圖注：由熱塑性塑料夾層材料制成的轉(zhuǎn)子葉片。

隨著海上風力發(fā)電機逐步變得龐大，運輸，組裝，拆卸和處理如此龐大的轉(zhuǎn)子葉片成為運營商的一大難題。Fraunhofer的研究人員與行業(yè)專家合作開發(fā)的高耐用熱塑性塑料泡沫及復合材料，不僅減輕了葉片的重量而且使其可以回收利用。由于其特殊性能，新材料也適合汽車等行業(yè)的其它輕量級構(gòu)件。他們的第一個產(chǎn)品將在于10月19日至26日舉辦的2016年Düsseldorf國際塑料及橡膠博覽會上呈現(xiàn)。

如今，海上風電場變得更加龐大的趨勢有增無減。為了最大化能源產(chǎn)量，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子葉片長度達80米，轉(zhuǎn)子直徑超過160米。由于葉片的長度受限于其重量，有必要開發(fā)高強度的輕量級體系材料。重量低不僅使風力發(fā)電機容易組裝和拆卸，也提高了海上的穩(wěn)定性。在歐盟的WALiD（成本效益顯著，設(shè)計先進的輕量級風力葉片）項目中，位于Pfinztal的Fraunhofer化學技術(shù)研究所（ICT）的科學家們與十個工業(yè)及研究團隊密切合作從事輕量級轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計。他們希望通過改進設(shè)計和材料，減少葉片的重量，從而提高其使用壽命。

熱塑性塑料正在替代熱固性材料

目前，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子葉片主要是手工制造的熱固性樹脂體系。然而，由于該體系材料難以熔化，造成了材料回收的困難。最好的情況也不過是將顆粒熱固性塑料垃圾回收，用作一些簡單應(yīng)用的填料。Fraunhofer ICT的項目協(xié)調(diào)員Florian Rapp介紹說：“在WALiD項目中，我們追求的是一個全新的葉片設(shè)計。我們正在實現(xiàn)材料類別的轉(zhuǎn)換，并首次使用熱塑性塑料轉(zhuǎn)子葉片。熱塑性塑料的可熔性有助于我們利用自動化生產(chǎn)設(shè)備有效處理。”他們的目標是把玻璃和碳纖維分離以實現(xiàn)熱塑性基體材料的重復利用。

項目團隊使用由熱塑性塑料泡沫和纖維增強型塑料制成的夾層材料來制造轉(zhuǎn)子葉片的外殼，以及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的某些部分。一般，轉(zhuǎn)子葉片承受最大載荷的區(qū)域采用碳纖維增強型熱塑性塑料，而應(yīng)力較小的部分采用玻璃纖維增強型塑料。至于夾層的核心，Rapp和他的團隊正在開發(fā)熱塑性塑料泡沫，并將其與纖維增強型熱塑性塑料制成的覆蓋層連接。這樣的組合提高了轉(zhuǎn)子葉片的機械強度、效率、耐久性和壽命。Rapp 豪言：“我們與熱塑泡沫正在開辟新的天地。”

輕量級建筑材料的新用途

ICT的熱塑泡沫比現(xiàn)有的材料體系性能更加優(yōu)越，從而使其在汽車，航空和船舶等行業(yè)有全新的應(yīng)用。比如車輛的護目鏡和座位采用的就是泡沫材料，但承受載荷的結(jié)構(gòu)并不能采用泡沫材料。目前市場上的泡沫存在著一些問題，例如，因泡沫熱穩(wěn)定性差，靠近引擎的部位不會安裝泡沫絕緣層。Rapp表示：“相比之下，我們的可熔性塑料泡沫具有熱穩(wěn)定性，適合作為絕緣材料安在接近引擎的部位。它們耐高溫性能好，其中發(fā)泡聚苯乙烯泡沫（EPS）和發(fā)泡聚丙烯（EPP）就是很好的例子。機械性能的增強也使它們可用于車門模塊或成為夾層復合材料的強化元素。”它們可以快速加工，節(jié)省材料。

另一個優(yōu)勢是，軟木等熱塑性塑料泡沫比可再生夾層核心材料更容易獲得。這些新型材料在研究所的泡沫擠壓車間制成。Rapp關(guān)于工藝的解釋是：“塑料顆粒熔化后，將發(fā)泡劑混合到聚合物熔體中使材料起泡沫。接下來，這些發(fā)泡的，穩(wěn)定的顆粒和半成品可以按需成型和切削。”在泡沫聚合物領(lǐng)域，從材料開發(fā)以及擠壓型泡沫顆粒和半成品的制造到工藝介質(zhì)和組件的完成，ICT泡沫技術(shù)研究小組覆蓋了整個熱塑性塑料泡沫的生產(chǎn)鏈。