复合材料风机叶片及其制备方法与应用与流程

本发明属于风力涡轮机制造领域，具体地涉及一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用。

背景技术：

风能被认为是目前能获得的最干净、最环保的能源之一，因此，风力涡轮机越来越受人关注。

常规风力涡轮机叶片(简称风机叶片)通常通过这样来制备：采用真空灌注法制备两个半片叶片，然后将两个半片叶片彼此相叠放置并且使用结构胶粘合。

风机叶片的所有叶片组件例如梁帽、腹板、叶根和叶壳通常由玻璃纤维增强一种树脂体系制成。然而，使用一种树脂体系在风力涡轮机的性能方面有局限，例如，环氧树脂在提高力学性能和减少长的生产周期方面有局限，而不饱和聚酯树脂的收缩率高且力学性能较差。

us2012/0244006a1公开了一种通过聚氨酯制备风力涡轮机的方法。然而，该申请中公开的聚氨酯体系的存罐时间不到30分钟，这不适合于制备大的风力涡轮机叶片。

wo2015/155195a1公开了拉挤和注入法以及聚氨酯杂化体系，与常规聚氨酯体系相比，其提高力学性能和延长树脂的可操作时间。

us2016/0040651a1公开了一种方法，其包括由第一树脂材料形成叶片的第一梁帽并将第二树脂材料注入叶壳模具以形成叶壳。第一树脂材料包含聚酯或乙烯基酯中的至少一种，而第二树脂材料包含环氧树脂、二环戊二烯或聚氨酯中的至少一种。

然而，聚氨酯对水分敏感，难以用于制备包含巴沙木作为芯材料的叶壳。这是因为巴沙木通常包含8重量％-12重量％的水。为了使用聚氨酯树脂制备叶壳，必须将巴沙木充分干燥以去除巴沙木内部的水分。因此，生产周期会比常规环氧树脂风机叶片长许多。

因此希望开发一种能结合聚氨酯力学性能好且生产效率高的优点同时避免聚氨酯对水分敏感导致的缺陷的风机叶片。

技术实现要素：

本发明的目的是提供能结合聚氨酯力学性能好且生产效率高的优点同时避免聚氨酯对水分敏感导致的缺陷的风机叶片及其应用。

因此，根据本发明的第一方面，提供一种复合材料风机叶片，所述叶片包括叶壳、腹板、梁帽和叶根，其特征在于，所述梁帽采用聚氨酯树脂制备，所述叶壳采用环氧树脂制备。

根据本发明的第二方面，提供制备上述复合材料风机叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用聚氨酯树脂和任选的增强材料形成梁帽并任选采用聚氨酯树脂或环氧树脂和任选的增强材料形成预制叶根和腹板；

将所得梁帽和预制叶根和任选的增强材料放入叶壳模具中，注入环氧树脂并使之固化形成半片叶片；和

将两个半片叶片与腹板粘合在一起形成风机叶片；

其中当预制叶根和/或腹板采用环氧树脂制备时，相应部件任选与叶壳一起形成。

根据本发明的第三方面，提供包含上述复合材料风机叶片的风力涡轮机。

本发明通过使用常规树脂体系例如环氧树脂制备风机叶片的叶壳并使用聚氨酯树脂制备其它组件例如梁帽、腹板、叶根以提高风机叶片的强度、使得风机叶片较轻并且缩短生产周期从而节约了风机叶片的生产成本。

附图说明

下面结合附图对本发明进行示例性说明，其中：

图1显示实施例1所制得的样品的耐疲劳测试曲线。

图2显示实施例2所制得的样品的耐疲劳测试曲线。

图3显示根据本发明的一个实施方案的制备风机叶片的部分流程示意图。

图4显示根据本发明的一个实施方案的风机叶片的结构示意图。

图5显示根据本发明的一个实施方案的风力涡轮机的结构示意图。

具体实施方案

现在对本发明的各方面进行详细说明。

根据本发明的第一方面，提供一种复合材料风机叶片，所述叶片包括叶壳、腹板、梁帽和叶根，其特征在于，所述梁帽采用聚氨酯树脂制备，所述叶壳采用环氧树脂制备。

本发明中对于聚氨酯树脂没有特别要求。可用于本发明的聚氨酯树脂通常可通过具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物和二异氰酸酯和/或多异氰酸酯的反应得到。

通常考虑使用这样的化合物作为具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物，其在分子中带有两个或更多个反应性基团，例如oh基团、sh基团、nh基团、nh2基团以及ch酸基团。优选使用聚醚多元醇和/或聚酯多元醇，尤其优选使用聚醚多元醇。优选使用具有200至800mgkoh/g、尤其优选300至500mgkoh/g的羟值的多元醇。多元醇的粘度优选≤500mpas(在25℃),更优选≤300mpas(在25℃)，尤其优选≤100mpas(在25℃)。优选多元醇具有至少60％的仲羟基，优选至少80％的仲羟基，尤其优选为90％的仲羟基。尤其优选基于环氧丙烷的聚醚多元醇。

使用常见的脂肪族、脂环族以及特别是芳香族二异氰酸酯和/或多异氰酸酯作为多异氰酸酯组分。合适的多异氰酸酯的实例为1,4-亚丁基二异氰酸酯、1,5-戊烷二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯(hdi)、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、2,2,4-和/或2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、双(4,4‘-异氰酸根合环己基)甲烷或其与其他异构体的混合物、1,4-亚环己基二异氰酸酯、1,4-苯二异氰酸酯、2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯(tdi)、1,5-萘二异氰酸酯、2,2‘-和/或2,4‘-和/或4,4‘-二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)和/或其高级同系物(pmdi)、1,3和/或1,4-双-(2-异氰酸根合丙-2-基)-苯(tmxdi)、1,3-(双异氰酸根合甲基)苯(xdi)。优选用二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)、特别是由二苯基甲烷二异氰酸酯与多苯基多亚甲基多异氰酸酯(pmdi)组成的混合物作为异氰酸酯。所述由二苯基甲烷二异氰酸酯与多苯基多亚甲基多异氰酸酯(pmdi)组成的混合物优选的单体含量为40至100重量％，优选为50至90重量％，尤其优选为60至80重量％。所用的多异氰酸酯的nco含量应优选超过25重量％，优选超过30重量％，尤其优选超过31.4重量％。使用的mdi优选应具有共至少3重量％，优选为至少20重量％，尤其优选至少40重量％的2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯与2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯的总含量。异氰酸酯的粘度应优选为≤350mpas(在25℃)，尤其优选≤200mpas(在25℃)。

优选除了已知的反应性组分与添加剂和添加物外，聚氨酯反应混合物优选还包含填料如碳纳米管、硫酸钡、二氧化钛、短玻璃纤维或者天然纤维状或薄片状矿物例如硅灰石或白云母。优选将消泡剂、催化剂与潜催化剂用作添加剂和添加物。还可根据需要使用其他已知的添加剂和添加物。

合适的聚氨酯体系尤其指那些透明的聚氨酯体系。因为在制造较大的成型件时，低粘度对于模具的均匀填充是必需的，所以尤其合适的是其粘度≤600mpas(在25℃；组份混合后60分钟)，优选≤300mpas，尤其优选200mpas的聚氨酯体系。优选这样来选择异氰酸酯组份和具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物之间的反应比例，使得在反应混合物中，异氰酸酯基团的数量与对异氰酸酯呈反应性的基团的数量之间的比为0.8至1.5，优选0.9至1.2，尤其优选1.0至1.1。

环氧树脂为本领域技术人员所熟知可用于制备风机叶片的环氧树脂，例如由翰森公司提供的rim035c和rimh037，在此不进行赘述。

在一个实施方案中，所述腹板采用聚氨酯树脂或环氧树脂制备。

在一个实施方案中，所述叶根通过预先制备预制叶根来形成，所述预制叶根采用聚氨酯树脂或环氧树脂制备。

在一个优选的实施方案中，所述梁帽、腹板和预制叶根都采用聚氨酯树脂制备。

在一个实施方案中，所述叶壳、梁帽、叶根和腹板包含增强材料。

所述增强材料选自玻璃纤维乱丝层、玻璃纤维织物和玻璃纤维纱网、裁断或碾碎的玻璃纤维或矿物纤维以及基于聚合物纤维、矿物纤维、碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的纤维垫、纤维非制造物与纤维针织物及其混合物，优选玻璃纤维垫或玻璃纤维非制造物。

优选地，如果使用，用于梁帽中的增强材料为单轴向玻璃纤维。

优选地，如果使用，用于叶根中的增强材料为三轴向玻璃纤维。

优选地，如果使用，用于腹板中的增强材料为双轴向玻璃纤维。

与环氧树脂相比，聚氨酯树脂具有较好的力学性能，特别是压缩强度和模量、拉伸强度强度和模量、剪切强度和模量以及在90°纤维方向上的力学性能方面。这些性能对于风机叶片设计至关重要。通过使用聚氨酯制备梁帽，可以显著提高风机叶片的强度并减少其变形，因此，可进一步优化风机叶片设计以减轻叶片的重量。对于预制叶根也是如此。另一方面，聚氨酯树脂流动更快且固化更快，使用聚氨酯树脂，梁帽、腹板和预制叶根的生产周期可减少30％以上，从而节约风机叶片的生产成本。

发明人出乎意料地发现聚氨酯树脂与环氧树脂具有非常良好的界面性能，聚氨酯基底与后续注入的环氧树脂的搭接剪切强度甚至比环氧树脂与后续注入的环氧树脂的搭接剪切强度高，这使得能够将由聚氨酯树脂制备的梁帽、腹板和预制叶根与环氧树脂叶片叶壳组合。

此外，发明人还出乎意料地发现：搭接剪切疲劳表明聚氨酯基底与环氧树脂基底具有非常良好的动态界面性能。

根据本发明的第二方面，提供制备上述复合材料风机叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用聚氨酯树脂和任选的增强材料形成梁帽并任选采用聚氨酯树脂或环氧树脂和任选的增强材料形成预制叶根和腹板；

将所得梁帽和预制叶根和任选的增强材料放入叶壳模具中，注入环氧树脂并使之固化形成半片叶片；和

将两个半片叶片与腹板粘合在一起形成风机叶片；

其中当预制叶根和/或腹板采用环氧树脂制备时，相应部件任选与叶壳一起形成。

通常聚氨酯树脂和环氧树脂都是在现场制备。

通常将由异氰酸酯组分和具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物组成的反应混合物注入先准备的已抽真空的模具中来制备相应部件。

在一个实施方案中，采用baydur78bd085和desmodur44cp20制备聚氨酯树脂。

在一个优选实施方案中，将由异氰酸酯组分与具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物组成的反应混合物在20至80℃、尤其优选在25至40℃的温度下注入模具中。

在一个实施方案中，当充填反应混合物后，可通过加热模具来加速聚氨酯的固化。

在一个优选实施方案中，被注射的由异氰酸酯组分与具有至少两个对异氰酸酯呈反应性的氢原子的化合物组成的反应混合物在40至160℃、优化在60至120℃、尤其优选在70至90℃的温度固化。

形成梁帽、预制叶根、腹板以及叶壳的方法可为风机叶片加工中常用的方法。

例如可采用真空注入法、预浸料法制备梁帽。

在叶壳制备过程中，通常会加入芯材。

在一个实施方案中，将增强材料与梁帽和预制叶根和芯材一起放入叶壳模具中。

在一个实施方案中，所述芯材可以选自pvc泡沫、pet泡沫、巴沙木、sareform、tycor泡沫、玻璃纤维增强聚氨酯泡沫等，例如3acomposite公司提供的巴沙木。

进行粘合所用的粘合剂为风机叶片领域中常用的粘合剂，例如环氧树脂粘合剂或聚氨酯粘合剂或聚氨酯改性环氧粘合剂，例如翰森公司提供的环氧粘合剂。

在一个实施方案中，将聚氨酯树脂与单轴向玻璃纤维成型为梁帽。

在一个实施方案中，将聚氨酯树脂与双轴向玻璃纤维以及芯材成型为腹板。

在一个实施方案中，将聚氨酯树脂与三轴向玻璃纤维成型为预制叶根。

在一个实施方案中，将玻璃纤维增强层放入叶片叶壳模具中，然后将前面制备的梁帽和/或预制叶根放入叶片叶壳模具中，在梁帽侧上放置芯料(例如巴沙木)并将玻璃纤维增强层放在整个层合结构的上面，接着放入脱模布、隔离膜、导流网和真空袋并保持真空以抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，立即将环氧树脂注入层合结构，当风机叶片模具中的层合结构被环氧树脂完全润湿后，加热模具以使环氧树脂固化形成半片叶壳，获得第一半片叶片。

采用与上面所述相同的步骤制备第二半片叶片。

采用粘合剂(例如环氧树脂粘合剂或聚氨酯粘合剂或聚氨酯改性环氧粘合剂)在两个叶壳的梁帽处粘合腹板并将两个叶壳粘合在一起形成风机叶片。

本发明中所用的各种模具采用风机叶片制备领域中常用的模具。

根据本发明的第三方面，提供包含上述复合材料风机叶片的风力涡轮机。

除非另外说明，本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。当本文中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的意义有矛盾时，以本文中所述的定义为准。

除非另外说明，否则本文中使用的表达成分的量、反应条件等的所有数值被理解为在被术语“约”修饰。

本文中所用的“和/或”是指所提及的要素之一或全部。

本文中所用“包括”和“包含”涵盖只存在所提及要素的情形以及除了所提及要素还存在其它未提及要素的情形。

除非另外说明，本文中所有百分比均为重量百分比，。

现通过实施例以说明的目的而非限制描述本发明。

实施例

原料说明：

baydur78bd085：多元醇，科思创聚合物有限公司提供。

desmodur44cp20：二异氰酸酯，科思创聚合物有限公司提供。

rim035c：环氧树脂，由翰森公司提供。

rimh037：环氧树脂，由翰森公司提供。

巴沙木：由3acomposite公司提供。

tmud1200:玻璃纤维，由重庆国际复合材料公司提供。

测试方法说明：

搭接剪切强度采用pren6060:1996-4(纤维增强塑料-测试方法-搭接剪切强度)进行测定。

实施例1：环氧树脂树脂结合环氧树脂层合板的制备

将4层玻璃纤维铺在模具上，上面依次放上隔离膜、脱模布和导流网，玻璃纤维两侧连接抽气管和树脂管，周围放置密封胶条，然后用真空袋将模具密封并抽真空，模具35℃加热抽真空2小时。将100份rim035c和30份rimh037在室温下均匀混合并真空脱气5分钟，然后将环氧树脂通过树脂管导入模具。树脂充分浸润玻璃纤维后，关闭抽气管，模具加热至80℃并保持4小时。关闭加热等模具降至室温后脱模，完成环氧树脂基底的制备。

将4层玻璃纤维铺在环氧树脂基底上，重复上述方法，导入环氧树脂并在80℃固化4小时得到环氧树脂结合环氧树脂层合板，取样进行搭接剪切强度测试和耐疲劳测试。

实施例2：聚氨酯树脂结合环氧树脂层合板的制备

将4层玻璃纤维铺在模具上，上面依次放上隔离膜、脱模布和导流网，玻璃纤维两侧连接抽气管和树脂管，周围放置密封胶条，然后用真空袋将模具密封并抽真空，模具35℃加热抽真空2小时。将100份baydur78bd085和84份desmodur44cp20在室温下均匀混合并真空脱气5分钟，然后将聚氨酯树脂通过树脂管导入模具。树脂充分浸润玻璃纤维后，关闭抽气管，模具加热至70℃并保持4小时。关闭加热等模具降至室温后脱模，完成聚氨酯基底的制备。

将4层玻璃纤维铺在聚氨酯基底上，重复上述方法，导入环氧树脂并在80℃固化4小时得到聚氨酯树脂结合环氧树脂层合板，取样进行搭接剪切强度测试和耐疲劳测试。

下表汇总了实施例1和2所制得的样品的尺寸和搭接剪切强度。

结果表明聚氨酯基底与后续注入的环氧树脂的搭接剪切强度比环氧树脂与后续注入的环氧树脂的搭接剪切强度高。

图1显示了实施例1所制得的样品的疲劳测试曲线，从曲线可以得到以下结果：

图2显示了实施例2所制得的样品的疲劳测试曲线，从曲线可以得到以下结果：

结果显示聚氨酯基底结合环氧树脂层合板的s-n的斜率指数是15.7而环氧树脂基底结合环氧树脂层合板s-n的斜率指数为11.9。结果还显示聚氨酯基底结合环氧树脂层合板的10⁶次负载循环时应力值σa(50％s-n曲线)为9.7mpa，而环氧树脂基底结合环氧树脂层合板的10⁶次负载循环时应力值σa(50％s-n曲线)为8.9mpa。这表明聚氨酯基底结合环氧树脂层合板的耐疲劳性能比环氧树脂基底结合环氧树脂层合板显著更好。

实施例3：风机叶片的制备

现在参考图3和图4描述本发明风机叶片的制备。将玻璃纤维和任选的其他增强材料铺在模具上，上面依次放上隔离膜、脱模布和导流网，玻璃纤维两侧连接抽气管和树脂管，周围放置密封胶条，然后用真空袋将模具密封并抽真空，模具35℃加热抽真空2小时。将100份baydur78bd085和84份desmodur44cp20通过真空灌注设备脱气并均匀混合，然后将聚氨酯树脂通过树脂管导入模具中。树脂充分浸润玻璃纤维后，关闭抽气管，模具加热至70℃并保持4小时。关闭加热等模具降至室温后脱模，完成聚氨酯主梁，腹板或者预制叶根的制备，其中梁帽使用单向玻璃纤维作为增强材料，预制叶根采用三轴玻璃纤维作为增强材料。

将玻璃纤维增强层放入叶壳模具中，然后将前面制备的梁帽和预制叶根放入叶壳模具中。在梁帽侧上放置巴沙木并将玻璃纤维增强层放在整个层合结构的上面。放入脱模布、隔离膜、导流网和真空袋并保持真空以抽出层合结构中的空气。达到完全真空后，立即将100份rim035c和30份rimh037注入层合结构。当风机叶片模具中的层合结构被环氧树脂完全润湿后，加热模具至80℃并保持4小时以使环氧树脂固化形成第一半片叶片。

采用与上面所述相同的步骤制备第二半片叶片。

采用环氧树脂粘合剂在两个半片叶片的梁帽处粘合腹板并将两个半片叶片粘合在一起形成风机叶片。

尽管上文针对本发明目的详细说明了本发明，但应理解的是，这种详细说明只是示例性的，除了可以由权利要求书限定的内容外，在不偏离本发明的精神及范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种改变。