一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及材料，尤其是涉及一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、风力发电的基本原理是利用风轮带动风力发电机旋转，使其转动的动力通过发电机转化为电能。风力发电机一般由塔架、风轮和发电机组成。风轮通常由数个叶片组成，当风吹过叶片时，产生了压力差，推动风轮转动。在整套组件中，风电叶片是至关重要的部分，目前应用较为广泛的风电叶片为环氧树脂/玻璃纤维复合材料。然而，由于环氧树脂永久交联的特性，随着未来风电设备量越来越多，大量的退役叶片将带来庞大的环境负担。

2、碳纤维增强热塑性复合材料是一种由热塑性聚合物基体和碳纤维增强材料组成的复合材料。碳纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，具有优异的力学性能和轻质化特性。将碳纤维与热塑性聚合物基体结合，可以获得具有高强度、高刚度、低重量并且易回收的复合材料。

3、碳纤维增强热塑性复合材料在航空航天、汽车工业、体育用品等领域有广泛的应用。在航空航天领域，它们可以用于制造飞机机身、翼面板、舵面等部件，以实现结构轻量化，提高飞机的性能和燃油效率。在汽车工业中，它们可以用于制造车身零件、座椅结构等，以减轻汽车的重量并提高安全性能。在体育用品领域，它们可以用于制造高性能的高尔夫球杆、网球拍等。

4、文件1：cn115678204a公开了一种风电叶片用环氧纤维复合材料及制备方法，所述制备方法包括缩水甘油酯型环氧树脂的制备、环氧树脂组合物的制备、环氧树脂组合物浸渍无机纤维，干燥后获得风电叶片用环氧复合材料。所述制备方法制备的可以通过乙二醇等高沸点醇对环氧树脂/玻璃纤维复合材料进行降解，从而实现材料的回收使用。所述制备方法采用将低分子量的小分子扩链为大分子结构，增加了凝胶反应时间，为施工提供了极大的便利性。尽管文件1可以通过树脂降解来实现材料的回收利用，但该方法工艺较复杂，并且仍存在部分废料，无法完全回收。

5、因此，提供一种易回收并且兼具高力学强度的用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺的热塑性复合材料是非常必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料，本发明提供的碳纤维增强聚酰胺复合材料力学性能好，同时易回收。

2、本发明提供了一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、a）将碳纤维布采用聚酰胺酸溶液浸润，浸润完成后置于水中进行溶剂置换，置换完毕后取出碳布，干燥，得到包覆聚酰胺酸的碳纤维布；

4、b）将包覆聚酰胺酸的碳纤维布加热固化，再经碳化得到改性碳纤维布；

5、c）将改性碳纤维布和聚酰胺薄板交替堆叠，热压、冷却，即得。

6、优选的，步骤a）所述聚酰胺酸溶液的浓度为1~30 wt%；所述碳纤维布包括平纹、缎纹、斜纹的任意一种。

7、优选的，步骤a）所述浸润具体为25℃下浸润20~24h。

8、优选的，步骤a）所述溶剂置换温度为25℃，置换的时间为1~72h；所述干燥的温度为80℃干燥2h。

9、优选的，步骤b）所述加热固化具体为：280℃~350℃固化0~2h。

10、优选的，步骤b）所述碳化具体为：在氩气氛围下，800~1800℃条件下碳化1~5h。

11、优选的，步骤c）所述聚酰胺薄板的厚度为0.02~1mm。

12、优选的，步骤c）所述热压具体为：在0.1mpa~2mpa的条件下，200~300℃下热压2~180min；

13、本发明所述用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料厚度优选为2mm~200mm。

14、本发明可以根据所需厚度确定堆叠层数，2mm厚度所需交替堆叠的层数为10~20层。

15、本发明提供了一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。

16、本发明提供了一种风电叶片，原料包括上述技术方案所述的碳纤维增强聚酰胺复合材料。

17、与现有技术相比，本发明提供了一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：a）将碳纤维布采用聚酰胺酸溶液浸润，浸润完成后置于水中进行溶剂置换，置换完毕后取出碳布，干燥，得到包覆聚酰胺酸的碳纤维布；b）将包覆聚酰胺酸的碳纤维布加热固化，再经碳化得到改性碳纤维布；c）将改性碳纤维布和聚酰胺薄板交替堆叠，热压、冷却，即得。本发明采用热塑性树脂来制备复合材料，相比于热固性复合材料，热塑性复合材料在可回收性、高比强度和比刚度、耐腐蚀性的成本效益和设计灵活性等方面具有明显的优势，仅需对复合材料进行加热熔融即可轻松回收树脂以及纤维增强材料。此外，本发明通过聚酰亚胺原位碳化的方法，在碳纤维中构建了互连网络，由于碳纤维互连网络对应力的疏导作用，本发明制备的复合材料拥有更好的力学性能，并且兼具易回收、热稳定好、成本低等优势。

技术特征：

1.一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a）所述聚酰胺酸溶液的浓度为1~30 wt%；所述碳纤维布包括平纹、缎纹、斜纹的任意一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a）所述浸润具体为25℃下浸润20~24h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a）所述溶剂置换温度为25℃，置换的时间为1~72h；所述干燥的温度为80℃干燥2h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b）所述加热固化具体为：280℃~350℃固化0.5~2h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b）所述碳化具体为：在氩气氛围下，800~1800℃条件下碳化1~5h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c）所述聚酰胺薄板的厚度为0.02~1mm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c）所述热压具体为：在0.1mpa~2mpa的条件下，200~300℃下热压2~180min。

9.一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料，其特征在于，由权利要求1~8任意一项所述的制备方法制备得到。

10.一种风电叶片，其特征在于，原料包括权利要求9所述的碳纤维增强聚酰胺复合材料。

技术总结
本发明提供了一种用于风电叶片的碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：A）将碳纤维布采用聚酰胺酸溶液浸润，浸润完成后置于水中进行溶剂置换，置换完毕后取出碳布，干燥，得到包覆聚酰胺酸的碳纤维布；B）将包覆聚酰胺酸的碳纤维布加热固化，再经碳化得到改性碳纤维布；C）将改性碳纤维布和聚酰胺薄板交替堆叠，热压、冷却，即得。本发明通过聚酰亚胺原位碳化的方法，在碳纤维中构建了互连网络，由于碳纤维互连网络对应力的疏导作用，本发明制备的复合材料拥有更好的力学性能，并且兼具易回收、热稳定性好、成本低等优势。

技术研发人员：王震,蔡瑜,刘辉
受保护的技术使用者：乌镇实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5