1 概 述
風(fēng)電屬極具發(fā)展?jié)摿?、發(fā)展最快的可再生能源。“目前，世界最大風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)6MW(葉輪直徑126m，葉片長61.5m)、” [1] 7 MW(GE公司)甚至10 MW(英國正在試制)。[2]風(fēng)力機(jī)葉片起著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的作用，是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件。目前，葉片一般采用環(huán)氧復(fù)合材料(碳纖維或玻纖/環(huán)氧樹脂)加工。隨著風(fēng)電業(yè)的迅猛發(fā)展，葉片的復(fù)合材料[注]消耗量逐年遞增([注]:以環(huán)氧復(fù)合材料為主——筆者注)：以印度風(fēng)力機(jī)葉片的復(fù)合材料消耗量為例(見表1)，2008年為2.596萬t, 2006～2009年的增長率約28%;“我國2007年約7萬t,年增長率約80%”[3]。隨著風(fēng)力機(jī)、樹脂生產(chǎn)實(shí)踐和科技的發(fā)展，環(huán)氧復(fù)合材料除了廣泛用于加工葉片外，還加工葉片的模具和機(jī)艙罩、驅(qū)動(dòng)軸，新近還出現(xiàn)了用于修復(fù)葉片的新趨勢，等等，不一而足——真可謂不可或缺、用途廣矣!
2 制造葉片用環(huán)氧樹脂體系與成型工藝
2.1 環(huán)氧樹脂、預(yù)浸料
乘風(fēng)電業(yè)迅猛發(fā)展的大好形勢，“世界頂級化工公司——德國BASF公司和美國Dow Epoxy System公司，都瞄準(zhǔn)了風(fēng)力機(jī)葉片市場，紛紛競相推出葉片用環(huán)氧復(fù)合材料配套系列產(chǎn)品。”[5]
最近，江蘇泰州市惠利電子材料有限公司與山東大學(xué)合作，研制成環(huán)氧樹脂澆注料——葉片專用樹脂[注]。該材料有7項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過國外同類產(chǎn)品，質(zhì)優(yōu)、價(jià)格低于進(jìn)口貨，今年6月投產(chǎn)，預(yù)計(jì)明年產(chǎn)量達(dá)1 500t/a ([注]：此前，該樹脂我國依賴進(jìn)口)。[21] Risoe DTU公司宣布：幫助中國林業(yè)部門利用竹纖維(bamboo shreds)/環(huán)氧樹脂試制葉片。[6]
AIRSTONE system風(fēng)力機(jī)葉片用環(huán)氧產(chǎn)品(美國Dow Epoxy System公司)的性能好，通過了德國勞埃德(Germanischer Lloyd，GL)認(rèn)證;此外，還有模具用環(huán)氧樹脂、粘結(jié)劑等。其適用的成型工藝很多，如：真空灌注、濕法手糊等。真空灌注用低粘度環(huán)氧樹脂的流動(dòng)性極佳，可改善產(chǎn)品的力學(xué)性能、熱敏性能。該產(chǎn)品可使葉片更強(qiáng)韌、輕質(zhì)、易于生產(chǎn)。另訊：AIRSTONE牌環(huán)氧樹脂、半成品有三種配方：①美國POLY-CARB Inc. 的配方;②美國GNS Technologies的配方;③德國UPPC AG的配方，可用于加工葉片;[2]該公司的Styrofoam牌絕緣材料也可用于加工葉片。[7]
瑞士Gurit公司推出兩種葉片用環(huán)氧預(yù)浸料：①Spar Prog牌單向纖維預(yù)浸料，用于加工氣泡少、質(zhì)量高的厚層層壓板，生產(chǎn)效率高;②WE91L牌預(yù)浸料，放熱性低，低溫(如：80℃)固化或120℃/65分固化，21℃環(huán)境里的貯存期為60d。[8]
德國BASF公司與德國Leuna-Harze公司[注]簽約，合作生產(chǎn)葉片用環(huán)氧樹脂(已通過德國勞埃德認(rèn)證)，共同供應(yīng)歐洲市場;同時(shí)也使BASF公司得到了長期原料供應(yīng)的保障([注]:德國Leuna-Harze公司是歐洲領(lǐng)先的環(huán)氧樹脂制造商，其產(chǎn)品有：普通環(huán)氧樹脂、特種環(huán)氧樹脂(如：雙酚F環(huán)氧樹脂)和各種活性稀釋劑)。[1]目前BASF公司提供的葉片用雙組分環(huán)氧樹脂有：兩種浸漬環(huán)氧樹脂(infusion resin)，一種層壓環(huán)氧樹脂。[8]
EPOVIA™乙烯基酯樹脂(Cray Valley公司和VVP公司)加工葉片的厚度5～15mm，長度達(dá)50m。層壓板里的GF(或CF)含量65～70%。跟環(huán)氧樹脂相比它的優(yōu)點(diǎn)有：①物料的粘度較低：室溫110cps;35℃<50cps(環(huán)氧樹脂的物料則達(dá)1000cps);②固化性能較好，初始濕強(qiáng)度(initial green strength)尤佳。應(yīng)該指出，濕強(qiáng)度對長條形復(fù)合材料制品(如：葉片、結(jié)構(gòu)件)很關(guān)鍵。因?yàn)樵撝破繁仨毥?jīng)受住>120℃的后固化工藝(要求快速提高到最大固化速度和固化性能)，模具材料每天必須在>120℃的高溫環(huán)境里暴露6～8h。該樹脂能快速提高濕強(qiáng)度，模具的成本也較低?？傊鳛槿~片的粘結(jié)基材，該樹脂優(yōu)于市售普通環(huán)氧樹脂。[9]
2.2 輔助材料
拜耳公司利用CF/環(huán)氧樹脂、納米碳管填料等加工葉片，可使葉片長度超過60m，并大大減輕重量，例如：利用不到20kg新材料[納米碳管填料等——編者注]，就可使葉片重量減輕3t。[10]
SGL集團(tuán)把CF和其他高性能纖維制品等科學(xué)地應(yīng)用到復(fù)合材料里，為設(shè)計(jì)理念開發(fā)出創(chuàng)新的、最佳解決方案，例如：把Sigrafil C牌碳纖維、UD預(yù)浸料用來增強(qiáng)葉片，效果很是理想。[11]
BASF公司生產(chǎn)Baxxodur牌葉片用環(huán)氧樹脂的固化劑、促進(jìn)劑和添加劑。Baxxodur牌胺固化劑通過了德國勞埃德認(rèn)證，將用于下一代環(huán)氧樹脂。[8]XTEND牌葉片用水性脫模劑(美國Axel塑料研究試驗(yàn)室)，由Xtand WS-47水性密封膜(sealer)和Xtand W7838D表面無光脫模膜組成，環(huán)保，強(qiáng)度高(滿足環(huán)氧、不飽和聚酯樹脂成型工藝的要求)。密封膜和脫模膜都是噴射在室溫(或加熱)的模具型面上，可使制品產(chǎn)生無光表面。該劑具有阻燃、無氣味、快干、快固化的特性。[7]
2.3 芯 材
近來常州天晟新材料股份有限公司研制成Strucell結(jié)構(gòu)泡沫芯材[注]，以乙烯基聚合物為基礎(chǔ)，具有芳香酰胺聚合網(wǎng)絡(luò)修正的剛性交聯(lián)結(jié)構(gòu)，剛度、強(qiáng)度、抗疲勞性和抗沖擊性都優(yōu)良，耐多種化學(xué)物質(zhì)，幾乎不吸水，隔音、隔熱;可與多種纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)加工成芯材(如：葉片的結(jié)構(gòu)泡沫芯材)、夾芯復(fù)合材料。其性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，通過了GL認(rèn)證([注]：此前，該芯材我國依賴進(jìn)口)。[12]
AIREX牌芯材、BAALTEK牌巴爾薩木(balsa)(Alcan Composites公司)可用于加工葉片(另訊：Alcan Composites公司在上海Tang Zhen(唐鎮(zhèn))工業(yè)區(qū)建成了“Alcan復(fù)合材料芯材中心”，具有AIREX牌芯材、BAALTEK巴爾薩木和其他芯材生產(chǎn)線。其目標(biāo)是向中國和亞太地區(qū)提供主要用于風(fēng)力機(jī)葉片的前沿復(fù)合材料芯材。)[13]瑞典利用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)做葉片芯材，可回收，回收料的性能、強(qiáng)度如初。[6]
2.4葉片殼體用環(huán)氧膠粘劑[14]
2.4.1概 述
從橫斷面看，葉片基本上是主梁加殼體(又稱：蒙皮)的結(jié)構(gòu)形式，分為兩種：①整體葉片：主梁是方形斷面的整體箱型梁，整體殼體，利用環(huán)氧膠粘劑將二者膠合成整體;②分體葉片：主梁是兩根工字梁，有兩“半”殼體(上、下殼體)，利用環(huán)氧膠粘劑將上、下殼體和兩根工字梁牢固地膠合成整體。
上述膠粘劑承受著極大載荷、工作環(huán)境惡劣，因此，其性能要求極高、苛刻。該劑一般選用觸變材料，如：雙組分(即：環(huán)氧樹脂+固化劑)粘結(jié)劑。工藝要求：當(dāng)其涂敷厚度>20～30mm時(shí)，立即呈現(xiàn)非流掛(下垂)狀態(tài)(“non-slump ”properties)，并持續(xù)到產(chǎn)生凝膠(或下一個(gè)固化工序)時(shí)都維持著初始狀態(tài)。
2.4.2 觸變膠粘劑
(1)“物理觸變”膠粘劑
往膠粘劑里添加觸變劑(如：氣相法白炭黑)，可快速使物料呈現(xiàn)非流掛狀態(tài)(“non-slump ”texture)。當(dāng)物料承受高剪切載荷(如：樹脂與固化劑混合、工藝操作)過程中，物料上的合成應(yīng)力會(huì)降低它的粘度，導(dǎo)致物料膠凝以前，破壞伸長了的物料形態(tài)(extruded texture)。許多情況下，配料過程(mixture)會(huì)降低物料的結(jié)構(gòu)性能。因此，只有除掉物料的應(yīng)力時(shí)，方可進(jìn)行配料工序——這是現(xiàn)行“物理觸變”為基礎(chǔ)的材料的缺陷和局限性之一。
雙組分材料的粘度很高，為了降低粘度，需采用高性能泵來進(jìn)行輸送。由于受風(fēng)力勁吹，風(fēng)力機(jī)葉片才得以驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行。這樣，勢必使葉片持續(xù)產(chǎn)生復(fù)雜、大的振動(dòng)和扭曲。葉片殼體里的膠粘劑一旦產(chǎn)生破損跡象，就不能再承受應(yīng)力，否則勢必使葉片內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞、損毀以致葉片報(bào)廢。
(2)“化學(xué)觸變”膠粘劑
新穎“化學(xué)觸變”膠粘劑(專利)，雙組份，二者混合時(shí)當(dāng)添加特定的、表面有酸性物質(zhì)(acid entities)的填料時(shí)，呈現(xiàn)高分子量陽離子聚合物質(zhì)子化現(xiàn)象，系統(tǒng)即刻呈現(xiàn)物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)。該劑的粘度低，可以靠其自重(不用泵)進(jìn)行輸送。當(dāng)被涂敷在垂直面上，承受著高剪切應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，環(huán)氧樹脂和固化劑不會(huì)急劇改變各自的粘度。本研究有下述三種膠粘劑系統(tǒng)：
系統(tǒng)1：環(huán)氧樹脂+“化學(xué)觸變”型固化劑1;
系統(tǒng)2：環(huán)氧樹脂+“物理觸變”型固化劑2，后者添加了大量氣相法白炭黑堿性(based)觸變劑，它垂直面上的抗流掛性(sag resistance)與系統(tǒng)1相同;
系統(tǒng)3：環(huán)氧樹脂+“物理觸變”型固化劑3，后者添加了大量氣相法白炭黑堿性觸變劑，在低剪切率下它的初始混合粘度大約與系統(tǒng)1相當(dāng)。
研究說明：經(jīng)過不同剪切沖擊試驗(yàn)(低剪切→高剪切→低剪切…)和應(yīng)力恢復(fù)期后，“物理觸變”型系統(tǒng)的最終粘度較低;“化學(xué)觸變”型系統(tǒng)1剪切沖擊試驗(yàn)前、后的粘度相同。顯然，上述兩種技術(shù)的應(yīng)力恢復(fù)期是不同的。“化學(xué)觸變”型系統(tǒng)混合物料時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力恢復(fù)，涂敷后也立即產(chǎn)生(builds up)應(yīng)力恢復(fù)。“物理觸變”型系統(tǒng)里添加觸變劑，可產(chǎn)生粘結(jié)結(jié)構(gòu)(the structure d)。當(dāng)承受高剪切率時(shí)，上述結(jié)構(gòu)部分地被破壞，而且不能快速恢復(fù)。[14]
(3)納米粒子的協(xié)和效應(yīng)
研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂與一些特定的納米有機(jī)粒子相混合后，會(huì)產(chǎn)生協(xié)和效應(yīng)——顯著提高材料的韌性。[14]某些納米粒子與特定固化劑混合后，顯著提高材料的韌性，但不降低熱性能，對初始粘度的沖擊也不大。[15]一般雙酚A環(huán)氧樹脂固化后較脆，溫度敏感性較高，力學(xué)和熱學(xué)性能較低。納米碳管具有獨(dú)特的物理性能：密度很小(鋼的1/6)、高強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度50～200GPa[鋼的100倍])、高模量(600 GPa)和優(yōu)異的柔軟性，是前者的理想增強(qiáng)材料。這并不是有機(jī)相與無機(jī)相的簡單加和，而是納米碳管和環(huán)氧樹脂在納米范圍內(nèi)結(jié)合形成，界面間存在較強(qiáng)或較弱的化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)集無機(jī)、有機(jī)、納米粒子的諸多特異性能于一體的嶄新復(fù)合。納米碳管是強(qiáng)催化劑，可降低樹脂的反應(yīng)溫度。當(dāng)材料受力、破壞時(shí)，其優(yōu)異的柔軟性可吸收能量，提高樹脂的強(qiáng)度。[27]Araldite™ EP1000AB新型納米增韌環(huán)氧膠粘劑(Huntsman公司)，含特種分散型有機(jī)納米粒子(亞微級)，可抑制微裂紋擴(kuò)大，同時(shí)使連續(xù)固化的環(huán)氧基體耐高溫。選用特種固化劑，不用熱壓罐，低于100℃固化;室溫儲(chǔ)存期>6個(gè)月。力學(xué)性能優(yōu)異，使用簡便，可用于粘結(jié)、修補(bǔ)葉片等。[16]
2.5新穎的FRP成型工藝
2.5.1微波固化工藝
微波固化具有獨(dú)特的“場效應(yīng)”和快速“體加熱”特性，因而粘結(jié)劑固化速度快且均勻、粘結(jié)質(zhì)量高，在快速修復(fù)飛機(jī)等航空裝備中具有巨大潛力。 [28]FRP葉片、葉片模具的厚度和面積都較大，因此，物料固化過程中熱量散布困難且不均勻，傳統(tǒng)的固化工藝(電加熱原理)無法快速而均勻地把熱量傳遞到物料內(nèi)部。德國ITC(弗勞恩霍夫化學(xué)研究所)利用樹脂可吸收微波的原理，研究成用于碳纖維復(fù)合材料的微波固化工藝。研究說明，微波加熱的復(fù)合材料物料的粘度較低，使其室溫下變硬速度較慢，纖維更易融入樹脂基體里，工藝修正時(shí)間很寬裕。該工藝的效率高、制品質(zhì)優(yōu)，廢品、污染物極少，但對固化物件的安放位置要求精準(zhǔn)、嚴(yán)格。[17]
2.5.2快步工藝(quickstep)[18]
快步工藝(西澳大利亞尼爾˙格拉哈姆發(fā)明)，利用流體(如：水)的熱傳導(dǎo)，通過流體震動(dòng)，工作壓力1～4磅/英尺2，高壓爐的工作壓力60～200磅/英尺2，屬獨(dú)特的充液、平衡壓力、流動(dòng)塑造工藝。加工時(shí)間約1h，可加工層壓板、蜂窩式和泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)等制品。制品里的纖維含量很高(>70%)，孔隙含量極少，質(zhì)量和性能優(yōu)異。
3 修復(fù)葉片用環(huán)氧樹脂體系
3.1正運(yùn)行葉片破損自修復(fù)環(huán)氧樹脂體系
3.1.1概 述
由于風(fēng)力機(jī)的安裝高度很高，人手根本夠不著，而且葉片正處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，若葉片出現(xiàn)破損[注]，根本不可能進(jìn)行修復(fù)([注]：風(fēng)力機(jī)葉片在野外長年累月運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅承受著強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還經(jīng)受著大氣沖刷、砂石粒子沖擊、強(qiáng)烈的紫外線照射等惡劣環(huán)境侵蝕，從而老化、折斷、分離以致破壞。[19])。其唯一根本的解決方案就是：葉片(具體地說葉片殼體表層)材料自身具有自修復(fù)功能機(jī)制。這里所指的“破損”只限于肉眼不能明顯察覺的裂紋、微孔、表皮瑕疵。該瑕疵雖然微小，若不及時(shí)修復(fù)，在惡劣環(huán)境腐蝕、紫外線照射下，勢必?cái)U(kuò)大、蔓延以致破壞整個(gè)葉片，釀成風(fēng)力發(fā)電嚴(yán)重事故。
3.1.2自修復(fù)環(huán)氧樹脂體系
英國Bristol大學(xué)宇航工程系與Hexcel Composites公司，共同研制成葉片自修復(fù)技術(shù)(模擬修復(fù)技術(shù))[注]。葉片材料是CF/環(huán)氧樹脂。葉片殼體表層里面鑲嵌著許多粗空心玻纖，空心玻纖里盛著環(huán)氧樹脂體系(環(huán)氧樹脂、潛伏性固化劑和抗紫外線劑等)。當(dāng)葉片殼體表面出現(xiàn)肉眼不能明顯察覺的裂紋、微孔、表皮瑕疵時(shí)，空心玻纖里盛的環(huán)氧體系立即溢出，彌封住裂紋(或微孔)，進(jìn)而蔓延、覆蓋著破損區(qū)域。此刻，環(huán)氧樹脂與潛伏性固化劑和抗紫外線劑互相摻混，產(chǎn)生固化反應(yīng)而固化。從而使葉片的結(jié)構(gòu)整體性得以恢復(fù)，達(dá)到葉片原始強(qiáng)度的80～90%([注]：此外，該技術(shù)主要用于修復(fù)飛機(jī)、宇宙飛船、汽車等)。預(yù)計(jì)，該技術(shù)將在宇宙飛船上會(huì)很快推廣應(yīng)用，未來5年內(nèi)將商業(yè)化。另外，美國伊利諾伊大學(xué)已進(jìn)行了類似的研制項(xiàng)目，但選材不同：樹脂是雙環(huán)戊二烯，潛伏性固化劑含稀有金屬釕。[20]
瑞士GURIT公司和Composites One公司共同研制成一種修復(fù)材料—修復(fù)正運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)葉片的一般性破損，其性能優(yōu)異已獲得德國勞埃德(GL)、Det Norske Veritas(DNV)、OEM的審批。預(yù)計(jì)很快會(huì)在美國風(fēng)電葉片業(yè)推廣應(yīng)用。[21]
3.2 修復(fù)召回有瑕疵葉片的實(shí)例
印度Suzlon Energy Ltd公司是印度最大的風(fēng)力機(jī)制造公司。它在美國生產(chǎn)的一些S88牌功率為2.1MW、三葉式風(fēng)力機(jī)葉片，被發(fā)現(xiàn)存在裂紋、瑕疵的嚴(yán)重事故，于是決定“召回”——必須立即解決葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。估計(jì)此召回需耗資2 500萬美元，修復(fù)時(shí)間超過6個(gè)月。共計(jì)召回1 251片(417套[注])：其中930片(310套)已經(jīng)安裝在風(fēng)力機(jī)上;其余(321片[107套])則正在運(yùn)輸中或倉庫里([注]：三葉式風(fēng)力機(jī)是三片(一套)葉片安裝一臺(tái)風(fēng)力機(jī))。[22]
4 葉片模具用環(huán)氧樹脂體系
4.1葉片模具用環(huán)氧粘結(jié)劑、預(yù)浸料
環(huán)氧樹脂滿足高溫模具和灌注成型工藝要求，最適合用于加工葉片的模具，例如：①美國Dow Epoxy System公司生產(chǎn)的AIRSTONE system環(huán)氧樹脂、粘結(jié)劑等[1];②有的葉片模具的上、下模是灌注成型玻纖(或碳纖維)織物/環(huán)氧樹脂——瑞士Solent復(fù)合材料公司(SCS)(現(xiàn)稱：Gurit公司)。環(huán)氧樹脂還可用作葉片模具的表面膠衣——Sika公司。[15]
Amber復(fù)合材料公司于2008年9月選用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)納米改性低溫固化環(huán)氧樹脂體系，推出HX90N牌模具[注]用預(yù)浸料([注]：鋁、環(huán)氧樹脂等不同材料的模具)，可提高模具表面的平整度、光潔度和無點(diǎn)蝕，從而縮短模具達(dá)到A級表面精度的時(shí)間，延長模具的有效使用期。它具有極好的流掛(下垂)性，使用方便，易于成型復(fù)雜形狀制品。[23]
4.2 葉片模具用環(huán)氧膠粘劑
BC5009新型低粘度環(huán)氧膠粘劑/積層樹脂(BBC公司)，用于模具、零件的粘結(jié)。材料里含著色劑[注]，無填料，高性能、易操作，適用期30min([注]：起著膠粘劑厚度[顏色]指示作用)。[24]
5 風(fēng)力機(jī)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料機(jī)艙罩、整流罩
利用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的優(yōu)異性能，研制成1.5MW大型風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙罩、整流罩，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。[25]風(fēng)力機(jī)3D夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料機(jī)艙罩，采用三維(3D)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、Ω型(或T型)加強(qiáng)筋，該罩的重量比實(shí)心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料機(jī)艙罩輕40%～50%，強(qiáng)度很富裕，軸向壓力穩(wěn)定性很好，有效使用期30a。[26]
6 FRP葉片的材料回收與更新近況[6]
6.1 概 述
熱固性樹脂(如：環(huán)氧樹脂等)固有的重要本性是：固化后成為不溶不熔、網(wǎng)狀、體形結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬且受熱不再變軟，不可回收，成為一個(gè)嚴(yán)重污染源——當(dāng)今世界亟待攻克的環(huán)保課題之一。纖維增強(qiáng)熱固性樹脂(FRP俗稱玻璃鋼)里含有大量(約30%)熱固性樹脂，因而具有上述污染性能。從環(huán)保、長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，熱固性樹脂、FRP的發(fā)展前景黯淡，純屬“夕陽材料”;惟有熱塑性樹脂、FRTP才是發(fā)展方向!
當(dāng)今風(fēng)電業(yè)突飛猛進(jìn)，眼下世界風(fēng)電量是1980年的10倍;同時(shí)，風(fēng)電葉輪直徑超過60m，增長了8倍。風(fēng)力機(jī)葉片的材料消耗量很大，例如：按風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量計(jì)算，每KW的葉片材料重量為10kg;按風(fēng)力機(jī)輸出功率計(jì)算，每MW的葉片材料重量為10t(原文的數(shù)據(jù)：每7.5MW的葉片材料重量為75t)。Albers預(yù)計(jì)：2034年世界回收葉片材料約22.5萬t/a。另一專家預(yù)測：2040年世界回收纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約38萬t/a。[6]
風(fēng)電業(yè)起步較晚，再有FRP葉片的有效服務(wù)期為20～25年。因此，目前絕大部分葉片離退役還早呢!然而，未雨綢謀，一些發(fā)達(dá)國家眼下就進(jìn)行了許多關(guān)于FRP葉片的材料回收與更新的研究、探討。實(shí)踐說明，回收纖維不應(yīng)再充當(dāng)葉片的增強(qiáng)纖維，因?yàn)楹笳叩男阅芤髽O高、苛刻。報(bào)廢FRP葉片大致分為兩大類：①葉片生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉貯、運(yùn)行過程中產(chǎn)生，又修復(fù)不好的次品;②到期退役的葉片。目前，世界范圍內(nèi)廢FRP葉片的量還很小，例如：目前丹麥每年廢FRP葉片僅500t/a [注],可見一般([注：] 目前丹麥每年廢FRP總量約5 000t/a, 其中來自FRP行業(yè)報(bào)廢的4 000t/a、廢FRP葉片500t/a、廢玻纖500t/a。)!顯然，目前FRP葉片市場尚處于孕育、培養(yǎng)過程中;也沒有適用于全歐洲的有關(guān)回收FRP葉片的法律。有專家預(yù)測：15～20年后將出現(xiàn)FRP葉片報(bào)廢、回收高峰期。
6.2 FRP葉片回收工藝
FRP葉片回收工藝大致有三種：填埋法、焚化法和回收法。
6.2.1填埋法
直接把廢FRP葉片埋到地下。簡單易行，成本極低，但占據(jù)地盤(土地不可再生)，污染源依然如故，只不過被一層薄土掩蓋住了而已。因此2005年6月德國頒布了禁止填埋FRP的法令。當(dāng)今丹麥大部分廢FRP葉片都填埋掉。1995年丹麥通過了禁止填埋、丟棄汽車輪胎的法律，于是回收廢輪胎行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。該國人民呼吁將該法律套用到廢FRP上，但政府卻答復(fù)：這難題讓市場去解決吧!
6.2.2 焚化法
把廢FRP葉片焚燒掉(如：在熱電廠焚燒)。所產(chǎn)可燃物質(zhì)可用于發(fā)電和回收熱能，產(chǎn)的殘?jiān)始s60%，殘?jiān)械牟＠w可作FRP填料。
6.2.3 回收法
回收法可分為物理回收和化學(xué)回收。
(1)物理回收
2003～2005年歐洲有的研究單位進(jìn)行了機(jī)械回收FRP(包括FRP葉片)研究：把FRP研磨碎，回收纖維被再利用。丹麥Erik Grove-Nielsen公司機(jī)械回收FRP：擠壓廢FRP，回收纖維的拉伸強(qiáng)度不會(huì)降低。
REACT國際協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)、研制能加工出理想規(guī)格纖維的(fit-for-purpose-size-reduction)混雜纖維梳散機(jī)(a hybrid shredder),其產(chǎn)量約2.5t/d。其原理、工序是：①用錘猛擊廢FRP，使樹脂與纖維剝離，確保纖維(指回收纖維，下同)長15～25mm，且內(nèi)傷最小(“minimal internal damage”);②纖維再生工藝(a reactivation)：用新化學(xué)粘結(jié)劑處理纖維表面，從而提高它與新基材的粘結(jié)性能;③清除纖維表面的雜質(zhì)(雜質(zhì)會(huì)降低纖維與基材的粘結(jié)性);④纖維按長度分等級。
(2)化學(xué)回收
化學(xué)回收有溶劑溶解工藝和高溫分解工藝等。下面試舉后者的一個(gè)實(shí)例。
丹麥ReFiber公司的高溫分解與氣化工藝(pyrolysis and gasification)：將廢FRP連續(xù)喂入無氧回轉(zhuǎn)焚化爐(oxygen-free rotating oven)，廢FRP在無氧氣氛中高溫(500℃)焚化后，所產(chǎn)合成煤氣(synthetic gas, 廢FRP里樹脂焚化產(chǎn)物)用于發(fā)電或供應(yīng)焚化爐;回收GF與少量PP纖維混合后喂入加熱爐，PP纖維熔化并涂敷GF表面，成為穩(wěn)定的保溫板坯(stable insulation slab)。另外，利用高溫分解工藝，從CF/環(huán)氧預(yù)浸料回收的CF，與原始值相比，其彈性模量不變，最大拉伸強(qiáng)度下降5%。[6]
6.3 FRP葉片的材料更新近況
一般地說，F(xiàn)RP葉片污染環(huán)境的解決辦法就是：材料更新?lián)Q代——用熱塑性樹脂取代傳統(tǒng)的熱固性樹脂來加工葉片。“熱塑性樹脂及其復(fù)合材料(FRTP)可以回收且輕(跟環(huán)氧樹脂相比)，但易發(fā)生蠕變，用膠粘劑膠結(jié)FRTP殼體比較困難。因此，不適于加工大型風(fēng)電機(jī)葉片。”[2]實(shí)踐說明，用普通FRTP加工小功率(如：5KW)葉片，可以勝任;但加工更大功率(如：MW級)的葉片就成問題——這就必須選用高性能FRTP加工。這也就是說，傳統(tǒng)FRP葉片材料的更新?lián)Q代，必須進(jìn)行一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)、研究——系統(tǒng)工程，方能成功。下面試舉實(shí)例：例一：“Gaoth Teo、三菱重工和Cyclics公司合作，選用CBT™樹脂(低粘度工程熱塑性樹脂)、無害環(huán)氧樹脂和一種增強(qiáng)型添加劑等，破天荒地研制成可回收[注]、長12.6m風(fēng)力機(jī)葉片。([注]：平均每臺(tái)風(fēng)力機(jī)回收葉片材料19t)”[2]例二：瑞典利用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)做葉片芯材。PET可回收，而且回收料的性能、強(qiáng)度如初。例三：Risoe DTU公司宣布：幫助中國林業(yè)部門利用竹纖維(bamboo shreds)/環(huán)氧樹脂試制葉片。后來，因環(huán)氧樹脂不可回收，又希望進(jìn)一步用生物粘結(jié)劑(bio-based adhesive)取代上述環(huán)氧樹脂。[6]
7 小 結(jié)
拋磚引玉，綜上所述可粗淺地得出以下幾點(diǎn)管見：
(1)風(fēng)力機(jī)葉片在野外長年累月運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅承受著強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還經(jīng)受著大氣沖刷、砂石粒子沖擊、強(qiáng)烈的紫外線照射等惡劣環(huán)境侵蝕，從而導(dǎo)致老化、折斷、分離以致破壞、報(bào)廢。作為受力構(gòu)件，在整個(gè)有效使用期(一般使用壽命為20～25年)內(nèi)，不允許出現(xiàn)折斷、分離嚴(yán)重質(zhì)量事故。[19] 風(fēng)力機(jī)葉片業(yè)界科技人員的責(zé)任就是：明察秋毫、防微杜漸、確保杜絕上述事故的發(fā)生。上述S88牌風(fēng)力機(jī)葉片召回事件，其數(shù)量之大、情節(jié)之嚴(yán)重、損失之慘重，實(shí)屬世界風(fēng)電葉片發(fā)展史罕見?!前車覆，后車誡!
(2)科技發(fā)展具有其固有的客觀發(fā)展規(guī)律，同時(shí)人的主觀能動(dòng)性能也促進(jìn)科技的發(fā)展進(jìn)程。風(fēng)力機(jī)葉片自修復(fù)技術(shù)、材料實(shí)屬新穎、前沿科技。目前，我國風(fēng)電葉片業(yè)正處于消化、研制的歷史階段，自顧不暇，尚未邁入葉片自修復(fù)歷史進(jìn)程的門檻。見先進(jìn)就學(xué)。因此，我國有必要對此予以特別關(guān)注、學(xué)習(xí)、研究，以求快速追趕該領(lǐng)域的先進(jìn)水平。
(3)目前，我國大型風(fēng)力機(jī)葉片的主要原材料(包括環(huán)氧樹脂—筆者注)還依賴進(jìn)口，材料的開發(fā)能力較低，不適應(yīng)發(fā)展要求，阻礙葉片的快速發(fā)展，亟待突破這一瓶頸。[19]
(4)從環(huán)保、長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，熱固性樹脂、FRP的發(fā)展前景黯淡，純屬“夕陽材料”;惟有熱塑性樹脂、FRTP才是發(fā)展方向!上面§6介紹了國外回收FRP葉片近況。相比之下我國在這方面的差距很大。風(fēng)電業(yè)突飛猛進(jìn)，時(shí)不我待，是時(shí)候了，我國該把“FRP葉片回收課題”和“FRTP葉片研制課題”提到議事日程上啦!
參 考 文 獻(xiàn)
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