硬泡表麵活性劑在風力發電葉片用聚氨酯硬泡中的應用實踐

摘要

本文係統研究了硬泡表麵活性劑在風力發電葉片用聚氨酯硬泡中的關(guan) 鍵作用和應用實踐。通過分析不同類型表麵活性劑對泡孔結構、力學性能和長期耐久性的影響，揭示了表麵活性劑在聚氨酯硬泡體(ti) 係中的優(you) 化選擇標準。文章詳細介紹了適用於(yu) 風電葉片的特種表麵活性劑產(chan) 品參數，通過對比實驗數據驗證了表麵活性劑對材料性能的提升效果，並結合國內(nei) 外新研究成果，提出了風電葉片用聚氨酯硬泡的表麵活性劑選擇策略和工藝優(you) 化建議。

關(guan) 鍵詞：聚氨酯硬泡；表麵活性劑；風力發電葉片；泡孔結構；複合材料

1. 引言

隨著全球可再生能源需求的持續增長，風力發電作為(wei) 清潔能源的重要組成部分發展迅速。根據全球風能理事會(hui) (GWEC)統計，2022年全球新增風電裝機容量達到77.6GW，其中海上風電占比逐年提升。風力發電葉片作為(wei) 風電機組的核心部件，其性能直接影響發電效率和設備壽命。聚氨酯硬泡因其優(you) 異的比強度、抗疲勞性能和成型便利性，已成為(wei) 現代大型風電葉片腹板、殼體(ti) 和填充結構的首選材料。

在聚氨酯硬泡體(ti) 係中，表麵活性劑扮演著至關(guan) 重要的角色。它不僅(jin) 能降低體(ti) 係表麵張力，促進氣泡成核和穩定，還能調控泡孔結構，進而影響材料的力學性能和長期耐久性。特別是在大型風電葉片應用中，聚氨酯硬泡需要滿足更為(wei) 嚴(yan) 苛的性能要求，包括低密度高強度、優(you) 異的抗疲勞性和長期尺寸穩定性等。這些性能與(yu) 表麵活性劑的選擇密切相關(guan) 。

近年來，國內(nei) 外學者對風電葉片用聚氨酯硬泡進行了大量研究。Schmidt等(2021)係統分析了不同表麵活性劑對聚氨酯硬泡泡孔結構的影響，而Wang等人(2022)則研究了表麵活性劑對複合材料界麵性能的改善作用。然而，針對風電葉片特殊應用場景的表麵活性劑選擇標準和優(you) 化策略研究仍不夠係統。本文旨在填補這一研究空白，為(wei) 風電葉片用聚氨酯硬泡的配方設計和工藝優(you) 化提供實踐指導。

2. 風電葉片對聚氨酯硬泡的性能要求

2.1 基本性能指標

風力發電葉片用聚氨酯硬泡需要滿足以下關(guan) 鍵性能要求：

1. 力學性能：包括壓縮強度、拉伸強度、剪切強度和模量等，這些性能直接影響葉片的結構承載能力。

2. 密度控製：需要在保證力學性能的前提下盡可能降低密度，以減輕葉片重量，通常控製在80-200kg/m³範圍內(nei) 。

3. 尺寸穩定性：在溫度變化和濕度波動環境下保持尺寸穩定，避免因形變導致葉片氣動性能下降。

4. 抗疲勞性：能夠承受長期交變載荷作用，通常要求達到10⁷次循環以上的疲勞壽命。

5. 耐候性：抵抗紫外線、溫度變化和鹽霧等環境因素的能力。

表1列舉(ju) 了典型風電葉片用聚氨酯硬泡的主要性能指標：

表1 風電葉片用聚氨酯硬泡典型性能要求

2.2 特殊性能要求

除上述基本性能外，風電葉片用聚氨酯硬泡還需滿足以下特殊要求：

1. 低固化應力：大型葉片成型過程中，材料固化應力過大會(hui) 導致結構變形，影響葉片氣動性能。

2. 良好粘接性：與(yu) 玻璃纖維/碳纖維增強材料的界麵結合強度需滿足複合材料設計要求。

3. 工藝適應性：適合真空灌注、噴塗或澆注等不同成型工藝。

4. 環保性：符合日益嚴(yan) 格的環保法規要求，如低揮發性有機化合物(VOC)排放。

3. 硬泡表麵活性劑的作用機理

3.1 基本功能

硬泡表麵活性劑在聚氨酯發泡過程中主要發揮以下功能：

1. 降低表麵張力：通過吸附在氣液界麵，降低體(ti) 係的表麵張力，促進氣泡成核。研究表明(Johnson et al., 2020)，表麵活性劑可使聚氨酯體(ti) 係的表麵張力從(cong) 約40mN/m降至25mN/m以下。

2. 穩定泡孔結構：通過形成穩定的界麵膜，防止氣泡合並和塌陷，確保形成均勻細密的閉孔結構。

3. 調控泡孔形態：影響泡孔大小、分布和形狀，進而影響材料的力學性能和熱學性能。

4. 改善流動性：降低混合物粘度，提高材料在複雜模具中的填充能力，這對大型風電葉片成型尤為(wei) 重要。

3.2 風電葉片應用中的特殊作用

在風電葉片用聚氨酯硬泡中，表麵活性劑還承擔著以下特殊功能：

1. 增強界麵結合：通過分子結構設計，部分表麵活性劑可改善聚氨酯與(yu) 增強纖維的界麵結合。原子力顯微鏡(AFM)研究顯示(Zhang et al., 2021)，合適的表麵活性劑可使界麵結合能提高30-50%。

2. 降低各向異性：大型葉片中聚氨酯硬泡容易因流動方向導致性能各向異性，表麵活性劑有助於(yu) 減輕這種效應。

3. 提高抗疲勞性：通過優(you) 化泡孔結構，表麵活性劑可顯著改善材料的抗疲勞性能。疲勞測試數據表明，優(you) 化後的泡孔結構可使疲勞壽命提高2-3倍。

表2對比了不同種類表麵活性劑對聚氨酯硬泡性能的影響：

表2 不同類型表麵活性劑性能對比

4. 風電葉片用特種表麵活性劑的選擇

4.1 選擇標準

針對風電葉片的特殊要求，表麵活性劑的選擇應考慮以下標準：

1. 泡孔質量：能夠形成均勻細小的閉孔結構，泡孔直徑宜控製在100-300μm範圍內(nei) 。

2. 工藝穩定性：在大型葉片成型的長周期過程中保持穩定的發泡特性，避免出現塌泡或過度收縮。

3. 環境適應性：在溫度變化和濕度波動條件下保持性能穩定。

4. 與(yu) 樹脂相容性：與(yu) 聚氨酯原料體(ti) 係具有良好的相容性，避免出現相分離。

5. 環保性：符合REACH等環保法規要求，不含有害物質。

4.2 典型產品參數

表3列舉(ju) 了幾種適用於(yu) 風電葉片聚氨酯硬泡的特種表麵活性劑產(chan) 品參數：

表3 風電葉片用特種表麵活性劑產(chan) 品參數

4.3 配方優化案例

以某2MW風電葉片腹板用聚氨酯硬泡為(wei) 例，優(you) 化後的配方如下：

• 聚醚多元醇(羥值350mgKOH/g)：100份

• 聚合MDI(異氰酸酯指數1.05)：120份

• 物理發泡劑(HCFO-1233zd)：15份

• 催化劑(PC-5)：0.8份

• 表麵活性劑(Tegostab B-8870)：2.5份

• 阻燃劑(TCPP)：10份

該配方製備的聚氨酯硬泡性能如下：

• 密度：135±5kg/m³

• 壓縮強度：1.25MPa

• 閉孔率：93%

• 熱導率：0.032W/(m·K)

• 尺寸穩定性(70℃,95%RH,48h)：0.8%

5. 應用實踐與性能評估

5.1 工藝適應性測試

在實際生產(chan) 中，表麵活性劑的工藝適應性至關(guan) 重要。我們(men) 對三種商用表麵活性劑進行了真空灌注工藝測試，結果如表4所示：

表4 不同表麵活性劑的工藝性能對比

測試結果表明，Tegostab B-8870在工藝窗口寬度和流動性能方麵表現突出，特別適合大型風電葉片的真空灌注成型。

5.2 力學性能對比

通過對比實驗評估了不同表麵活性劑對聚氨酯硬泡力學性能的影響，結果如圖1所示(數據表格見表5)：

表5 表麵活性劑對力學性能的影響

數據表明，添加表麵活性劑可顯著改善聚氨酯硬泡的力學性能，其中Tegostab B-8870表現很優(you) ，這與(yu) 其形成的均勻細密泡孔結構密切相關(guan) 。

5.3 長期耐久性評估

風電葉片通常設計壽命為(wei) 20-25年，因此材料的長期耐久性至關(guan) 重要。我們(men) 進行了加速老化試驗，評估了不同表麵活性劑體(ti) 係的性能保持率(表6)：

表6 加速老化後的性能保持率(%)

結果表明，含Tegostab B-8870的體(ti) 係在各種老化條件下均表現出優(you) 異的性能穩定性，這與(yu) 其分子結構設計密切相關(guan) ，該表麵活性劑能形成更穩定的泡孔結構並減緩聚氨酯基體(ti) 的降解。

6. 結論與展望

本文係統研究了硬泡表麵活性劑在風力發電葉片用聚氨酯硬泡中的應用實踐。研究表明，表麵活性劑的選擇直接影響聚氨酯硬泡的泡孔結構、力學性能和長期耐久性。針對風電葉片的特殊要求，聚醚改性矽氧烷類表麵活性劑(如Tegostab B-8870)表現出優(you) 異的綜合性能，包括寬工藝窗口、均勻的泡孔結構和良好的長期穩定性。

未來研究方向包括：(1)開發具有多重功能的新型表麵活性劑，如兼具流動促進和界麵增強功能；(2)研究表麵活性劑在可再生原料聚氨酯體(ti) 係中的應用；(3)發展智能響應型表麵活性劑，適應更複雜的成型工藝條件。隨著風電葉片向大型化、輕量化發展，對聚氨酯硬泡及其表麵活性劑的要求將不斷提高，這需要產(chan) 業(ye) 鏈上下遊的協同創新。

參考文獻

1. Schmidt, R.G., et al. (2021). Silicone surfactants for rigid polyurethane foam: Structure-property relationships. Journal of Cellular Plastics, 57(3), 345-367.

2. Wang, Y., et al. (2022). Interfacial enhancement in polyurethane composites for wind turbine blades. Composites Science and Technology, 218, 109214.

3. Johnson, M.B., et al. (2020). Surface tension effects in polyurethane foam formation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 603, 125202.

4. Zhang, L., et al. (2021). Nanoscale interfacial characterization of polyurethane composites using AFM. Polymer Testing, 93, 106957.

5. GWEC. (2023). Global Wind Report 2023. Brussels: Global Wind Energy Council.

6. ISO 845:2006. Cellular plastics and rubbers — Determination of apparent density.

7. ISO 844:2021. Rigid cellular plastics — Determination of compression properties.

8. ASTM C273-20. Standard Test Method for Shear Properties of Sandwich Core Materials.

9. Evonik Industries. (2022). Tegostab Product Brochure. Essen: Evonik Resource Efficiency GmbH.

10. Dow Corning. (2023). Silicone Surfactants for Polyurethane Foams. Midland: Dow Corning Corporation.

11. 李明等. (2022). 風電葉片用聚氨酯泡沫材料研究進展. 複合材料學報, 39(4), 1234-1245.

12. 張華等. (2021). 聚氨酯硬泡表麵活性劑的作用機理及應用. 聚氨酯工業(ye) , 36(2), 1-5.

13. Air Products. (2022). Dabco Surfactants Technical Manual. Pennsylvania: Air Products and Chemicals, Inc.

14. Momentive. (2023). Niax Silicone Surfactants Product Guide. New York: Momentive Performance Materials Inc.

15. REACH Regulation (EC) No 1907/2006. Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals.