Analýza základní aplikační hodnoty sklolaminátové povrchové rohože při tvarování lopatek větrných turbín
Povrchová rohož ze skelných vláken, jako klíčový nosný materiál v oblasti kompozitních materiálů, hraje nezastupitelnou roli při zlepšování kvality povrchu kompozitních produktů, zvyšování pevnosti spoje mezi vrstvami a optimalizaci ochranného výkonu díky rovnoměrnému rozložení vláken, vynikající propustnosti vzduchu a dobrým smáčivým vlastnostem pryskyřice. Jeho materiály zahrnují různé typy, včetně skleněných vláken, polyesterových vláken a uhlíkových vláken, a jeho výrobní proces je stále vyspělejší. Jeho aplikace pronikly do mnoha rychle rostoucích-odvětví, jako je větrná energetika, automobilový průmysl, chemický průmysl a stavebnictví. Pokud jde o velikost trhu, povrchové rohože, jako hlavní pod-kategorie produktů rohoží, těží z rychlého rozvoje navazujícího průmyslu kompozitních materiálů, přičemž globální i čínský trh vykazuje stabilní růst a průmyslovým podnikům přináší široké možnosti rozvoje.
I. Základní aplikační scénáře
Kompozitní lisování lopatek větrných turbín Větrná energetika, poháněná globálními cíli „dual uhlíku“, vstupuje do období rychlého rozvoje. Jako základní součást generátorů větrných turbín potřebují lopatky větrných turbín konstrukční životnost 20-25 let nebo více a musí odolat dlouhodobému vystavení složitému prostředí, jako je silné zatížení větrem, ultrafialové záření a střídavé změny teploty a vlhkosti, což klade přísné požadavky na kvalitu lisování kompozitních materiálů. Povrchová plsť, jako klíčový vyztužující a ochranný materiál při lisování kompozitů lopatek větrných turbín, se široce používá v hlavních částech, jako jsou pláště lopatek, hroty a náběžné hrany. Jeho aplikační hodnota se odráží především v následujících třech aspektech:
(I) Zlepšení hladkosti povrchu a aerodynamického výkonu: Aerodynamický výkon lopatek větrných turbín přímo určuje účinnost výroby energie, což vyžaduje drsnost povrchu lopatek Ra menší nebo rovnou 15 μm. Povrchová plsť ze skleněných vláken se svými jemnými vlákny a rovnoměrným rozprostřením je položena jako nejvzdálenější vrstva v procesu vrstvení kompozitu čepele, účinně maskuje strukturu podkladového výztužného materiálu (jako je tkanina ze skleněných vláken) a vyplňuje mikropóry. Po impregnaci pryskyřicí a vytvrzení vytváří hladký, rovný povrch, snižuje odpor větru a zlepšuje aerodynamickou účinnost čepele. Hladký povrch zároveň snižuje poškození erozí dešťovou vodou a oděrem písku a prachu, čímž prodlužuje životnost.
(II) Zvýšení pevnosti vazby mezi vrstvami a strukturální stability: Lopatky větrných turbín musí během provozu odolávat opakovanému ohybu a torznímu zatížení a delaminace mezivrstvy je běžným způsobem poruchy. Povrchová plstěná vlákna jsou náhodně rozmístěna a tvoří „most“ mezi kompozitními vrstvami pro efektivní přenos napětí a zlepšení interlaminární pevnosti ve smyku a odolnosti proti nárazu. Dobrá smáčitelnost povrchové plsti pryskyřicí navíc zajišťuje rovnoměrnou distribuci pryskyřice, zabraňuje defektům, jako je nedostatek pryskyřice nebo bublinám, zlepšuje celkovou integritu a stabilitu struktury čepele a zajišťuje bezpečný provoz při-dlouhodobém zatížení.
(III) Optimalizace ochranného výkonu a trvanlivosti Lopatky větrných turbín jsou vystaveny venkovnímu prostředí po delší dobu, což vyžaduje odolnost vůči různým formám koroze, včetně UV stárnutí, koroze vlhkým teplem a eroze solnou mlhou (offshore větrná energie). Povrchová plsť v kombinaci se specializovanou pryskyřicí vytváří na povrchu čepele hustou ochrannou vrstvu, která snižuje degradační účinek UV záření na matricovou pryskyřici, minimalizuje pronikání vlhkosti a zlepšuje odolnost čepele proti stárnutí a korozi. U lopatek větrných turbín na moři může použití povrchové plsti ze skleněných vláken s vynikající odolností proti solné mlze účinně oddálit erozi lopatky mořským prostředím a zajistit její životnost v drsných podmínkách.
(IV) Klíčové aplikační procesy V procesu lisování lopatek větrných turbín se pokládání povrchové plsti obvykle kombinuje s procesy, jako je ruční pokládání-formování a vakuové vstřikování. Nejprve se na povrch formy čepele rovnoměrně nanese gelový povlak. Po vytvrzení gelového povlaku do polo-suchého stavu se položí povrchová rohož, která zajistí pevné spojení mezi povrchovou rohoží a gelovým povlakem bez vrásek a bublin. Poté jsou položeny výztužné materiály, jako je tkanina ze skleněných vláken a tkanina s jednosměrnou orientací. Proces vakuového vstřikování se pak používá k úplné impregnaci všech výztužných materiálů pryskyřicí. Nakonec je rohož vytvrzena teplem, vyjmuta z formy a oříznuta, aby se dokončil proces tvarování. Pokud jde o výběr materiálu, povrchové rohože pro lopatky větrných turbín primárně používají E-skleněné vlákno s průměry vláken obvykle v rozmezí 9–13 μm, délkami 6–25 mm a plošnou hmotností v rozmezí 30–120 g/㎡, což vyvažuje kvalitu lisování a strukturální pevnost.
II. Mainstreamové výrobní procesy
Podrobné vysvětlení procesu mokrého lisování Výrobní procesy pro povrchové rohože se dělí hlavně na mokré lisování, suché lisování a lisování za tepla. Mezi nimi se proces mokrého lisování stal hlavním výrobním procesem pro povrchové rohože používané v lopatkách větrných turbín a špičkových-výrobcích ze skelných vláken, a to díky svým výhodám, jako je hladký povrch výrobku, rovnoměrné rozložení vláken a dobrá impregnace pryskyřicí. Zejména velká většina povrchových rohoží ze skelných vláken se vyrábí procesem mokrého lisování. Níže jsou uvedeny podrobnosti o průběhu procesu, základních technologiích a klíčovém vybavení pro formování mokrým-procesem povrchových rohoží ze skleněných vláken.
Globálnímu trhu s povrchovými rohožemi ze skelných vláken, segmentovanému podle typu produktu, dominuje technologie mokrého{0}}procesu.
(I) Definice a výhody mokrého-procesu lisování Lisování za mokra-je výrobní metoda netkané textilie vyvinutá z technologie výroby papíru. Jako hlavní surovinu používá nasekaná skleněná vlákna. Vlákna se dispergují ve vodném roztoku, přidávají se speciální chemické přísady a proces zahrnuje tvarování, dehydrataci, klížení, sušení a vytvrzování, aby vznikl materiál podobný rohoži. Hlavní výhody tohoto procesu jsou: vlákna mohou být plně dispergována ve vodě, což vede k rovnoměrnému rozložení vláken a konzistentní tloušťce v povrchové rohoži; produkt má vynikající propustnost vzduchu, usnadňuje rychlé pronikání pryskyřice a účinně eliminuje defekty vzduchových bublin během lisování kompozitního materiálu; a dokáže vyrábět ultra-tenké povrchové rohože (gramáž < 50 g/m²), které splňují požadavky na tvarování povrchu různých produktů.
(II) Kompletní postupový diagram Kompletní postup pro mokré tvarování povrchové rohože ze skleněných vláken je následující: Řezání strniště ze skleněných vláken → Vážení a dávkování → Příprava kejdy (disperze, skladování kejdy) → Klížení → Dehydratace a tvarování → Klížení → Sušení a vytvrzování → Řezání → Navíjení → Balení. Základní funkce a klíčové provozní body každého kritického procesu jsou následující:
1. Řezání skleněných vláken Nepřetržitá vlákna ze skleněných vláken (hlavně E-sklo nebo C{2}}sklo) se vybírají a natírají pomocí podélných válcovacích fréz nebo příčných řezaček, přičemž délka vlákna se řídí v rozsahu 3-25 mm (6-13 mm), pro jednovláknové rohože s průměrem turbíny se běžně používá pro větrací rohože s jedním vláknem 3-16μm. Obsah vlhkosti ve strništi je třeba kontrolovat na 6 % až 10 %, aby se zabránilo ovlivnění následného disperzního efektu. Pro zlepšení dispergovatelnosti vlákna ve vodě se některá vlákna předem upraví ve vodě rozpustným smáčedlem. Strniště obsahující smáčedla lze skladovat déle než 6 měsíců; pokud jsou použita vodou tažená strniště (bez smáčedel), musí být použita do 72 hodin, jinak povrchová hydrolýza povede k přilnavosti a snížení pevnosti.
2. Proces rozvlákňování (hlavní proces) Hlavním cílem procesu rozvlákňování je rovnoměrné rozptýlení nasekaných skleněných vláken ve vodném roztoku za vzniku stabilní suspenze vláken. Tento proces vyžaduje přísnou kontrolu parametrů, jako je koncentrace buničiny, hodnota pH a množství chemických přísad.
3. Tvarování podle velikosti a odvodnění Připravená buničina se čerpá do ředící nádrže k dalšímu ředění na požadovanou koncentraci pro formování (0,01 %-1,0 %) a poté se přivádí do před-síťového boxu. Předsíťový box je vybaven stupňovitými difuzory a perforovanými deskami pro dosažení rovnoměrného bočního rozložení buničiny. Následně je buničina odvážena kontinuálně běžícím nakloněným tvarovacím pásem, kde prochází gravitačním odvodněním a vakuovým odvodněním ve dvou nucených odvodňovacích nádržích za vzniku mokré plsti. Během odvodňování je rychlost odvodňování řízena seřizováním děrovaných desek v odvodňovacích nádržích tak, aby byla zajištěna příčná rovnoměrnost mokré plsti; šířka odvodnění je řízena nastavením přepážek v odvodňovacích nádržích tak, aby odpovídala následným výrobním požadavkům.
4. Proces klížení Po odvodnění je mokrá plst poslána do impregnačního stroje ke klížení. Hlavním účelem klížení je spojit rozptýlená vlákna dohromady pomocí lepidla, čímž se zlepší mechanická pevnost povrchové plsti a její vazebné vlastnosti s pryskyřicí. Mezi běžně používaná lepidla patří močovinoformaldehydová pryskyřice, polyvinylacetátová emulze a akrylová pryskyřice, přičemž příslušný typ je vybrán na základě scénáře aplikace povrchové plsti. Například povrchová plsť pro lopatky větrných turbín často používá směs emulze akrylové pryskyřice a spojovacího činidla (jako je KH560) pro zlepšení kompatibility a pevnosti mezifázového spojení s epoxidovou pryskyřicí. Metoda dimenzování používá přetečení velikosti; lepidlo je čerpáno přes membránové čerpadlo do přepadového aplikátoru nad klížecím pásem, přičemž mokrou plsť rovnoměrně smáčí. Přebytečné lepidlo je regenerováno přes sací box, separováno v separační nádrži a recyklováno. Obsah lepidla v konečném produktu je řízen pod 30 %.
5. Sušení, vytvrzování a následná-úprava Klížecí mokrá plsť je poté odeslána do sušící pece, kde se používá konvekční sušení pronikáním horkého vzduchu. Sušicí pec je rozdělena na předehřívací zónu a několik sušících a vytvrzovacích zón, každá s nezávisle regulovatelnou teplotou. Teplota sušení a proudění vzduchu jsou automaticky nastaveny počítačem, aby bylo zajištěno úplné vytvrzení lepidla a zároveň zabráněno oxidaci a degradaci vláken. Po zaschnutí se povrchová plsť nařeže na potřebnou šířku řezacím strojem, poté se navíječkou navine do rolí a nakonec se zabalí, zkontroluje a uskladní.
(III) Klíčové vybavení a kontrola kvality Klíčové vybavení pro proces formování za mokra zahrnuje: stroj se sekaným pramenem, disperzní nádrž, suspenzní mísící nádrž, před-box drátěného pletiva, šikmou formovací linku drátěného pletiva, impregnační stroj, sušicí pec, řezací stroj a navíjecí stroj. Mezi nimi rychlost pásu nakloněné linky na formování drátěného pletiva, stejnoměrnost velikosti v pre-krabičce drátěného pletiva a přesnost regulace teploty sušicí pece přímo ovlivňují kvalitu produktu. Mezi klíčové body kontroly kvality patří: zajištění disperzního účinku prostřednictvím hodnocení stupně disperze vlákna (rozděleného do 5 stupňů, přičemž optimální stupeň je úplné rozptýlení vlákna do jednotlivých pramenů); monitorování tloušťky a rovnoměrnosti hmotnosti produktu v reálném čase pomocí tloušťkoměrů a měřičů plošné hmotnosti; ověření mechanických vlastností produktu pomocí zkoušek pevnosti v tahu; a zajištění, že požadavky na smáčení pryskyřice jsou splněny prostřednictvím testování propustnosti vzduchu.
