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道生天合研发总监吉明磊:《理论与实际结合应用于风电低密度结构胶的开发》

日期:2019-04-11    来源:东方风力发电网

国际新能源网

2019
04/11
18:23

关键词: 明磊 风电材料 风电低密度

  2019年4月11—12日,第五届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2019)于中国重庆隆重召开。在大会专题一:科技创新 成就未来——“创新材料、革新技术”中,道生天合材料科技(上海)有限公司研发总监吉明磊作了题为《理论与实际结合应用于风电低密度结构胶的开发》的精彩演讲。
 
  以下为演讲实录:
 

 
  各位来宾,大家好,非常荣幸今天能在这里有机会给大家做关于我们公司产品的介绍。我的题目是“理论与实际结合应用于风电低密度结构胶的开发”。在介绍我们产品之前,我简单介绍一下公司在进行产品开发的时候,依赖于自己内部开发的工具。主要分四块,第一是反应动力学,第二流动流变学,结构胶黏度各种变化,都是依赖于外界不同的环境,跟温度有关,跟时间有关,跟剪切速度都有关系,第三增韧技术,我们专门研究了不同的无机和有机的增韧技术,以及韧性对于不同温度下的响应,跟模量之间的关系,以及老化的性能。第四建模与伪真。
 
  我们公司在进行390、395低密度结构胶开发的时候,相比于常规密度的结构胶产品来说,实现低密度最简单的方法,就是把密度比较高的无机矿物材料,尽可能去掉。这样对于结构胶本身的个性性能,比如强度、韧性、固化收缩都会带来一些负面影响。所以在项目开发的过程当中,主要是为了解决以下几个问题。首先如何平衡固化速度和反应反热?第二如何保持和提高结构胶的抗干裂性能,常规大家都会使用一定的玻璃纤维,现在如果没有玻璃纤维的情况下,这个结构胶抗干裂性能到底是下降还是提高?第三如何优化工艺性能?
 
  首先如何优化固化反应动力学,依赖于反应动力学理论,左边这张图把整个环氧树脂的固化分3—4个阶段。第一个阶段是蓝颜色的区域,这个区域更多的跟材料的开放时间有关,不管是灌注树脂还是结构胶,跟开始时间是相关联的。第二个是自切换区域,是跟材料本身固化反应发热有很大的相关性。进入到最后一个阶段,扩散控制的反应阶段,这个阶段是跟产品整个后期固化增长速度有关,如果想优化固化工艺,就要花很大的精力。不管是在50度、80度以下固化的过程当中,还是在整个范围之内的吻合性都是非常好,说明这个模型非常可靠。
 
  通过利用这个模型,就可以在实现比较低放热的同时,实现比较快的TG增长。利用总放热的下降,加上反应速度的优化,中间这张图去测试35度下结构胶放热,我们可以实现20度以上的放热度的下降。刚刚是产品开发过程当中的应用案例,对于已经开发完的产品怎么评估它的工艺性,现在很多客户为了实现整个固化周期的缩短,尤其是在一次涂胶会大幅度提高粘连度的温度。很多客户会使用加温到45度,作为开放时间的一个判定依据,如果涂胶厚度非常薄的情况下,胶温会非常快的超过45度,这时候结构胶并没有进入到固化的状态,以前的判断标准在新的工艺条件下并不能完全符合,希望通过整个建模来优化和控制新工艺的开放依据。
 
  左边这张图是在不同的环境温度下,以及不同的胶温,不同的涂胶厚度,可以得到一组反应动力学放热曲线。我们刚刚调整的各个因素,包括基材温度,环境温度,原料温度,对于开放时间的显著性高低到底如何?对于开放时间影响最明显的首先就是基材温度。
 
  有了建模之后,可以通过不同条件预测条件开放,我们要验证一下,开放时间是不是真的能代表黏度性能不会受到下降?实验室安排了模拟合模进行粘贴的实验,我们选择了四种不同的标准。如果涂胶厚度在15毫秒,在相应的时间内,在20%固化率以内,拉减性能都没有明显下降,为什么没有30%的固化数据,我们在做这个实验同时,还设置了一个上线条件,合模压力不能超过客户的要求。超过这个要求,在实际使用过程当中,有可能会造成潜在的变形或者偏移的情况。当固化度达到30%,这个时候合模率已经超过了上线,通过其他的平行时间,我们发觉在30%固化度的时候是完全粘贴,但是粘贴度只有70%。
 
  我们这个工具最终是想开放给客户使用,我们可以提供两种方式,第一给客户提供一个预测模型,客户使用过程当中,只需要设置温度,这个模型会自动告诉你,这些参数条件下,它的开放时间应该是多少?第二种方法现在正在继续往下开发的,就是更智能的一个工具,就是客户现场只需要一种传感器,把传感器往结构胶里面一插,到了设置的开放时间之后,就会自动报警。这是更智能的开放时间控制的方法。
 
  第二部分关于增韧,我们公司使用的都是增韧技术,传统的还有增柔技术,增韧技术是不会大幅下降材料的耐热性能,同时增韧技术也不会大幅下降材料模量和强度。更多的是优选增韧技术,它也有几个潜在问题,首先第一个就是相融性,第二就是项分尺寸,也直接影响性能。第三增韧技术在不同温度下的响应,另外就是增韧技术带来可能的流变和老化问题。左上角那张图就是增韧技术选择的非常强档,其实是能够实现比较高的力学强度,同时能够大幅提高材料的延伸率。如果增韧技术选择的不恰当,和树脂相容性比较差的时候,载荷没有办法在增韧剂和树脂机体之间有效传递,就会出现左下角这样的情况,本身拉伸的会出现非线性的变化,另外也很难实现比较高的强度和高的延伸度。如果选择不同的增韧技术可以大家100—200微米的尺度,到底选择哪种尺寸才比较合适自己的产品,是需要进行一定的计算和测试。一般需要考虑尺寸跟结构胶破坏时候的尺寸要进行比较,要跟初期的缺陷和裂纹的曲线也要进行相应的匹配。
 
  增韧同时也要在低温下使用,我们罗列了三种增韧技术,分别在零下40—60度。通过以上的增韧技术的开发,我们罗列了390、395结构胶的对比,相对于常规1.2以上的高密度结构胶来说,用量上可以实现8%—10%的下降。同时也可以实现6%以上的拉伸延伸率,相当于行业的标准样品,能够更快的实现积极增长。
 
  最后一个问题,我们以前在汇报当中有提过,我们发现对于副板和主梁粘贴区域,在固化以后往往会发现以下几种缺陷,首先收胶的时候刮的胶最后突出来的,结构胶和副板出现剥层情况以及展向裂纹等三个问题,对于长期的疲劳都是有一个负面的影响,我们希望通过这个项目,能够解决这三个问题,主梁和腹板之间的黏度是固定还是会变化?很多客户反应这个问题一般在冬季比夏季高发。我们为了监控位移变化,使用了位移传感器,分别在住梁和腹板都进行相应的观察。这是在冬季采集的数据,固化过程当中,腹板和主梁间歇变化1.4毫米,结构胶脱层和展向裂纹,液压锁扣间隙变化是0.4毫米以下,模具反边问题变化是1.5毫米。如果有客户希望在模具来监控叶片内部主梁和腹板之间的粘贴间隙变化,我们是不建议的,因为本身的模具在固化当中,尺寸的限制,内部和外部的间隙变化是出现完全不一致的情况。
 
  为了确认不是因为结构胶本身固化造成的原因,我们也自己开发了一些实验。首先直接把结构胶放在50度和90度下进行固化,没有加载任何的间隙变小的情况。整个固化完之后外观是变化的,另外本身的静态结构胶不会发生自发流动。右下角这张图是50度条件下,运用反向力原位计划收缩的发生,固化收缩的确会引起粘贴间隙的变小,固化收缩不是一个主要原因,也证明了在整个固化过程当中,体积是以变小为主要的,而不是以膨胀为主。
 
  如果我们加载变化,又会怎么样?我们加载20%粘贴间隙变小,下面两张图分别是在30分钟和90分钟加载的情况,最终的结论,粘贴间隙变小是主因,50%的粘贴间隙变小,就会形成脱层和裂纹,间隙变小可能源于模型和壳体在加热过程中体积膨胀造成的。为何冬季高发?冬季加热时,温度变化范围更大,体积变化更明显。夏季前后缘的结构胶固化速度较快,可以抵御壳体的体积变化。结构胶的影响,结构胶的粘度下降,体积膨胀和固化的收缩不是主要原因。以上就是我的汇报,谢谢大家。

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