復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包含數(shù)個含熱固性樹脂的元件(1)和數(shù)個熱塑性元件(2)和至少一個在含熱固性樹脂的元件(1)與熱塑性元件(2)之間的界面(3)，其中含熱固性樹脂的元件(1)和熱塑性元件(2)在界面(3)處包含在固化所述復(fù)合結(jié)構(gòu)時互相鍵合的官能團，且所述官能團在它們的未鍵合狀態(tài)下獨立地選自胺、羧酸、酸酐、環(huán)氧乙烷類及其衍生物。另外，本發(fā)明描述了包含這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的葉片。
【專利說明】復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0001]本發(fā)明描述了基于數(shù)個熱固性樹脂元件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是用在葉片中，例如作為風力渦輪機系統(tǒng)的一部分的復(fù)合結(jié)構(gòu)，還涉及包含這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)的葉片。
[0002]風力渦輪機系統(tǒng)的葉片傳統(tǒng)上由幾個含纖維增強樹脂的部件制成。通常，葉片一體澆鑄或分幾件澆鑄，例如兩個殼，然后互相膠合。制造含樹脂的部件，如葉片的主要加工方法是真空樹脂注入。另一加工方法是使用已含有樹脂作為基質(zhì)材料的機織或單向玻璃織物的預(yù)浸料還(口1'6口代8)模制。
[0003]為了承受大和反復(fù)的載荷，風力渦輪機葉片傳統(tǒng)上由具有良好機械性質(zhì)的熱固性樹脂制成。因此，典型的含樹脂部件是由互相疊加并組成最終葉片結(jié)構(gòu)的數(shù)個增強樹脂層構(gòu)成的層合材料。通常，選擇葉片材料以向葉片提供高剛性以及抗扭性和抗疲勞性。由于此類葉片的機械性能，通常使用環(huán)氧樹脂，尤其是如果制造大于40或50米的較長葉片。在例如汽車工業(yè)中對復(fù)合結(jié)構(gòu)采用類似的工藝和樹脂材料。
[0004]此類熱固性元件中所用的增強樹脂材料的量使所得部件比相應(yīng)的未增強部件重，其中所用增強材料的量通常取決于機械要求。在專利申請US 2002/01787702 Al中，已經(jīng)提出由熱塑性第一層和第二熱固性層的組合制成的用于汽車用途的復(fù)合部件。由熱塑性材料制成的第一層提供良好表面修飾并降低整體部件重量，而由熱固性樹脂制成的第二層為復(fù)合部件提供良好強度和剛性。熱塑性層和熱固性層通過利用粘合位點(其通過作用于熱塑性樹脂組分的未反應(yīng)的熱固性樹脂組分活化或通過這兩種樹脂機械滲透薄多孔層活化)互相粘合。使用苯乙烯基團作為這樣的活性位點。
[0005]在風力渦輪機葉片領(lǐng)域中也考慮如汽車應(yīng)用領(lǐng)域中所述的將一些熱塑性元件并入復(fù)合結(jié)構(gòu)中。為了提高加工能力或為了實現(xiàn)該元件在層合材料應(yīng)用中的效用而做出這些考慮。
[0006]但是，在風力渦輪機葉片用途中，研究出在一定程度上(最通常不利地)影響包含熱塑性和熱固性樹脂的層合材料的所得機械性質(zhì)。這主要由熱塑性材料的較差材料性質(zhì)或熱塑性與熱固性樹脂層之間的較差界面性質(zhì)造成。因此，如果使用這樣的復(fù)合材料，盡可能降低該復(fù)合結(jié)構(gòu)中熱塑性材料的量。
[0007]因此本發(fā)明的一個目的是克服包含熱固性樹脂元件和熱塑性元件的常見復(fù)合結(jié)構(gòu)的上述缺點，尤其是改進這種復(fù)合材料的機械性質(zhì)。
[0008]通過根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合結(jié)構(gòu)和根據(jù)權(quán)利要求7的葉片實現(xiàn)這一目的。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，該復(fù)合結(jié)構(gòu)包含多個含熱固性樹脂的元件和多個熱塑性元件和至少一個在含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件之間的界面。“數(shù)個”在本發(fā)明背景中是指在該結(jié)構(gòu)中包含一個或更多個，例如至少兩個、多于兩個或多個相同類型的元件，即含熱塑性或熱固性樹脂的元件。它們可以互相緊鄰布置或不同類型以相繼次序布置，如熱塑性元件和含熱固性樹脂的元件的堆疊層合材料。因此，在本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)中包含一個或多個分別在含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件之間的界面。
[0010]由于含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件在界面處的接合對該復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)至關(guān)重要，含熱固性樹脂的元件和熱塑性元件在界面處包含在固化或硬化該復(fù)合結(jié)構(gòu)時互相鍵合的官能團。通過引入熱塑性材料(特別是樹脂材料)或熱固性樹脂或這兩種材料或樹脂中的可以在彼此之間形成穩(wěn)定鍵的反應(yīng)性基團改進該復(fù)合材料的機械性質(zhì)，例如剛性。
[0011]該官能團具體選自在制造場所對工人無害并在正確處理不同樹脂材料時不提高工作相關(guān)危險的化學基團。更特別地，術(shù)語“無害”是指該官能團通常被認為很可能無害，例如如果它們以在熱塑性元件中的“稀釋”形式處理或在受控條件下用于制造這種元件?？梢霕渲械氖纠缘墓倌軋F在它們的未鍵合狀態(tài)下獨立地選自胺、羧酸、酸酐、環(huán)氧乙烷類及其衍生物。相應(yīng)地，上述官能團與要接合的元件中的分別對應(yīng)基團反應(yīng)以使它們不再以它們的未鍵合或固化狀態(tài)存在于最終產(chǎn)品中。在最終產(chǎn)品中，基本存在各自生成的反應(yīng)基團，而未反應(yīng)的基團僅以無關(guān)緊要的量作為副產(chǎn)物存在。
[0012]將上文例舉的官能團并入熱塑性元件和/或含熱固性樹脂的元件中的一個優(yōu)點在于，它們很可能對工人無害或無毒或可以在沒有大量安全措施的情況下處理。這些基團中的任一種可以結(jié)合到各樹脂元件中的樹脂組分或輔助組分上或可以選擇它們以使這些官能團中的兩個互相結(jié)合，由此將含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件接合。
[0013]在本發(fā)明的另一方面中，提供包含上文已描述的本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的葉片。這種葉片優(yōu)于現(xiàn)有葉片技術(shù)，因為現(xiàn)在可以將熱塑性元件包含到熱固性樹脂結(jié)構(gòu)中或在葉片表面提供熱塑性部件。在這兩種選擇中，熱塑性元件都借助在至少含熱固性樹脂的元件中的樹脂固化過程中由各自的官能團生成的共價鍵接合到含熱固性樹脂的元件上。可以在層合結(jié)構(gòu)內(nèi)以例如片或箔形式提供熱塑性元件。因此，通過引入顯著量的熱塑性元件，可以以寬泛的方式調(diào)節(jié)主要由含熱固性樹脂的元件構(gòu)成的葉片的機械性質(zhì)，同時為該結(jié)構(gòu)增加僅使用熱固性樹脂組分極難或不可能引入最終產(chǎn)品中的其它性質(zhì)。如果在葉片表面提供熱塑性元件，可以在葉片制造過程中安裝用于改進葉片的空氣動力學或為葉片提供額外功能的特殊元件。通常，使用根據(jù)本發(fā)明的一般概念的特定官能團提供含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件之間界面處的高接合強度。
[0014]通過如下列說明書中揭示的從屬權(quán)利要求給出本發(fā)明的特別有利的實施方案和特征。不同權(quán)利要求類別的特征可以酌情結(jié)合以提供本文中沒有明確描述但由所述優(yōu)選實施方案的上下文容易推導(dǎo)出的另一些實施方案。
[0015]在一個優(yōu)選實施方案中，該復(fù)合結(jié)構(gòu)包含含熱固性樹脂的元件，所述含熱固性樹脂的元件包含由至少一種含樹脂的組分和至少一種硬化劑(例如一種樹脂組分與兩種硬化劑一起)構(gòu)成的雙或三組分體系，其中該硬化劑在它們的混合物中不穩(wěn)定。當使用雙或三組分體系時，熱塑性元件的官能團結(jié)合到樹脂組分上或結(jié)合到硬化劑組分上?；蛘撸梢哉{(diào)節(jié)官能團以使它們可結(jié)合到這兩種組分——樹脂組分和硬化劑上，以改進含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件之間的接合。如果在最終產(chǎn)品中的界面處生成每表面積較大數(shù)量的鍵或兩種或更多種不同類型的鍵，該接合較強。從節(jié)省成本的角度看，如果通常在元件之一，例如熱塑性元件處提供官能團并具有鍵合到另一樹脂元件(在這種情況中是例如含熱固性樹脂的元件)的樹脂組分或硬化劑上的功能，則更容易并且足夠。這允許特別僅為一種樹脂元件提供特定官能團，而另一元件在它們的一般結(jié)構(gòu)中或在它們的一般結(jié)構(gòu)的一部分中具有該官能團的各自對應(yīng)部分。
[0016]如上所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)中所用的含樹脂的組分優(yōu)選包含環(huán)氧樹脂作為熱固性樹脂材料。環(huán)氧樹脂的優(yōu)點在于，該單體、低聚物或聚合的部分結(jié)構(gòu)，如其side changes中存在的環(huán)氧基包含可與胺、羧酸和酸酐反應(yīng)的環(huán)氧基或殘留環(huán)氧基。如果在熱固性樹脂元件中使用環(huán)氧樹脂，由環(huán)氧部分和硬化劑部分構(gòu)成的雙組分體系是優(yōu)選的。該硬化劑有利地基于胺或包含不同的胺。優(yōu)選使用足以固化環(huán)氧樹脂并任選為熱固性樹脂元件提供額外功能的量的硬化劑。此外，所用樹脂材料和所用硬化劑通常在高于室溫的溫度下是反應(yīng)性的以使熱固性樹脂元件在室溫下容易操作并可以在升高的溫度下，例如高于50° C，優(yōu)選在50至120° C下固化。所用樹脂和硬化劑可購自若干供應(yīng)商并且是技術(shù)人員公知的。
[0017]因此，本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括包含可與樹脂組分或與硬化劑反應(yīng)的官能團的熱塑性元件。在環(huán)氧樹脂作為含熱固性樹脂的元件中的熱固性樹脂組分的情況下，有利地為熱塑性元件提供官能團，包括但不限于，胺、羧酸和酸酐。在環(huán)氧樹脂混合物中，硬化劑優(yōu)選基于胺。因此，與環(huán)氧硬化劑反應(yīng)的官能團的優(yōu)選實例包括，但不限于，環(huán)氧乙烷類、羧酸及其衍生物。
[0018]如上文例舉的官能團或材料提供熱塑性元件與含熱固性樹脂的元件之間的化學鍵以確保改進的界面強度。該化學鍵是提供這兩種元件之間的最佳接合強度的共價鍵。該鍵完全避免或至少顯著降低在現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的各元件在其界面處的層離危險。
[0019]含熱固性樹脂的元件和熱塑性元件可帶有反應(yīng)性部分，優(yōu)選在它們的表面處，以使反應(yīng)性部分包含如上文規(guī)定的官能團。如果在元件表面提供官能團，它們?nèi)菀壮蔬f給要與其接合的元件的反應(yīng)性對應(yīng)部分?？梢栽跇渲?，例如在樹脂單體、低聚物或聚合物的側(cè)鏈中或在硬化劑中固有地提供含官能團的反應(yīng)性部分。或者，可以通過不同技術(shù)，例如通過形成共聚物、互穿網(wǎng)絡(luò)、配混或表面改性在樹脂元件結(jié)構(gòu)中或在其表面引入它們。
[0020]根據(jù)另一優(yōu)選實施方案的復(fù)合結(jié)構(gòu)包含兩個或更多個含熱固性樹脂的元件和一個或更多個熱塑性元件的層合材料。層合材料在本發(fā)明背景中是指含熱固性樹脂的元件層和熱塑性元件層彼此緊鄰布置，接著緊鄰熱塑性元件層布置至少另外的含熱固性樹脂的元件層。因此，層合材料包含至少兩個在含熱固性樹脂的元件與熱塑性元件之間的界面。當然，在層合材料中可以提供多于三個樹脂層以提供含熱固性樹脂的元件層和熱塑性元件層的連續(xù)堆疊體。在這種層合材料的各界面，樹脂元件中的官能團在這兩種樹脂元件之間生成化學鍵以改進界面強度和避免使用過程中的層離效應(yīng)。
[0021]該熱固性樹脂元件有利地是由增強結(jié)構(gòu)(如織物)和可能在固化前存在于該元件中(預(yù)浸料法)或可能在固化過程中浸潰(注塑法)的樹脂組分構(gòu)成的增強樹脂元件。就本發(fā)明而言，織物是增強樹脂元件的纖維層。該層包含縫合或機織纖維或包含置于一起的獨立纖維。優(yōu)選用于復(fù)合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其用于風力技術(shù)葉片的示例性纖維是玻璃纖維，如e-玻璃或高模量玻璃纖維。
[0022]在本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的另一實施方案中，在熱固性樹脂元件的表面布置熱塑性元件。這一實施方案能夠在熱固性樹脂元件的表面區(qū)域處添加主要由熱塑性材料制成的結(jié)構(gòu)部件。通過在未固化的復(fù)合結(jié)構(gòu)中使用官能團，該結(jié)構(gòu)部件可借助化學鍵接合到熱固性樹脂上以改進界面強度。由此，可以實現(xiàn)基于熱塑性元件和含熱固性樹脂的元件的組合的新的層合性質(zhì)，同時可以改進或確保制造場所的工人安全。這些有利的機械性質(zhì)和制造簡易性使本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)可用作葉片，尤其是作為風力渦輪機系統(tǒng)的一部分的葉片。界面的高強度和可靠性能夠制造具有更好性能，例如更好的空氣動力學分布的葉片。
[0023]此外，可以制造在葉片表面具有附加元件的葉片，即使該附加元件至少部分包含熱塑性材料或主要由熱塑性材料制成，以例如為這種附加元件提供充足的撓性。在這種情況中，本發(fā)明的葉片優(yōu)選包含熱塑性元件作為這種附加元件，其中該熱塑性元件是空氣動力學改良元件的一部分。這樣的元件是現(xiàn)有葉片技術(shù)中已知的，例如作為DinoShells(Siemens 的商標)、DinoTails (Siemens 的商標)或潤流發(fā)生器。DinoTails、DinoShells和渦流發(fā)生器是使葉片更有效的附加元件，因為它們相對于粗糙度敏感性而言使空氣動力學性能和穩(wěn)固性最大化。
[0024]DinoTails是單獨的翼片，形狀像劍龍的尾翼，它們通?？拷~梢布置以使葉片更安靜并增強起重性能。
[0025]DinoShells是從賽車中獲知的翼片與普通翼片的組合。它們通常具有重疊貝殼結(jié)構(gòu)。因此，它們是附加在葉片表面的后緣附近的固定控制表面以提高起重能力，尤其是在最靠近輪轂(hub)的葉片厚部上。
[0026]渦流發(fā)生器是設(shè)計成改進風力渦輪機葉片上的空氣流的空氣動力渦輪機。它們通常增強葉片的空氣動力學性能并通常用在最靠近輪轂的葉片部分上。
[0027]當然，上述復(fù)合結(jié)構(gòu)在葉片中的應(yīng)用不限于上述具體實施方案，而是可用于在葉片中或葉片表面上增加附加的空氣動力學元件。
[0028]從聯(lián)系附圖考慮的下列詳述中可看出本發(fā)明的其它目的和特征。但是，要理解的是，附圖僅用于圖解而非規(guī)定本發(fā)明的界限。
[0029]圖1顯示根據(jù)圖1的復(fù)合結(jié)構(gòu)在組裝熱固性樹脂元件和熱塑性元件前的狀態(tài)下的橫截面示意圖；
圖2顯示本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)在組裝和固化后的狀態(tài)下的橫截面示意圖；
圖3顯示復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖和在固化過程中在其界面處發(fā)生的化學反應(yīng)。
[0030]在圖中，類似數(shù)字在各處是指類似物體。圖中的物體不一定按比例繪制。
[0031]圖1顯示本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)在組裝含熱固性樹脂的元件I和熱塑性元件2前的狀態(tài)下的橫截面示意圖。該復(fù)合結(jié)構(gòu)包含兩個含熱固性樹脂的元件1，各自由以平行構(gòu)造互相疊放的數(shù)個織物層構(gòu)成以構(gòu)造這兩個熱固性樹脂元件?？椢飳涌梢杂删哂谢驔]有熱固性樹脂含量的織物形成。如果織物仍含有熱固性樹脂含量，它們通常被稱作預(yù)浸料坯?；蛘?，可以將織物層與熱塑性元件布置在一起，然后用熱固性樹脂浸潰。這被稱作樹脂注入法。當然，這兩種方法可以結(jié)合。
[0032]可以在進行固化前在兩個含熱固性樹脂的元件I之間布置熱塑性元件2。這種情況顯示在圖1中。
[0033]圖2顯示根據(jù)圖1的復(fù)合結(jié)構(gòu)在通過預(yù)浸料法或樹脂注入法組裝和固化后的狀態(tài)下的橫截面示意圖。所得復(fù)合結(jié)構(gòu)在兩個含熱固性樹脂的元件I之間包含熱塑性元件2，它們此時在含熱固性樹脂的元件I與熱塑性元件2之間的界面3處通過強鍵接合。由固化反應(yīng)生成的鍵是固化前存在于含熱固性樹脂的元件I與熱塑性元件2之間的界面3處的官能團之間的共價鍵。因此，這兩個含熱固性樹脂的元件I借助它們之間的熱塑性元件2牢固固定。
[0034]圖3顯示復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖和在固化過程中在含熱固性樹脂的元件I與熱塑性元件2之間的界面3處發(fā)生的化學反應(yīng)。在圖3中，已示例性顯示在其側(cè)鏈上具有胺基的熱塑性元件2與含熱固性樹脂的元件I (例如包含具有含環(huán)氧官能團的殘留側(cè)鏈的環(huán)氧樹脂的元件)的環(huán)氧基的反應(yīng)。
[0035]技術(shù)人員從上文的描述中獲知可以對官能團作出各種改變。例如，可以改變該基團并容易在熱固性樹脂元件表面提供胺官能團，例如通過使用胺硬化劑。
[0036]盡管已經(jīng)以優(yōu)選實施方案及其變體形式公開了本發(fā)明，但要理解的是，可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下對其作出許多附加的修改和變化。為清楚起見，要理解的是，本申請中通篇中“一”的使用不排除復(fù)數(shù)，“包含”不排除其它步驟或元件。
【權(quán)利要求】
1.復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包含數(shù)個含熱固性樹脂的元件(I)和數(shù)個熱塑性元件(2)和至少一個在含熱固性樹脂的元件(I)與熱塑性元件(2)之間的界面(3)，其中含熱固性樹脂的元件(I)和熱塑性元件(2)在界面(3)處包含在固化所述復(fù)合結(jié)構(gòu)時互相鍵合的官能團，且所述官能團在它們的未鍵合狀態(tài)下獨立地選自胺、羧酸、酸酐、環(huán)氧乙烷類及其衍生物。
2.根據(jù)權(quán)利要I的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中含熱固性樹脂的元件(I)包含由至少一種樹脂組分和至少一種硬化劑構(gòu)成的雙或三組分體系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述樹脂組分包含環(huán)氧樹脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3任一項的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中熱塑性元件(2)包含可與樹脂組分或與硬化劑反應(yīng)的官能團。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包含兩個或更多個含熱固性樹脂的元件(I)和一個或多個熱塑性元件(2)的層合材料。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求1至4任一項的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中在含熱固性樹脂的元件(I)的表面布置熱塑性元件(2)。
7.包含根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的復(fù)合結(jié)構(gòu)的葉片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的葉片，其中所述葉片是風力渦輪機系統(tǒng)的一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的葉片，其中熱塑性元件(2)是空氣動力學改良元件的一部分。
【文檔編號】B32B27/38GK104070709SQ201410121412
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】P.A.L.雅各布森, P.凱貝倫 申請人:西門子公司