Kommer användningsandelen av termoplastisk kolfiber i vindkraftsprojekt att öka avsevärt?
För närvarande står utvecklingen av kolfiberindustrin i Kina inför flaskhalsar. Det finns ett överutbud av lågproduktionskapacitet för kolfiber, vilket har lett till en betydande sänkning av priserna på standardprodukter för kolfiber på grund av påverkan på industrier i efterföljande led. Samtidigt kan medelstora och avancerade kolfibrer inte produceras i stor skala på grund av de högre tekniska svårigheterna, vilket resulterar i otillfredsställd efterfrågan inom avancerade områden som flyg. För att balansera utbud och efterfrågan tyder vissa studier på att den stadiga ökningen av vindkraftsindustrin kan absorbera en del av kolfiberproduktionskapaciteten. Men hur är situationen i vindkraftsbranschen? Kräver det low-end eller medium till high-end kolfiberkompositer?
Introduktion till kolfiber och hartsmatris i vindturbinblad
Vindkraftverk består i allmänhet av komponenter som rotorn, generatorn, girmekanismen, tornet, hastighetsbegränsande säkerhetsanordningar och energilagringssystem. Rotorn består av flera långa blad, vilket är kärnan i denna diskussion. Vindkraftverksblad består huvudsakligen av kärnmaterial, matrismaterial, förstärkningsmaterial och ytbeläggningar. Kostnaden för råmaterial för att producera ett enda blad kan stå för upp till 70 %, främst inklusive förstärkningsfibrer, matrishartser, kärnmaterial, strukturella lim, metaller och tillbehör.
För närvarande är förstärkningsmaterialen som används i vindkraftverksblad huvudsakligen glasfiber och kolfiber. När turbinstorlekarna ökar, växer också längden på vindkraftverksbladen, vilket leder till högre krav på total styvhet. Prestanda hos glasfiberförstärkningar har gradvis nått en flaskhals, då de mekaniska prestandafördelarna med kolfiber har börjat dyka upp. Denna utvecklingstrend har gjort det möjligt för kolfiber och kompositer att sticka ut i vindkraftsindustrin, och med sin inneboende fördel av lätta egenskaper kan de komma att ersätta glasfiber i framtiden.
Forskning från "Application and Development of Composites in Large Wind Turbine Blades" indikerar att modulen för kolfiber är 3 till 8 gånger högre än för glasfiber, medan dess densitet är ungefär 30 % lägre. Detta gör det möjligt att uppfylla kraven på både uppskalning och lättvikt av blad. Enligt prognoser kommer penetrationshastigheten för kolfiber i vindkraftverkens huvudbalkar på land och till havs gradvis att öka, och det finns ett betydande behov av stora vindkraftverksblad som använder kolfiberhuvudbalkar.
När det gäller matrishartset i vindkraftverksblad är epoxiharts och omättat polyesterharts de primära materialen som används. Bland dessa är epoxiharts för närvarande huvudkomponenten i värmehärdande kolfiberkompositer på grund av dess lägre beredningssvårigheter, stabila fysiska form efter formning och utmärkta totala prestanda. Därför har det blivit en central del av den nuvarande kolfiberindustrin. Dessutom har forskning på olika hartser visat att termoplastiska hartser också har en hög kompatibilitet med kolfiber, och de är mer gynnsamma för återvinning och återanvändning, vilket gör dem till en viktig riktning för framtida utveckling.
Kan termoplastisk kolfiber ersätta värmehärdande kolfiber i vindturbinblad?
Det finns många typer av termoplastiska hartser, inklusive polyeter-eterketon (PEEK), polyaryleterketon (PAEK), polyeterketon (PEK), polyfenylensulfid (PPS), polyamid (PA) och polyetersulfon (PES). Prestandan hos termoplastiska kolfiberkompositer som bildas av dessa hartser i kombination med kolfiber varierar mycket. För att i stor utsträckning ersätta värmehärdande kolfiber i vindkraftsindustrin behövs därför mer forskning och experiment. Innan det, låt oss först förstå fördelarna och nackdelarna med värmehärdande och termoplastiska kolfibrer.
1. Värmehärdande kolfiber:
A. Härdningsprocess: Värmehärdande kolfibrer genomgår en härdningsprocess under tillverkningen. När de väl härdat kan de inte omformas, vilket inte främjar sekundär bearbetning och återvinning.
B. Styrka och styvhet: Termohärdande kolfibrer uppvisar vanligtvis större styrka och styvhet än vissa termoplastiska kolfibrer. Dessutom har deras högtemperaturbeständighet och slitstyrka sina egna fördelar och nackdelar.
C. Sprödhet: Jämfört med termoplastiska kolfibrer kan värmehärdande kolfibrer vara sprödare och mer benägna att skadas under faktisk användning.
2. Termoplastisk kolfiber:
A. Återvinningsbarhet: En betydande fördel med termoplastiska kolfibrer är deras återvinningsbarhet; de kan smältas och omformas flera gånger utan betydande förlust av mekaniska egenskaper.
B. Bearbetningstid: Bearbetningstiden för termoplastiska kolfibrer är i allmänhet kortare än för värmehärdande kolfibrer, och de kan bearbetas med smarta tillverkningstekniker.
C. Slagtålighet: Termoplastiska kolfibrer visar bättre slaghållfasthet jämfört med värmehärdande kolfibrer.
3. Jämförelse av praktisk tillämpning:
A. Kosta: Termoplastiska kolfibrer har fördelar vid bearbetning, med lägre kostnader när tekniken mognar, men den höga kostnaden för råvaror är fortfarande ett problem.
B. Teknik Mognad: Tekniken och tillverkningsprocesserna för termoplastiska kolfibrer kanske inte är lika mogna som för härdplastfibrer, eftersom den förra har en kortare utvecklingstid, men den har större potential.
Sammanfattningsvis, medan termoplastiska kolfibrer uppvisar betydande fördelar inom vissa områden, kommer ett omfattande utbyte av värmehärdande kolfibrer i vindkraftverksblad att kräva ytterligare forskning och utveckling.
Kommer användningsandelen av termoplastisk kolfiber i vindkraftsprojekt att öka avsevärt?
För närvarande är användningsandelen av termoplastisk kolfiber i vindkraftsprojekt ganska liten och det är osäkert om den kommer att öka avsevärt i framtiden. Detta beror på att fördelarna med värmehärdande kolfiberkompositer - såsom lätta egenskaper, hög hållfasthet och hög styvhet - redan uppfyller nuvarande användningskrav. Även lägre kolfibrer kan ge adekvat prestandastöd, vilket är en anledning till att lägre kolfibrer har introducerats i vindkraftsindustrin för att balansera utbud och efterfrågan inom kolfibersektorn.
Men vindkraftsindustrin utvecklas, och kolfiberindustrin utvecklas också. Precis som glasfiberns prestanda nådde en flaskhals, kan tillämpningen av härdbara kolfibrer i vindkraftssektorn också stöta på begränsningar i framtiden. Det kan finnas ett sökande efter snabbare processteknik, mer omfattande prestanda från kolfiberkompositer och hartsmatriser som är mindre förorenande för miljön. Det är just dessa områden där termoplastiska kolfibrer utmärker sig. Det är också därför många företag och institutioner, både nationellt och internationellt, engagerar sig i att forska om termoplastiska kolfibrer.
