(3)纳米粒子的协和效应

 

    研究发现，环氧树脂与一些特定的纳米有机粒子相混合后，会产生协和效应——显著提高材料的韧性。[14]某些纳米粒子与特定固化剂混合后，显著提高材料的韧性，但不降低热性能，对初始粘度的冲击也不大。[15]一般双酚A环氧树脂固化后较脆，温度敏感性较高，力学和热学性能较低。纳米碳管具有独特的物理性能：密度很小(钢的1/6)、高强度(拉伸强度50～200GPa[钢的100倍])、高模量(600 GPa)和优异的柔软性，是前者的理想增强材料。这并不是有机相与无机相的简单加和，而是纳米碳管和环氧树脂在纳米范围内结合形成，界面间存在较强或较弱的化学键，实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性能于一体的崭新复合。纳米碳管是强催化剂，可降低树脂的反应温度。当材料受力、破坏时，其优异的柔软性可吸收能量，提高树脂的强度。[27]Araldite EP1000AB新型纳米增韧环氧胶粘剂(Huntsman公司)，含特种分散型有机纳米粒子(亚微级)，可抑制微裂纹扩大，同时使连续固化的环氧基体耐高温。选用特种固化剂，不用热压罐，低于100℃固化;室温储存期>6个月。力学性能优异，使用简便，可用于粘结、修补叶片等。[16]

 

    2.5新颖的FRP成型工艺

 

    2.5.1微波固化工艺

 

    微波固化具有独特的“场效应”和快速“体加热”特性，因而粘结剂固化速度快且均匀、粘结质量高，在快速修复飞机等航空装备中具有巨大潜力。[28]FRP叶片、叶片模具的厚度和面积都较大，因此，物料固化过程中热量散布困难且不均匀，传统的固化工艺(电加热原理)无法快速而均匀地把热量传递到物料内部。德国ITC(弗劳恩霍夫化学研究所)利用树脂可吸收微波的原理，研究成用于碳纤维复合材料的微波固化工艺。研究说明，微波加热的复合材料物料的粘度较低，使其室温下变硬速度较慢，纤维更易融入树脂基体里，工艺修正时间很宽裕。该工艺的效率高、制品质优，废品、污染物极少，但对固化物件的安放位置要求精准、严格。[17]

 

    2.5.2快步工艺(quickstep)[18]

 

    快步工艺(西澳大利亚尼尔-格拉哈姆发明)，利用流体(如：水)的热传导，通过流体震动，工作压力1～4磅/英尺2，高压炉的工作压力60～200磅/英尺2，属独特的充液、平衡压力、流动塑造工艺。加工时间约1h，可加工层压板、蜂窝式和泡沫芯夹层结构等制品。制品里的纤维含量很高(>70%)，孔隙含量极少，质量和性能优异。

 

 

    3.1 正运行叶片破损自修复环氧树脂体系

 

    3.1.1 概述

 

    由于风力机的安装高度很高，人手根本够不着，而且叶片正处于运转状态，若叶片出现破损[注]，根本不可能进行修复([注]：风力机叶片在野外长年累月运转，不仅承受着强大的风载荷，还经受着大气冲刷、砂石粒子冲击、强烈的紫外线照射等恶劣环境侵蚀，从而老化、折断、分离以致破坏。[19])。其唯一根本的解决方案就是：叶片(具体地说叶片壳体表层)材料自身具有自修复功能机制。这里所指的“破损”只限于肉眼不能明显察觉的裂纹、微孔、表皮瑕疵。该瑕疵虽然微小，若不及时修复，在恶劣环境腐蚀、紫外线照射下，势必扩大、蔓延以致破坏整个叶片，酿成风力发电严重事故。

 

    3.1.2 自修复环氧树脂体系

 

    英国Bristol大学宇航工程系与Hexcel Composites公司，共同研制成叶片自修复技术(模拟修复技术)[注]。叶片材料是CF/环氧树脂。叶片壳体表层里面镶嵌着许多粗空心玻纤，空心玻纤里盛着环氧树脂体系(环氧树脂、潜伏性固化剂和抗紫外线剂等)。当叶片壳体表面出现肉眼不能明显察觉的裂纹、微孔、表皮瑕疵时，空心玻纤里盛的环氧体系立即溢出，弥封住裂纹(或微孔)，进而蔓延、覆盖着破损区域。此刻，环氧树脂与潜伏性固化剂和抗紫外线剂互相掺混，产生固化反应而固化。从而使叶片的结构整体性得以恢复，达到叶片原始强度的80～90%([注]：此外，该技术主要用于修复飞机、宇宙飞船、汽车等)。预计，该技术将在宇宙飞船上会很快推广应用，未来5年内将商业化。另外，美国伊利诺伊大学已进行了类似的研制项目，但选材不同：树脂是双环戊二烯，潜伏性固化剂含稀有金属钌。[20]

 

    瑞士GURIT公司和Composites One公司共同研制成一种修复材料—修复正运行的风力机叶片的一般性破损，其性能优异已获得德国劳埃德(GL)、Det Norske Veritas(DNV)、OEM的审批。预计很快会在美国风电叶片业推广应用。[21]

 

    3.2 修复召回有瑕疵叶片的实例

 

    印度Suzlon Energy Ltd公司是印度最大的风力机制造公司。它在美国生产的一些S88牌功率为2.1MW、三叶式风力机叶片，被发现存在裂纹、瑕疵的严重事故，于是决定“召回”——必须立即解决叶片的结构强度问题。估计此召回需耗资2 500万美元，修复时间超过6个月。共计召回1 251片(417套[注])：其中930片(310套)已经安装在风力机上;其余(321片[107套])则正在运输中或仓库里([注]：三叶式风力机是三片(一套)叶片安装一台风力机)。[22]

 

    4 叶片模具用环氧树脂体系

 

    4.1 叶片模具用环氧粘结剂、预浸料

 

    环氧树脂满足高温模具和灌注成型工艺要求，最适合用于加工叶片的模具，例如：①美国Dow Epoxy System公司生产的AIRSTONE system环氧树脂、粘结剂等[1]；②有的叶片模具的上、下模是灌注成型玻纤(或碳纤维)织物/环氧树脂——瑞士Solent复合材料公司(SCS)(现称：Gurit公司)。环氧树脂还可用作叶片模具的表面胶衣——Sika公司。[15]

 

    Amber复合材料公司于2008年9月选用经特殊设计纳米改性低温固化环氧树脂体系，推出HX90N牌模具[注]用预浸料([注]：铝、环氧树脂等不同材料的模具)，可提高模具表面的平整度、光洁度和无点蚀，从而缩短模具达到A级表面精度的时间，延长模具的有效使用期。它具有极好的流挂(下垂)性，使用方便，易于成型复杂形状制品。[23]

 

    4.2 叶片模具用环氧胶粘剂

 

    BC5009新型低粘度环氧胶粘剂/积层树脂(BBC公司)，用于模具、零件的粘结。材料里含着色剂[注]，无填料，高性能、易操作，适用期30min([注]：起着胶粘剂厚度[颜色]指示作用)。[24]

 

 

    利用环氧树脂复合材料的优异性能，研制成1.5MW大型风力机的机舱罩、整流罩，并实现了产业化批量生产。[25]风力机3D夹层结构复合材料机舱罩，采用三维(3D)夹层结构复合材料、Ω型(或T型)加强筋，该罩的重量比实心结构复合材料机舱罩轻40%～50%，强度很富裕，轴向压力稳定性很好，有效使用期30a。[26]

 

 

    6.1 概述

 

    热固性树脂(如：环氧树脂等)固有的重要本性是：固化后成为不溶不熔、网状、体形结构，坚硬且受热不再变软，不可回收，成为一个严重污染源——当今世界亟待攻克的环保课题之一。纤维增强热固性树脂(FRP俗称玻璃钢)里含有大量(约30%)热固性树脂，因而具有上述污染性能。从环保、长远观点看，热固性树脂、FRP的发展前景黯淡，纯属“夕阳材料”；惟有热塑性树脂、FRTP才是发展方向!

 

    当今风电业突飞猛进，眼下世界风电量是1980年的10倍；同时，风电叶轮直径超过60m，增长了8倍。风力机叶片的材料消耗量很大，例如：按风力机装机容量计算，每KW的叶片材料重量为10kg；按风力机输出功率计算，每MW的叶片材料重量为10t(原文的数据：每7.5MW的叶片材料重量为75t)。Albers预计：2034年世界回收叶片材料约22.5万t/a。另一专家预测：2040年世界回收纤维增强复合材料约38万t/a。[6]