CN114656752A - 一种可降解复合材料、风叶机片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可降解复合材料、风叶机片及其制备方法。本发明的可降解复合材料，包含以质量百分比计的可降解环氧树脂组合物30‑40％、纤维原料45‑55％、芯材0‑20％；以及环氧结构胶0‑10％；所述的可降解环氧树脂组合物中含有可降解改性树脂。本发明采用可降解环氧树脂作为结构层，所制备之风电叶片具备优异力学性能，符合叶片设计要求与业界EHS规范；本发明采用可降解环氧树脂作为结构层，可降解环氧树脂能不改变现有工艺参数，使用人员用起来无需额外适应；由于采用可降解环氧树脂取代现行环氧树脂，所制成的复合材料部件在适当条件下可以降解分离，回收取得的树脂液与纤维原料能再利用，达到绿色循环经济。
Description
技术领域
本发明涉及一种可降解复合材料、风叶机片及其制备方法，属于风电叶片技术领域。
背景技术
随着时代发展与环保意识抬头，从最早的火力发电、核能发电直到再生能源发电，其中风力发电在再生能源发电中占有重要地位，风机叶片作为风力发电中重要的部件，该部件包含主流叶型的50-60米长甚至到百米，叶片报废后的后续处理面临着严峻的环保问题。目前主流的处理方法不外乎把叶片切碎后直接高温烧解亦或是切碎后弃置，这两种方法对于生态环境的危害都非常大。
因此，开发一种可降解回收的复合材料叶片可以大幅改善此问题，叶片在报废后可以用适当的方式降解固化后的树脂，使其与辅材原料分离，分开后的树脂可以再投入配方中使用，纤维原料亦可重新整理再使用，达到碳中和效益，使环境迫害降到最低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的风电叶片报废后需要把叶片切碎后直接高温烧解亦或是切碎后弃置，难以回收利用，且对环境造成影响等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可降解复合材料，包含以质量百分比计的以下组分：
可降解环氧树脂组合物30-40％；
纤维原料45-55％；
芯材0-20％；
以及环氧结构胶0-10％；
所述的可降解环氧树脂组合物中含有如式(I)所示的可降解改性树脂：
其中，式(I)中的n为自然数。
优选地，所述的可降解环氧树脂组合物包含以质量百分比计的环氧树脂组合物60～80％和胺类固化剂20～40％；其中，所述的环氧树脂组合物包括以质量百分比计的环氧树脂90～97.5％和如式(I)所示的可降解改性树脂2.5～10％；所述的可降解环氧树脂组合物于红外线光谱分析中具有1760-1710cm-1特征峰。
优选地，所述的纤维原料选用玻璃纤维和碳纤维中的任意一种。
优选地，所述的芯材选用为PVC泡沫芯材、PET泡沫芯材和巴沙木芯材中的任意一种或多种混合物。
优选地，所述的可降解复合材料能够在碱性环境下与胺类化合物加热降解，分离纤维。
优选地，所述加热降解的温度区间为60-180℃，时间为1～48h。
本发明还提供了上述的可降解复合材料在风机叶片中的应用，包括在主梁、腹板、后缘梁和叶根预制件中的应用。
本发明还提供了一种可降解风电叶片，其制备原料包括权利要求上述的可降解复合材料。
本发明还提供了一种上述的可降解风电叶片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
步骤2：紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，立即将可降解环氧树脂组合物注入层合结构，使层合结构被可降解环氧树脂组合物充分润湿含浸，然后进行加热固化，得到半片叶片；
步骤3：将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
优选地，所述步骤2中抽真空的时间范围为20-80分钟，真空度范围为20-40毫巴，所述可降解环氧树脂组合物注入层合结构的灌注时间范围为40-120分钟，所述加热固化的温度范围为60-90℃，时间范围为4-10小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用可降解环氧树脂作为结构层，所制备之风电叶片具备优异力学性能，符合叶片设计要求与业界EHS规范；
(2)本发明采用可降解环氧树脂作为结构层，可降解环氧树脂能不改变现有工艺参数，使用人员用起来无需额外适应；
(3)由于采用可降解环氧树脂取代现行环氧树脂，所制成的复合材料部件在适当条件下可以降解分离，回收取得的树脂液与纤维原料能再利用，达到绿色循环经济。
附图说明
图1为可降解环氧树脂组合物的红外线分析图：(a)不含降解成分的环氧树脂，(b)可降解环氧树脂组合物。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
以下实施例中，所采用的可降解改性树脂如式(I)之结构：
实施例1～2、比较例1～2
实施例1～2与比较例1～2为可降解环氧树脂组合物的配方初步评估，配方相应之组分质量百分比表示如表1所示，配方红外线分析具有1725cm-1碳酰基(carbonyl)特征峰，如图1所示。混合后于摄氏70度下固化6小时，利用热式差扫描卡量计(DSC)评估玻璃转移温度(Tg)，并以胺类化合物于碱性环境下簡易初步评估可降解性。
表1可降解树脂组合物配方初步评估
由上述初步评估可知，可降解改性树脂添加量过高时，导致固化物整体物性下降而低于规格(比较例2)，而当可降解改性树脂含量过低时，将导致降解性不佳(比较例1)，因此后续实施例中，制板评估将以实施例2之可降解环氧树脂组合物的配方进行测试。
实施例3
一种可降解风机叶片，其制备原料中各组分及其相应的质量百分比如表2所示，且由以下步骤制备获得：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，抽真空时间为65min，真空度30mbar，立即将可降解环氧树脂组合物注入层合结构，使层合结构被可降解环氧树脂组合物充分润湿含浸，灌注时间为105min，然后进行加热固化，加热温度为80℃，加热时间6h，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
注：上述步骤中的纤维原料选用玻璃纤维；芯材选用为PVC泡沫芯材和巴沙木芯材中的混合物；且得到的复合材料风机叶片为68.8米业型。
实施例4
一种可降解风机叶片，制备原料配方如表2，实施方式与实施例3的不同之处在于，步骤(2)抽真空时间为30min，真空度25mbar，灌注时间为60min，加热温度为70℃。
实施例5
一种可降解风机叶片，制备原料配方如表2，实施方式与实施例3的不同之处在于，步骤(2)抽真空时间为80min，真空度20mbar，灌注时间为100min，加热温度为70℃，加热时间10h。
实施例6-7
一种可降解风机叶片，与实施例3惟配方组成不同，其各组分及其相应的质量百分比如表2所示。
表2实施例3～7中各组分及其质量百分比
实施例8
一种可降解风机叶片，与实施例3的不同之处在于，上述配方中的纤维原料由玻璃纤维改为碳纤维，购自美国卓尔泰克50K(zoltex 50k)碳丝碳纤维碳。
比较例3
一种风机叶片，与实施例3的不同之处在于，上述步骤中的可降解改性树脂等质量替换为一般环氧树脂。
性能检测试验
试验样品：采用实施例3-8中获得的可降解风机叶片，并依次编号为试验样品1-6，采用对比例3中获得的复合材料风机叶片作为对照样品1。
评断方法：将测试叶片秤重后裁切成适当大小，进行树脂降解作业，降解完后得到回收液与固态回收料(包含纤维/巴沙木/芯材)，称出总固体回收料的重量，计算得出固体回收比。计算公式为:固体回收比＝(原叶片重-回收固体重)/原叶片重，并比较理论固体占比与实际回收占比，从而得出分离率。分离率(％)＝1-((实际回收占比-理论复材占比)/理论树脂占比))*100％
分析结果如表3所示：
| 样品 | 理论复材占比(％) | 实际回收固体占比(％) | 分离率(％) |
| 试验样品1 | 65 | 70 | 86 |
| 试验样品2 | 65 | 73 | 77 |
| 试验样品3 | 65 | 75 | 71 |
| 试验样品4 | 70 | 78 | 73 |
| 试验样品5 | 60 | 66 | 85 |
| 试验样品6 | 65 | 70 | 86 |
| 对照样品1 | 65 | 100 | 0 |
结合实施例3和对比例3并结合表3可以看出，使用可降解改性树脂取代主流环氧树脂，制成的风电叶片可以达到86％的分离率，意味着叶片中大部分的树脂都可以通过此方法降解回收，并再次利用。
结合实施例3和实施例4-7并结合表3可以看出，不同的辅材比例搭配都能有效地进行降解并分离，分离率至少高于70％。
结合实施例3和实施例8并结合表3可以看出，在碳纤维复合材料体系中，分离率也能达到86％，因碳纤维本身价值更高，对于这样的回收机制整体经济效益会更大，但因碳纤维本身价格也更高，对于风机叶片来说，上下壳体优选还是玻璃纤维，个别加强部位才会使用碳纤维制品，总体来看，皆具回收价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可降解复合材料，其特征在于，包含以质量百分比计的以下组分：
可降解环氧树脂组合物 30-40％；
纤维原料 45-55％；
芯材 0-20％；
以及环氧结构胶0-10％；
所述的可降解环氧树脂组合物中含有如式(I)所示的可降解改性树脂：
其中，式(I)中的n为自然数。
2.根据权利要求1所述的可降解复合材料，其特征在于，所述的可降解环氧树脂组合物包含以质量百分比计的环氧树脂组合物60～80％和胺类固化剂20～40％；其中，所述的环氧树脂组合物包括以质量百分比计的环氧树脂90～97.5％和如式(I)所示的可降解改性树脂2.5～10％；所述的可降解环氧树脂组合物于红外线光谱分析中具有1760-1710cm-1特征峰。
3.根据权利要求1所述的可降解复合材料，其特征在于，所述的纤维原料选用玻璃纤维和碳纤维中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的可降解复合材料，其特征在于，所述的芯材选用为PVC泡沫芯材、PET泡沫芯材和巴沙木芯材中的任意一种或多种混合物。
5.根据权利要求1所述的可降解复合材料，其特征在于，所述的可降解复合材料能够在碱性环境下与胺类化合物加热降解，分离纤维。
6.根据权利要求5所述的可降解复合材料，其特征在于，所述加热降解的温度区间为60-180℃，时间为1～48h。
7.权利要求1～6中任意一项所述的可降解复合材料在风机叶片中的应用，其特征在于，包括在主梁、腹板、后缘梁和叶根预制件中的应用。
8.一种可降解风电叶片，其特征在于，其制备原料包括权利要求1～6中任意一项所述的可降解复合材料。
9.权利要求8所述的可降解风电叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
步骤2：紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，立即将可降解环氧树脂组合物注入层合结构，使层合结构被可降解环氧树脂组合物充分润湿含浸，然后进行加热固化，得到半片叶片；
步骤3：将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
10.根据权利要求9所述的可降解风机叶片的制备方法，其特征在于，所述步骤2中抽真空的时间范围为20-80分钟，真空度范围为20-40毫巴，所述可降解环氧树脂组合物注入层合结构的灌注时间范围为40-120分钟，所述加热固化的温度范围为60-90℃，时间范围为4-10小时。
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