聚氨酯樹脂應用在風電葉片上的質量風險控制
2024/07/24
在拉擠成型工藝中，環(huán)氧樹脂因為優(yōu)異的力學性能、耐熱性能、耐腐蝕性能和固化過程穩(wěn)定等特點，是風電復合材料中應用最廣泛的樹脂體系，也是第一選擇的基體樹脂，短期內難以完全被替代。但是，從樹脂和風電行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，降低制造成本從而達到整個體系的降本是一個重要方向，聚氨酯樹脂被認為是一個比較有潛力的“替代品”。
聚氨酯樹脂應用于風電葉片上的優(yōu)缺點非常明顯，核心是能夠縮短葉片生產時間提升效率，總工藝時間可減少約20%，同時降低葉片的重量約5%，非常契合葉片輕量化趨勢。從力學性能來看，聚氨酯樹脂大幅度提升了單向玻纖復合材料的抗壓性能和橫向拉伸性能，適合制作大型結構件，并具有更好的抗疲勞性能。此外，聚氨酯采用的直接灌注工藝能將樹脂更精確地注入模具，這最大限度地減少了浪費，并避免了VOC的釋放。但是聚氨酯對工藝要求較高，應用過程中需要采取相關有效措施，以降低葉片質量風險。
PART 1 聚氨酯材料簡介
聚氨酯（PU）是指分子結構中含有氨基甲酸酯基團的聚合物。氨基甲酸酯一般由異氰酸酯和醇反應獲得。聚氨酯材料是一類產品形態(tài)多樣的多用途合成樹脂，包括泡沫塑料、彈性體、涂料、膠黏劑、纖維、合成革、防水材料以及鋪裝材料等組成產品形式。
風電葉片上應用的聚氨酯灌注樹脂是由多元醇和異氰酸酯組成的雙組分熱固性樹脂體系。
聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂都應用于風電葉片上，在材料特性上進行對比，其情況見表1。
表1 材料特性對比表
從表1可以看出，聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂對比，工藝不成熟，尚待完善，要求低濕度環(huán)境（一般濕度要求≤70%）生產，濕度偏高會影響葉片除濕度效果，容易造成葉片氣泡缺陷。因此，聚氨酯葉片不適宜在南方濕度大的區(qū)域生產（特別是沿海邊地區(qū)），而適宜在北方干燥地區(qū)進行生產。
PART 2 聚氨酯樹脂應用特點
2.1 材料儲存
異氰酸酯和多元醇一般在產品安全說明書MSDS中有明確要求，儲存在密閉容器中并防潮，其儲存溫度在10℃和30℃之間。主要原因是異氰酸酯會與水緩慢反應形成聚脲并釋放出CO2氣體，可能導致密封容器膨脹和破裂，在低于0℃的溫度下異氰酸酯會產生可見的結晶。
聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂相比，其保質期從24個月縮短至6個月，特別是開桶后若密封不當，儲存時間過長，容易造成聚氨酯材料報廢。
2.2原材料檢驗
聚氨酯樹脂原材料的檢測項目從質量風險角度考慮，重點對表2項目進行檢測，其他項目可以按季度或半年度抽檢。與環(huán)氧樹脂材料比較，主要是OH、NCO、含水率檢測方法不同。
表2 聚氨酯原材料檢測項目
2.3 過程控制
聚氨酯樹脂中的異氰酸酯可以與水分反應，產生氣態(tài)的CO2，體積膨脹1000倍以上，其反應分子式如下。
為控制聚氨酯與水發(fā)生反應，重點從幾方面考慮：材料濕度及除濕干燥、樹脂脫泡及在線灌注、樹脂固化及固化度檢測項目。
2.3.1 材料濕度及除濕干燥
風電葉片生產過程中，使用聚氨酯樹脂進行灌注，其配套材料不使用高濕度/易吸潮的材料，如：不使用Balsa木，需使用PET；不使用紙膠帶，需使用黃色布基膠帶等。
目前，聚氨酯樹脂主要應用于風電葉片部件上，如大梁、腹板、預制葉根、預制輔梁生產。灌注前，采用反向抽濕方式進行除濕干燥，將注膠口與除濕真空泵相連，蒸發(fā)的水汽通過導流網等導流通道可以快速導出，提高干燥除濕的效率。見圖1除濕干燥示意圖。
圖1 除濕干燥示意圖
除濕干燥原理是利用水分在高真空度條件下，水分沸點大大降低的原理（當真空度低于15mBar時，水分沸點約為15℃）。同時，樹脂灌注流道設計需考慮除濕效率，除濕需要從注膠側進行抽濕干燥。推薦玻纖表面溫度達到30℃情況下，保持3h。根據環(huán)境溫濕度和材料含水率進行調整。為有效驗證抽濕效果，需要放置含水率檢測試紙，采用色差儀檢測B值來做初步判定。
2.3.2 脫泡及在線灌注
聚氨酯樹脂在運輸和混合過程中容易混入空氣，溶解在液體樹脂內會對產品質量造成缺陷等不利影響，在灌注前需要進行脫泡處理。
與環(huán)氧樹脂的在線灌注相比，需改造灌注設備，其真空度要求更高；
定期清理閥門位置殘余的膠液（異氰酸酯與水反應結晶）；
樹脂桶上需加裝干燥罐，減少空氣中水分進入。
見圖2聚氨酯樹脂灌注示意圖。
同時，聚氨酯樹脂需嚴格按照比例混合并控制在公差范圍之內，精準的比例和充分混合是實現(xiàn)樹脂性能的關鍵。多元醇和異氰酸酯應該充分攪拌直到均勻，其比例按聚氨酯樹脂生產商要求執(zhí)行。
圖2 聚氨酯樹脂灌注示意圖
2.3.3 樹脂固化及固化度檢測
聚氨酯樹脂與環(huán)氧樹脂相比較，灌注速度要加快。灌注結束后，模具加熱程序設置50℃加熱2h，70℃加熱2h；與環(huán)氧樹脂相比其固化時間會縮短1~2h。
當溫度低于40℃時，聚氨酯樹脂系統(tǒng)反應平穩(wěn)進行，然而當樹脂溫度升高到50℃以上時，反應將明顯加速并在很短的時間內固化；樹脂放熱峰出現(xiàn)在開始加熱后1.0~2.0h之間，且升溫迅速。
根據環(huán)境溫度及時揭除棉被散熱，但注膠口及灌注管道上不能覆蓋棉被，管道內樹脂在固化階段可升溫至100℃以上。同時，還需關注模具加熱均勻性，如加熱不均勻，局部不固化會導致產品報廢。
聚氨酯樹脂玻璃化轉變溫度Tg是衡量PU彈性體固化度主要指標。為有效獲得聚氨酯樹脂彈性體Tg值，一般需要采用動態(tài)熱機械分析法（DMA），由于需價格高的檢測設備，推廣難度較大。
目前，環(huán)氧樹脂的玻璃化轉變溫度Tg測量主要采用差示掃描量熱儀（DSC）法快速獲取，理論上可以采用同樣方式檢測聚氨酯樹脂玻璃化轉變溫度Tg，但由于原料組成的不同，聚合物存在不同程度的相分離，其DSC曲線上Tg取值不準確。近年來，針對聚氨酯固化度測量已有不少研究，正在逐步優(yōu)化中。為快速解決該問題，可以使用差示掃描量熱儀（DSC），測量隨樣件殘余放熱焓值來間接表征聚氨酯固化度。
PART 3
聚氨酯應用質量風險控制
基于聚氨酯灌注樹脂應用特點，利用PFMEA工程技術，分析造成影響和發(fā)生原因，有效識別風險，整理聚氨酯風險控制點64項（見表3），通過打分排序確定其中有24項關鍵控制點。
表3 聚氨酯風險項分類表
基于關鍵控制點，編制風電葉片部件的質量控制計劃以及相關檢測作業(yè)指導書，有效控制聚氨酯應用質量風險。
2022年，本文作者所在單位在風電葉片腹板上全面推廣應用聚氨酯樹脂，試制初期聚氨酯腹板的一次交檢合格率在40%~45%，通過質量改善以及關鍵點控制，聚氨酯腹板一次交檢合格率提升到98%以上，達到環(huán)氧樹脂腹板質量水平。
聚氨酯樹脂在風電葉片殼體上也進行了試用，但殼體的浸潤不良、灌注氣泡缺陷率還不能控制在較低水平，與環(huán)氧樹脂葉片比較，其質量風險較大。同時，聚氨酯樹脂灌注前，需增加反向抽濕工序，影響葉片殼體成型周期。通過綜合考慮，聚氨酯樹脂主要用于風電葉片的大梁、腹板、預制葉根、預制輔梁。
結合聚氨酯樹脂應用特點以及實際使用情況，其應用質量風險總結如下。
材料風險：明確聚氨酯樹脂材料以及配套材料的儲存和使用要求；降低各材料本身含水率。
工藝風險：優(yōu)化流道設計，提升除濕效果；合理調整溫度以及相關參數，降低產品灌注缺陷率。
設備風險：灌注設備改造、保養(yǎng)和維護問題；真空泵抽濕效果；模具加熱以及冷卻性能。
結語
從聚氨酯本身特性來說，聚氨酯樹脂應用于風電葉片上的優(yōu)缺點非常明顯。在實際生產過程中，與環(huán)氧樹脂應用相比較，其工藝流程發(fā)生改變。采用過程潛在失效模式及影響分析方法（PFMEA）識別聚氨酯樹脂應用的風險，采取相關預防措施降低葉片質量風險。
聚氨酯樹脂應用在風電葉片上能夠降低葉片生產成本，但還需進行更多實踐和研究，以充分發(fā)揮聚氨酯樹脂優(yōu)勢。
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