CN115612427B - 一种热塑性树脂、其制备方法及风电叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性树脂、其制备方法及风电叶片，其中，热塑性树脂包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯65～85份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂10～30份，阻聚剂0.02～0.1份，气味遮蔽剂0.05～0.5份。本发明能够有效解决环氧树脂及环氧结构胶为原料制造的风电叶片退役后不可回收、胶接接头质量不稳定的问题，基于热塑性树脂的可焊接特性，创新性采用感应焊接与电阻焊接的技术方案对叶片各部件进行连接。
Description
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料的技术领域，尤其是指一种热塑性树脂、其制备方法及风电叶片。
背景技术
目前风电叶片灌注树脂绝大部分采用双组份环氧树脂，这是一种热固性材料，具有力学性能优异、工艺性好、收缩率低、稳定性好等优点，但环氧树脂固化成型后，形成三维网状结构，不融不熔，不能进行二次加工，给退役后的风电叶片回收带来了巨大挑战。对此，国外一些公司开发了低粘度、反应型热塑性树脂单体，如：环状对苯二甲酸丁二醇酯、阴离子聚酰胺，但这些单体主要存在聚合温度高(120℃及以上)、聚合过程对水分敏感等问题，不能匹配现有风电叶片生产设备和制造工艺，限制了其在风电叶片上的应用。
风电叶片主要组成部件包括背风面壳体、迎风面壳体、腹板和主梁等。背风面壳体和迎风面壳体、壳体与腹板之间通过环氧结构胶进行连接，而环氧结构胶存在固化周期长、胶接接头质量易受环境的影响、粘接过程不可逆、不可回收等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种热塑性树脂、其制备方法及风电叶片，能够有效解决环氧树脂及环氧结构胶为原料制造的风电叶片退役后不可回收、胶接接头质量不稳定的问题，基于热塑性树脂的可焊接特性，创新性采用感应焊接与电阻焊接的技术方案对叶片各部件进行连接。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种热塑性树脂，包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯65～85份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂10～30份，阻聚剂0.02～0.1份，气味遮蔽剂0.05～0.5份。
进一步，所述聚甲基丙烯酸甲酯树脂为丙烯酸类热塑性树脂。
进一步，所述阻聚剂为对叔丁基邻苯二酚、2,6-二叔丁基对甲基苯酚、2,5一二叔戊基对苯二酚和对苯二酚中的一种。
本发明第二方面提供了一种热塑性树脂的制备方法，包括以下步骤：在搅拌釜中依次加入聚甲基丙烯酸甲酯树脂、甲基丙烯酸甲酯，开启搅拌，加热至50～65℃，待树脂完全溶解，停止加热，将得到的混合液冷却至室温，再依次加入阻聚剂、气味遮蔽剂，搅拌充分即得到热塑性树脂。
本发明第三方面提供了一种风电叶片，采用上述的热塑性树脂与1～2.5份的引发剂、0.5～1.5份的促进剂来制备，具体为：将热塑性树脂与引发剂、促进剂通过在线注胶机混合均匀后，接着通过叶片的真空辅助灌注系统的注胶管导入到叶片的各部件铺层中，最后进行室温固化成型并脱模得到。
进一步，所述引发剂为过氧化甲乙酮、异丙苯基过氧化氢、过氧化甲基异丙酮、过氧化乙酰丙酮和过氧化二苯甲酰中的一种或两种组合。
进一步，所述促进剂为环烷酸钴、异辛酸钴、钴—钾—过渡金属复合促进剂、N,N-二甲基苯胺和N,N-二乙基苯胺中的一种。
进一步，所述叶片的背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘连接区域分别铺设2～5层的第一玻璃纤维连续毡，在第一玻璃纤维连续毡的上表面铺设第一加热元件，真空辅助灌注后第一玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用电阻焊接技术通过第一加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，冷却后从而实现背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘的连接；所述叶片的背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接区域分别铺设2～5层的第二玻璃纤维连续毡，在第二玻璃纤维连续毡的上表面铺设第二加热元件，真空辅助灌注后第二玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用感应焊接技术通过第二加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，冷却后从而实现背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接；所述叶片的腹板的翻边区域铺设2～5层的第三玻璃纤维连续毡。
进一步，所述真空辅助灌注系统的灌注辅材从上往下依次为导流网、棉毡和脱模布。
进一步，所述第一加热元件为碳纤维织物；所述第二加热元件为金属网，所述金属网为紫铜网、不锈钢网或铁网。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的热塑性树脂主要成分为甲基丙烯酸甲酯，作为大宗化工产品，成本上低于环氧树脂，有利于降低风电叶片的材料成本。
2、本发明通过引发剂与促进剂的搭配，使树脂各组分在常温下即可聚合生成线型高聚物，且聚合过程不受水分影响，相比双组份环氧树脂需加热固化，热塑性树脂可减少固定资产投入，大大节省电费。
3、本发明的聚合产物为热塑性材料，风电叶片退役后，树脂可通过高温裂解、加热熔融等处理方式回收，有利于风电叶片二次加工及回收再利用。
4、热塑性树脂为线型高聚物，加热熔融冷却硬化，具有可焊接特性，采用本发明成型的风电叶片，通过感应焊接、电阻焊接技术对叶片各部件进行连接，可省去胶粘剂。焊接过程无需引入异质材料，连接件的应力分布比胶接更加均匀，不会产生应力集中；焊接工艺时间短，提高了风电叶片的生产效率，省去风电叶片各部件连接用的结构胶，大大降低了叶片的材料和制造成本。
附图说明
图1为本发明风电叶片各部件的截面图。
图2为本发明风电叶片各个焊接区域的示意图。
图3为本发明风电叶片真空辅助灌注系统灌注辅材的铺设示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的使用方式不限于此。
实施例1
本实施例所述的热塑性树脂，包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯65份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂30份，阻聚剂0.02份，气味遮蔽剂0.05份。
其中，聚甲基丙烯酸甲酯树脂为丙烯酸类热塑性树脂，包括中国台湾丰宏公司MG555、/>MG845，阿科玛公司的/>BS 510、/>BS 520、BS 580，日本三菱公司的/>VH 001、/>IR K304中的一种或两种组合。本实施例中优选采用中国台湾丰宏公司/>MG845。
阻聚剂采用对叔丁基邻苯二酚、2,6-二叔丁基对甲基苯酚、2,5一二叔戊基对苯二酚和对苯二酚中的一种。本实施例中优选采用对苯二酚。
上述热塑性树脂的制备方法，包括以下步骤：在搅拌釜中依次加入聚甲基丙烯酸甲酯树脂MG845、甲基丙烯酸甲酯，开启搅拌，加热至50～65℃，待树脂完全溶解，停止加热，将得到的混合液冷却至室温，再依次加入阻聚剂对苯二酚、气味遮蔽剂，搅拌充分即可得到热塑性树脂的混合液。
聚甲基丙烯酸甲酯树脂的加入一方面可以降低树脂各组份在本体聚合中由碳碳双键变为碳碳单键带来的体积收缩率，另一方面可以调节热塑性树脂的力学性能，如拉伸强度、冲击强度等，再一方面则是预聚体的加入可以降低反应过程的放热峰温度。气味遮蔽剂的加入可遮蔽或者减轻甲基丙烯酸甲酯令人不愉悦的气味。树脂各组分通过本体聚合生成线型高聚物，有利于风电叶片二次加工及回收再利用。
采用上述制备的热塑性树脂与1份的引发剂、0.5份的促进剂来制备风电叶片，具体如下：将热塑性树脂与引发剂、促进剂通过在线注胶机混合均匀后，接着通过叶片的真空辅助灌注系统的注胶管导入到叶片的各部件铺层中，最后进行室温固化成型并脱模，即可得到风电叶片各部件(包括叶片壳体、腹板和梁帽)。
其中，引发剂为过氧化甲乙酮、异丙苯基过氧化氢、过氧化甲基异丙酮、过氧化乙酰丙酮和过氧化二苯甲酰中的一种或两种组合。本实施例中优选采用过氧化二苯甲酰。
促进剂为环烷酸钴、异辛酸钴、钴—钾—过渡金属复合促进剂、N,N-二甲基苯胺和N,N-二乙基苯胺中的一种。本实施例中优选采用N,N-二甲基苯胺。
引发剂搭配相应的促进剂可实现树脂常温固化，相比环氧树脂加热固化，大大节省了电费。
具体的，如图1～图3所示，在叶片的背风面壳体100和迎风面壳体200的前缘连接区域2、后缘连接区域3分别铺设5层面密度为300g/m2的第一玻璃纤维连续毡，在第一玻璃纤维连续毡的上表面铺设第一加热元件，真空辅助灌注后第一玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用电阻焊接技术通过第一加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘的连接；在叶片的背风面壳体100和迎风面壳体200与腹板300的连接区域1分别铺设3层面密度为300g/m2的第二玻璃纤维连续毡，在第二玻璃纤维连续毡的上表面铺设第二加热元件，真空辅助灌注后第二玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用感应焊接技术通过第二加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接；在腹板的翻边区域铺设2层面密度为300g/m2的第三玻璃纤维连续毡。
其中，第一加热元件为碳纤维织物，碳纤维织物为平纹编织，本实施例优选3K丝束的碳纤维方格布。
第二加热元件为金属网，采用紫铜网、不锈钢网、铁网中的一种，本实施例优选紫铜网。
本实施例通过在上述连接区域铺设玻璃纤维连续毡，真空辅助灌注后可在焊接区域形成较高含胶量的复合材料层，使焊接区域树脂可以充分熔融接触，保证焊接质量，防止因树脂过度熔融而导致叶片壳体变形。
具体的，真空辅助灌注系统的灌注辅材铺设从上往下依次为导流网10、棉毡20、脱模布30，棉毡的面密度为80～160g/m2，本实施例中优选采用面密度为80g/m2的棉毡。加入棉毡可有效防止叶片表面出现‘白斑’缺陷，这是由于甲基丙烯酸甲酯沸点低，在室温且真空条件下会产生‘沸腾’现象，这就导致表层的纤维织物不能充分浸润，有了棉毡的过渡，叶片表面缺陷问题得以解决。
本实施例基于热塑性树脂加热熔融，冷却硬化的可焊接特性，通过采用金属网以感应焊接的技术方案连接腹板与壳体，采用碳纤维方格布以电阻焊接的技术方案连续背风面壳体、迎风面壳体的前缘和后缘。这是由于感应焊接对加热元件与线圈的距离有限制(通常小于5mm)，距离太远金属网不能有效产生感应电流，影响发热效果，因此其适合于较薄的腹板翻边与壳体的焊接；电阻焊接则不受焊件厚度的影响，因此其适合于较厚的叶片前缘、后缘的焊接。焊接技术的引入省去了腹板粘接、壳体粘接用的结构胶，降低了叶片制造成本，提高生产效率。
实施例2
本实施例所述的热塑性树脂，包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯75份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂20份，阻聚剂0.05份，气味遮蔽剂0.3份。
本实施例中聚甲基丙烯酸甲酯树脂优选采用日本三菱公司IRK304；阻聚剂优选采用叔丁基邻苯二酚。
上述热塑性树脂的制备方法，包括以下步骤：在搅拌釜中依次加入聚甲基丙烯酸甲酯树脂IR K304、甲基丙烯酸甲酯，开启搅拌，加热至50～65℃，待树脂完全溶解，停止加热，将得到的混合液冷却至室温，再依次加入阻聚剂叔丁基邻苯二酚、气味遮蔽剂，搅拌充分即可得到热塑性树脂的混合液。
采用上述制备的热塑性树脂与1.5份的引发剂、0.8份的促进剂来制备风电叶片，具体如下：将热塑性树脂与引发剂、促进剂通过在线注胶机混合均匀后，接着通过叶片的真空辅助灌注系统的注胶管导入到叶片的各部件铺层中，最后进行室温固化成型并脱模，即可得到风电叶片各部件。
本实施例中引发剂优选采用过氧化甲基异丙酮；促进剂优选采用异辛酸钴。
具体的，在叶片的背风面壳体和迎风面壳体的前缘连接区域、后缘连接区域分别铺设4层面密度为400g/m2的第一玻璃纤维连续毡，在第一玻璃纤维连续毡的上表面铺设第一加热元件，真空辅助灌注后第一玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用电阻焊接技术通过第一加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘的连接；在叶片的背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接区域分别铺设3层面密度为400g/m2的第二玻璃纤维连续毡，在第二玻璃纤维连续毡的上表面铺设第二加热元件，真空辅助灌注后第二玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用感应焊接技术通过第二加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接；在腹板的翻边区域铺设2层面密度为300g/m2的第三玻璃纤维连续毡。
本实施例中第一加热元件优选3K丝束的碳纤维方格布；第二加热元件优选紫铜网。
在真空辅助灌注系统的灌注辅材铺设中，棉毡优选采用面密度为120g/m2的棉毡。
实施例3
本实施例所述的热塑性树脂，包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯85份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂10份，阻聚剂0.1份，气味遮蔽剂0.5份。
本实施例中聚甲基丙烯酸甲酯树脂优选采用阿科玛公司BS 580；阻聚剂优选采用2,5一二叔戊基对苯二酚。
上述热塑性树脂的制备方法，包括以下步骤：在搅拌釜中依次加入聚甲基丙烯酸甲酯树脂BS 580、甲基丙烯酸甲酯，开启搅拌，加热至50～65℃，待树脂完全溶解，停止加热，将得到的混合液冷却至室温，再依次加入阻聚剂2,5一二叔戊基对苯二酚、气味遮蔽剂，搅拌充分即可得到热塑性树脂的混合液。
采用上述制备的热塑性树脂与2.5份的引发剂、1.5份的促进剂来制备风电叶片，具体如下：将热塑性树脂与引发剂、促进剂通过在线注胶机混合均匀后，接着通过叶片的真空辅助灌注系统的注胶管导入到叶片的各部件铺层中，最后进行室温固化成型并脱模，即可得到风电叶片各部件。
本实施例中引发剂优选采用采用过氧化甲乙酮和异丙苯基过氧化氢组合；促进剂优选采用钴—钾—过渡金属复合促进剂。
具体的，在叶片的背风面壳体和迎风面壳体的前缘连接区域、后缘连接区域分别铺设3层面密度为600g/m2的第一玻璃纤维连续毡，在第一玻璃纤维连续毡的上表面铺设第一加热元件，真空辅助灌注后第一玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用电阻焊接技术通过第一加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘的连接；在叶片的背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接区域分别铺设2层面密度为600g/m2的第二玻璃纤维连续毡，在第二玻璃纤维连续毡的上表面铺设第二加热元件，真空辅助灌注后第二玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用感应焊接技术通过第二加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，树脂基体冷却后即可实现背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接；在腹板的翻边区域铺设2层面密度为600g/m2的第三玻璃纤维连续毡。
本实施例中第一加热元件优选3K丝束的碳纤维方格布；第二加热元件优选不锈钢网。
在真空辅助灌注系统的灌注辅材铺设中，棉毡优选采用面密度为160g/m2的棉毡。
对上述实施例的热塑性树脂浇注体进行测试，测试结果如下表1所示。
表1热塑性树脂浇注体性能测试
由表1可知，实施例1～实施例3中树脂混合粘度均低于市售环氧树脂粘度，这有利于提高树脂灌注速度及降低复合材料含胶量；随着甲基丙烯酸甲酯添加比例的提高，树脂浇注体的力学性能也在提高，但树脂脆性和体积收缩率在变大，其中实施例2中浇注体的力学性能基本达到市售环氧树脂性能指标。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种风电叶片，其特征在于：采用热塑性树脂与1～2.5份的引发剂、0.5～1.5份的促进剂来制备，具体为：将热塑性树脂与引发剂、促进剂通过在线注胶机混合均匀后，接着通过叶片的真空辅助灌注系统的注胶管导入到叶片的各部件铺层中，最后进行室温固化成型并脱模得到；其中，所述热塑性树脂包括以下重量份的原料：甲基丙烯酸甲酯65～85份，聚甲基丙烯酸甲酯树脂10～30份，阻聚剂0.02～0.1份，气味遮蔽剂0.05～0.5份；所述叶片的背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘连接区域分别铺设2～5层的第一玻璃纤维连续毡，在第一玻璃纤维连续毡的上表面铺设第一加热元件，真空辅助灌注后第一玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用电阻焊接技术通过第一加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，冷却后从而实现背风面壳体和迎风面壳体的前缘、后缘的连接；所述叶片的背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接区域分别铺设2～5层的第二玻璃纤维连续毡，在第二玻璃纤维连续毡的上表面铺设第二加热元件，真空辅助灌注后第二玻璃纤维连续毡与热塑性树脂形成便于熔融的复合材料层，采用感应焊接技术通过第二加热元件加热复合材料层，充分熔融树脂基体，冷却后从而实现背风面壳体和迎风面壳体与腹板的连接；所述叶片的腹板的翻边区域铺设2～5层的第三玻璃纤维连续毡；所述叶片的真空辅助灌注系统的灌注辅材从上往下依次为导流网、棉毡和脱模布。
2.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于：所述聚甲基丙烯酸甲酯树脂为丙烯酸类热塑性树脂。
3.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于：所述阻聚剂为对叔丁基邻苯二酚、2,6-二叔丁基对甲基苯酚、2,5一二叔戊基对苯二酚和对苯二酚中的一种。
4.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于，所述热塑性树脂的制备方法包括以下步骤：在搅拌釜中依次加入聚甲基丙烯酸甲酯树脂、甲基丙烯酸甲酯，开启搅拌，加热至50～65℃，待树脂完全溶解，停止加热，将得到的混合液冷却至室温，再依次加入阻聚剂、气味遮蔽剂，搅拌充分即得到热塑性树脂。
5.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于：所述引发剂为过氧化甲乙酮、异丙苯基过氧化氢、过氧化甲基异丙酮、过氧化乙酰丙酮和过氧化二苯甲酰中的一种或两种组合。
6.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于：所述促进剂为环烷酸钴、异辛酸钴、钴—钾—过渡金属复合促进剂、N,N-二甲基苯胺和N,N-二乙基苯胺中的一种。
7.根据权利要求1所述的风电叶片，其特征在于：所述第一加热元件为碳纤维织物；所述第二加热元件为金属网，所述金属网为紫铜网、不锈钢网或铁网。
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