主题发言

维赛新材料科技股份有限公司技术副总监曹卓:PET结构芯材在风电叶片中的应用

2021-03-26    东方风力发电网

  尊敬的各位嘉宾、女士们、先生们:大家下午好。很高兴有这么一个机会能够和大家分享关于PET结构新材料及其在风电叶片中的应用的这样的一些内容。


  我的汇报主要分成以下三个方面,一个是PET结构芯材的简介,两种结构芯材之间的比较,然后介绍一下关于我们公司PET结构芯材的产品。


  PET的全称是聚对苯二甲酸乙二醇脂,通过挤出物理发泡的方式,可以得到一种高强度质量比的硬质泡沫,由于PET的挤出方向是它最优异的力学性能的方向,为了最大化的利用它的力学性能,因此原板通常需要进行焊接,下面这个图是整个PET平板的加工过程,左边是最开始挤出的原板,通过焊接形成大概是2.5米×1米×1.2的板,然后进行分接,最后形成套材。


  夹芯材在叶片中主要以三明治夹层结构存在,这种结构发挥了结构芯材质量轻,强度高的最大优势。高密度的PET可以用在叶片偏根部的位置,中密度的PET是用在壳体。PET和轻木这两种芯材由于他们的加工方式上有一些类似的地方,比如说他们的平板都是通过分接形成的夹心结构,他们都有相似的微孔结构,而不同的地方在于这个PET的泡孔相对于轻木的泡孔更加的矮胖一些,PET的泡孔更加细长一些,这也带来了他们很多不一样的地方。


  我们看看原料方面,轻木来源于巴沙木林,而PET的最上游的原材料其实是原油,通过炼化得到PTA、MEG,然后再得到聚酯切片,再挤出形成板材,整个生产过程是可以通过泵进行精确的定量配方和控制,所以PET整个的生产过程,这种高精度的控制方式会得到密度区间更窄的芯材产品。


  此外,我们再看一下生产过程,因为轻木受产地的限制非常的大,目前主要是在南美洲的一个国家——厄瓜多尔,而且它只能在一些特定的区域山地上面生长得到,所以它整个的运输过程还是因为当地的国家的基础设施建设不像中国这么的完善,中间这一张图片可能还有一点不太对,因为我们的一个供应商说主要的运输途径并不是靠人搬下来,主要是靠牲畜。轻木在被砍伐之后,他需要在非常短的时间内进行一个烘干处理,所以只能在当地进行木材初加工。这样的话根据当地的工业体系,有很多的质量是很难以保证的,通常就是在一个木头加工厂里面,一个比较有经验的老师傅,最后把关一下整个木条的质量。


  但是PET是在一个现代化的工厂和智能化的设备上面进行生产的,而且是通过一群比较具有高技能的功能所得到的批次稳定性非常好的产品,而这个良好的批次稳定性也是很多的使用商关注的一个重点。此外,对于PET还可以根据客户的不同的需求,通过定量化、精确化的去调配一些配方,得到客户定制化的一些产品。比如说阻燃的PET,特定密度范围的PET等等。


  轻木作为一种芯材产品,由于受到它本身先天和后天的很多因素,它非常容易遭受到来自与一些鸟兽、昆虫、微生物的攻击,形成很多的缺陷。从左边到右边是由于生长过快形成的一个软木,然后由于受到一些生长上的阻碍,它形成的中空和树结,然后由于微生物的影响形成的一些蓝变,这些都是在轻木当中很常见的缺陷。但是PET芯材在完成层铺和注胶之后,它整个的外观非常的均匀,很漂亮,缺陷也比较少,因此方便我们使用者进行一个质量的播控和控制。


  下面我们来看一些力学实验,第一个我们做了一个弯曲实验,根据的标准是ASTMC393,将两种芯材进行一个夹层结构的对比。我们采用的是光学引申剂进行的垂直方向和横界面方向的硬力以及应变的测量,选了五个固定的位量,从五到二十五毫米,每五毫米进行一个点。左边是轻木夹层结构的实验结构,在第一阶段,五毫米不到的地方,轻木就发生了一个微小的剪切断裂,在二十毫米不到的位置就发生了比较大的剪切断裂。但是对于PET而言,一直到二十五毫米之后,在二十七毫米的位置才发生了一个比较严重的剪切断裂。因此我们可以看到整个PET夹层结构能够呈现的形变量是远远大于轻木夹层结构的。


  我们得到了两种结构的夹心材料在位移发生到一定程度都会形成一个剪切应力的释放,但是PET的应力类型是扭结裂痕,而轻木是属于垂直应力裂痕,轻木相对于PET而言表现出更强的脆性。PET比较适用于在需要一些拥有更大受损容忍度的应用,它能够更加适用于防止严重失效的发生,因此我们讲PET虽然它的基础的剪切力学性能相对于轻木而言是弱的,但是它为特定功能的设计提供了一种选材上的多样性。


  这是一个电击实验,由于轻木和PET本身导电能力是很弱的,而且他们的热导系数都比较低,实际上这个电击实验检测的是两种芯材和夹层结构在热冲击下的应力和应变的变化。我们在夹心结构当中开了一个0.1毫米的孔插入一个金属导线,通过不同的大电流,通过实验发现,轻木芯材的本体受到的损伤更小,在21千的电流下面轻木的受损半径才3.9毫米,PET的话比它大五倍。但是对于夹层结构而言,它的结果是恰恰相反的,PET的夹层结构受到的损伤比轻木要小很多。这是因为PET在大电流通过下更加容易发生热解和造成微观结构的损坏和破裂,但是轻木更容易发生纵向纤维的断裂,导致和树脂层剥离。在热源附近,非常小面积的范围内,半径是25毫米,轻木所受到的热传导带来的应力更大,这个蓝色的应力区域是负值的应力的图片。还有一点就是在峰值电流达到了一定的程度,超过这个临界点的话轻木也更加容易着火,这个是受到它材料本身的一些性质所带来的影响。


  再看速度冲击实验,我们选用的是16.9公斤的质量块,一米高度可调的范围内进行冲击实验。最大冲击能量在80焦时,PET和轻木夹层结构受到的损伤分别是11.6%和54.2%。虽然密度高的轻木拥有更好的压缩性,但是在三明治结构当中,树脂和芯材本身之间的界面也起到了非常关键的作用,这个里面核心的原因实际上就是因为微观结构对冲击实验的影响起到了非常大的影响,PET整个材料拥有更加弱的一个各项硬性的性能,所以相对于轻木而言,它受到损伤冲击的抵抗能力会更大一些。


  维赛公司于2017年开始了PET结构芯材的研发,并且在2019年实现了整个的产业化,目前拥有从80到250密度各个密度范围的一系列产品,各项参数也都达到了世界一流的水平。我们采用的是二氧化碳物理发泡工艺,没有VUC气体的产生,此外还继承了我们芯材PVC泡沫光荣的传统,我们PET的耐热型和尺寸稳定性表现也非常的优异,在150度下,经过一个小时的烘烤放置,我们整个PET的数据大幅度领先于其他友商的数据。


  目前维赛的PET已经获得了DLGL的认证,在连云港工厂我们拥有量条挤出线,第三条正在建设当中,目前的产能是十万立方米,主要的客户包括LM、VESTAS,中复连众等等都是国内外第一梯队的叶片和主机厂,我们的市场主要是在中国、巴西、印度、欧洲、澳大利亚等等。


  这一张表格我将国内目前三种主流的结构芯材产品进行了一个简单的对比。从密度上来讲,PVC的密度最低,轻木的密度最高,从设计的成熟度和使用的可靠性来讲,PVC和轻木应用的时间最久,使用的时间最长,数据比较全,可靠性比较高,PET作为一个在国内刚起步的芯材应用在叶片上的话,这两年应用范围也在逐渐的扩大当中。


  从性价比的角度而言,轻木劣势比较明显,因为木材还是比较贵的,但是维赛公司通过自己不断的提升技术,提升良品率,可以讲PVC和PET的性价比不断的进行提高,作为专业的芯材供应商,维赛公司可以根据国内主机厂和叶片厂不同的设计对芯材的要求,提供非常多样化的芯材选型方案,全力助力2030碳达峰,2060碳中和。


  谢谢大家。(内容来自现场速记,未经本人审核)