風電葉片用芯材PET的性能研究

劉艷霞，仇艷龍，楊 忠，劉鮮紅，劉衛兵，別春華

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是乙二醇和對苯二甲酸的縮聚反應產物，PET發泡材料作為熱塑性材料，具有比強度高、質輕、優良的電絕緣性、耐化學藥品性及耐蠕變、耐疲勞、耐磨擦等特性。目前除了用于生產纖維、各類容器、包裝材料外，還是一種非常好的風力發電葉片材料[1]。

芯材是風電葉片的主要材料，葉片殼體、剪切腹板等重要部件一般采用夾心結構，通過這個結構，將葉片所受剪切力從表層向內部傳遞，進而提高葉片的載荷能力[2]。目前材質輕的 Balsa木、PVC廣泛應用于葉片芯材，而 PET以其優異的力學性能和環保性能作為替代 PVC的優選材料，逐步占領風電葉片芯材市場。本文結合國內外PET發泡技術和產品性能，研究了風電葉片用 PET 的關鍵技術指標要求，并對下一步風電葉片用PET性能提出建議。

1 試驗方案

采用 3種不同廠家發泡 PET進行平行對比測試，A樣品為國外發泡產品，B為國內發泡產品。根據葉片成型工藝對夾心材料的性能要求，重點分析測評內容包括：表觀形貌、本體壓縮輕度、本體剪切強度、灌注工藝適用性。

2 試驗結果與討論

2.1 表面形貌結果

A、B樣品如圖1所示：PET表面發泡均勻，孔隙微小；對比A樣品可觀測到明顯的“蜂窩狀”結構。

圖1 兩種PET的剖面形貌Fig.1 Section morphologies of two kinds of PET

利用超臨界CO2擠出發泡法是PET主要的發泡手段，通過將擠出機的螺桿旋轉和料筒加熱熔融，物料不斷地被混合剪切，在機頭處由高壓瞬間變為低壓而使溶于物料的氣體膨脹發泡[3]。由于我國的 PET發泡技術剛剛起步，對發泡技術的研究相對較少，理論和工藝實踐不成熟，對發泡 PET的密度和泡孔尺寸控制不穩定。

2.2 力學性能測試結果

進口 PET的性能和國產 PET性能數據對比參見表1。

表1 兩種PET的力學性能測試Tab.1 Test results of mechanical properties of two kinds of PET

泡沫 PET的本體壓縮強度和灌注后剪切強度是風電葉片衡量其性能的主要測試方面，其次為保證其工藝適用性，通過吸膠量衡量泡沫芯材與樹脂機體的結合程度以及灌注工藝的適用性。

從測試結果來看，樣品 A與 B的壓縮模量差異較小，表示在承受大載荷的情況下，兩者的壓縮形變難易程度相當，樣品 A的壓縮強度比葉片設計要求的1.2MPa高出近30%，比國產PET泡沫高出28%，壓縮模量差異較小，說明在相同條件下樣品 A能夠抵抗更大的載荷；對于風電葉片而言，較高的壓縮強度和模量就意味著葉片具有更高的強度、更大的承受載荷，那么葉片的設計壽命就越長。

剪切強度和模量代表了材料承受剪切力的能力，灌注后泡沫芯材的剪切強度可以表征泡沫材料與環氧樹脂層間結合的牢固程度。從表1可知，樣品A、B灌注后的剪切強度和模量都高出設計值 2%～10%，可滿足風電葉片使用；樣品A為腹板板材時，其剪切強度大于樣品 B，殼體板材樣品 A的剪切強度小于樣品B，泡沫PET的加工方式對其剪切性能有影響，主要在于表面樹脂含量有差異。一般而言，腹板的加工工藝較簡單，隨型性要求小，表面樹脂含量較殼體小，因而其剪切強度和模量低于殼體泡沫；泡沫表面樹脂含量越高，剪切強度越大。對于同種加工方式，樣品 A較 B的表面吸膠量小，一定程度可以降低樹脂的使用量。

2.3 泡沫PET與PVC性能對比

PET與 PVC的力學性能對比見表 2。隨著風電行業的發展，泡沫材料的競爭日趨激烈，在保持風電葉片原有結構設計的基礎上，擴展材料的使用范圍和種類成為行業研究的熱門課題。PET泡沫已逐步進入國內葉片市場。通過測試對比，PET泡沫的壓縮、剪切等性能基本與 PVC相當，甚至優于 PVC；腹板和殼體 2種加工方式的單位吸膠量為 PET少于PVC，在實際使用中可降低樹脂用量。同時，PET泡沫的耐高溫性能和高溫不變色性能優于 PVC，在葉片實際應用中能夠提高生產效率和葉片表觀質量，頗受風電葉片行業的青睞。

表2 PET與PVC的力學性能測試對比Tab.2 Comparison of mechanical properties between PET and PVC

3 結 論

樣品 A和樣品 B的抗壓強度、抗剪強度都可滿足風電葉片用泡沫芯材對材料的要求，且樣品 A的力學性能優于樣品 B。PET泡沫的抗壓強度、抗剪強度和耐高溫性能優于 PVC泡沫，吸膠量低于 PVC，因此作為風電葉片芯材使用有較大的優勢。由于目前國內PET發泡技術剛剛起步，發泡工藝不夠成熟，在選用 PET時還需要根據材料的實際表觀質量和力學性能判定。