新一代风刀片

风能行业不断寻求降低水平化能源成本 (LCOE) 的方法。一种方法是增加风力发电机获得的能量。该能量取决于风转子叶片的扫地区域，因此从根本上取决于叶片的长度。另一方面，随着刀片长度的增加，其重量、安装成本和尖端偏移也随之增加，从而限制了进度。平衡这些抵消趋势的关键是降低重量并增加刚度。翼梁盖是刀片的主要承载结构，在这一平衡中起着关键作用。图 2 是构成风叶片的关键元件的图形表示。刚度与重量比的优化通过在翼梁帽中使用碳纤维来完成。与玻璃纤维相比，高模量和低密度的碳纤维提供了独特的刚度与重量比。鉴于成本/性能优势，碳纤维正被更多地用于新一代风力叶片。 

风叶片的增效剂已从注入环氧树脂的玻璃纤维喷射管向碳纤维环氧树脂预浸涂盖过渡。该演变如图 2 所示。碳纤维预浸料与早期应用的玻璃纤维注入喷管竞争。Wetzel Engineering Inc. 的研究负责人报告，复合级的碳预浸剂硬度与重量比是注入 E-玻璃纤维的 4X。在 57 米长的风叶片中评估表明重量降低了 27%^[1]。然而，风力发电行业的最新重点是应用碳纤维灌浆层压材料，将其作为新一代风叶片中喷砂盖的成分，代替预浸料。

挤磨比预浸料有明显的优势，如较高的纤维含量和更好的纤维对齐，从而获得卓越的机械性能。挤磨是一种连续自动化流程，可使零件质量更加一致，生产率更高，生产量更高。挤拉成型件可在卷绕机装置的帮助下，以任何长度制作，并在挤拉成型件的末端缠绕，直至最终用户所需的长度。挤拉成型碳曲线完全固化，在到达叶片制造工厂时即可使用！盘卷可展开，部件剪切成所需的长度，沿着与其他结构材料相邻的刀片的长度精确地夹住。单个注入步骤将碳分布与所有其他叶片结构元件结合在一起。图 4 是挤拉成型制造翼梁帽所需的上述步骤的图形表示。

工艺简化是比预孕期更高的一个优势，在供应和储存过程中必须冷藏保存；在真空固化过程中经历昂贵和耗时的步骤，需要专门的模具。使用 DowAksa 内部估算的灌浆时，消除真空固化-制造步骤会导致 25% 的资本成本降低。

如上一节所述，挤拉成型是生产恒定横截面的高纤维含量复合材料的连续过程，图 4 中展示了经典的线形布局。该过程依赖于拉动器/钳制系统，将数百 吨高强度纤维从支线中拉出，朝向浸渍槽，其中热固性树脂渗透到细丝束中。湿纤维由专门设计的进入板挤压，然后引入加热的钢模具中，树脂从模具壁上固化和凝固。剖面的横截面由模具几何形状定义。离开模具的材料被拉动系统夹住，该系统持续拉出。在最后阶段，切割锯台将轮廓切割成所需的长度。 

环氧树脂或乙烯基酯树脂可以使用传统的开槽槽槽镀液挤塑技术进行加工，而聚氨酯则需要闭孔注射挤塑。这是因为多元醇和异氰酸酯即使在环境温度下也混合在一起后立即开始反应。标准聚氨酯混合和注射机必须连接到专门改良的挤拉成型注射盒。合适的注射盒设计需要大量的技术，以允许在短时间内（注射盒中的停留时间）正确渗透含有数千条细丝的聚合物槽数百只。图 6 是比较常规的“开放槽镀液”挤拉成型件和加工聚氨酯所需的紧密注射系统的一般图形表示。 

密封注射的关键性能要求是活性混合物的初始粘度低，在环境温度下无实质性聚合作用。相反，它需要在挤拉成型模具中快速聚合，以实现高度固化。在行业中，这个概念被称为“快棒固化”或“冰棒”反应曲线。虽然聚氨酯玻璃纤维密封注射在过去 10 年中已得到实践，但碳纤维聚氨酯挤拉成型却增加了碳纤维丝直径较低的复杂性。玻璃纤维丝直径约为 20-25 微米，而碳纤维直径约为 5 至 7 微米。这使得含有 24K 或 50K 纤维的碳纤维难以浸透，因为中心间孔隙率较低(Darcy’s 定律),而聚氨酯碳挤塑性扩散有限。陶氏新开发的低粘度聚氨酯系统 VORAFORCE™ TP1270EU /1300 的设计考虑了这些关键要求。事实上，多元醇的适当混合和低粘度异氰酸酯的使用实现了所需的低初始粘度。通过对多种催化剂和脱模剂及其相互作用进行系统研究，陶氏科学家能够优化聚氨酯系统的反应性特性，实现碳纤维挤塑。

但是，这种发展不仅仅仅关乎树脂设计。在陶氏的大力支持下,DowAksa 专注于创建破坏性封闭注射系统。注射盒 (I-Box) 是注射系统的基本组成部分，其设计要求大量专门技能是新工艺的关键要素之一。在陶氏开发的树脂系统上确定流变学和动力学参数，并为陶氏的计算建模师所用，以模拟不同注射盒设计上的流体动力学和挤塑模具上的固化动力学。计算流体动态模型 (CFD) 和有限元分析 (FEA) 与工艺数据进行了校准，并用于预测不同条件下的速度和固化程度^[2]图 7 重新创建陶氏和陶氏 Aksa 工程师和科学家在预测模型和工艺数据上的合作，以设计最佳硬件，从而使用闭式注射盒系统满足碳纤维的严格浸渍要求。

Dow 和 DowAksa 所克服的重大挑战可在以下实际示例中说明。在用于含有约70%体积的碳纤维的翼梁帽的挤拉成型层压板中，存在超过1,000万条单碳长丝。这些细丝被连续拉动，使注射盒与聚氨酯树脂相遇，在注射盒中停留时间通常不到一分钟。浸渍必须完美；对于线圈的整个长度，没有可接受的干燥点，因为它们可以作为裂缝引发剂。线圈的长度可能为 280-300 米，当前吞吐量需求为每周数千公里。图 8 显示从分形条上松开的数百个碳线圈，以及朝向注射箱的碳丝。图 9 显示扫描电子显微镜 (SEM) 图片，这些图片在确认了纤维的出色润湿性。在线非破坏性分析 (NDT) 持续扫描生产，进行干斑检测，确认迄今为止对数百万米生产始终如一地提供了出色的浸渍效果。这就给陶氏阿克萨和陶氏带来了巨大的技术挑战，通过新技术解决。

密封注射 VORAFORCE™ TP1270EU /1300 聚氨酯结合碳纤维，可提供最佳机械性能和生产率平衡。在受控条件下，陶氏和陶氏阿克萨公司为基准目的在商业规模的灌浆生产线上进行了试验。VORAFORCE™ TP1270EU /1300 聚氨酯与同类最佳的环氧树脂和乙烯基酯挤塑品进行了比较。碳纤维含量固定为 62% 纤维体积分数，适合所有运行。环氧树脂和乙烯基酯以1X速度在传统的开放槽镀液配置下运行，而VORAFORCE™ TP1270/1300以对照物速度的3X以上在封闭注射配置下运行。图 10 以蜘蛛图总结结果。机械特性^[3]标准化为 VORAFORCE™ TP1270/1300 的结果，与纤维方向交叉测试的特性用 90 度符号表示，而沿纤维方向测试的特性则标记为 0 度。

环氧树脂的特性降至 VORAFORCE™ 1270/1300 的 80% 左右，但后来在挤浆生产线上以 3X的速度运行。与商业级乙烯基酯对照物相比，VORAFORCE™ TP1270EU/1300 清楚地显示出了出色的机械性能，特别是在树脂具有较大影响的交叉方向。此外，聚氨酯不含苯乙烯，营造更健康的工作环境。密闭注射挤塑可限制挥发性有机化合物排放，并有助于工业卫生领域的清洁过程。

随后的现场试验证实，VORAFORCE TP1270EU/1300 与建模预测^[2] 良好一致，在高挤拉速度下达到 90% 的固化程度^[2]，表明 VORAFORCE TP1270/1300 的固化动力学不会是保持生产率增加的限制因素，从而释放了 Epoxies 的历史速度限制因素。这将 DowAksa 和 Dow 技术定位为极具竞争力的解决方案，以满足风能行业对 Spar cap 日益增长的需求。

由于陶氏和陶氏阿克萨协作突破，我们诞生了新技术，以帮助推进新一代风叶片设计。与用于风叶片刮水盖应用的现用技术和产品相比，该产品可提供最佳的机械性能/生产率比，并简化了加工过程。

这一新技术需要工艺链的发展，从化学到硬件，以实现稳定加工和高质量产品。DowAksa 挤拉成型体通过了关键的全球风力机制造商 Vestas Wind Power AS 的严格产品要求，并于 2019 年获得其全部资质，成为全球首个由 Pultrusion 生产的用于风叶片喷口盖应用的基于聚氨酯的商用复合材料。迄今为止，数百万米的挤拉成型材已成功交付至 Vestas,达到最高质量水平，证明了新开发技术的稳健性。该项目通过提供由先进加工技术制成的可靠创新产品，满足日益增长的风力发电装置需求，从而提高涡轮机效率。这种新近挖掘的材料体现了科学的力量及其在帮助建设更美好未来的无限潜力。