树脂脱气的制作方法

1.本公开涉及树脂的脱气，特别是用于纤维增强复合材料（诸如用于风力涡轮机叶片中使用的纤维增强复合材料）的树脂的脱气。


背景技术：

2.随着风力涡轮机和风力涡轮机叶片的尺寸增加，雷电袭击风力涡轮机的风险增加。因此，提供具有最大可能强度的风力涡轮机并且特别是风力涡轮机叶片越来越受到关注。
3.树脂中的气体和水可能对基于此类树脂的纤维增强材料的强度产生负面影响。因此，需要一种能够提供具有尽可能少的气体含量的树脂的系统。
4.当前的脱气系统基于例如沸腾、加热、配置成用于脱气的膜、化学脱气和真空脱气。
5.最终产品中的空隙会对机械性能（包括最终产品的表面的强度和质量）产生负面影响。有若干原因可能导致此类空隙。使用抽空（诸如通过真空辅助树脂转移模制（vartm），降低的绝对压力，通常30-300毫巴以下）来制造的复合物能够引起产生相对大的气体的凹穴（pocket），其在灌注前溶解在树脂中。在此情况下，需要后灌注工艺。尽管该工艺最终导致满足规格的坚固的产品，但该工艺非常耗时。因此，期望减少对该附加制造步骤的需要，或至少减少对其的需要。
6.通过将树脂暴露于降低的绝对压力，气体的溶解度会降低。降低绝对压力还引起泡体形成，这允许去除大部分的气体。然而，气体仍可能溶解在树脂中，但气体的量对于其（例如通过泡体的形成）从悬浮液中逸出可能太少。这些残留的气体以及任何水都会对最终产品的机械性能产生负面影响。一些现有的方法在执行脱气工艺之前有意地向树脂添加气体。
7.因此，本发明的一个目的在于提供一种用于从树脂中去除气体和水的备选系统工艺，诸如可以以一种或多种方式比现有工艺更有效的工艺。


技术实现要素：

8.在第一方面中，本发明提供了一种用于在脱气系统中对液体树脂脱气的工艺，该脱气系统包括：-具有用于接收待脱气的液体树脂的树脂入口的第一管道，-用于经由树脂入口将液体树脂泵送到第一管道中的树脂泵，-布置在第一管道的下游端处的流动控制阀，其配置成控制树脂通过第一管道的流动速率，并且配置或可配置成提供跨过流动控制阀的至少1.5巴的压降，-经由流动控制阀与第一管道流体连通的第二管道，-具有与第二管道的出口端流体连通的树脂储存罐入口的树脂储存罐，以及-气体抽空系统，其是可操作的以将树脂储存罐中的绝对压力降低到100毫巴以
下，该工艺包括：-将液体树脂源连接到树脂入口，-使用树脂泵经由树脂入口将液体树脂泵送到第一管道中，以在第一管道中实现至少1.6巴的第一绝对压力，-配置树脂泵和/或流动控制阀以实现至少1.5巴的跨过流动控制阀的第一压降，-至少部分在将树脂泵送到第一管道中的同时，使用气体抽空系统将储存罐中的压力维持在100毫巴以下。
9.根据本发明第一方面的系统和工艺能够减轻或甚至消除上述现有技术的问题中的一个或多个。流动控制阀的输入侧上的高绝对压力有助于在流动控制阀之后的液体树脂中产生相对大的泡体。这大大提高了去除较大气体凹穴中气体的效率。另外，并且非常重要的是，压降作用为用于较小气体凹穴以及甚至单个气体分子扩散出树脂并且进入较大泡体中的催化物，由此能够将它们提取出来。在现有技术系统中，扩散不是对于去除液体树脂中的气体凹穴的有效机制。本发明的实施例允许该机制发挥更大得多的作用。在某种意义上，本发明的实施例中描述的条件引起泡沫状状态的产生，其在从树脂中去除空气和其它气体方面（包括通过扩散的方式）令人惊讶地有效。
10.与已知工艺相比，在本文中所述的工艺条件下改进脱气工艺的另一机制是树脂通过脱气系统的运动。该运动进一步增加了从液体树脂（包括树脂中非常小的气体凹穴）中的气体的提取。
11.在一些实施例中，流动控制阀和/或树脂泵被控制成使得从流动控制阀的输出口到储存罐的入口的平均树脂传输时间在10-120秒的范围内，诸如在15-75秒的范围内，诸如在20-60秒的范围内，诸如在30-50秒的范围内，诸如在30-40秒的范围内。这已经被证明是在维持高流量的同时允许非常高程度的脱气的工艺参数。较长的传输时间将意味着系统将必须非必需地大，而较短的传输时间使得树脂不充分地脱气。
12.在一些实施例中，脱气系统进一步包括串联在流动控制阀与储存罐之间的室，该室具有最小流动面积a2，其是连接流动控制阀和室的管道部分的最大流动面积a1的至少20倍。发明人已经发现，此类串联室进一步提高了上述机制。这允许该系统在相对高的流动速率（诸如在本发明的各种实施例中给出的那些）下进一步有效地对液体树脂脱气。
13.在一些实施例中，脱气系统进一步包括串联在室与储存罐之间的管道，所述管道具有最大流动面积a3，其最多为a2/20，诸如基本上等于连接流动控制阀和室的管道部分的最大流动面积a1。如稍后将描述的，这可进一步提高脱气效率。
14.在一些实施例中，能够使用数字10或甚至5来代替以上的20，但是对于高流动速率，系统则必须更大以获得相同程度的脱气。在此类实施例中，扩散机制也被证明稍不有效。
15.在一些实施例中，最大流动面积a1在2-6 cm2的范围内。
16.在一些实施例中，最小流动面积a2在130-200 cm2的范围内。
17.在一些实施例中，最大流动面积a1在2-6 cm2的范围内，并且最小流动面积a2在130-200cm2的范围内。
18.在一些实施例中，室的容积在5-50 l的范围内，诸如在10-40 l的范围内，诸如在
15-25 l的范围内。
19.在包括如上所述的室的一些实施例中，流动控制阀和/或树脂泵被控制成使得通过室的平均树脂传输时间在10-120秒的范围内，诸如在15-75秒的范围内，诸如在20-60秒的范围内，诸如在30-50秒的范围内，诸如在30-40秒的范围内。可选择室的容积以在给定使用情况中所需的流动速率下获得此传输时间。
20.在一些实施例中，第一绝对压力在3-8巴的范围内，诸如在3-5巴的范围内。此条件带来了非常有效的脱气，同时是非常可管理的压力。
21.在一些实施例中，第一压降在2.5-5.5巴的范围内，诸如在2.5-4.5巴的范围内。
22.通常，第一绝对压力比第一压降高200-700毫巴范围内的量，诸如300-600毫巴范围内的量。通过提供大的压降，气体抽空系统不必需需要是强大的。对于较大的系统，在其它条件相同的情况下，需要更强的气体抽空系统。高流动速率需要更高性能的气体抽空系统，因为每单位时间必须去除更多的气体。
23.在一些实施例中，储存罐中的绝对压力维持在50毫巴以下。这有助于根据上述工艺条件对在储存罐的上游制备的泡沫状液体树脂进行有效脱气。
24.在一些实施例中，第一绝对压力为至少3巴，第一压降为至少2.5巴，储存罐中的绝对压力维持在100毫巴以下。在一些实施例中，进入树脂入口中的树脂的流动速率在每分钟20-60 l的范围内。
25.在一些实施例中，第一绝对压力为至少4巴，第一压降为至少3.5巴，储存罐中的绝对压力维持在50毫巴以下。在一些实施例中，树脂入口处的树脂的流动速率在每分钟20-60 l的范围内。
26.在一些实施例中，储存罐具有联接到出口泵的出口，以用于在与将树脂泵送到第一管道中重叠的第一时间段期间输出脱气树脂。此类实施例能够与和出口流体连通的制造区域串联操作，这意味着除了脱气系统之外，对储存脱气树脂的需求也大大减少或基本消除。高效率（在本发明的实施例中液体树脂以此高效率脱气）允许此类串联脱气，这继而又使得与提供脱气树脂相关的物流更简单得多。能够由本文中所述的工艺条件实现的该系统的高流动速率适用于制造大的纤维增强复合部件，诸如风力涡轮机叶片和飞行器机身和机翼部件，其中一些可能具有超过100 m的尺寸，并且因此在相对短的时间段之上需要大量的树脂。该系统和方法也能够以较小规模使用。
27.在一些实施例中，树脂泵和/或流动控制阀和/或出口泵被控制成在第一时间段期间维持储存罐中基本恒定的脱气树脂的量。后者能够通过手动地调整系统来实现，或其能够基于来自储存罐的数据自动地实现。在一些实施例中，该系统包括用于测量表示储存罐中脱气树脂的量的参数的测量装置，并且该系统进一步包括控制装置，该控制装置配置成接收来自测量装置的测量，并且控制树脂泵和/或流动控制阀和/或出口泵，以维持储存罐中基本恒定的脱气树脂的量。作为示例，控制装置可控制树脂泵和流动控制阀和出口泵。在另一个示例中，用户控制出口泵以便取出必需的脱气树脂的量。作为响应，控制装置控制树脂泵和/或流动控制阀以确保储存罐中恒定的脱气树脂的量。控制装置还可至少部分地控制出口泵，使得在出口处提供的脱气树脂的量至少部分地由控制装置控制。这允许系统重新配置以响应对脱气树脂的更高或更低的需求，而不是系统必须仅在一旦树脂从储存罐中取出或不取出时响应。替代的是，系统能够在启动出口泵之前增加或降低泵压力并且调整
流动控制阀设置，由此能够开始脱气树脂的生成以替换当控制装置打开出口泵时从储存罐中取出的任何树脂。类似地，当取出较少树脂时，树脂泵和/或流动控制阀被控制成减少脱气树脂的生成。
28.注意到的是，关于控制树脂流入系统和/或流出储存罐，树脂泵可以是包括除了泵之外的阀或甚至包括若干泵（可选地联接到控制装置并且可由控制装置控制）的系统。类似地，出口泵可以是包括除了泵之外的阀或甚至包括若干泵（可选地联接到控制装置并且可由控制装置控制）的系统。因此，控制装置联接到并且控制系统中的数个泵和阀，以上这些被分组为“入口泵”、“流动控制阀”和“出口泵”。
29.测量装置可例如包括储存罐负载元件，该负载元件能够提供代表包括脱气树脂的储存罐重量的信号。作为另一个示例，液位测量装置（诸如压力转换器）能够安装在储存罐中。来自此转换器的信号与储存罐中的液体的量直接相关。
30.在一些实施例中，出口至少在第一时间段期间与制造纤维增强复合部件（诸如风力涡轮机叶片部件）的制造区域流体连通。如上所述，本系统和方法使得能够对液体树脂进行串联脱气，由此显著减轻了生成和处理脱气树脂的挑战。
31.在一些实施例中，除了当泵送到第一管道中时包含在树脂中的气体之外，在脱气工艺期间没有诸如空气的气体提供到树脂中。一些现有技术依赖于向树脂添加气体以便改进脱气工艺。本发明的实施例完全消除了对于添加气体的需要。
32.在第二方面中，本发明提供了与第一方面密切相关的用于对树脂脱气的另一种工艺。该工艺包括：-将液体树脂提供到第一管道中以在第一管道中实现至少1.6巴的第一绝对压力，-将液体树脂从第一管道通过流动控制阀传送到第二管道，其中第一绝对压力和流动控制阀配置成至少在第一绝对压力为至少1.6巴时在流动控制阀的下游侧上引起空穴作用，并且-将液体树脂转移到与第二管道流体连通的储存罐中，并且将储存罐中的绝对压力维持在100毫巴以下。
33.在上述工艺的一些实施例中，液体树脂包括以下中的至少一种：环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、热固性树脂和/或热塑性树脂，诸如热塑性灌注树脂。
34.本发明的第三方面提供了一种用于对液体树脂脱气的脱气系统。脱气系统包括：-具有用于接收待脱气的液体树脂的树脂入口的第一管道，-用于经由树脂入口将液体树脂泵送到第一管道中的树脂泵，-布置在第一管道的下游端处的流动控制阀，其配置成控制树脂通过第一管道的流动速率，并且配置或可配置成提供跨过流动控制阀的至少1.5巴的压降，-经由流动控制阀与第一管道流体连通的第二管道，-具有与第二管道的出口端流体连通的树脂储存罐入口的树脂储存罐，以及-气体抽空系统，其是可操作的以将树脂储存罐中的绝对压力降低到100毫巴以下。
35.在一些实施例中，系统进一步包括串联在流动控制阀与储存罐之间的室，该室具有最小流动面积a2，其是连接流动控制阀和室的管道部分的最大流动面积a1的至少20倍。
36.在一些实施例中，串联在室与储存罐之间的管道具有最大流动面积a3，其最多为a2/20，诸如基本上等于连接流动控制阀和室的管道部分的最大流动面积a1。
37.本发明的第四方面提供了根据本发明的第一方面或第二方面的工艺在制造诸如风力涡轮机叶片部件的纤维增强复合部件中的用途。
38.本发明的第五方面提供了根据本发明第三方面的系统在制造诸如风力涡轮机叶片部件的纤维增强复合部件中的用途。
39.关于本发明的第一方面描述的特征也可应用于本发明的其它方面。
附图说明
40.下面将参考附图更详细地描述本发明的实施例。附图示出了实施本发明的选择的方式，并且不应解释为限制本发明的范围。
41.图1是示出示例性风力涡轮机的示意图；图2是根据本发明的实施例的用于对液体树脂脱气的系统的示意图；图3是根据本发明的实施例的用于对液体树脂脱气的系统的示意图。
具体实施方式
42.除非另有说明，否则附图不必需按比例绘制。
43.图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，每个叶片具有最靠近毂的叶根16和最远离毂8的叶尖14。本发明不限于在这种类型的风力涡轮机中使用。
44.叶片10通常至少部分地由纤维增强复合物制成，诸如树脂基体中的玻璃纤维和/或碳纤维。无论何种浸渍方法，当用树脂浸渍纤维时，此类叶片的强度很大程度上取决于留在树脂中的气体以及还有水的量。因此，重要的是树脂在使用前尽可能多地脱气。
45.图2示出了根据本发明的实施例的用于对液体树脂脱气的系统200。该系统包括具有用于接收待脱气的液体树脂的树脂入口202的第一管道205。在本示例中，系统200的树脂入口202连接到树脂源201，该树脂源包括待脱气的液体树脂。树脂泵203将来自树脂源201的液体树脂更远地泵送到系统中。该系统还包括布置在第一管道205的下游端的流动控制阀208。第一管道205连接到流动控制阀208的输入端口207。流动控制阀208配置成控制树脂通过脱气系统200的流动速率，特别是提供至少1.5巴的压降。如下文将描述，树脂泵203和/或流动控制阀208控制成允许第一管道205中的绝对压力达到期望的水平并且获得跨过流动控制阀208的期望压降。第二管道211经由流动控制阀208与第一管道205流体连通。第二管道连接到流动控制阀208的输出端口209。因此，第二管道211中的绝对压力显著低于第一管道205中的绝对压力。
46.第二管道211经由储存罐树脂入口212连接到树脂储存罐213的内部。储存罐213的内部还连接到气体抽空系统214，该气体抽空系统包括连接到储存罐213内部、连接到真空泵217和连接到排出口219的气体管道215。真空泵217是可操作的以通过从储存罐213内部去除气体来维持树脂储存罐213中的低绝对压力。图2中的系统还包括泵221，以用于将脱气树脂经由储存罐出口220泵送到部件制造区域。以此方式，脱气树脂能够直接提供到制造区
域。如前所述，系统200甚至可串联运行，在部件制造进行的同时生成脱气树脂。
47.对来自树脂源201的树脂脱气的工艺包括使用树脂泵203经由树脂入口202将树脂泵送到第一管道205中。树脂泵本身可包括入口202。这是设计的事情。
48.在本示例中，当树脂通过系统供给时，至少在脱气工艺的大部分期间，泵将第一管道205中的绝对压力维持在约3巴。气体抽空系统214的真空泵217同时操作以维持降低的绝对压力在50毫巴以下。
49.该工艺导致非常有效的树脂的脱气，并且如前所述，这不仅仅是通过传统的泡体形成。本文中所述的工艺条件引起具有允许气体和水非常有效地扩散出树脂的尺寸的泡体的产生。在已知系统中，气体和水的去除背后的主要机制是由于降低的绝对压力致使的泡体的形成。来自此类泡体的气体最终由气体抽空系统去除。然而，溶解的树脂在已知系统（包括添加气体作为脱气工艺的部分的系统）中并未有效地去除。
50.本发明的实施例处理树脂仅仅是足够久并且在压力条件下，其导致在树脂到达储存罐213之前从树脂中更彻底地去除气体和水，同时维持高流动速率。
51.令人惊讶的是，本文中所述的工艺不同于已知工艺的事实还可通过在对液体树脂脱气之后评估脱气系统设备进行观察。由于尚未充分理解的原因，已知的系统和对应的工艺引起这些系统的各个部分中的残留物的大量积聚。积聚率本身是相当不可预测的，并且因此监测脱气系统的状态是相当耗时的任务。去除残留物和更换损坏的部件甚至更加耗时，并且会导致停工时间。
52.本说明书中描述的工艺条件导致残留物的积聚少得多，这可能是由于在本文中所述的工艺条件下树脂的泡沫状态和树脂通过系统的运动。因此，本发明不仅在残余气体的量方面，而且在维护负担和相关的停工时间方面，都使脱气更有效。
53.在图3中所示的系统中执行的另一个示例性工艺中，室330通过在控制阀208与储存罐213之间的流动面积中提供变化（在一些情况下是相对大的变化）来改变树脂的流动。如图3中所示，与控制阀208与室330之间的管道310中的最大流动面积a1相比，流动控制阀208与储存罐213之间的室330为树脂提供更大的表面面积a2。这不仅通过允许泡体更容易形成，而且通过增加由扩散从树脂中去除气体来进一步有助于气体的去除。
54.流动面积a2与流动面积a1之间的比率在20-60范围内导致气体非常有效地扩散出树脂，包括以其他方式受限并且不能形成气泡（它们能够通过气泡逸出）的单个气体分子。大的流动面积允许树脂处于特别有利的泡沫状态（这是本发明的实施例的特征）达较长时间。
55.如图3中所示，这通过提供在室330之后的树脂在相对窄的管道311中流动而进一步增强。事实证明，这样变窄使室中的树脂甚至更加发泡，并且还导致室中的泡体更小并且更均匀，这增加了小气体凹穴和单独分子扩散出树脂的速率。如上所述，以非常少量（低至单个分子）受限的气体和水能够扩散出树脂，这允许它们与更大的气体的凹穴一起去除。在室之后没有较窄的管道的情况下，泡体趋向于些许更大并且尺寸变化更大，并且脱气工艺的扩散分量更低。作为结果，尤其是在分子水平上，更多的气体保持悬浮在树脂中。
56.已经参照选择的实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所示实施例，并且能够进行改型和变型而不脱离权利要求的范围。
57.参考列表
2 风力涡轮机4 塔架6 机舱8 毂10 叶片14 叶尖16 叶根200、300 脱气系统201 树脂源202 树脂入口205 第一管道203 树脂泵207 流动控制阀输入端口208 流动控制阀209 流动控制阀输出端口211 第二管道212 储存罐树脂入口213 脱气之后的树脂储存罐214 气体抽空系统215 气体管道217 真空泵219 气体排出口220 树脂出口221 到部件制造区域的泵230 部件制造区域310 控制阀与室之间的管道311 室与储存罐之间的管道330 室a
1 第一管道的最大流动面积a
2 室的最小流动面积a
3 室与储存罐之间的管道的最大流动面积