制造风力涡轮机叶片的方法、分别制造的风力涡轮机叶片以及适用于该制造的多孔材料

发明领域

本发明涉及风力涡轮机叶片领域，特别是涉及制造风力涡轮机叶片或其部件的方法，以及分别制造的风力涡轮机叶片或其部件，以及可用于制造风力涡轮机叶片或其部件的多孔材料。

技术背景

风力发电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮机由于利用这种能源而受到越来越多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片(其也可称为风力涡轮机叶片)。转子叶片捕获风的动能并以旋转能的形式传输该动能，从而转动将转子叶片耦合到齿轮箱或直接耦合到发电机的轴。然后，发电机将机械能转换为可馈入电网的电能。

风力涡轮机叶片或其部件通常由玻璃纤维增强聚合物树脂的复合材料制成。常规用于制造这种复合材料的方法包括真空辅助树脂传递模塑(VARTM)，其中在施加真空的情况下将液态或可流动树脂注入模具中。为此，可以使用低粘度树脂，以减少部件制造的周期时间，但低粘度通常涉及对跑道(其是铺层中对灌注树脂阻力较小的区域和空间)的敏感性更高的缺点。树脂在这些空间中流动得更快，因此可能导致空气夹杂并降低部件品质。跑道可能是由错误的设计、弯曲的形状(包括铺层中的硬质材料)、材料或真空袋中的皱纹、沿侧面的密封不良等引起的。

通常，使用致密的起绒布、垫或泡沫来填充复杂三维部件周围或内部的间隙，以解决跑道引起的问题。如果例如在封闭模具/RTM设置中仅在部件周围存在跑道，则可以容易应用此策略，但必须完全填充所有间隙，以有效避免任何跑道。

然而，为了在避免跑道和不因薄弱材料或干燥区域损害部件结构完整性之间找到平衡，部件内部的流动控制很难并且耗时。

因此，可能需要进一步改进通过真空灌注法，例如真空辅助树脂传递模塑来制造风力涡轮机叶片或其部件，特别是对内部的灌注树脂流动的有效控制，从而大大避免跑道带来的问题。

发明内容

此需求可通过独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施方案由从属权利要求描述。

根据本发明的一个方面，提供多孔材料(载体)，其配备有(承载)能够与灌注树脂反应(或诱导灌注树脂聚合/固化)(从而增加灌注树脂的粘度或使灌注树脂胶凝)的反应性组分(化合物、部分)(或用其处理、用其官能化)。特别地，反应性组分可以被配置为增加灌注树脂的粘度。

根据本发明的另一方面，提供制造风力涡轮机叶片或其部件的方法，该方法包括提供(在其内部)含有本文所述的多孔材料的模具(模具腔)，通过真空灌注法，特别是真空辅助树脂传递模塑(VARTM)将灌注树脂施加(例如注射)到模具中，并使灌注树脂固化(硬化)。模具可以特别地适应于待制造的涡轮机叶片或其部件的轮廓。

根据本发明的另一方面，提供通过本文所述方法可获得(或已获得)的风力涡轮机叶片或其部件。

根据本发明的又一个方面，提供(官能化的)多孔材料用于在真空灌注法中增加灌注树脂的粘度的用途，其中所述多孔材料用能够与灌注树脂反应的反应性组分官能化。

本发明的这些方面基于以下想法：用可与灌注树脂快速反应的反应性组分官能化的多孔材料可局部增加灌注树脂的粘度，或甚至使灌注树脂胶凝。结果，树脂流动可在此位置急剧减慢或完全停止，而不会影响部件其余部分的灌注。因此，无需任何必要的外部动作(例如额外的入口)即可控制树脂流动。可根据灌注树脂的类型适当地选择反应性组分，以使得其可容易地与灌注树脂的至少一种组分反应或诱导灌注树脂聚合，从而局部增加粘度并形成流动性大大降低或甚至没有流动性的膜。

详细说明

以下将说明本发明的细节及其它特征和优点。但本发明并不限于以下具体说明，而仅用于说明性目的。

应当注意，除非另有特别说明，与一个示例性实施方案或示例性方面相关描述的特征可以与任何其它示例性实施方案或示例性方面相组合，特别是与多孔材料的任何示例性实施方案相关描述的特征可以与多孔材料的任何其它示例性实施方案相组合，并且可以与制造风力涡轮机叶片或其部件的方法的任何示例性实施方案相组合、与风力涡轮机叶片的任何示例性实施方案相组合、与用途的任何示例性实施方案相组合，反之亦然。

除非另有特别说明，当提及单数术语，例如“一个”、“一种”或“该”时使用不定冠词或定冠词时，也包括该术语的复数形式，反之亦然。

本文所用的表述“包含”不仅包括“包含”、“包括”或“含有”的含义，而且还可以涵盖“基本上由......组成”和“由......组成”。

除非另有特别说明，本文所用的表述“至少部分”、“至少一部分”或“至少(一个)部分”可以是指其至少5％，特别是其至少10％，特别是其至少15％，特别是其至少20％，特别是其至少25％，特别是其至少30％，特别是其至少35％，特别是其至少40％，特别是其至少45％，特别是其至少50％，特别是其至少55％，特别是其至少60％，特别是其至少65％，特别是其至少70％，特别是其至少75％，特别是其至少80％，特别是其至少85％，特别是其至少90％，特别是其至少95％，特别是其至少98％，并且还可以是指其100％。

在第一方面，多孔材料(或多孔载体)配备有(承载)能够与灌注树脂反应或诱导灌注树脂聚合的反应性组分(例如部分)(或用其处理、用其官能化)。结果，灌注树脂的粘度可能增加或者灌注树脂甚至可能胶凝。特别地，反应性组分可以被配置成增加灌注树脂的粘度。

多孔材料可以用作载体并且因此也可以被定名为多孔载体或简单地被定名为载体。

本文使用的术语“多孔”可以特别是指相关材料在其结构或纹理中表现出多个空隙或孔隙，它们通常基本上均匀分布在其结构或纹理中。通常，多孔材料的特征可能在于相对高的比表面积(表面积与质量的比率大)。

在一个实施方案中，多孔材料包含开孔泡沫、起绒布(无纺布)、毛毡、网状物和织物中的至少一种。

在一个实施方案中，多孔材料的孔隙率为50至90％，特别是60至85％，特别是70至80％。在本说明书的上下文中，术语“孔隙率”可以特别表示空隙体积与总体积的比率。孔隙率可以通过本领域技术人员已知的常规孔隙率测定法来确定，例如通过水饱和法或压汞孔隙率测定法。

在一个实施方案中，整个多孔材料都配备有反应性组分。换句话说，反应性组分可以基本上均匀分布在(本体)多孔材料上。

在一个替代实施方案中，仅多孔材料的一部分配备有反应性组分。换言之，多孔材料的一些部分可能带有反应性组分，而其它部分可能基本上不含反应性组分。

在一个实施方案中，多孔材料带有能够与灌注树脂反应的反应性组分或部分，从而增加灌注树脂的粘度或使灌注树脂胶凝。换句话说，反应性组分可以被配置成增加灌注树脂的粘度。特别地，反应性组分可以诱导灌注树脂的聚合。如本领域技术人员将理解的，可以根据灌注树脂的类型适当地选择反应性组分，以使得其可以容易地与灌注树脂的至少一种组分反应或诱导灌注树脂的聚合。

在一个实施方案中，所述反应性组分包含胺官能团、硫醇官能团和羟基官能团中的至少一种。包含胺官能团或硫醇官能团的反应性组分特别适用于基于环氧胺的灌注树脂(通常包含环氧组分和胺组分)。包含胺官能团或羟基(醇)官能团的反应性组分特别适用于基于聚氨酯(PU)的灌注树脂(通常包含异氰脲酸酯组分和羟基组分)。然而，根据灌注树脂的类型，其它反应性组分也可能适用，例如包含用于固化抑制剂的钝化剂或用于过氧化物的活化剂的反应性组分，其可能特别适用于自由基固化灌注树脂，例如不饱和聚酯或乙烯基酯。

包含硫醇官能团的反应性组分的合适实例包括但不限于季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、2-羟甲基-2-甲基-1,3-丙二醇三-(3-巯基丙酸酯)和三[2-(3-巯基丙酰氧基)乙基]异氰脲酸酯。

包含胺官能团的反应性组分的合适实例包括但不限于脂族(多)胺，例如二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)和二亚丙基三胺(DPTA)，脂环族(多)胺，例如1,3-双(氨基甲基)环己烷(1,3-BAG)、3,3'-二甲基-4,4'-二氨基二环己基甲烷(DMDC，

包含羟基官能团的反应性组分的合适实例包括但不限于甘油和聚丙二醇。

在一个实施方案中，反应性组分可以作为低聚物使用，其例如由各自的胺或硫醇组分与环氧组分例如双酚A二缩水甘油醚(BADGE或DGEBA)或环氧酚醛清漆优选以亚化学计量比的形式(例如环氧组分与胺或硫醇组分的比率小于0.5:1)形成。通过采取这种措施，可以增加反应性组分在载体材料上的粘附，并可以减小反应性组分的挥发性和气味。

反应性组分的一些实例的化学式如下所示。

所述多孔材料可特别适用于通过真空灌注法，特别是真空辅助树脂传递模塑(VARTM)制造风力涡轮机叶片或其部件的方法，如下文进一步详细描述。

另一方面，制造风力涡轮机叶片或其部件的方法包括提供(在其内部)含有如本文所述的多孔材料的模具，通过真空灌注法，特别是真空辅助树脂传递模塑(VARTM)将灌注树脂施加(例如注射)到模具中，以及使灌注树脂(在模具内)固化(硬化)。

模具通常形成腔并且因此也可以被定名为模具腔。模具可适应于待制造的涡轮机叶片或其部件的轮廓。

在一个实施方案中，可将如上文进一步详细描述的多孔材料布置或放置在模具内部。一旦灌注树脂施加并流过模具，多孔材料(更特别是多孔材料的反应性组分)可与灌注树脂局部反应，从而局部增加其粘度。

由于粘度的增加在模具内的跑道(即对灌注树脂具有减小的阻力的区域和空间)处特别有利，可能有利的是将配备有反应性组分的多孔材料特别布置在模具内的那些跑道处。为此，也可能有利的是使用其中仅其一部分配备有反应性组分的多孔材料。

在一个实施方案中，通过真空灌注法将灌注树脂施加到模具中，更特别地，注射到模具中。在本说明书的上下文中，术语“真空灌注法”可以特别是指模塑技术，其中在施加真空的情况下将液态或可流动的树脂注射到模具中。特别地，可以使用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)。灌注树脂可以特别是液态或可流动的组合物，其包含组分，通常至少两种不同类型的组分，这些组分可以相互反应从而形成固化或硬化产品。

在一个实施方案中，所述灌注树脂选自环氧胺灌注树脂、聚氨酯灌注树脂、自由基固化灌注树脂。环氧胺树脂可以例如包含环氧组分和胺组分。聚氨酯灌注树脂可以例如包含异氰脲酸酯组分和羟基组分。自由基固化灌注树脂的实例包括不饱和聚酯或乙烯基酯。

在一个实施方案中，所述灌注树脂包含环氧胺树脂，所述反应性组分包含胺官能团和硫醇官能团中的至少一种。包含硫醇官能团的反应性组分以及包含胺官能团的反应性组分的合适实例在上文多孔材料的上下文中公开。

在一个实施方案中，所述灌注树脂包含聚氨酯树脂，所述反应性组分包含胺官能团和羟基官能团中的至少一种。包含胺官能团的反应性组分以及包含羟基的反应性组分的合适实例在上文多孔材料的上下文中公开。

在一个实施方案中，所述灌注树脂包含自由基固化灌注树脂，所述反应性组分包含用于固化抑制剂的钝化剂或用于过氧化物的活化剂。

在一个实施方案中，所述灌注树脂(在其施加之前)在灌注温度(例如在20℃)下的粘度小于100mPa·s。这种低粘度树脂在减少通过真空灌注法制造产品的周期时间方面是有利的。此外，由于与多孔材料的反应性组分的相互作用，可以基本上避免由具有这种低粘度树脂的跑道引起的问题。当然，该方法也可用于较高粘度的灌注树脂，但该方法的优点可以特别适用于低粘度树脂。灌注树脂的粘度可以例如根据ISO 12058-1:2018使用落球粘度计来测定。

在一个实施方案中，由于与多孔材料的反应性组分相互作用，灌注树脂的粘度可以增加成至少5倍，特别是至少10倍。

在一个实施方案中，多孔材料仅被配备在模具的一部分上，特别是仅在模具的表面处，例如仅在模具的一个或两个表面处。通过采取这种措施，可以抑制或阻止树脂在某些方向上流动，例如在一个或两个方向上流动，但不抑制或阻止在其它方向上流动。因此，可以根据需要特别地控制树脂流动，这在风力涡轮机叶片或其部件的几何形状复杂的情况下可能特别有利。

在一个实施方案中，灌注树脂的固化(或硬化)不受特别限制，并且根据灌注树脂的类型，可以在室温或高温下进行(即可以涉及加热)。

在一个实施方案中，该方法还包括，在使灌注树脂固化之后，移除模具，从而获得制成的风力涡轮机叶片或其部件。

在另一方面，风力涡轮机叶片或其部件可通过上述方法获得或已获得。用于制造风力涡轮机叶片(或其部件)的多孔材料仍可包含在由此获得的风力涡轮机叶片(或其部件)中并形成其一部分。

在另一方面，(官能化的)多孔材料用于在真空灌注法，例如真空辅助树脂传递模塑中增加灌注树脂的粘度，其中多孔材料用能够与灌注树脂反应的反应性组分进行官能化。

本文献中所描述的发明或发明的实施方案可以描述性地概括如下：

多孔材料，例如开孔泡沫、起绒布、毛毡、网状物、织物等的表面用反应性组分处理，该反应性组分可与灌注树脂快速反应，局部增加粘度或使灌注树脂快速胶凝。这样，树脂流动在此位置急剧减慢或完全停止，而不会影响部件其余部分的灌注。因此，无需任何必要的外部动作(例如额外的入口)即可控制树脂流动。

一般来说，添加到多孔载体中的反应性物类是容易与灌注树脂的至少一种组分发生反应或诱导聚合以使得局部增加粘度并形成流动性大大降低或不流动的膜的那种。

对于环氧胺体系，所述反应性物类应为例如胺官能或硫醇官能的。候选物分别包括(但不限于)季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、2-羟甲基-2-甲基-1,3-丙二醇三(3-巯基丙酸酯)或三[2-(3-巯基丙酰氧基)乙基]异氰脲酸酯作为硫醇组分，以及脂族(例如DETA、TETA、DPTA)、脂环族(例如1,3-BAC、Lamiron C-260或Wandamin HM)或脂族芳族(例如苯二亚甲基二胺异构体和衍生物)多胺。为了增加对载体材料的粘附并降低挥发性和气味，可以将各组分作为与环氧组分(例如DGEBA或环氧酚醛树脂)以亚化学计量比(环氧组分与胺或硫醇组分的比率小于0.5:1)形成的各自低聚物来使用。

对于PU树脂体系或部分PU体系，反应性物类应为例如胺官能或醇官能的(胺官能如上所示，醇官能例如甘油、聚丙二醇)。对于不饱和聚酯，使用乙烯基酯或其它自由基固化体系、用于固化抑制剂的钝化剂或用于过氧化物的活化剂。

到目前为止，被动树脂阻挡剂，例如基于聚酯的致密起绒布或毛毡材料已被应用。它们用于填充间隙并增加灌注树脂的流动阻力。

本发明的实施方案提供了使用密度较低的材料的新选项，并且这些材料可以任选仅在一个或两个表面处阻挡树脂流动，因此不在所有方向上充当树脂阻挡剂。这提供了使用这些材料的全新方法，这能够避免沿一个表面的跑道，但材料仍然可以在其它方向上饱和并充当流动介质。

通过处理本体材料或仅部分表面，可以使相当开放的结构对于真空而言保持开放。甚至可发生胶凝的局部粘度增加会对抗跑道，并且对于用于困难的几何形状而言更稳健，因为即使没有完全填充的间隙仍会通过与官能化表面发生反应来减缓或停止灌注树脂，从而减少跑道。

本发明的实施方案特别用于在灌注温度下粘度低于100mPa·s的低粘度树脂的灌注，但也可用于较高粘度的灌注树脂。

附图简要说明

图1示意性地示出了多孔材料的一个示例性实施方案。

图2示意性地示出了多孔材料的另一个示例性实施方案。

图3示意性地示出了多孔材料的另一个示例性实施方案。

附图详细说明

附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件配备有相同的附图标记。

图1示意性地示出了多孔材料10的一个示例性实施方案。如图1所示的多孔材料10在所有表面(如阴影区域1所示)处都配备有反应性组分。反应性组分也存在于多孔材料10的本体材料中。因此，在图1所示的实施方案中，反应性组分基本上均匀地分布在多孔材料10之上和之内。当用于制造风力涡轮机叶片或其部件的方法中时，多孔材料10可以布置在模具内部的需要增加灌注树脂粘度的特定位置处，例如在跑道处。

图2示意性地示出了多孔材料20的另一示例性实施方案。如图2所示的多孔材料20仅在一个表面(如阴影区域1所示)处配备有反应性组分，而其它表面(如加点区域2所示)基本上没有反应性组分。因此，在图2所示的实施方案中，仅多孔材料20的一部分配备有反应性组分。当用于制造风力涡轮机叶片或其部件的方法中时，多孔材料20可以抑制或阻止树脂在一些方向上的流动，更特别是在图2所示的定位上从上到下的方向上的流动，但不在其它方向上，例如在图2所示的定位上从右侧到左侧。树脂流动的类似控制可以通过将完全配备有反应性组分的多孔材料(例如图1所示的多孔材料10)仅布置在模具的特定表面处来实现，更特别是在图2所示的定位上的模具的上表面处。

图3示意性地示出了多孔材料30的另一示例性实施方案。图3所示的多孔材料30在两个表面(如阴影区域1所示)处配备有反应性组分，而另一个表面(如加点区域2所示)基本上没有反应性组分。因此，在图3所示的实施方案中，只有多孔材料30的一部分配备有反应性组分。当用于制造风力涡轮机叶片或其部件的方法中时，多孔材料30可以抑制或阻止一些方向上的树脂流动，更特别是在图3所示的定位上从上到下和从前到后的方向上，但不在图3所示的定位上从右侧到左侧的方向上。树脂流动的类似控制可以通过将完全配备有反应性组分的多孔材料(例如图1所示的多孔材料10)仅布置在模具的特定表面处来实现，更特别是在图3所示的定位上的模具的上表面和前表面处。

虽然已经通过具体实施方案和实施例详细描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于此，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。