聚氨酯树脂应用在风电叶片上的质量风险控制

贺红彪¹；陈晨¹；吴迪²

1、株洲时代新材料科技股份有限公司，2、科思创聚合物(中国)有限公司

摘要：在实际生产过程中,将聚氨酯树脂应用在风电叶片上,与环氧树脂应用相比较,其工艺流程发生改变。采用过程潜在失效模式及影响分析方法(PFMEA)识别聚氨酯树脂应用的风险,采取相关预防措施降低叶片质量风险.聚氨酯树脂与水可以发生反应,具有发泡功能,但聚氨酯树脂应用在风电叶片上需抑制发泡,在真空灌注前需采用反向抽湿,以降低材料含水率.聚氨酯树脂固化度是测量随样件的残余放热焓值进行判断.围绕以上问题,推动聚氨酯树脂在风电叶片上有效应用,结合聚氨酯树脂应用过程中发现的问题,改进灌注工艺,降低聚氨酯树脂应用质量风险。

关键词：风电叶片，质量风险，真空灌注，反向抽湿，残余放热焓值

导语

在拉挤成型工艺中，环氧树脂因为优异的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和固化过程稳定等特点，是风电复合材料中应用最广泛的树脂体系，也是首选的基体树脂，短期内难以完全被替代。但是，从树脂和风电行业的发展趋势来看，降低制造成本从而达到整个体系的降本是一个重要方向，聚氨酯树脂被认为是一个比较有潜力的“替代品”。

聚氨酯树脂应用于风电叶片上的优缺点非常明显，核心是能够缩短叶片生产时间提升效率，总工艺时间可减少约20%，同时降低叶片的重量约5%，非常契合叶片轻量化趋势。从力学性能来看，聚氨酯树脂大幅度提升了单向玻纤复合材料的抗压性能和横向拉伸性能，适合制作大型结构件，并具有更好的抗疲劳性能。此外，聚氨酯采用的直接灌注工艺能将树脂更精确地注入模具，这最大限度地减少了浪费，并避免了VOC的释放。但是聚氨酯对工艺要求较高，应用过程中需要采取相关有效措施，以降低叶片质量风险。

1、聚氨酯材料简介

聚氨酯（PU）是指分子结构中含有氨基甲酸酯基团的聚合物。氨基甲酸酯一般由异氰酸酯和醇反应获得。聚氨酯材料是一类产品形态多样的多用途合成树脂，包括泡沫塑料、弹性体、涂料、胶黏剂、纤维、合成革、防水材料以及铺装材料等组成产品形式。

风电叶片上应用的聚氨酯灌注树脂是由多元醇和异氰酸酯组成的双组分热固性树脂体系。

聚氨酯树脂与环氧树脂都应用于风电叶片上，在材料特性上进行对比，其情况见表1。 

表1 材料特性对比表

从表1可以看出，聚氨酯树脂与环氧树脂对比，工艺不成熟，尚待完善，要求低湿度环境（一般湿度要求≤70%）生产，湿度偏高会影响叶片除湿度效果，容易造成叶片气泡缺陷。因此，聚氨酯叶片不适宜在南方湿度大的区域生产（特别是沿海边地区），而适宜在北方干燥地区进行生产。

2、聚氨酯树脂应用特点

2.1材料储存

异氰酸酯和多元醇一般在产品安全说明书MSDS中有明确要求，储存在密闭容器中并防潮，其储存温度在10℃和30℃之间。主要原因是异氰酸酯会与水缓慢反应形成聚脲并释放出CO2气体，可能导致密封容器膨胀和破裂，在低于0℃的温度下异氰酸酯会产生可见的结晶。

聚氨酯树脂与环氧树脂相比，其保质期从24个月缩短至6个月，特别是开桶后若密封不当，储存时间过长，容易造成聚氨酯材料报废。

2.2原材料检验

聚氨酯树脂原材料的检测项目从质量风险角度考虑，重点对表2项目进行检测，其他项目可以按季度或半年度抽检。与环氧树脂材料比较，主要是OH、NCO、含水率检测方法不同。

表2 聚氨酯原材料检测项目

2.3过程控制

聚氨酯树脂中的异氰酸酯可以与水分反应，产生气态的CO₂，体积膨胀1000倍以上，其反应分子式如下。

为控制聚氨酯与水发生反应，重点从几方面考虑：材料湿度及除湿干燥、树脂脱泡及在线灌注、树脂固化及固化度检测项目。

2.3.1 材料湿度及除湿干燥

风电叶片生产过程中，使用聚氨酯树脂进行灌注，其配套材料不使用高湿度/易吸潮的材料，如：不使用Balsa木，需使用PET；不使用纸胶带，需使用黄色布基胶带等。

目前，聚氨酯树脂主要应用于风电叶片部件上，如大梁、腹板、预制叶根、预制辅梁生产。灌注前，采用反向抽湿方式进行除湿干燥，将注胶口与除湿真空泵相连，蒸发的水汽通过导流网等导流通道可以快速导出，提高干燥除湿的效率。见图1除湿干燥示意图。

图1 除湿干燥示意图

除湿干燥原理是利用水分在高真空度条件下，水分沸点大大降低的原理（当真空度低于15mBar时，水分沸点约为15℃）。同时，树脂灌注流道设计需考虑除湿效率，除湿需要从注胶侧进行抽湿干燥。推荐玻纤表面温度达到30℃情况下，保持3h。根据环境温湿度和材料含水率进行调整。为有效验证抽湿效果，需要放置含水率检测试纸，采用色差仪检测B值来做初步判定。

2.3.2 脱泡及在线灌注

聚氨酯树脂在运输和混合过程中容易混入空气，溶解在液体树脂内会对产品质量造成缺陷等不利影响，在灌注前需要进行脱泡处理。

与环氧树脂的在线灌注相比，需改造灌注设备，其真空度要求更高；

定期清理阀门位置残余的胶液（异氰酸酯与水反应结晶）；

树脂桶上需加装干燥罐，减少空气中水分进入。

见图2聚氨酯树脂灌注示意图。

同时，聚氨酯树脂需严格按照比例混合并控制在公差范围之内，精准的比例和充分混合是实现树脂性能的关键。多元醇和异氰酸酯应该充分搅拌直到均匀，其比例按聚氨酯树脂生产商要求执行。

图2 聚氨酯树脂灌注示意图

2.3.3 树脂固化及固化度检测

聚氨酯树脂与环氧树脂相比较，灌注速度要加快。灌注结束后，模具加热程序设置50℃加热2h，70℃加热2h；与环氧树脂相比其固化时间会缩短1~2h。

当温度低于40℃时，聚氨酯树脂系统反应平稳进行，然而当树脂温度升高到50℃以上时，反应将明显加速并在很短的时间内固化；树脂放热峰出现在开始加热后1.0~2.0h之间，且升温迅速。

根据环境温度及时揭除棉被散热，但注胶口及灌注管道上不能覆盖棉被，管道内树脂在固化阶段可升温至100℃以上。同时，还需关注模具加热均匀性，如加热不均匀，局部不固化会导致产品报废。

聚氨酯树脂玻璃化转变温度Tg是衡量PU弹性体固化度主要指标。为有效获得聚氨酯树脂弹性体Tg值，一般需要采用动态热机械分析法（DMA），由于需价格高的检测设备，推广难度较大。

目前，环氧树脂的玻璃化转变温度Tg测量主要采用差示扫描量热仪（DSC）法快速获取，理论上可以采用同样方式检测聚氨酯树脂玻璃化转变温度Tg，但由于原料组成的不同，聚合物存在不同程度的相分离，其DSC曲线上Tg取值不准确。近年来，针对聚氨酯固化度测量已有不少研究，正在逐步优化中。为快速解决该问题，可以使用差示扫描量热仪（DSC），测量随样件残余放热焓值来间接表征聚氨酯固化度。

3、聚氨酯应用质量风险控制

基于聚氨酯灌注树脂应用特点，利用PFMEA工程技术，分析造成影响和发生原因，有效识别风险，整理聚氨酯风险控制点64项（见表3），通过打分排序确定其中有24项关键控制点。

表3 聚氨酯风险项分类表

基于关键控制点，编制风电叶片部件的质量控制计划以及相关检测作业指导书，有效控制聚氨酯应用质量风险。

2022年，本文作者所在单位在风电叶片腹板上全面推广应用聚氨酯树脂，试制初期聚氨酯腹板的一次交检合格率在40%~45%，通过质量改善以及关键点控制，聚氨酯腹板一次交检合格率提升到98%以上，达到环氧树脂腹板质量水平。

聚氨酯树脂在风电叶片壳体上也进行了试用，但壳体的浸润不良、灌注气泡缺陷率还不能控制在较低水平，与环氧树脂叶片比较，其质量风险较大。同时，聚氨酯树脂灌注前，需增加反向抽湿工序，影响叶片壳体成型周期。通过综合考虑，聚氨酯树脂主要用于风电叶片的大梁、腹板、预制叶根、预制辅梁。

结合聚氨酯树脂应用特点以及实际使用情况，其应用质量风险总结如下。

材料风险：明确聚氨酯树脂材料以及配套材料的储存和使用要求；降低各材料本身含水率。

工艺风险：优化流道设计，提升除湿效果；合理调整温度以及相关参数，降低产品灌注缺陷率。

设备风险：灌注设备改造、保养和维护问题；真空泵抽湿效果；模具加热以及冷却性能。

4、结语  

从聚氨酯本身特性来说，聚氨酯树脂应用于风电叶片上的优缺点非常明显。在实际生产过程中，与环氧树脂应用相比较，其工艺流程发生改变。采用过程潜在失效模式及影响分析方法（PFMEA）识别聚氨酯树脂应用的风险，采取相关预防措施降低叶片质量风险。

聚氨酯树脂应用在风电叶片上能够降低叶片生产成本，但还需进行更多实践和研究，以充分发挥聚氨酯树脂优势。

来源：《质量与认证》2024年