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PET泡沫、PVC泡沫、巴沙木,三大風電葉片芯材對比

2023-11-15 來源:云奇新材料 瀏覽數:1079

風電產業上游材料中,葉片是最昂貴也是最重要的部件,其成本約占風力發電系統總成本的20%-30%。從風電葉片結構來看,主要由增強

風電產業上游材料中,葉片是最昂貴也是最重要的部件,其成本約占風力發電系統總成本的20%-30%。

從風電葉片結構來看,主要由增強材料(梁)、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結構膠組成。

風電葉片的材料組成結構

(圖源:科學大院)

在風電葉片應用中,結構芯材是風電葉片的關鍵材料,可以極大程度保證層合板的穩定性,在提升葉片結構的強度和剛度的同時,減輕葉片重量,防止局部失穩,進一步提高整個葉片的抗沖擊和抗載荷能力。

風電芯材成本僅次于碳纖維、玻璃纖維,占風電葉片總成本的25%以上。

實現輕質結構芯材的穩定供應和自給自足,對我國風能行業持續健康快速發展至關重要。

目前在風電葉片中所使用的夾芯材料,主要包括巴沙木、PVC 泡沫、PET泡沫等。

三大風電葉片芯材對比

PET泡沫、PVC泡沫、巴沙木

據10月31日國家能源局2023年四季度新聞發布會消息,截至2023年9月底,全國風電裝機4億千瓦。2023年前三季度,風電新增裝機3348萬千瓦。

風電裝機規模不斷實現新突破,帶動風電葉片材料用量提升。在夾芯材料領域,巴沙木供給受限,PVC 泡沫已實現國產化,PET 泡沫亟待國內突破。

01 PET泡沫是什么

PET泡沫,又稱滌綸樹脂,是一種采用特定發泡技術制成的發泡材料。主要成分是聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate)。

PET泡沫是一類閉孔熱塑料結構泡沫,具有良好的剪切性能、壓縮強度,因此常用于夾層結構材料芯材,被廣泛應用于建筑、車輛、軌道交通、風電、運動器材等領域。

(圖源:發泡者聯盟)

02 PVC泡沫是什么

PVC泡沫,又稱閉孔聚氯乙烯泡沫材料,以聚氯乙烯樹脂為主要原材料,加入高分子改性劑、發泡劑等輔助材料制成。

PVC泡沫是一種閉孔型柔軟的泡體,具有良好的沖擊吸收性和機械性能,是高性能夾層結構最常用的芯材之一,被廣泛應用于風電葉片、船舶游艇、車輛、航空航天、軌道交通等領域。

目前 PVC泡沫在風電葉片領域市場普遍使用型號有 60kg/ m?、80kg/m3 等,其中以 60kg/m3最多。

(圖源: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),又稱輕木,是世界上最輕的商品用材樹種。巴沙木這種木棉科天然木材,分布在熱帶國家的低海拔地區,全球90%以上的巴沙木都來自厄瓜多爾。

巴沙木的木材質地雖輕,但結構卻很牢固,具有低密度、高強度、隔音、隔熱等性能,被廣泛應用于風電葉片、航空航天、航海等領域。

(圖源:中信證券研究)

1

夾芯材料的物理性能

PET泡沫已具備替代傳統葉片夾層材料PVC泡沫的條件。

PET泡沫具有良好的耐高溫性,在加工過程中可以短時間承受150℃左右的溫度,在使用壽命內則可長時間承受100℃左右的溫度。

而PVC泡沫的工藝溫度在-240℃~100℃,長期承受溫度在-240℃~80℃,PVC的變色很有可能出現碳化的現象,嚴重可導致芯材燒焦,造成葉片報廢。

PET泡沫具備高剛性和抗疲勞性能,且力學性能優于PVC泡沫。在葉片局部可以替代PVC泡沫,還可替代部分巴沙木,保證結構強度與性能長期穩定的條件下,實現輕量化的設計。

而巴沙木材料的密度范圍在135-175kg/m?,是三種材料中密度最大的,選用時急需考慮其對風電葉片重量的影響。

PET泡沫具備良好的耐腐蝕性、耐油性,對二氧化碳、水汽、部分化學溶劑有良好的阻隔性。使其在極端暴雨、冰凍、暴雪天氣下,性能依然穩定。

(圖源:越科公司)

2

夾芯材料的環保問題

巴沙木是一種天然木材,屬于環境友好型材料。泡沫均是人工制造的高分子聚合物材料,PVC泡沫屬于熱固性聚合物;PET泡沫屬于熱塑性聚合物。

熱固性聚合物屬于“一次性”產品,且在制造、使用及廢棄處理時,都會產生一定程度的環境污染問題。

熱塑性聚合物是可循環利用的環保材料。在生產過程中,PET泡沫的邊角料、切屑都可以重新利用制造新的材料。

3

夾芯材料的工藝可操作性

PET泡沫良好的泡孔結構有利于加工,適用于所有樹脂體系與工藝技術。

通過熱成形,可以實現復雜的形體結構,且在加熱狀態下,熱穩定性良好、生產效率高、廢品率低,有效減少污染、降低生產成本。

PET泡沫還具有優異的閉孔結構,在灌注成型中對樹脂的吸收量更低,有助于降低葉片生產成本。

PVC泡沫短期耐高溫較低,受樹脂放熱峰及模具加熱工藝影響較大。

(圖源:國高材產業創新中心)

4

總結

綜上所述,國內市場應用最多的PVC泡沫,存在高溫固化燒焦與難以回收利用的問題。

巴沙木材料依靠進口,供應不穩定,且市場價格走高,隨著葉片大型化發展,將進一步加劇巴沙木的供需不平問題。

這兩種夾芯材料都不是輔助風電葉片走向大型化、輕量化的最優解。

北京化工大學博導何亞東教授曾表示:“PET為熱塑性材料,具有可回收和重復利用等特點,是葉片中最具發展潛力和前景的輕質結構芯材,全PET芯材葉片是風電技術的重要發展趨勢?!?/p>

PET泡沫的綜合性能優越,屬于熱塑性材料可以循環利用、性價比高,是未來芯材發展的方向。

我國風電行業正在淘汰落后產能,促進產業整合,提高技術和效率,這為PET泡沫芯材產業帶來了絕佳機會。相信在市場需求的刺激下,能夠盡快突破PET發泡工藝、專業設備等生產壁壘,推動PET泡沫產業化發展。


閱讀上文 >> 風力發電不能直接使用,如何并網輸送?
閱讀下文 >> “黑色黃金”碳纖維,為什么不“香”了?該如何破局?

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