謝理國(guó)，江一杭，別春華，王 路，李 斌

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

2021年，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)元年，風(fēng)機(jī)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，風(fēng)機(jī)單位千瓦時(shí)的價(jià)格不斷創(chuàng)新低。葉片作為風(fēng)機(jī)的核心大部件，其價(jià)格也持續(xù)降低，葉片制造企業(yè)只有不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，降低葉片的制造成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，才能提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)而贏得市場(chǎng)。

風(fēng)電葉片材質(zhì)為玻璃鋼復(fù)合材料，主要采用樹(shù)脂和玻璃纖維布通過(guò)真空灌注工藝成型[1]。由于環(huán)氧樹(shù)脂比聚氨酯樹(shù)脂具有更好的工藝操作性，故近十多年來(lái)風(fēng)電葉片所用的樹(shù)脂基本均采用環(huán)氧樹(shù)脂。但當(dāng)前葉片制造企業(yè)面臨迫切的降本需求，而聚氨酯樹(shù)脂比環(huán)氧樹(shù)脂單價(jià)低 25%左右，一個(gè)葉片所用樹(shù)脂若全部采用聚氨酯樹(shù)脂，則單支葉片成本降低約 7%。因此，聚氨酯樹(shù)脂替代環(huán)氧樹(shù)脂被逐步應(yīng)用于葉片制造中。

聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂一樣，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能滿足風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求[2]，但由于聚氨酯樹(shù)脂極易與水反應(yīng)導(dǎo)致材料失效，故在實(shí)際應(yīng)用中聚氨酯樹(shù)脂比環(huán)氧樹(shù)脂的工藝要求增加很多。本文主要從聚氨酯樹(shù)脂的脫泡、除濕、灌注、固化等工藝方面進(jìn)行分析和研究，并給出相應(yīng)控制措施。

1 聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用的工藝難點(diǎn)

1.1 可操作時(shí)間短

聚氨酯樹(shù)脂的固化對(duì)溫度十分敏感，當(dāng)固化溫度超過(guò) 30℃時(shí)，其固化反應(yīng)速度會(huì)顯著加快，可操作時(shí)間會(huì)急劇縮短。在恒溫水浴下，不同水浴溫度對(duì)應(yīng)的聚氨酯放熱時(shí)間詳見(jiàn)表1。

表1 恒溫水浴下聚氨酯樹(shù)脂的放熱開(kāi)始時(shí)間Tab.1 Exothermic start time of polyurethane resin in constant temperature water bath

從表中數(shù)據(jù)可以看出聚氨酯樹(shù)脂在 30℃以上的環(huán)境下，其可操作時(shí)間十分有限。

目前隨著風(fēng)電葉片行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)葉片已進(jìn)入百米級(jí)，主流葉片長(zhǎng)度也已超過(guò) 80m，同時(shí)由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，葉片采用真空灌注工藝成型時(shí)需要較長(zhǎng)的灌注時(shí)間才能完成灌注。其中葉片殼體的灌注時(shí)間在120min以上，葉片主梁的灌注時(shí)間在 60min左右，葉片腹板的灌注時(shí)間在 30min左右。因此，聚氨酯樹(shù)脂在風(fēng)電葉片上應(yīng)用時(shí)需要針對(duì)葉片各部件特性采取特定的灌注工藝及溫度控制措施，以確保在聚氨酯樹(shù)脂的可操作時(shí)間內(nèi)完成樹(shù)脂灌注操作。

1.2 極易與水反應(yīng)產(chǎn)生缺陷

聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，其是由多元醇和多異氰酸酯反應(yīng)生成，其大分子結(jié)構(gòu)中含有 NCO成分，很容易與水、水汽或其他化學(xué)溶劑殘留中的 OH反應(yīng)形成氣泡[3-4]。

此外，風(fēng)電葉片生產(chǎn)所需的玻璃纖維布、夾心材料、真空耗材等材料需要先鋪放在葉片模具中，再采用真空袋密封，并通過(guò)抽真空形成一個(gè)真空系統(tǒng)，然后利用真空系統(tǒng)的內(nèi)外壓力差將樹(shù)脂導(dǎo)入真空系統(tǒng)內(nèi)鋪放的材料中，最后經(jīng)過(guò)加熱固化形成玻璃鋼復(fù)合材料。葉片材料在鋪放過(guò)程中都是暴露在空氣中，而空氣中含有水汽，尤其在空氣濕度偏大(大于 75%以上)時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片鋪放過(guò)程中各類材料含水率超標(biāo)。同時(shí)，真空灌注前的抽真空也不能把真空袋內(nèi)的空氣抽干凈，通常都會(huì)殘留一些空氣。無(wú)論是材料本身含水率超標(biāo)存在的水分，還是殘留在真空系統(tǒng)內(nèi)的空氣中含有的水分，都加大了聚氨酯樹(shù)脂中的 NCO與水分子中的 OH發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生微小氣泡的機(jī)率，而產(chǎn)生的微小氣泡會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷，進(jìn)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

因此，葉片材料鋪放、存放，聚氨酯樹(shù)脂主劑與固化劑混合后的脫泡，真空系統(tǒng)抽真空、除濕等工藝過(guò)程，都需要制定相應(yīng)控制措施，嚴(yán)格控制原材料和真空灌注系統(tǒng)內(nèi)的水分含量，避免聚氨酯樹(shù)脂在固化過(guò)程中與水分子接觸，以免產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。

2 聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用工藝措施

針對(duì)聚氨酯樹(shù)脂的應(yīng)用工藝難點(diǎn)，研究人員多次開(kāi)展了聚氨酯樹(shù)脂的玻璃鋼樣件灌注工藝試驗(yàn)，同時(shí)在葉片模具上也多次開(kāi)展了聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用部件級(jí)工藝試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程問(wèn)題和試驗(yàn)結(jié)果的分析與總結(jié)得出以下工藝措施及要求，用于指導(dǎo)聚氨酯樹(shù)脂在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用。

2.1 樹(shù)脂脫泡要求

聚氨酯樹(shù)脂的主劑與固化劑混合時(shí)，由于機(jī)械攪拌會(huì)產(chǎn)生氣泡，故我們可以將這類氣泡稱為物理氣泡。

通常消除物理氣泡最好的辦法就是對(duì)混合均勻的聚氨酯樹(shù)脂進(jìn)行真空脫泡。同時(shí)，為了更有效地避免聚氨酯樹(shù)脂與空氣接觸，必須采用集樹(shù)脂混合、真空脫泡、打膠、調(diào)節(jié)樹(shù)脂溫度為一體的自動(dòng)打膠設(shè)備，確保全過(guò)程均處于密閉系統(tǒng)，且真空脫泡壓力要在-0.095MP以上，脫泡時(shí)間不低于 15min，從而最大程度減少聚氨酯樹(shù)脂主劑與固化劑混合均勻后的樹(shù)脂內(nèi)部空氣殘留和降低聚氨酯樹(shù)脂與水的反應(yīng)機(jī)率，為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。

2.2 真空系統(tǒng)要求

2.2.1 整體式真空系統(tǒng)

為避免聚氨酯樹(shù)脂與空氣中的水汽接觸，風(fēng)電葉片的聚氨酯灌注系統(tǒng)必須采用一體灌注工藝，即打膠機(jī)與鋪層真空系統(tǒng)通過(guò)鋼絲軟管連成一個(gè)整體密封的真空系統(tǒng)。這樣聚氨酯樹(shù)脂從打膠設(shè)備里出膠到進(jìn)入鋪層均在真空密封的管道內(nèi)流動(dòng)，極大程度上減少了與空氣中的水汽接觸。

2.2.2 真空度要求

葉片整體式真空系統(tǒng)通常包含3個(gè)部分，即打膠機(jī)的真空系統(tǒng)、葉片鋪層的真空系統(tǒng)、連接管道的真空系統(tǒng)。整體式真空系統(tǒng)建成后，要進(jìn)行抽真空，將真空系統(tǒng)內(nèi)的空氣抽干凈。通常采用真空度來(lái)衡量真空系統(tǒng)內(nèi)空氣的殘留量，真空度越高，說(shuō)明內(nèi)部空氣殘留越少，而真空度越高效果越好。

由于風(fēng)電葉片長(zhǎng)度很長(zhǎng)，整體式真空系統(tǒng)面積很大，大部分都已超過(guò) 200m2，整體式真空系統(tǒng)要達(dá)到較低的真空度有一定操作難度。為提高抽真空操作效率，需要分別對(duì) 3個(gè)部分單獨(dú)抽真空保壓，達(dá)到要求后再對(duì)整個(gè)真空系統(tǒng)抽真空保壓，以保證整體式真空系統(tǒng)的真空度。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和總結(jié)得出以下聚氨酯樹(shù)脂灌注系統(tǒng)的真空度控制要求。

①對(duì)于打膠機(jī)的真空系統(tǒng)和連接管道的真空系統(tǒng)：當(dāng)真空系統(tǒng)真空壓力低于 10mbar時(shí)，關(guān)閉真空泵開(kāi)始保壓，要求10min壓力升高不超過(guò)5mbar。

②對(duì)于葉片鋪層的真空系統(tǒng)和整體式真空系統(tǒng)：當(dāng)真空系統(tǒng)真空壓力低于 15mbar時(shí)，關(guān)閉真空泵開(kāi)始保壓，要求15min壓力升高不超過(guò)10mbar。

2.3 除濕工藝措施

風(fēng)電葉片在作業(yè)過(guò)程中，由于環(huán)境濕度或者材料本身含水原因會(huì)導(dǎo)致聚氨酯樹(shù)脂中的NCO與水分子中的OH發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，故我們可以將這類氣泡稱為化學(xué)氣泡。

消除化學(xué)氣泡最好的方法就是將材料體系中的水分脫除干凈，最大程度避免聚氨酯樹(shù)脂與材料體系中的水發(fā)生反應(yīng)。目前采用抽真空除濕的方法對(duì)脫除材料體系中的水分比較有效。

水在不同壓力下沸點(diǎn)不同，壓力越大，水的沸點(diǎn)越高。在真空系統(tǒng)中，隨著真空度的增加(真空壓力降低)，水的沸點(diǎn)不斷降低。關(guān)于真空壓力與水的沸點(diǎn)的關(guān)系詳見(jiàn)表2。

表2 真空壓力與水的沸點(diǎn)的關(guān)系Tab.2 Relationship between vacuum pressure and boiling point of water

上文提到，整體真空系統(tǒng)保壓合格后，真空系統(tǒng)的真空壓力不得超過(guò) 25mbar，結(jié)合表 2數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮安全余量，研究人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和總結(jié)，得出以下適用于聚氨酯樹(shù)脂的真空除濕要求：真空除濕必須在真空系統(tǒng)的真空壓力達(dá)到要求后進(jìn)行，通常真空壓力要求不超過(guò) 25mbar，除濕期間真空壓力要持續(xù)保持在 25mbar以下；真空系統(tǒng)的除濕溫度不能低于 35℃，除濕時(shí)長(zhǎng)為 1～4h。除濕溫度越高，除濕時(shí)間越長(zhǎng)，除濕效果越好，但考慮生產(chǎn)效率和成本，除濕溫度和時(shí)長(zhǎng)需要根據(jù)風(fēng)電葉片各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去不斷優(yōu)化。

2.4 灌注工藝措施

聚氨酯樹(shù)脂混合后的黏度為 50～70mPa·s，環(huán)氧樹(shù)脂混合后的黏度為 150～300mPa·s。與環(huán)氧樹(shù)脂相比，聚氨酯樹(shù)脂黏度低、浸潤(rùn)性好；真空灌注時(shí)，聚氨酯樹(shù)脂流速和浸潤(rùn)速度通常較快。但由于聚氨酯樹(shù)脂對(duì)固化溫度十分敏感，導(dǎo)致其可操作性時(shí)間較短，對(duì)于聚氨酯樹(shù)脂灌注要制定專用的灌注工藝措施。

研究人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和總結(jié)確定了以下控制措施：聚氨酯樹(shù)脂從打膠機(jī)里的出膠溫度控制在20～25℃；葉片材料表面溫度控制在 20～30℃，對(duì)于部分產(chǎn)品，若在30min以內(nèi)能完成灌注的，可將葉片材料表面溫度調(diào)整為 20～32℃；由于聚氨酯樹(shù)脂密度較低、流速較快、可操作性時(shí)間短，在設(shè)計(jì)灌注流道系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮采用大直徑管道，并盡可能減少導(dǎo)流系統(tǒng)內(nèi)的減速區(qū)設(shè)置，確保聚氨酯樹(shù)脂灌注時(shí)能更快、更均勻地流動(dòng)；聚氨酯樹(shù)脂灌注前須先排凈注膠管道系統(tǒng)中的空氣；聚氨酯樹(shù)脂打膠機(jī)操作人員必須佩戴護(hù)目鏡、連體服等勞保用品，做好個(gè)人防護(hù)。

2.5 固化工藝措施

聚氨酯樹(shù)脂在固化期間，其放熱較為集中，通常在短時(shí)間會(huì)迅速放熱，但放熱溫度與環(huán)氧樹(shù)脂放熱溫度相比要略低一些。

因此，在聚氨酯樹(shù)脂固化放熱峰之前，產(chǎn)品表面需覆蓋保溫棉被，以加快聚氨酯樹(shù)脂固化；當(dāng)產(chǎn)品表面溫度超過(guò) 55℃時(shí)，要掀開(kāi)產(chǎn)品表面覆蓋的保溫棉被，防止樹(shù)脂放熱溫度過(guò)高，導(dǎo)致樹(shù)脂顏色變深，進(jìn)而影響產(chǎn)品外觀。在聚氨酯樹(shù)脂固化放熱峰之后(表面已硬化)需要重新蓋上保溫棉被，直至聚氨酯樹(shù)脂完全固化。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)聚氨酯樹(shù)脂的應(yīng)用工藝難點(diǎn)進(jìn)行研究與分析，經(jīng)過(guò)數(shù)次工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合風(fēng)電葉片成型工藝方法和控制措施，從聚氨酯樹(shù)脂的混合處理、真空灌注系統(tǒng)控制要求、除濕工藝要求、固化工藝要求等方面給出了聚氨酯樹(shù)脂用于風(fēng)電葉片生產(chǎn)的控制措施，為聚氨酯樹(shù)脂在風(fēng)電葉片生產(chǎn)上的推廣和應(yīng)用提供了工藝技術(shù)支持。