風電葉片PVC芯材的耐溫性研究

江一杭，楊 忠，劉鮮紅

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

風電葉片是風力發電機的關鍵零部件，起到捕捉風能的作用。在風電葉片設計時，為了降低葉片的重量，提高殼體的剛度，殼體采用了三明治夾芯結構設計[1-3]。其中，夾芯材料一般選用質量輕、強度高的PVC泡沫。在風電葉片成型過程中，由于環氧樹脂必須經過高溫后固化，才能達到設計強度要求，一般會將模具溫度加熱到70℃以上。同時，環氧樹脂材料固化過程中還會釋放出熱量，導致產品溫度進一步上升(局部會達到100℃)。高溫后固化工藝對PVC泡沫的耐溫性提出了較高的要求，為了驗證高溫下固化的PVC材料性能是否變化，本論文設計了不同溫度下固化的方案，對PVC本體及夾芯結構的力學性能進行了測試。

1 實驗方案

分別在70、100、110℃條件下，對PVC泡沫及夾芯結構進行高溫處理，再進行力學性能對比測試。在風電葉片設計中，PVC泡沫主要考慮壓縮強度和剪切強度，因此試采用島津100 kN萬能力學試驗機對進行壓縮和剪切測試。芯材壓縮測試參考ASTM D1621，剪切性能測試參考ASTM C273。夾芯結構除了壓縮和剪切外，還需要考慮剝離性能。剝離測試暫未參考相關標準，為同等條件下對比測試。

2 實驗結果與討論

2.1 PVC耐溫性能對比測試結果

將PVC芯材試樣按標準方法加工，然后在70℃和100℃烘箱內，放置6 h，再進行測試。圖1為PVC試樣高溫處理后的外觀對比。上排樣品為70℃處理后的外觀，仍然保持原始狀態。下排為100℃處理后的外觀，可以看出已經明顯焦化。考慮到PVC泡沫在發泡過程中，添加了色料，這種焦化主要是色料變化引起。但是否影響力學性能，還需要進一步測試。

圖1 PVC泡沫在70℃和100℃高溫處理后的外觀對比Fig.1 Comparison of appearance of PVC foam at 70℃and 100℃ after high temperature treatment

表1 為PVC泡沫在70℃和100℃高溫處理后的力學性能對比，從測試結果看出，PVC在100℃處理后，本體剪切性能沒有明顯的變化，而本體抗壓強度和模量有一定程度的下降。參考風電葉片PVC泡沫強度設計值(＞0.65 MPa)，兩種高溫處理后其性能均滿足設計要求。

表1 PVC泡沫在70 ℃和100 ℃高溫處理后的力學性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties of PVC foam at 70℃ and 100℃ after high temperature treatment

2.2 PVC夾芯結構耐溫性能對比測試結果

PVC夾芯結構和性能比PVC材料本身更為重要。PVC在制作成夾芯結構的過程中，需要切縫并開孔，縫隙中會填充環氧樹脂，力學性能會得到大幅提升。葉片的實際性能更大程度上取決于PVC夾芯結構，而非PVC本身。

PVC夾芯結構在70℃和100℃高溫處理后的外觀如圖2所示。與PVC泡沫相同，100℃處理后的外觀已經明顯焦化。

圖2 PVC夾芯結構在70℃和100℃高溫處理后的外觀對比Fig.2 Comparison of appearance of PVC sandwich structure at 70℃ and 100℃ after high temperature treatment

表2 給出了夾芯結構剪切、壓縮以及剝離性能的測試結果。從夾芯結構的測試數據來看，100℃高溫處理后的剪切性能和壓縮性能，相對于70℃來說有一定程度的降低，與PVC材料測試結果趨勢基本接近，但總體性能相對于PVC本體有大幅的提升，主要是由于環氧樹脂的填充。圖3給出剪切和壓縮的破壞形式，可以看出，PVC縫隙中的環氧樹脂對結構強度支撐起到很大的作用。剝離測試可以反映PVC和夾芯結構蒙皮之間的結合力。從測試結果來看，100℃高溫對結合力幾乎沒有影響。

表2 PVC夾芯結構在70 ℃和100 ℃高溫處理后的力學性能對比Tab.2 Comparison of mechanical properties of PVC sandwich structure at 70 ℃ and 100 ℃ after high temperature treatment

2.3 分析與討論

通過以上2項對比測試，可以發現，PVC在高溫條件下(100℃)會發生比較嚴重的外觀焦化，但這種焦化主要是由于添加色料的影響。盡管從性能測試上來說有下降的趨勢，但并不嚴重，其本體的力學性能滿足設計指標要求。PVC夾芯結構的性能有相似的趨勢，但由于環氧樹脂的填充，其力學性能大幅提升。

3 結 論

PVC泡沫是風電葉片制造的常用材料，可以提高葉片殼體剛度，降低產品重量。但在葉片成型過程中，需要經歷高溫后固化階段，局部溫度可能超過100℃，而在高溫下，PVC會發生明顯的焦化現場。本文通過實驗測試驗證，在100℃下焦化的PVC，無論是本體還是夾芯結構，性能有一定程度的下降，但均高于產品設計值，滿足設計要求。本文測試結論，可供風電葉片產品工藝設計參考。■