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PET泡沫、PVC泡沫、巴沙木,三大风电叶片芯材对比

2023-11-15 来源:云奇新材料 浏览数:1136

风电产业上游材料中,叶片是最昂贵也是最重要的部件,其成本约占风力发电系统总成本的20%-30%。从风电叶片结构来看,主要由增强

风电产业上游材料中,叶片是最昂贵也是最重要的部件,其成本约占风力发电系统总成本的20%-30%。

从风电叶片结构来看,主要由增强材料(梁)、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成。

风电叶片的材料组成结构

(图源:科学大院)

在风电叶片应用中,结构芯材是风电叶片的关键材料,可以极大程度保证层合板的稳定性,在提升叶片结构的强度和刚度的同时,减轻叶片重量,防止局部失稳,进一步提高整个叶片的抗冲击和抗载荷能力。

风电芯材成本仅次于碳纤维、玻璃纤维,占风电叶片总成本的25%以上。

实现轻质结构芯材的稳定供应和自给自足,对我国风能行业持续健康快速发展至关重要。

目前在风电叶片中所使用的夹芯材料,主要包括巴沙木、PVC 泡沫、PET泡沫等。

三大风电叶片芯材对比

PET泡沫、PVC泡沫、巴沙木

据10月31日国家能源局2023年四季度新闻发布会消息,截至2023年9月底,全国风电装机4亿千瓦。2023年前三季度,风电新增装机3348万千瓦。

风电装机规模不断实现新突破,带动风电叶片材料用量提升。在夹芯材料领域,巴沙木供给受限,PVC 泡沫已实现国产化,PET 泡沫亟待国内突破。

01 PET泡沫是什么

PET泡沫,又称涤纶树脂,是一种采用特定发泡技术制成的发泡材料。主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate)。

PET泡沫是一类闭孔热塑料结构泡沫,具有良好的剪切性能、压缩强度,因此常用于夹层结构材料芯材,被广泛应用于建筑、车辆、轨道交通、风电、运动器材等领域。

(图源:发泡者联盟)

02 PVC泡沫是什么

PVC泡沫,又称闭孔聚氯乙烯泡沫材料,以聚氯乙烯树脂为主要原材料,加入高分子改性剂、发泡剂等辅助材料制成。

PVC泡沫是一种闭孔型柔软的泡体,具有良好的冲击吸收性和机械性能,是高性能夹层结构最常用的芯材之一,被广泛应用于风电叶片、船舶游艇、车辆、航空航天、轨道交通等领域。

目前 PVC泡沫在风电叶片领域市场普遍使用型号有 60kg/ m?、80kg/m3 等,其中以 60kg/m³最多。

(图源:常州天晟新材料股份有限公司)

03 巴沙木是什么

巴沙木(Balsa Wood),又称轻木,是世界上最轻的商品用材树种。巴沙木这种木棉科天然木材,分布在热带国家的低海拔地区,全球90%以上的巴沙木都来自厄瓜多尔。

巴沙木的木材质地虽轻,但结构却很牢固,具有低密度、高强度、隔音、隔热等性能,被广泛应用于风电叶片、航空航天、航海等领域。

(图源:中信证券研究)

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夹芯材料的物理性能

PET泡沫已具备替代传统叶片夹层材料PVC泡沫的条件。

PET泡沫具有良好的耐高温性,在加工过程中可以短时间承受150℃左右的温度,在使用寿命内则可长时间承受100℃左右的温度。

而PVC泡沫的工艺温度在-240℃~100℃,长期承受温度在-240℃~80℃,PVC的变色很有可能出现碳化的现象,严重可导致芯材烧焦,造成叶片报废。

PET泡沫具备高刚性和抗疲劳性能,且力学性能优于PVC泡沫。在叶片局部可以替代PVC泡沫,还可替代部分巴沙木,保证结构强度与性能长期稳定的条件下,实现轻量化的设计。

而巴沙木材料的密度范围在135-175kg/m?,是三种材料中密度最大的,选用时急需考虑其对风电叶片重量的影响。

PET泡沫具备良好的耐腐蚀性、耐油性,对二氧化碳、水汽、部分化学溶剂有良好的阻隔性。使其在极端暴雨、冰冻、暴雪天气下,性能依然稳定。

(图源:越科公司)

2

夹芯材料的环保问题

巴沙木是一种天然木材,属于环境友好型材料。泡沫均是人工制造的高分子聚合物材料,PVC泡沫属于热固性聚合物;PET泡沫属于热塑性聚合物。

热固性聚合物属于“一次性”产品,且在制造、使用及废弃处理时,都会产生一定程度的环境污染问题。

热塑性聚合物是可循环利用的环保材料。在生产过程中,PET泡沫的边角料、切屑都可以重新利用制造新的材料。

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夹芯材料的工艺可操作性

PET泡沫良好的泡孔结构有利于加工,适用于所有树脂体系与工艺技术。

通过热成形,可以实现复杂的形体结构,且在加热状态下,热稳定性良好、生产效率高、废品率低,有效减少污染、降低生产成本。

PET泡沫还具有优异的闭孔结构,在灌注成型中对树脂的吸收量更低,有助于降低叶片生产成本。

PVC泡沫短期耐高温较低,受树脂放热峰及模具加热工艺影响较大。

(图源:国高材产业创新中心)

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总结

综上所述,国内市场应用最多的PVC泡沫,存在高温固化烧焦与难以回收利用的问题。

巴沙木材料依靠进口,供应不稳定,且市场价格走高,随着叶片大型化发展,将进一步加剧巴沙木的供需不平问题。

这两种夹芯材料都不是辅助风电叶片走向大型化、轻量化的最优解。

北京化工大学博导何亚东教授曾表示:“PET为热塑性材料,具有可回收和重复利用等特点,是叶片中最具发展潜力和前景的轻质结构芯材,全PET芯材叶片是风电技术的重要发展趋势。”

PET泡沫的综合性能优越,属于热塑性材料可以循环利用、性价比高,是未来芯材发展的方向。

我国风电行业正在淘汰落后产能,促进产业整合,提高技术和效率,这为PET泡沫芯材产业带来了绝佳机会。相信在市场需求的刺激下,能够尽快突破PET发泡工艺、专业设备等生产壁垒,推动PET泡沫产业化发展。


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