一种风电叶片复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及风电叶片技术领域，尤其涉及一种风电叶片复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在目前的风电产业中，大部分风电叶片均采用复合材料作为制造主体，制备复合材料的方法则主要采用真空灌注成型技术。该技术是将环氧树脂导入到设有增强材料的真空体系中，使环氧树脂浸润在增强材料中，经过固化，最终二者形成性能良好的复合材料。在叶片大型化的过程中，使用玻璃纤维复合材料会遇到瓶颈：叶片越大，复合材料中玻璃纤维增强材料的重量越大，越难满足叶片对强度的需求，这在一定程度上限制了叶片的大型化。因此，为了在减轻叶片重量，满足叶片的强度要求，采用碳纤维复合材料代替玻璃纤维复合材料是较为有效的方法。
3.但是，风电叶片常年处于室外，四季变化，环境恶劣，因此对复合材料的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能提出了较高的要求。
4.cn110437587a一种风电叶片用碳纤维复合材料树脂，所述风电叶片用碳纤维复合材料树脂按重量份数计包括如下组分：环氧树脂70-80份、增韧树脂10-20份、纳米橡胶粒子6-10份、粉末状填料3-10份、碳纤维5-12份和胺类固化剂24-40份。所述风电叶片用碳纤维复合材料树脂具有很好的强度和韧性，满足了兆瓦级以上风力发电机叶片对材料的特殊要求，而且制备工艺简单，综合性能好，能够很好地提高风力发电机叶片的整体机械性能、防开裂性能和抗疲劳性能。但是，该复合材料的耐候性能、韧性有待进一步提高。
5.cn104610529a公开了一种环氧树脂组合物及其制备方法、以及使用该组合物制备的用于风电叶片的复合材料及其制备方法。所述环氧树脂组合物包括环氧树脂、稀释剂、聚醚胺和脂环族胺，通过组分间的协同作用使得该组合物具有低粘度、低放热峰时间和较长的放热峰时间，适用于真空灌注成型技术。利用该发明组合物和碳纤维增强材料制备的风电叶片复合材料具有较轻的重量和较强的力学性能，适用于风电叶片的大型化生产，具有良好的应用前景和市场价值。但是，该复合材料的耐候性能、耐疲劳性能有待进一步提高。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风电叶片复合材料及其制备方法，制得的风电叶片复合材料轻量化，具有良好的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能。
7.本发明的目的之一在于提供一种风电叶片复合材料，为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0009][0010]
其中，所述复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为(5-10):(1-3):5。
[0011]
本发明的风电叶片复合材料，采用环氧树脂为基体树脂，加入聚酰亚胺树脂为增韧树脂，增韧的同时使得复合纤维与树脂的相容性更好，复合纤维采用聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维三者配合，使得复合材料具有质轻，具有优异的力学性能、耐疲劳及耐候性能，在活性稀释剂综合作用下，常温固化后制得的风电叶片复合材料具有良好的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能。
[0012]
具体的，一种风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0013]
环氧树脂的重量份为60-80份，例如为60份、61份、62份、63份、64份、65份、66份、67份、68份、69份、70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份或80份等。
[0014]
聚酰亚胺树脂的重量份为10-20份，例如为10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份或20份等。
[0015]
活性稀释剂的重量份为5-10份，例如为5份、6份、7份、8份、9份或10份等。
[0016]
复合纤维的重量份为5-10份，例如为5份、6份、7份、8份、9份或10份等。
[0017]
胺类固化剂的重量份为20-30份，例如为20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份等。
[0018]
其中，所述复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为(5-10):(1-3):5，例如为5:1:5、5:2:5、5:3:5、6:1:5、6:2:5、6:3:5、7:1:5、7:2:5、7:3:5、8:1:5、8:2:5、8:3:5、9:1:5、9:2:5、9:3:5、10:1:5、10:2:5、10:3:5等。
[0019]
聚酰亚胺纤维具有优异的耐高、低温性能、高强度、高模量、耐辐射、高抗蠕变性、高尺寸稳定性、低热膨胀系数、高电绝缘性、低介电常数与介电损耗、耐腐蚀等优点，同时还具有真空挥发份低、挥发可凝物少等空间材料的特点。聚酰亚胺纤维具有较好的表面活性，从而能够更好地与基体树脂粘结，以及优异的耐紫外及辐照等性能。因此，使用聚酰亚胺纤维作为增强体，既能够满足复合材料的基本力学和热学性能，还能够满足某些特殊环境下的使用要求，对高性能复合材料的全面发展具有重要的推动作用。
[0020]
风电叶片复合材料中，相较于传统的增强材料玻璃纤维，碳纤维的重量更轻，可降低叶片重量30％-50％。碳纤维在树脂中能有效保持树脂整体性，且平行的方式排列，纤维在其长度方向上能充分发挥碳纤维的高强高韧性，因此能够保证风力发电机叶片的整体机械性能。
[0021]
超高分子量聚乙烯纤维(英文全称：ultra high molecular weight polyethylene fiber，简称uhmwpe)，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比
模量最高的纤维，其分子量在100万-500万的聚乙烯所纺出的纤维，同时纤维密度低，其断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性，其还可抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高，同时，耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。
[0022]
本发明通过调整复合纤维中聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的用量配比，来提高风电叶片复合材料的综合性能。
[0023]
本发明中，所述超高分子量聚乙烯纤维的数均分子量为100万-500万，例如为100万、150万、200万、250万、300万、350万、400万、450万或500万等，优选为200万-400万。
[0024]
本发明中，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素纤维基碳纤维或石墨碳纤维中的任意一种或至少两种的混合物。
[0025]
本发明中，所述活性稀释剂为苯基缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚或丁二醇二缩水甘油醚中的任意一种或至少两种的混合物。
[0026]
本发明中，所述胺类固化剂为三乙烯四胺、聚酰亚胺、乙二胺或二乙氨基丙胺中的任意一种或至少两种的混合物。
[0027]
本发明中，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂或缩水甘油酯型环氧树脂中的任意一种或至少两种的混合物。
[0028]
本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述的风电叶片复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0029]
1)按配比将环氧树脂、聚酰亚胺树脂、活性稀释剂混合搅拌，加入复合纤维搅拌，冷却后得到树脂组合物；
[0030]
2)将步骤1)得到的树脂组合物与胺类固化剂混合搅拌，得到所述风电叶片复合材料。
[0031]
步骤1)中，所述环氧树脂、聚酰亚胺树脂、活性稀释剂混合搅拌的温度为90-110℃，例如为90℃、95℃、100℃、105℃、110℃等；混合搅拌的时间为0.5-1h，例如为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或1h等。
[0032]
优选地，步骤1)中，所述加入复合纤维搅拌的温度为50-60℃，例如为50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃等；搅拌的时间为10-30min，例如为11min、15min、20min、25min或30min等。
[0033]
步骤2)中，所述搅拌的温度为20-30℃，例如为20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等，所述搅拌的时间为20-30min，例如为20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min等。
[0034]
作为本发明的优选方案，所述的风电叶片复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0035]
1)按配比将环氧树脂、聚酰亚胺树脂、活性稀释剂混合90-110℃搅拌0.5-1h，加入复合纤维50-60℃搅拌10-30min，冷却后得到树脂组合物；
[0036]
2)将步骤1)得到的树脂组合物与胺类固化剂混合20-30℃搅拌20-30min，得到所述风电叶片复合材料。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0038]
本发明的风电叶片复合材料质轻，具有良好的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性
能。具体的，拉伸强度为89-98mpa，拉伸模量为5820-6610mpa，弯曲强度为130-173mpa，弯曲模量为6160-6940mpa，冲击强度为88-101kj/m，抗疲劳性能测试28-40万次仍保持稳定不变形，70℃老化性能不变时间＞100h。
具体实施方式
[0039]
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0040]
如无具体说明，本发明的各种原料均可市售购得，或根据本领域的常规方法制备得到。
[0041]
实施例1
[0042]
本实施例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0043][0044]
其中，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为5:1:5。
[0045]
具体的，环氧树脂为双酚a型环氧树脂，dgeba，牌号e-44，聚酰亚胺树脂为湖北巨胜科技有限公司生产的pi js0813，活性稀释剂为聚乙二醇二缩水甘油醚为上海如发化工科技生产的pegge400，胺类固化剂为上海彤源化工有限公司生产的三乙烯四胺112-24-3，聚酰亚胺纤维为江苏奥神新材料股份有限公司的聚酰亚胺纤维p-8-4，超高分子量聚乙烯纤维为北京同益中特种纤维技术开发有限公司生产的分子量为300万，碳纤维为石墨碳纤维。
[0046]
本实施例的风电叶片复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0047]
1)按配比将环氧树脂、聚酰亚胺树脂、活性稀释剂混合100℃搅拌1h，加入复合纤维60℃搅拌20min，冷却后得到树脂组合物；
[0048]
2)将步骤1)得到的树脂组合物与胺类固化剂混合30℃搅拌25min，得到风电叶片复合材料。
[0049]
实施例2
[0050]
本实施例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0051][0052]
其中，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为5:3:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0053]
实施例3
[0054]
本实施例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0055][0056][0057]
其中，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为7:1:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0058]
实施例4
[0059]
本实施例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0060][0061]
其中，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为5:1:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0062]
实施例5
[0063]
本实施例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0064][0065]
其中，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为5:1:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0066]
实施例6
[0067]
本实施例与实施例1的区别在于，胺类固化剂为二乙氨基丙胺，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0068]
实施例7
[0069]
本实施例与实施例1的区别在于，环氧树脂为tde-90环氧树脂，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0070]
对比例1
[0071]
本对比例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0072][0073]
其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0074]
对比例2
[0075]
本对比例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0076][0077]
其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0078]
对比例3
[0079]
本对比例的风电叶片复合材料，按重量份计，包含如下组分：
[0080][0081]
其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0082]
对比例4
[0083]
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为1:1:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0084]
对比例5
[0085]
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为20:1:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0086]
对比例6
[0087]
本对比例与实施例1的区别之处在于，复合纤维为聚酰亚胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维的复合物，质量比为5:4:5，其他的组分及制备方法与实施例1的均相同。
[0088]
对比例7
[0089]
本对比例与实施例1的区别之处在于，不含聚酰亚胺树脂，减少的聚酰亚胺树脂的量平均增加至其他组分，以保证总量不变。
[0090]
将实施例1-7与对比例1-7制得的风电复合材料进行性能测试，实验结果如表1所示。
[0091]
其中，力学性能测试参照gb/t1040.3-2006的标准进行；耐老化性能测试参照gb/t 32368-2015《gbt 32368-2015胶粘带耐高温高湿老化的试验方法》进行测试。
[0092]
表1
[0093][0094]
本发明的风电叶片复合材料质轻，具有良好的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能。具体的，拉伸强度为89-98mpa，拉伸模量为5820-6610mpa，弯曲强度为130-173mpa，弯曲模量为6160-6940mpa，冲击强度为88-101kj/m，抗疲劳性能测试28-40万次仍保持稳定不变形，70℃老化性能不变时间＞100h。
[0095]
对比例1-3只含一种增强纤维，达不到本技术的复合材料的良好的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能的效果。
[0096]
对比例4-6复合纤维的用量配比不在本发明的限定范围内，复合材料的韧性、力学性能以及耐疲劳、耐候性能均有所下降。
[0097]
对比例7不含聚酰亚胺树脂增韧，复合材料的韧性、力学性能以及耐疲劳均有大幅下降。
[0098]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
[0099]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0100]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0101]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。