风力发电叶片PVC发泡材料的吸胶量研究

风力发电叶片PVC发泡材料的吸胶量研
究
摘要：针对环氧树脂价格上涨导致叶片制造成本增加的问题，基于实验室测
试风电用PVC发泡材对环氧树脂的吸收率，使用了扫面电子显微镜对泡沫的微观
型面进行了表征，使用统计学方法分析了材料泡孔平均直径和泡孔的尺寸分布情
况对材料环氧树脂吸收率的影响，提出了一种风电叶片用发泡材料的优选规则，
结果表明PVC发泡材料对环氧树脂的吸收率与材料的平均泡孔直径正相关，树脂
吸收率的稳定性与泡孔平均直径的标准差正相关，风电用PVC发泡材料宜选择泡
孔平均直径小且标准差低的材料，才能有效的控制生产成本。

关键词：风电叶片；PVC发泡材料；泡孔结构；环氧树脂；吸胶量
风力发电叶片使用的泡沫主要是作为玻璃钢夹芯结构的芯材，采用泡沫作为
夹芯结构的芯材可以提高叶片结构刚度的同时减轻叶片质量［1］。

泡沫作为芯材
主要使用在风电叶片壳体蒙皮处和在叶片中间的剪切腹板处。

风力发电叶片目前
使用的泡沫主要有热固性泡沫如交联聚氯乙烯（PVC）泡沫和苯乙烯丙烯腈（SAN）泡沫；热塑性泡沫如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫和聚苯乙烯（PS）泡沫。

以上这4种泡沫根据叶片设计的要求在不同厂家生产的叶片中都有应用［2－5］。

随着风电技术的发展和市场对大叶片的需求，在短短十几年间叶片已经从不足长度
30 m兆瓦L级以下的小叶片发展到目前90 m以上3 MW为主流的大叶片，随着技
术的发展目前叶片向百米以上趋势发展［6］。

泡沫作为叶片主要的材料体系不仅
要求具有较好的机械性能，同时叶片作为大型结构部件在户外运行时由于受到气
动载荷的作用自身会发生挥舞和摆振，这就要求泡沫与玻璃钢层具有非常好的结
合性。

每种泡沫由于自身材质和成型工艺不同所以导致孔径大小和泡沫形状也存
在差异。

其中PET材料使用连续挤出发泡工艺，受到口模尺寸影响，需采用焊接
工艺制备成BLOCK后平切成指定厚度的板材后，进一步加工为叶片用夹芯套材。

而PVC泡沫使用间歇式化学发泡工艺，可以直接发泡为所需厚度的板材，产品内
部无焊接缝，因此材料内部结构较为统一，使得微观泡孔形貌与宏观性能联系更为紧密。

从产品结构和生产工序的角度上比较，PET产品结构复杂，工序繁琐，尚未成为行业认可的主流夹芯材料。

因此对PVC材料的相关研究在实际生产过程中仍然具有很大的实用价值。

2022年随着环氧树脂价格暴涨，截至6月已突破30元/kg。

2023年虽价格略有下降，但环氧树脂在叶片制造的材料成本中依然占据较高的份额。

作为使用最为广泛的夹芯材料，PVC结构泡沫在灌注过程中对环氧树脂的吸收率（后文简称吸胶量）已经成为了叶片行业中为有效控制成本而不容忽视的影响因素。

当前国内外PVC泡沫材料的生产厂商逐年增多，如何选择合适的PVC泡沫材料，已经成为了行业内研究和讨论的重点话题。

本文主要研究了不同PVC泡沫的微观泡孔形貌与材料本体所展向的宏观上吸胶量及力学性能的关系，为后续行业内PVC夹芯材料的选择提供新的参考思路和指导。

［7］
1实验部分
1.1主要原料
实验的主要材料，如表1：
表 1实验材料
材料牌号及明细
PVC泡沫供应商A、供应商B、供应商C、供应商D、供应商E
环氧树脂道生180/185
1.2主要设备及仪器
实验所用的主要设备，如表2：
表 2实验设备及仪器
实验设备型号及明细
干燥箱101/0A，南京杰恩特
模具平台设备为表面光滑平整带加热功能的平台
切割机带喷水冷却功能的玻璃钢切割机，能保证切割边缘的直
线性
天平感量0.01g
密度计DH-300，东莞弘拓仪器有限公司
EVO18型，蔡司（ZEISS）
场发射扫描
电镜
1.3试样的制备
每个供应商随机选择两块PVC泡沫本体吸胶量样品，每一块样品按照长度、宽度、厚度依次为500mm×500mm×25mm尺寸规格进行裁切。

在实验条件下，依次从下至上按：三轴布/带孔隔离膜/夹芯/带孔隔离膜/三轴布的顺序进行材料铺层。

其中，玻纤布的0°纱线均朝向夹芯材料，按实验室标准设置好灌注流道及真空系统，样品满铺导流网，且保证所有供应商样品在统一的灌注实验条件下进行真空辅助灌注。

脱模时剥离芯材外其它材料。

检查芯材表观情况，有漏气、鼓包等缺陷的试样要报废。

对正常试样切除毛边时要求只将芯材边缘的杂质及富胶切除，芯材本体切除厚度≤2mm。

对试样烘干，确保芯材表面无明显水分。

记录制样前后样品的尺寸及重量变化情况。

1.4性能测试与结构表征
1.4.1材料断面微观形貌
用扫描电子显微镜表征样品内的微观形态。

样品在液氮中放置20 min以保
证其内部的泡孔结构不变。

用工具将其脆断，得到带有泡孔结构的断面。

将其用
导电胶带粘在专用样品台上，并在真空环境下表面喷金以增强其导电性，便于得
到清晰的扫描电镜图。

对处理好的样品进行SEM测试，扫描电压为3.0 kV，观察
其断面的微观形貌，取合适位置拍摄对应的扫描电镜图。

1.4.2材料的密度与泡孔密度
采用浸渍法测量试样的密度，根据牛顿第二定律，浮力、体积和密度的关系，公式如下：
⑴
式中：v1为试样的体积，cm3；m1为试样的质量，g；m2为浸渍液中测得的试
样的质量，g；ρ0为浸渍液的密度，g/cm3
试样密度ρ如下式所示：
⑵
根据扫描电子显微镜拍摄的发泡样品微观形貌图，使用计算机软件ImageJ
测量图片内100个以上发泡样品泡孔直径记录数据，使用软件Origin处理以上
数据，统计分析出泡孔尺寸变化趋势以及相应的尺寸分布情况，最后得到平均泡
孔尺寸D，如下式所示。

⑶
式中：d i为所测第i个泡孔的直径，µm；n i为泡孔直径为d i的泡孔的个数
材料中泡孔所占的体积分数用V f表示，其公式如下式所示。

⑷
式中：ρf为PVC泡沫的样块密度，g/cm3；ρm为未发泡PVC本体的密度，g/cm3
基于发泡材料的泡孔密度N f，如下式所示。

⑸
材料发泡前后密度之比ρr为相对密度，也称作发泡倍率，如下式所示。

⑹
1.4.3样品对环氧树脂吸收
按如下公式计算试样单位体积吸胶量：
⑺
式中：
A----单位体积吸胶量，单位为公斤每立方米（Kg/m³）；
m1----灌注前芯材质量，单位为克（g）；
a1----灌注前芯材宽度，单位为毫米（mm）；
b1----灌注前芯材长度，单位为毫米（mm）；
H ----灌注前芯材厚度，单位为毫米（mm）；
a2----灌注后芯材宽度，单位为毫米（mm）；
b2----灌注后芯材长度，单位为毫米（mm）；
m2----灌注后芯材质量，单位为克（g）。

结果取至少两块样板平行测定的算术平均值，保留一位小数。

两块样板平行
测定相差应小于其平均值的25%。

1.5结果与讨论
1.6PVC泡孔结构分析
样品A、B、C、D、E的SEM微观泡孔形貌及泡孔尺寸分布情况，如图1所示。

泡孔平均直径可以用来表征泡孔大小的平均水平，泡孔密度则可以表征发泡情况，由表3数据可知，5组样品的发泡倍率相接近，由公式5可知，在发泡倍率（相
对密度）相同的条件下，样品的泡孔密度与材料的泡孔直径成反比，而由于行业
内部对PVC材料有严格的密度标准，因此不同供应商的PVC样品发泡倍率可以看
作相近。

对不同PVC样品的SEM照片进行图像处理及测量分析，结果如下：样品
A的平均泡孔直径为503.5μm，最大泡孔直径为710 μm，最小泡孔直径为310
μm；样品B的平均泡孔直径为647.1 μm，最大泡孔直径为880 μm，最小泡孔
直径为420 μm；样品C的平均泡孔直径为516 μm，最大泡孔直径为860 μm，
最小泡孔直径为260 μm；样品D的平均泡孔直径为559.5 μm，最大泡孔直径
为810μm，最小泡孔直径为220 μm；样品E的平均泡孔直径为486.3 μm，最
大泡孔直径为670 μm，最小泡孔直径为310 μm；可以发现样品平均尺寸从小
到大的排列顺序依次为样品E、样品A、样品C、样品D、样品B，因此5组泡孔
尺寸的平均直接最小的为样品E，最小值为486.3 μm；最大的为样品B，平均泡
孔尺寸为647.1 μm。

因此，表观上泡孔最小的样品为样品E，泡孔最大的样品
为样品B。

样品A微观泡孔形貌样品A泡孔尺寸分布情况
样品B微观泡孔形貌样品B泡孔尺寸分布情况
样品C微观泡孔形貌样品C泡孔尺寸分布情况
样品D微观泡孔形貌样品D泡孔尺寸分布情况
样品E微观泡孔形貌样品E泡孔尺寸分布情况
图1样品的SEM微观形貌与孔径分布
进一步对测量的数据进行数据统计，可得到泡孔直径的正态分布曲线，如图2。

泡孔直径测量值的数学统计结果，如表1。

泡孔直径的标准差可以反映测量值的离散性，进而可以表征样品的泡孔稳定性大小。

可以发现样品标准差从小到大的排列顺序依次为样品E、样品A、样品B、样品D、样品C，泡孔尺寸稳定性最好的为样品E，标准差为75.2；泡孔尺寸稳定性最差的为样品C，标准差为118.7。

因此，泡孔尺寸最稳定的样品为样品E，波动性最大的样品为样品C。

图2 样品泡孔尺寸概率密度分布图
表 3样品泡孔尺寸分布情况
样品编号
Diameter(
um)
σ
ρm(g/
cm3)
ρf(g/
cm3)
ρr N­f
A503.575.7143.562.8 2.29 6.734
96E-08
B647.7100.3136.257.5 2.37 3.250
78E-08
C516118.7132.858.9 2.25 6.191
68E-08
D559.5106.8145.157.3 2.53 5.281
27E-08
E486.375.2139.361.7 2.267.404
73E-08
1.7PVC泡孔结构对材料本体吸胶量的影响
将实验室测试的5组样品的吸胶量汇总，如表4。

通过表3、表4数据对比
可以发现，不同供应商样品的吸胶量与最终计算的泡孔密度呈负相关，5组样品
的发泡倍率相接近，由公式5可知，在发泡倍率（相对密度）相同的条件下，样
品的泡孔密度与材料的泡孔直径成反比，而由于行业内部对PVC材料有严格的密
度标准，因此不同供应商的PVC样品发泡倍率可以看作相近。

样品的平均吸胶量
按从低到高的顺序排列为：样品E、样品A、样品D、样品C、样品B，其中吸胶
量最低的分组为样品E，样品的平均泡孔直径为486.3 μm，平均吸胶量为20.58
kg/m3。

吸胶量最高的样品分组为样品B，样品的平均泡孔直径为647.7 μm，吸
胶量为58.73 kg/m3。

以泡孔直径为横坐标，以材料平均吸胶量为纵坐标做散点
图，如图3。

随着材料的平均泡孔尺寸增加，材料的吸胶量有上升的趋势。

这是因为PVC发泡材料样品经过切割处理后裸露在表面的的泡孔越大，复合材料灌注冲模过程中所需要将泡孔填充满的体积越大，因此随着微观泡孔直径的增大，材料宏观的吸胶量呈现上升的趋势。

两组样品的差值可在一定程度上代表样品的波动性，由表1可知，5组样品中，样品A、样品E的标准差σ相近，数值均接近75，样品B、C、D的的标准差σ相近，数值均接近109，因此可以将五组样品按标准差σ的数值分大标准差和小标准差为两组。

对比图3中各组样品吸胶量误差线大小及表2中5组样品的吸胶量差值，可以发现小标准差组的吸胶量差值整体较小，样品A、样品E的吸胶量差值分别为1.04 kg/m3、2.7 kg/m3。

大标准差组的吸胶量差值整体较大，样品B、样品C、样品D的吸胶量差值分别为5.94 kg/m3、7.54 kg/m3、4.8
kg/m3。

这是因为，经过切割处理后裸露在表面的泡孔尺寸的波动性越大，复合材料灌注冲模过程中所需要将泡孔填充满的体积的不确定性越大，因此随着样品微观泡孔直径的标准差σ的增加，样品宏观的吸胶量的波动性呈现增大的趋势，样品的吸胶量的波动性受到泡孔尺寸稳定性的影响，泡孔尺寸稳定性越差，标准差σ越大，样品的吸胶量波动性越大。

综上分析，在控制PVC发泡材料的泡孔稳定性的前提下，平均泡孔尺寸可以在一定程度上作为评估材料吸胶量高低的工艺相关评估参数之一。

图3 微观泡孔尺寸对材料宏观吸胶量的影响
表 4样品吸胶量测试结果
样品编号
灌注前
密度kg/m3
灌注后
密度kg/m3
吸胶量
kg/m3
差值
kg/m3
吸胶量
均值kg/m3
A-173.2297.1123.89
1.0424.41
A-267.5892.5124.93
B-164.34120.155.76
5.9458.73
B-250.8112.561.7
C-170.89113.6842.79
7.5446.56
C-256.21106.5450.33
D-166.68108.9842.3
4.844.7
D-253.64100.7447.1
E-174.6493.8719.23
2.720.58
E-267.4189.3421.93
2结论
本文针对环氧树脂价格上涨导致叶片制造成本增加的问题，基于实验室测试风电用PVC发泡材对环氧树脂的吸收率，使用了扫面电子显微镜对泡沫的微观型
面进行了表征，使用统计学方法分析了材料泡孔平均直径和泡孔的尺寸分布情况
对材料环氧树脂吸收率的影响，提出了一种风电叶片用发泡材料的优选规则：
（1）PVC发泡材料的吸胶量与材料的泡孔密度N f正相关，材料的吸胶量随
着材料的泡孔密度N f的增加而呈现下降的趋势；
（2）在PVC的发泡材料的发泡倍率ρr接近的情况下，材料的吸胶量与泡孔
的平均直径D负相关，材料的吸胶量随这泡孔平均直径的增加而呈现下降的趋势；
（3）在PVC的发泡材料的发泡倍率ρr接近的情况下，材料吸胶量的波动性
与材料的泡孔直径的标准差σ值正相关，材料的吸胶量的波动性随着标准差σ
增加而呈现上升的趋势。

在选择PVC材料时，应优先测量材料本体密度ρm和发泡后的密度ρf，材料
的密度满足试用标准后。

通过对比泡孔尺寸D和标准差σ，优先选择平均泡孔直
径D和标准差σ最小的发泡材料。

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