一种用于风电叶片的碳纤维材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于风电叶片的碳纤维材料及其制备方法 (Carbon fiber material for wind power blade and preparation method thereof ) 是由 刘希勇 王彬 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于风电叶片的碳纤维材料及其制备方法,包括以下重量配比的原料构成：碳纤维原丝：40-62份、聚乙烯树脂：20-37份、碳酸钙：0.7-2.2份、增效剂：3-5份、抗氧剂：0.4-0.6份。将碳酸钙、分散剂、抗氧剂加入到聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌,然后倒入树脂浸渍槽,碳纤维原丝通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置后进行牵引过预成型、成型模具,将成型后的板材进行烘干后处理,收卷成盘,切割打包。本发明提供了一种工艺简单,重量轻、拉伸强度和刚度高的用于风电叶片的碳纤维材料。(The invention discloses a carbon fiber material for a wind power blade and a preparation method thereof, wherein the carbon fiber material comprises the following raw materials in parts by weight: carbon fiber precursor: 40-62 parts of polyethylene resin: 20-37 parts of calcium carbonate: 0.7-2.2 parts of synergist: 3-5 parts of antioxidant: 0.4 to 0.6 portion. Adding calcium carbonate, a dispersing agent and an antioxidant into a polyethylene resin mixing tank for fully stirring, then pouring into a resin impregnation tank, placing carbon fiber precursors at a fixed position through fiber supply and fiber guide, then drawing the precursors and a forming die, drying and post-processing the formed plates, winding the plates into a disc, and cutting and packaging the plates. The carbon fiber material for the wind power blade is simple in process, light in weight and high in tensile strength and rigidity.)
技术领域
本发明涉及风电叶片材料技术领域，具体涉及一种用于风电叶片的碳纤维材料及其制备方法。
背景技术
随着世界能源问题日益突出，风力发电因其储量巨大、资源可再生和市场广泛而成为一种颇具商业化前景的发电方式。作为风电机组的核心部件之一，风力发电叶片的大型化和高功率化发展对复合材料的成型工艺和力学性能提出了更高的要求。环氧树脂基纤维增强复合材料是风力发电叶片与叶根的主要材料，但普遍存在材料脆性大、使用期短、渗透性差和固化温度高等问题，从而增大成型工艺难度，提高能源浪费和制造成本，严重制约了我国风电行业的发展。传统的风电叶片多采用玻璃纤维灌注工艺制备。但随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的重量，又要满足强度和刚度，最有效的方法就是主梁使用碳纤维板材。
中国专利CN112795143A公开了一种风电用高性能拉挤成型环氧树脂复合材料及其制备方法，主要的缺点是采用了玻璃纤维，材料密度大，现有技术存在的问题是重量大且强度和刚度不能满足长叶片的使用需求。因此，需研制一种成型工艺性好、重量轻、拉伸强度和刚度高的复合材料。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种工艺简单，重量轻、拉伸强度和刚度高的风电叶片用碳纤维材料。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于风电叶片的碳纤维材料，包括以下重量配比的原料构成：碳纤维原丝：40-62份、聚乙烯树脂：20-37份、碳酸钙：0.7-2.2份、增效剂：3-5份、抗氧剂：0.4-0.6份。
碳酸钙的添加可以改变发明的流变性能，增强了聚乙烯树脂的分散性，增加原丝的浸润程度，进而增强材料的机械性能。
增效剂用于改变材料各组分间的分子排斥力，降低能量壁垒，从而增加体系的协同配合，进而对材料的机械性能的提升起到促进作用。同时其具有密度小的优势，可以降低整个材料的密度，从而减轻材料重量。
优选的，增效剂为烷基葡糖苷类中的一种或几种。烷基葡糖苷是一种新型的非离子表面活性剂，其可以增强材料各组分间的相容性，增加材料的稳定性，从而对材料的拉伸强度和刚度起到协同促进作用。
作为本发明用于风电叶片的碳纤维材料的进一步优选的技术方案，烷基葡糖苷为椰油基葡糖苷、月桂基葡糖苷、鲸蜡硬脂基葡糖苷。
抗氧剂，又称防老剂，是一种对高聚物材料受氧化并出现老化现象能起到延缓作用的化学物质。当其在聚合物体系中仅少量存在时，就可延缓或抑制聚合物氧化过程的进行，从而阻止聚合物的老化并延长其使用寿命。
作为优选的技术方案抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1076中的一种或者几种的混合物。
本发明另一目的在于提供一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法。
图1为工艺流程图，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙、增效剂、抗氧剂加入到聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，搅拌速度为300-400r/min，搅拌时间1-2h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂浸渍槽，碳纤维原丝通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理，烘干方式为真空烘箱干燥，温度为50-55℃，真空度-0.2MPa至-0.1MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
本发明的优点和有益效果在于：碳酸钙的添加改变了发明的流变性能，增强了聚乙烯树脂的分散性，增加原丝的浸润程度，增加了材料机械性能。增效剂可以增强材料各组分间的相容性，增加材料的稳定性，从而对材料的拉伸强度和刚度起到协同促进作用。碳酸钙、增效剂均对发明的机械性能有着有益效果，同时增效剂能够有效改善材料的密度。本发明材料密度低于1.75g/cm3，拉伸强度＞1650MPa，刚度＞300GPa。制备工艺简单，综合性能好，具有较强的应用前景。
从制备方法来看，步骤一搅拌速度为300-400r/min可以增强物料混合效果，改善分子间结合应力。步骤三的烘干方式为真空烘箱干燥，可以提高发明的热稳定性，可以更好的控制产品质量。
附图说明
图1是本发明种用于风电叶片的碳纤维材料的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙0.7份、椰油基葡糖苷3份、0.4份抗氧剂1010加入到20份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速300r，搅拌时间2h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂浸渍槽，碳纤维原丝40份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为50℃，真空度-0.2MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
实施例2
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙2.2份、月桂基葡糖苷5份、0.6份抗氧剂168加入到37份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速400r，搅拌时间1h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂槽，碳纤维原丝62份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为55℃，真空度-0.1MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
实施例3
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙0.7份、鲸蜡硬脂基葡糖苷5份、0.4份抗氧剂1076加入到20份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速350r，搅拌时间1h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂槽，碳纤维原丝62份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为50℃，真空度-0.2MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
实施例4
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙2.2份、鲸蜡硬脂基葡糖苷与月桂基葡糖苷混合物4份，0.4份抗氧剂1076和抗氧剂168混合物加入到37份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速400r，搅拌时间1.5h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂槽，碳纤维原丝62份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为52℃，真空度-0.2MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
实施例5
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙1.5份、月桂基葡糖苷5份、0.5份抗氧剂168加入到30份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速300r，搅拌时间1h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂槽，碳纤维原丝50份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为55℃，真空度-0.1MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
实施例6
一种用于风电叶片的碳纤维材料的制备方法，其中包括以下步骤：
步骤一：将碳酸钙1份、月桂基葡糖苷5份、0.5份抗氧剂168加入到30份聚乙烯树脂混合槽中进行充分搅拌，转速320r，搅拌时间2h；
步骤二：将步骤一物料倒入树脂槽，碳纤维原丝50份通过纤维供给、纤维导向放置在固定位置，其表面材料经过树脂浸渍后进行预成型处理、模具加热成型，牵引板材；
步骤三：将成型后的板材进行烘干后处理,真空烘箱干燥，温度为55℃，真空度-0.15MPa；
步骤四：将板材进行收卷成盘，切割打包。
对比例
对比例以实施例1为基础，区别在于，对比例1中不包括碳酸钙，对比例2中不包括增效剂。
实施例1-5发明与对比例的实验结果
项目
密度(g/cm<sup>3</sup>)
拉伸强度(MPa)
刚度(MPa)
实施例1
1.61
1670
305
实施例2
1.71
1680
310
实施例3
1.62
1655
302
实施例4
1.67
1690
308
实施例5
1.65
1675
311
实施例6
1.63
1685
306
对比例1
1.60
1500
280
对比例2
1.82
1450
250
实施例1-6发明密度小，均在1.75g/cm3以下，符合GB/T 30019-2013的要求，同时本发明拉伸强度、刚度也达到了行业标准。对比例1未加入碳酸钙，其密度虽有减小，但其材料性能下降明显。对比例2未加入增效剂，材料拉伸强度性能下降14％，而刚度则下降20％左右，可见碳酸钙、增效剂均对发明的机械性能有着有益效果，同时增效剂能够有效改善材料的密度。综上所述本发明密度低于1.75g/cm3，拉伸强度＞1650MPa，刚度＞300GPa，性能优异，具有较强的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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