國內高性能玻纖開發主要面向風葉市場,完成一件風機葉片涉及到一系列解決方案:①高性能玻璃纖維 ②高性能玻璃纖維表面處理 ③高性能玻璃纖維多軸向織物 ④與高性能玻纖維匹配的合成樹脂 ⑤結構泡沫在夾層結構的應用 ⑥RTM抽真空灌注成型工藝 ⑦葉片模具制造。這里著重闡述多軸向織物、高性能樹脂和成型工藝。
大型兆瓦級葉片制造技術采用的主要增強材料為多軸向經編織物,這種織物的紗線層能按照特定方向伸直取向,故每根纖維力學理論值的利用率幾乎能達到100%。多軸向織物實質上是一種多層織物,纖維鋪設在面內不同方向(襯紗系統)及沿度方向(綁縛系統),從而形成由纖維束構成的三維網絡整體結構。這種結構空隙率小,纖維含量高,適合加工復雜曲面;此外,織物纖維中容易形成通道,減小了浸潤滲透壓力,起到了樹脂滲透速度快、分布均勻。多軸向在經編織物改革上因有極大的靈活性和各向同性的適應性,所以,在縱、橫、斜方向都能承受極強的抗力。風機葉片在經受風的大小和方向、溫差變化大的極不穩定的苛刻自然環境,選擇多軸向織物是最理想的增強材料。
作為葉片用合成樹脂,主要有環氧樹脂、環氧乙烯基酯樹脂和高性能不飽和聚酯樹脂。由于我國風機葉片制造起步全部沿用國外設計技術,因此,前幾年國內葉片制造業90%采用環氧樹脂調和液,全球葉片領頭羊丹麥LM公司,通過自主獨立設計,在不同長度兆瓦級葉片上采用了環氧乙烯基酯樹脂和不飽和聚酯樹脂,其在歐美和中國的合作伙伴為亞什蘭和DSM公司。隨著整機的制造成本下降,葉片材料也面臨低成本的材料選擇。臺灣上緯、臺灣長興、上海華昌先后推出了用于葉片制造的環氧乙烯基酯樹脂。據有關信息,歐洲DSM公司與經過選擇的重要合作伙伴葉片設計公司GlobalBladeTechnology進行了應用試驗合作,開發了可用于制造500千瓦甚至5MW和6MW,長度超過60M風機葉片的高性能不飽和聚酯樹脂 SynoliteTM1790-G-3。這一類樹脂的市場化,必將改變單一用環氧樹脂的依賴性,引起整個葉片制造業的降本增效。據DSM公司透露,實踐已證明可用來制造3.5兆瓦,超過45M的風機葉片。
大型兆瓦級葉片成型是采用抽真空灌注成型工藝。這個工藝是從最早的RTM(對模)工藝發展起來的,適合于大型制件制作。采用這種工藝,孔隙率低,纖維含量高和良好的玻璃鋼強度和剛性。抽真空灌注成型工藝與傳統敞開式手糊成型相比,鋪放簡單,節省時間50%,樹脂浪費率低于5%,加工過程中,苯乙烯揮發物逸出降低90%;與手糊玻璃鋼相比,制品剛強度大大提高,纖維體積比可高達60%。在一些葉片制造業和船艇制造業,已開始由濕法灌注向預浸料工藝進展,這種工藝,對制品質量、均勻的力學性能更有保證,制程的時間更短。在國內,高性能玻纖以軟質和硬質紗的形式,機械成型玻璃鋼壓力容器、管道、海洋工程平臺等,因各類工程的需求,用高性能玻纖置換E玻維的市場悄悄走來。
三、高性能玻璃纖維持續開發任重道遠
高性能玻璃纖維的開發與傳統玻璃纖維相比具有更好的技術效益、經濟效益和環境效益。技術效益主要指高性能玻纖的出現,帶來更高、更多的發展空間,帶來各行各業采用高新玻璃鋼復合材料而實現低碳經濟。例如,重化工防腐、煙氣脫硫、脫氮領域、軌道交通、智能電力電器、節能建筑、航天航空及軍工等。例如,我國目前高性能玻纖增強擠拉橋面板出口到歐洲,用高性能玻纖增強的SMC道路井蓋出口到歐洲、用高性能纖維開發的電桿、燈桿出口海外,光纜增強芯用高性能纖維已成為成熟產品走向海外。此外,我國艦艇市場將蘊伏著對高性能纖維的巨大需求,一批功能型工作船艇如交通執法艇、快艇、邊防巡邏艇、小型潛水艇、豪華游艇、賽艇、救生艇等的制造將全面采用抽真空灌注工藝,從而使玻璃鋼船艇的自重更輕、強度更高、航速更快、更經濟、更低碳。
高性能玻纖的開發,帶來的經濟效益是巨大的,從自身來講,玻璃熔制采用純氧燃燒,不僅節約燃料和用電,而且大大減少氮氧化物的排放和對環境的污染。據河北金牛公司提供數據,純氧助燃比空氣助燃節約燃料50%以上,節省用電101萬千瓦時/年,原絲總產量由4.5萬噸/年提高到5.5萬噸/年。
高性能玻纖持續開發獲得的環境效益是多方面的,據OCV對40座全氧燃燒的玻璃熔窯測試數據來看,由于玻璃成分中不含硼、氟材料,玻璃熔制中硼化物揮發得以避免,也減輕了對耐火材料的侵蝕;窯爐采用純氧燃燒技術,使廢氣排放中的氮氧化物可降低85%以上,鋁硼硅酸鹽玻璃配合料粉塵可降低30-50%,而且綜合設備投資及生產維修費用相對較低。
科學無止境,實踐出真知。我們在現有不斷創新的基礎上,通過玻璃成分、表面處理、爐窯結構、漏板結構的一系列技術設計,加快推進高性能玻璃纖維向多功能、多品種發展大有奔頭,并以此贏來更多的高端市場。高性能玻璃纖維的持續開發,縮短了與當前高的性能纖維性能差距,并在玻璃纖維的特性得到了更大的發揮;此外,還具有與高性能纖維性價比的優勢,使我們繼續保持民用產品領域的巨大市場。據有有關信息了解,2010年我國內需玻璃鋼復合材料用玻璃纖維產量達到160多萬噸;高性能玻纖需求達到24萬噸左右。(本刊收集編寫)