多層結構在風力發電裝置中的應用的製作方法

2023-12-11 05:16:47

多層結構在風力發電裝置中的應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及多層結構在風力發電裝置的轉子葉片的製造中的應用，以及用於風力發電裝置的轉子葉片。
【專利說明】多層結構在風力發電裝置中的應用
[0001]本發明涉及多層結構(Schichtaufbauten)在風力發電裝置用轉子葉片(Rotorblatter)的製造中的應用以及風力發電裝置的轉子葉片。
[0002]風能正變得日益重要，因此，風力發電裝置、特別是轉子葉片及其製造得到了廣泛的研究和進一步的發展。其中，主要關注所製造的轉子葉片的質量和成本有利的製造。迄今已知的風力發電裝置用轉子葉片是由基於樹脂作為基質材料例如聚酯樹脂(UP)、乙烯基酯樹脂(VE)、環氧樹脂(EP)的纖維增強的塑料構成。葉片主要如此來製造，即分別以單塊製造葉片的下半片和上半片。隨後把這兩個半片上下疊置並粘合。為了進行強化，將斜撐或弦杆一起粘合。
[0003]在製造半片葉片時首先製造必須完全固化的纖維複合材料。這種固化過程特別耗時，且不利於快速的整體製造。由上述樹脂製造的風力發電裝置的轉子葉片通常是通過手工層壓法，通過預浸料技術輔助的手工層壓法，通過纏繞法或真空輔助灌注法製成。在手工層壓法中，先通過將脫模劑和/或任選的膠衣施加到模具表面，來準備模具。隨後，依次把單向或二軸向取向的玻璃網格布放入模具內。然後把樹脂施加到網格布上並且通過輥手動壓入網格布中。該步驟可以適宜地經常重複。另外還可以加入作為加固材料的弦杆以及其他部件例如避雷裝置。在第一層玻璃纖維強化層上施加通常由西印度輕木、聚氯乙烯(PVC)泡沫或聚氨酯(PUR)泡沫構成的所謂的間隔層，和施加與第一層類似的第二層玻璃纖維強化層。儘管這種方法具有以下優點，即機器投資小和錯誤識別和修正可能性簡單，然而，製造的人工成本過於高昂，因此，該方法的成本極高，並且長的製造時間還會帶來更多的錯誤和為確保品質更大的投入。
[0004]通過預浸料技術輔助的手工層壓法與簡單的手工層壓法類似。但是，在這裡所謂的預浸料(用樹脂浸潰而預先製備的玻璃纖維墊(Glasmatte))是在模具之外製造，然後定位在轉子葉片模具內。儘管相對於簡單手工層壓而進行的用於製造預浸料的半自動化會給轉子製造帶來改善的品質穩定性，然而，保護作業人員不受到液態的樹脂混合物所含的易揮發的化合物的危害需要不可忽視的開支(工作場所安全性等)。
[0005]在樹脂主射法(也叫作「樹脂傳遞模塑」(RTM))或「真空輔助樹脂傳遞模塑」(VARTM)或』SCRMP」(Seemann複合樹脂浸潰模塑工藝)中，通過施加脫模劑和可能的膠衣來準備模具。接著，按照精確的製造計劃將乾燥的纖維墊置在模具中。該第一插入層之後成為轉子葉片的向外置放的層。隨後放間隔材料，再在其上放置纖維墊，其進而形成製成的半個轉子/半個轉子葉片的內層。對於製造大的成型件如轉子葉片而言，優選使用真空輔助灌注法進行加工。使用真空密封的薄膜把整個模具密封地包覆起來。在於不同的位置把樹脂注射到模具內(薄膜與模具之間的空間)之前，從如此準備的模具中抽出纖維墊和間隔材料中的空氣。這種方法-像之前所述的兩種方法一樣-也有缺點，即直到構件脫模所必需的固化時間極長，為多達12小時，因此大大限制了設備的生產率。
[0006]因此，本發明的目的是，提供轉子葉片，其既不存在上述不足，同時也能成本有利地在更短的時間內並以更好的機械性能，例如更高的強度製成。
[0007]令人驚訝地，該目的可由此實現，即以聚氨酯替代上述樹脂作為塑料來製造轉子葉片，所述聚氨酯可通過多異氰酸酯與用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的反應獲得。根據本發明，尤其是在轉子葉片的外殼中使用聚氨酯作為塑料；外殼中所用的纖維層被加入這種塑料。
[0008]本發明的主題是風力發電裝置的轉子葉片，其具有至少部分地由具有下列層的多層結構構成的外殼:
[0009]a)脫模劑層
[0010]b)任選的膠衣層
[0011 ] c)經塑料處理的纖維層
[0012]d)任選的間隔層
[0013]e)配有塑料的纖維層
[0014]f)任選的塑料膜
[0015]並且其特徵在於，使用聚氨酯作為塑料，所述聚氨酯可通過下述組分的反應混合物的反應獲得:
[0016]A) 一種或多種多異氰酸酯
[0017]B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品
[0018]C)任選的添加劑和/或添加物
[0019]D)任選的填料。
[0020]本發明的另一主題是製造按照本發明的風力發電裝置的轉子葉片的方法，所述葉片具有至少部分地由具有下列層的多層結構構成的外殼:
[0021]a)脫模劑層
[0022]b)任選的膠衣層
[0023]c)經塑料處理的纖維層
[0024]d)任選的間隔層
[0025]e)配有塑料的纖維層
[0026]f)任選的塑料膜
[0027]其特徵在於，用把聚氨酯製造成塑料的反應混合物處理所述纖維層，其中所述反應混合物可得自下述組分:
[0028]A) 一種或多種多異氰酸酯
[0029]B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品
[0030]C)任選的添加劑和/或添加物
[0031]D)任選的填料。
[0032]本發明的另一主題是多層結構在風力發電裝置的轉子葉片的製造中的應用，其中，所述層結構具有下列層:
[0033]a)脫模劑層
[0034]b)任選的膠衣層
[0035]c)經塑料處理的纖維層
[0036]d)任選的間隔層
[0037]e)配有塑料的纖維層
[0038]f)任選的塑料膜[0039]且其特徵在於，使用聚氨酯作為塑料，所述聚氨酯可通過下述組分的反應混合物的反應獲得:
[0040]A) 一種或多種多異氰酸酯
[0041]B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品
[0042]C)任選的添加劑和/或添加物
[0043]D)任選的填料。
[0044]對於脫模劑層，優選使用含矽或含蠟的脫模劑。這些脫模劑由文獻中已知。任選也可以使用隔離膜作為脫模劑層。
[0045]膠衣層優選是由聚氨酯樹脂，環氧樹脂，不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂構成。
[0046]作為纖維層，可優選使用無規玻璃纖維層，玻璃纖維織物和玻璃纖維網格布，裁斷或碾碎的玻璃纖維或礦物纖維以及基於聚合物纖維，礦物纖維，碳纖維、玄武巖纖維，鋼纖維，玻璃纖維或芳綸纖維及其混合物的纖維墊，纖維非織造物與纖維針織物，特別優選使用玻璃纖維墊和玻璃纖維非織造物。在配有聚氨酯的纖維層中，纖維含量優選為40-90重量％，優選50-80重量％，且尤其優選60-75重量％。在玻璃纖維增強的部件中，纖維含量可以通過，例如，灰化來確定。作為隔離層優選使用塑料泡沫，例如PVC-泡沫、PET-泡沫或聚甲基丙烯醯亞胺-泡沫，木材，例如西印度輕木或金屬。
[0047]任選使用的塑料膜f)可以在轉子葉片的製造中保留下來作為外殼中的層，或者其可在半個轉子葉片脫模時除去。該塑料膜尤其用於在填充液態的樹脂混合物前在真空抽吸的製造工序中密封模具半殼，其中所述模具半殼已經配備有上述層。在配備有塑料的纖維層e)與塑料膜f)之間任選還可以使用助劑，例如，可剝離膜(「Peelfolien」)或流動助劑，例如，流動織物(FlieP gewebe)或縱切膜。需要時可以額外地使用它們，以實現纖維層e)的均勻浸潰。優選地，在製造多層結構之後再將它們除去，以減輕轉子葉片成品中的重量。
[0048]使用聚氨酯作為塑料。聚氨酯可通過多異氰酸酯A)與具有至少兩個異氰酸酯反應性氫原子的化合物B的反應獲得。令人驚訝的是，通過使用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇(丙氧基化的甘油)作為組分B可以獲得在製造過程中表現出特別緩慢的黏度提高的聚氨酯，但是其可以快速固化，並且與在至今所使用的塑料用途中相比，其在製成的玻璃纖維增強的聚氨酯中表現出明顯更好的機械性能。
[0049]根據本發明使用的反應混合物備註射到預先準備的已抽真空的多層結構中。
[0050]所述多元醇配製品優選包含這樣的聚氧化丙烯多元醇作為用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇，其具有250—1000毫克KOH /克的OH值，優選為300-800毫克KOH /克和特別優選為350-500毫克KOH /克。多元醇的黏度優選為800mPas (在25°C時)，優選500mPas (在25°C時)。在使用多種引發劑用於製造聚氧化丙烯多元醇時，甘油在引發劑混合物中的重量份額優選為50-100重量％，優選80-100重量％。特別優選的是純甘油引發的聚氧化丙烯多元醇。
[0051]其它常用引發劑，例如，1，1，1-三羥甲基丙烷，三乙醇胺，山梨醇，季戊四醇，乙二醇，丙二醇只能與甘油組合使用。
[0052]使用常用的脂肪族、脂環族和特別是芳香族的二異氰酸酯和/或多異氰酸酯作為多異氰酸酯組分。這樣的合適的多異氰酸酯的實例是1，4_亞丁基二異氰酸酯、1，5_戊烷二異氰酸酯、1，6-六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(Iroi)、2，2，4-和/或2，4，4-三甲基六亞甲基二異氰酸酯、雙(4，4 異氰酸根合環己基)甲烷或其與其他異構體的混合物、1，4-亞環己基二異氰酸酯、1，4-苯二異氰酸酯、2，4-和/或2，6-甲苯二異氰酸酯(TDD)、1，5-萘二異氰酸酯、2，2 『-和/或2，4『-和/或4，4 二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和/或其高級同系物(pMDI)、l，3和/或1，4_雙-(2-異氰酸根合丙-2-基)-苯(TMXDI)、1，3-雙(異氰酸根合甲基)苯(XDI)。優選用二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和特別是由二苯基甲烷二異氰酸酯與多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PMDI)組成的混合物作為異氰酸酯。所述由二苯基甲烷二異氰酸酯與多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PMDI)組成的混合物優選具有50至100重量％，優選60至95重量％，尤其優選70至90重量％的單體含量。所用的多異氰酸酯的NCO含量應優選超過25重量％，優選超過30重量％，尤其優選超過31.4重量％。使用的MDI優選應具有總共至少3重量％，優選為至少20重量％的2，2』- 二苯基甲烷二異氰酸酯與2，4』_ 二苯基甲烷二異氰酸酯的含量。該異氰酸酯的粘度應優選為(250mPas (在 25°C )，優選≤IOOmPas (在 25°C )，和尤其優選為≤30mPas (在 25°C )。
[0053]優選除了已知的反應性組分與添加劑和添加物外，所述聚氨酯反應混合物優選還包含填料如碳納米管、硫酸鋇、二氧化鈦、短玻璃纖維或者天然纖維狀或薄片狀礦物例如矽灰石或白雲母。優選將穩定劑、消泡劑、催化劑與潛催化劑用作添加劑和添加物。還可根據需要使用其他已知的添加劑和添加物。
[0054]合適的聚氨酯體系尤其指那些透明的聚氨酯體系。因為在製造較大的成型件時，低粘度對於模具的均勻填充和纖維的潤溼而言是必需的，所以尤其合適的是下述的聚氨酯體系:其具有粘度< 5000mPas (在35°C ;組份混合後60分鐘)，優選< 4000mPas，尤其優選3500mPas，並且其在反應混合物的組分混合後立即具有30_500mPas (在35°C )，優選40-150mPas (在35°C )和特別優選50-100mPas (在35°C )的粘度。優選這樣來選擇異氰酸酯組份和多元醇配製品之間的反應比例，使得在反應混合物中，異氰酸酯基團的數量與對異氰酸酯呈反應性的基團的數量的比為0.9至1.5，優選1.0至1.2，尤其優選1.02至
1.15。
[0055]在按照DIN EN IS0527的拉伸試驗中，所獲得的聚氨酯優選具有大於70Mpa，優選超過SOMpa的強度，以承受轉子葉片內高的機械負荷。
[0056]在一個優選實施方案中，由異氰酸酯組份與多元醇組分組成的反應混合物在20至80°C、尤其優選在25至40°C的溫度下被注射。
[0057]當充填反應混合物後，可通過加熱模具來加速聚氨酯的固化。在一種優選實施方案中，被注射的由異氰酸酯組份與具有至少兩個對異氰酸酯呈反應性的氫原子的化合物組成的反應混合物在40至160°C、優選在60至120°C、尤其優選在70至90°C的溫度下固化。
[0058]藉助以下實施例意在進一步說明本發明。
實施例
[0059]為了確定基質性能，用不同的聚氨酯體系製造成型件(板材)並與標準環氧樹脂-體系進行比較。在Imbar的壓力下使多元醇脫氣60分鐘，之後加入Desmodur ?VP.PU60RE11並且在Imbar的壓力下脫氣約5分鐘，之後澆注在板材模具內。板材的厚度為4毫米。該板材在室內溫度下澆注並且在加熱到80°C的乾燥箱內退火過夜。得到透明的板材。與此類似，使Larit RM135的環氧樹脂體系和固化劑Larit RMH137脫氣，澆注成板材並退火過夜。由表中可知量的數據和性能。
[0060]由所述板材製造用於按照DIN EN IS0527進行拉伸試驗的試驗件，並測定彈性模
量和強度。
[0061 ] 聚氨酯板材1-4在2個小時之後已經可以沒有變形地脫模，在比較實施例5中，這在明顯更長的時間，大約12小時之後才可行。
[0062]用實施例1和實施例2的組成，通過真空灌注法可以製造具有玻璃纖維含量超過60重量％的，透明的玻璃纖維增強聚氨酯材料。
[0063]用玻璃纖維粗紗(^/^11€^\@]￡02400?207)裝填直徑為6毫米的特氟龍管用於通過真空灌注法製造纖維增強成型件，以至於基於之後的部件計，玻璃纖維含量達到約65重量％。聚四氟乙烯管的一側浸入反應混合物中和該管的另一側用油泵施加真空，從而使反應混合物被吸入管內。在該管被裝填後，使其在70°C下退火10小時。分別去除特氟龍管，並得到透明的用纖維增強的成型件。
[0064]在將各種組分混合60分鐘之後，在35°C恆溫條件下用旋轉式粘度計在601 / s的剪切速率下測定粘度。在製造較大的成型件時，在製造較大的成型件時為了均勻填充模具需要一定時長的低粘度。
[0065]起始化合物: [0066]多元醇1:甘油引發的聚氧化丙烯多元醇，其中，官能度為3，且OH值為450毫克KOH/克和粘度為420mPas (在25°C下)。
[0067]多元醇2:甘油引發的聚氧化丙烯多元醇，其中，官能度為3，且OH值為400毫克KOH /克和粘度為370mPas (在25°C下)。
[0068]多元醇3:三羥甲基丙烷(TMP)引發的聚氧化丙烯多元醇，其中，官能度為3，且OH值為380毫克KOH /克和粘度為650mPas (在25°C下)。
[0069]多元醇4:甘油和山梨醇(重量比30:70)引發的聚氧化丙烯多元醇，其中，OH值為430毫克KOH /克和粘度為大約9000mPas (在25°C下)。
[0070]Desmodur ? VPPU60RE11是二苯基甲烷-4,4' - 二異氰酸酯(MDl)與異構體和更高官能的同系物的混合物，具有NCO-含量為32.6重量％ ;在20°C下粘度為:20mPas。
[0071]Larit RM135 (L_135i)和 Larit RMH137 是 Lange+Ritter 公司的產品。LaritRIM135是一種基於雙酚-A-表氯醇樹脂和I，6-己二醇二縮水甘油醚的環氧樹脂，其具有環氧當量為166-185克/當量，而RMH137是基於IPDA(異佛爾酮二胺)和烷基醚胺的固化劑，其具有胺值為400-600毫克KOH /克。
[0072]下表中所以量的數據均以重量份給出。
[0073]表:
[0074]
【權利要求】
1.多層結構在風力發電裝置用轉子葉片的製造中的應用，其中所述多層結構具有下列層: a)脫模劑層 b)任選的膠衣層 c)經塑料處理的纖維層 d)任選的間隔層 e)配有塑料的纖維層 f)任選的塑料膜 其特徵在於，使用聚氨酯作為塑料，所述聚氨酯可通過下述組分的反應混合物的反應獲得: A)一種或多種多異氰酸酯 B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品 C)任選的添加劑和/或添加物 D)任選的填料。
2.風力發電裝置用轉子葉片，所述葉片具有至少部分地由具有下列層的多層結構構成的外殼: a)脫模劑層 b)任選的膠衣層 c)經塑料處理的纖維層 d)任選的間隔層 e)配有塑料的纖維層 f)任選的塑料膜 其特徵在於，使用聚氨酯作為塑料，所述聚氨酯可通過包含下述組分的反應混合物的反應獲得: A)一種或多種多異氰酸酯 B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品 C)任選的添加劑和/或添加物 D)任選的填料。
3.用於製造根據權利要求2所述的風力發電站用的轉子葉片的方法，所述轉子葉片具有至少部分地由具有下列層的多層結構構成的外殼: a)脫模劑層 b)任選的膠衣層 c)經塑料處理的纖維層 d)任選的間隔層 e)配有塑料的纖維層 f)任選的塑料膜 其特徵在於，用將聚氨酯製造為塑料的反應混合物處理所述纖維層，其中所述反應混合物可得自下述組分: A)一種或多種多異氰酸酯B)包含一種或多種用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇的多元醇配製品 C)任選的添加劑和/或添加物 D)任選的填料。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述反應混合物包含具有NCO含量大於25重量％的二苯基甲烷二異氰酸酯和/或多亞苯基多亞甲基多異氰酸酯作為異氰酸酯。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述反應混合物含有具有OH值為300-800毫克KOH /克的化合物作為用甘油引發的聚氧化丙烯多元醇。
6.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，在20至80°C的溫度下將所述反應混合物施加到所述纖維層中。
7.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述反應混合物在40°C_160°C的溫度下固化
8.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，在35°C的恆定溫度下，所述反應混合物在混合後60分鐘具有< 5000mPas的粘度。
【文檔編號】B32B5/26GK103619579SQ201280010441
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年2月20日 優先權日:2011年2月25日
【發明者】S·林德納, K·弗蘭肯, D·帕斯曼, P·諾德曼 申請人:拜耳智慧財產權有限責任公司