风电叶片用国产化VAP膜的工艺性能研究

张洪铭，贾宇婷，刘鲜红，王伟伟

东方电气（天津）风电叶片工程有限公司 天津 300480

0 引 言

在“双碳”战略目标下，风电行业发展迅速，风力发电机组功率越来越大，叶片作为风电机组的重要配套部件，其长度也越来越长，重量越来越大。为了保证在极端风载下叶尖不触碰塔架，叶片必须有一定的刚度，因此，碳纤维、高模量玻纤等高强度的织物成为制造叶片重点部件的关键材料，以满足大叶片的结构需求［1］。风电叶片成型主要采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺［2］，真空灌注成型技术是通过真空泵推出模具型腔纤维增强体中的空气，使纤维增强体处于真空状态，然后利用真空压力将树脂注入模具型腔，使树脂在纤维增强体中流动和渗透，完成树脂浸润纤维增强体，固化得到玻璃钢复合材料［3-4］。部分高模量玻纤织物在真空灌注成型时因织物直径小、流道复杂等原因，导致树脂流动缓慢、不易灌透。VAP 膜是一种可以阻挡树脂并允许气体通过的半透明膜和织物的复合产品，在真空灌注导流系统中不仅能将气泡和挥发性成分在整个过程中连续去除，极大地提高产品性能，更重要的是VAP膜能起到扩充抽气路径的作用，从而增加导流系统中的抽气点，解决部分位置不易灌透的问题。故大叶片成型工艺设计时，通过在真空导流系统中增加VAP膜来确保产品的质量。此前均应用进口VAP膜，但是由于成本压力，开发国产VAP膜至关重要。本研究对国产VAP 膜与进口VAP 膜进行了透气性和透胶性测试分析，并对国产VAP膜开发及性能提出了建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取4 种不同厂家的VAP膜进行对比测试，样品A为进口VAP膜产品，样品B、C、D均为国内厂家的VAP膜产品。根据风电叶片灌注工序对导流系统中VAP膜的性能要求，即重点对VAP膜的透胶性、透气性等材料本体性能进行分析评价。材料基本信息如表1 所示。工艺试验应用灌注树脂为东树260E、266H树脂体系。

表1 4 款不同厂家的VAP膜信息Tab.1 Information of VAP membranes from four different manufacturers

1.2 仪器与设备

膜透气性测试分析仪，济南众测机电设备有限公司；相控阵检测仪，TOPAZ 32/128，ZETEC（美国）。

1.3 透气性测试

定压差法是指通过调节，使试样两侧形成一个恒定的压差，然后测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流流量，并计算透气率。透气率计算公式如式（1）所示：

1.4 透气性测试方法

每种VAP膜使用圆盘取样器分别制取5 个试样，样品直径为12 mm≤D≤71 mm，确保试样整洁光滑，没有褶皱、折痕、污渍等。将试样一面朝上摊平放置在下夹具上，然后将上夹具小心放在试样上，使上、下夹具外边缘对齐，使用气动夹钳将上、下夹具压紧。设置试验参数：VAP 膜正面朝上设定的压差值为15 kPa，时间100 s，试样面积20 cm2；VAP膜反面朝上设定的压差值为20 kPa，时间100 s，试样面积20 cm2。每组测试结束后，记录数据，然后重复上述实验步骤即可。

2 结果与讨论

2.1 透胶性测试

风电叶片灌注成型过程中，主要应用VAP膜透气不透胶的性能，可以扩充抽气路径、增加导流系统中的抽气点，加快树脂流动，以解决部分位置不易灌透的问题。灌注过程中，树脂透过VAP膜的现象称为透胶现象，一旦发生透胶现象，则其抽气孔即被树脂填满再无抽气作用，作为扩充抽气路径的作用随之消失，故VAP膜在灌注过程中不发生透胶现象是其作为风电叶片用VAP膜的基本性能要求之一。本研究采用真空灌注工艺方法，对4 种不同厂家的VAP膜的透胶性进行验证。具体测试结果如图1 所示。

图1 4 种不同厂家的VAP膜灌注后图片Fig.1 Pictures of four VAP membranes from different manufacturers after perfusion

将4 个真空灌注后样件进行解剖观察，结果显示，本次测试的4 家VAP膜均未发生透胶现象，均基本满足风电叶片用VAP膜的基本要求。

2.2 透气性测试

VAP膜在确保不透胶的基本性能后，在风电叶片导流系统中应用时还应关注其透气性，即气体透过VAP膜的效率。VAP膜的透气性越好，表明在叶片灌注过程中VAP膜作为扩充抽气路径的作用越强，即可将气泡、挥发性成分、气体等有效去除，从而提高灌注速率，并确保产品质量。

采用定压差法，对4 款VAP膜进行透气性测试。VAP膜由脱模布和半透膜两部分组成，本研究分别测试VAP膜的正反两面，对比透气率（本研究规定半透膜面为正面，脱模布面为反面）。根据国家标准《纺织品 织物透气性的测定》（GB/T 5453—1997）进行测试［5］，透气率对比结果见表2。

表2 4 种不同VAP膜的透气率对比结果Tab.2 Comparison results of air permeability of four different VAP membranes［L/（m2·s］

由表2 数据可知：半透膜面为正面的透气率均优于脱模布面的透气率；国内3 种VAP膜的正反面透气率均略小于进口VAP膜的正面透气率。为了验证能否满足工艺要求，开展工艺试验。

2.3 工艺性验证

选取透气性最差的D 国产化VAP 膜和A 进口VAP膜开展高模量玻纤织物灌注工艺试验，以进一步验证国产化VAP 膜的工艺性能。灌注结束后，撕除辅材检查，两组VAP膜表面均无透胶现象，并且均未发现灌注缺陷，可确定D 的VAP膜满足风电叶片灌注需求。由表3 可知，两组试验灌注时间差距较小，进一步验证了D 国产化VAP 膜与进口VAP 膜工艺性能差距较小。同理，可推断B、C两种透气率高的VAP膜亦满足风电叶片的灌注需求。

表3 不同VAP膜的灌注时间及树脂用量Tab.3 Perfusion time and resin dosage of different VAP membranes

3 结 语

通过上述的对比测试研究可知，国内生产的3 款VAP膜的透胶性和透气性与进口VAP膜的性能相差不大，均可满足风电叶片用VAP对材料的基本工艺性能要求。风电行业平价时代发展进程中，在满足设计、工艺及制造需求基础上，可开发利用成本更低的原材料。■