聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用在風(fēng)電葉片上的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制
2024/07/24
在拉擠成型工藝中，環(huán)氧樹(shù)脂因?yàn)閮?yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能、耐腐蝕性能和固化過(guò)程穩(wěn)定等特點(diǎn)，是風(fēng)電復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的樹(shù)脂體系，也是第一選擇的基體樹(shù)脂，短期內(nèi)難以完全被替代。但是，從樹(shù)脂和風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，降低制造成本從而達(dá)到整個(gè)體系的降本是一個(gè)重要方向，聚氨酯樹(shù)脂被認(rèn)為是一個(gè)比較有潛力的“替代品”。
聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用于風(fēng)電葉片上的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，核心是能夠縮短葉片生產(chǎn)時(shí)間提升效率，總工藝時(shí)間可減少約20%，同時(shí)降低葉片的重量約5%，非常契合葉片輕量化趨勢(shì)。從力學(xué)性能來(lái)看，聚氨酯樹(shù)脂大幅度提升了單向玻纖復(fù)合材料的抗壓性能和橫向拉伸性能，適合制作大型結(jié)構(gòu)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(shù)脂更精確地注入模具，這最大限度地減少了浪費(fèi)，并避免了VOC的釋放。但是聚氨酯對(duì)工藝要求較高，應(yīng)用過(guò)程中需要采取相關(guān)有效措施，以降低葉片質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
PART 1 聚氨酯材料簡(jiǎn)介
聚氨酯（PU）是指分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)的聚合物。氨基甲酸酯一般由異氰酸酯和醇反應(yīng)獲得。聚氨酯材料是一類(lèi)產(chǎn)品形態(tài)多樣的多用途合成樹(shù)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(chǎn)品形式。
風(fēng)電葉片上應(yīng)用的聚氨酯灌注樹(shù)脂是由多元醇和異氰酸酯組成的雙組分熱固性樹(shù)脂體系。
聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂都應(yīng)用于風(fēng)電葉片上，在材料特性上進(jìn)行對(duì)比，其情況見(jiàn)表1。
表1 材料特性對(duì)比表
從表1可以看出，聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)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(chǎn)，濕度偏高會(huì)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(chǎn)（特別是沿海邊地區(qū)），而適宜在北方干燥地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)。
PART 2 聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用特點(diǎn)
2.1 材料儲(chǔ)存
異氰酸酯和多元醇一般在產(chǎn)品安全說(shuō)明書(shū)MSDS中有明確要求，儲(chǔ)存在密閉容器中并防潮，其儲(chǔ)存溫度在10℃和30℃之間。主要原因是異氰酸酯會(huì)與水緩慢反應(yīng)形成聚脲并釋放出CO2氣體，可能導(dǎo)致密封容器膨脹和破裂，在低于0℃的溫度下異氰酸酯會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的結(jié)晶。
聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂相比，其保質(zhì)期從24個(gè)月縮短至6個(gè)月，特別是開(kāi)桶后若密封不當(dāng)，儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成聚氨酯材料報(bào)廢。
2.2原材料檢驗(yàn)
聚氨酯樹(shù)脂原材料的檢測(cè)項(xiàng)目從質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)角度考慮，重點(diǎn)對(duì)表2項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，其他項(xiàng)目可以按季度或半年度抽檢。與環(huán)氧樹(shù)脂材料比較，主要是OH、NCO、含水率檢測(cè)方法不同。
表2 聚氨酯原材料檢測(cè)項(xiàng)目
2.3 過(guò)程控制
聚氨酯樹(shù)脂中的異氰酸酯可以與水分反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)的CO2，體積膨脹1000倍以上，其反應(yīng)分子式如下。
為控制聚氨酯與水發(fā)生反應(yīng)，重點(diǎn)從幾方面考慮：材料濕度及除濕干燥、樹(shù)脂脫泡及在線灌注、樹(shù)脂固化及固化度檢測(cè)項(xiàng)目。
2.3.1 材料濕度及除濕干燥
風(fēng)電葉片生產(chǎn)過(guò)程中，使用聚氨酯樹(shù)脂進(jìn)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(shù)脂主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片部件上，如大梁、腹板、預(yù)制葉根、預(yù)制輔梁生產(chǎn)。灌注前，采用反向抽濕方式進(jìn)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(guò)導(dǎo)流網(wǎng)等導(dǎo)流通道可以快速導(dǎo)出，提高干燥除濕的效率。見(jiàn)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(diǎn)大大降低的原理（當(dāng)真空度低于15mBar時(shí)，水分沸點(diǎn)約為15℃）。同時(shí)，樹(shù)脂灌注流道設(shè)計(jì)需考慮除濕效率，除濕需要從注膠側(cè)進(jìn)行抽濕干燥。推薦玻纖表面溫度達(dá)到30℃情況下，保持3h。根據(jù)環(huán)境溫濕度和材料含水率進(jìn)行調(diào)整。為有效驗(yàn)證抽濕效果，需要放置含水率檢測(cè)試紙，采用色差儀檢測(cè)B值來(lái)做初步判定。
2.3.2 脫泡及在線灌注
聚氨酯樹(shù)脂在運(yùn)輸和混合過(guò)程中容易混入空氣，溶解在液體樹(shù)脂內(nèi)會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成缺陷等不利影響，在灌注前需要進(jìn)行脫泡處理。
與環(huán)氧樹(shù)脂的在線灌注相比，需改造灌注設(shè)備，其真空度要求更高；
定期清理閥門(mén)位置殘余的膠液（異氰酸酯與水反應(yīng)結(jié)晶）；
樹(shù)脂桶上需加裝干燥罐，減少空氣中水分進(jìn)入。
見(jiàn)圖2聚氨酯樹(shù)脂灌注示意圖。
同時(shí)，聚氨酯樹(shù)脂需嚴(yán)格按照比例混合并控制在公差范圍之內(nèi)，精準(zhǔn)的比例和充分混合是實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂性能的關(guān)鍵。多元醇和異氰酸酯應(yīng)該充分?jǐn)嚢柚钡骄鶆?，其比例按聚氨酯?shù)脂生產(chǎn)商要求執(zhí)行。
圖2 聚氨酯樹(shù)脂灌注示意圖
2.3.3 樹(shù)脂固化及固化度檢測(cè)
聚氨酯樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂相比較，灌注速度要加快。灌注結(jié)束后，模具加熱程序設(shè)置50℃加熱2h，70℃加熱2h；與環(huán)氧樹(shù)脂相比其固化時(shí)間會(huì)縮短1~2h。
當(dāng)溫度低于40℃時(shí)，聚氨酯樹(shù)脂系統(tǒng)反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行，然而當(dāng)樹(shù)脂溫度升高到50℃以上時(shí)，反應(yīng)將明顯加速并在很短的時(shí)間內(nèi)固化；樹(shù)脂放熱峰出現(xiàn)在開(kāi)始加熱后1.0~2.0h之間，且升溫迅速。
根據(jù)環(huán)境溫度及時(shí)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(nèi)樹(shù)脂在固化階段可升溫至100℃以上。同時(shí)，還需關(guān)注模具加熱均勻性，如加熱不均勻，局部不固化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。
聚氨酯樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是衡量PU彈性體固化度主要指標(biāo)。為有效獲得聚氨酯樹(shù)脂彈性體Tg值，一般需要采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（DMA），由于需價(jià)格高的檢測(cè)設(shè)備，推廣難度較大。
目前，環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg測(cè)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(cè)聚氨酯樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)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(zhǔn)確。近年來(lái)，針對(duì)聚氨酯固化度測(cè)量已有不少研究，正在逐步優(yōu)化中。為快速解決該問(wèn)題，可以使用差示掃描量熱儀（DSC），測(cè)量隨樣件殘余放熱焓值來(lái)間接表征聚氨酯固化度。
PART 3
聚氨酯應(yīng)用質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制
基于聚氨酯灌注樹(shù)脂應(yīng)用特點(diǎn)，利用PFMEA工程技術(shù)，分析造成影響和發(fā)生原因，有效識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，整理聚氨酯風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)64項(xiàng)（見(jiàn)表3），通過(guò)打分排序確定其中有24項(xiàng)關(guān)鍵控制點(diǎn)。
表3 聚氨酯風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)分類(lèi)表
基于關(guān)鍵控制點(diǎn)，編制風(fēng)電葉片部件的質(zhì)量控制計(jì)劃以及相關(guān)檢測(cè)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，有效控制聚氨酯應(yīng)用質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
2022年，本文作者所在單位在風(fēng)電葉片腹板上全面推廣應(yīng)用聚氨酯樹(shù)脂，試制初期聚氨酯腹板的一次交檢合格率在40%~45%，通過(guò)質(zhì)量改善以及關(guān)鍵點(diǎn)控制，聚氨酯腹板一次交檢合格率提升到98%以上，達(dá)到環(huán)氧樹(shù)脂腹板質(zhì)量水平。
聚氨酯樹(shù)脂在風(fēng)電葉片殼體上也進(jìn)行了試用，但殼體的浸潤(rùn)不良、灌注氣泡缺陷率還不能控制在較低水平，與環(huán)氧樹(shù)脂葉片比較，其質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，聚氨酯樹(shù)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(guò)綜合考慮，聚氨酯樹(shù)脂主要用于風(fēng)電葉片的大梁、腹板、預(yù)制葉根、預(yù)制輔梁。
結(jié)合聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用特點(diǎn)以及實(shí)際使用情況，其應(yīng)用質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)如下。
材料風(fēng)險(xiǎn)：明確聚氨酯樹(shù)脂材料以及配套材料的儲(chǔ)存和使用要求；降低各材料本身含水率。
工藝風(fēng)險(xiǎn)：優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，提升除濕效果；合理調(diào)整溫度以及相關(guān)參數(shù)，降低產(chǎn)品灌注缺陷率。
設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)：灌注設(shè)備改造、保養(yǎng)和維護(hù)問(wèn)題；真空泵抽濕效果；模具加熱以及冷卻性能。
結(jié)語(yǔ)
從聚氨酯本身特性來(lái)說(shuō)，聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用于風(fēng)電葉片上的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，與環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用相比較，其工藝流程發(fā)生改變。采用過(guò)程潛在失效模式及影響分析方法（PFMEA）識(shí)別聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，采取相關(guān)預(yù)防措施降低葉片質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
聚氨酯樹(shù)脂應(yīng)用在風(fēng)電葉片上能夠降低葉片生產(chǎn)成本，但還需進(jìn)行更多實(shí)踐和研究，以充分發(fā)揮聚氨酯樹(shù)脂優(yōu)勢(shì)。
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