm，注胶腔31的高度从进口到出口逐渐减小，不同层的纱线之间的距离缓慢减小，使纱线缓缓成型，纱线可以充分排列整齐，性能更加良好。注胶腔31进口处的高度为35-45mm，注胶腔31出口处的高度为5至6mm，且注胶腔31末端连接有长度为20-50mm的成型段，该成型段的高度与加热固化模具1内腔的高度相同，可以将板材初步挤拉成型。
在预成型板的上表面和下表面覆盖玻璃纤维单向布并通入加热固化模具1进行加热固化，得到聚氨酯碳玻混拉板材。为了保证板材强度，玻璃纤维单向布所用玻璃纤维模量在80-100Gpa。加热固化模具1的结构采用现有常规技术即可，其长度为650-850mm。加热固化模具1可以对预成型板进行加热，使聚氨酯树脂固化，形成具有特定截面的板材，板材截面尺寸根据生产要求进行设计即可。预成型板和两侧的玻璃纤维单向布在模具入口2处进入加热固化模具1，成型后，玻璃纤维单向布与预成型板结合为一体。
除了采用上述加热固化模具1、预成型设备3和预处理块，还要采用动力设备对板材的挤拉提供牵引力，挤拉设备采用现有技术即可，挤压速度控制在0.6-2.2m/min。
采用上述方式制得的聚氨酯碳玻混拉板材中，玻璃纤维的体积含量在30-34％、碳纤维体积含量在28-33％，玻璃纤维和碳纤维的体积比例可通过控制上玻璃纤维、碳纤维、下玻璃纤维和玻璃纤维单向布的数量来进行控制。
本发明采用上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维加上两层玻璃纤维单向布作为板材骨架，纤维含量高，提高了板材强度，且克服了单碳纤维板材成本高、叶型受限的缺陷和单玻璃纤维板材重量重、力学性能不能够满足长叶片的需求的缺陷。对本发明制得的聚氨酯碳玻混拉板材进行多处取样检测，板材0°方向上拉伸及压缩模量大于等于105GPa，力学性能优良。此外，叶片主梁重量减轻30％，成本降低20％以上。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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.风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：包括
上玻璃纤维、碳纤维和下玻璃纤维组成的混合纤维进入预处理块，其中，上玻璃纤维位于碳纤维的上方，下玻璃纤维位于碳纤维的下方；
混合纤维经过预处理块预成型后，整齐进入预成型设备(3)的注胶腔(31)，预成型设备(3)的上表面和下表面均设置多个注胶孔(32)，通过注胶孔(32)向注胶腔(31)内连续注入聚氨酯树脂，使混合纤维充分浸润，得到预成型板；
在预成型板的上表面和下表面覆盖玻璃纤维单向布并通入加热固化模具(1)进行加热固化，得到聚氨酯碳玻混拉板材。
2.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述预处理块包括依次设置的第一预处理块(6)、第二预处理块(5)和第三预处理块(4)，所述第一预处理块(6)上设置有至少三排均匀分布的预处理孔(61)，所述第二预处理块(5)上设置有至少三条水平的第一预处理缝(51)，第三预处理块(4)上设置有至少三条水平的第二预处理缝(41)，相邻两第一预处理缝(51)之间的间距大于相邻两第二预处理缝(41)之间的间距。
3.如权利要求2所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述第三预处理块(4)安装于预成型设备(3)的进口处，所述第二预处理缝(41)连通注胶腔(31)。
4.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述聚氨酯碳玻混拉板材中，玻璃纤维的体积含量在30-34％、碳纤维体积含量在28-33％。
5.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：上玻璃纤维和下玻璃纤维的模量在80-100GPa，碳纤维的模量在200-400GPa。
6.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：玻璃纤维单向布所用玻璃纤维模量在80-100Gpa。
7.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述聚氨酯树脂的结构为
Figure FDA0003431634570000011
其中，m+n≥2，m/n≥1，X为H或-CH2OH，且-CH2OH-的数量少于或等于H，R为碳原子含量在0-10之间的烷基以及相关异构体。
8.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述注胶腔(31)的长度为250-290mm，注胶腔(31)的高度从进口到出口逐渐减小。
9.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：所述加热固化模具(1)的长度为650-850mm。
10.如权利要求1所述的风电叶片用聚氨酯碳玻混拉板材的挤拉方法，其特征在于：聚氨酯碳玻混拉板材的挤压速度为0.6-2.2m/min。
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