周文華，周百能

（四川東樹新材料有限公司 四川德陽 618000）

1 常用的夾層結(jié)構(gòu)芯材

夾芯泡沫的概念要從夾層結(jié)構(gòu)說起，夾層結(jié)構(gòu)是一種層合復(fù)合材料的特殊形式。夾層結(jié)構(gòu)的好處是提供了高剛度、高強度、低重量的優(yōu)異組合，實現(xiàn)了產(chǎn)品的強重化。夾層結(jié)構(gòu)一般由上面板、上面板與芯材的粘接層、芯材、下面板與芯材的粘接層和下面板所構(gòu)成。夾層結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用在風力發(fā)電、航空航天、交通運輸、船艇制造、建筑和其他工業(yè)領(lǐng)域。

夾層結(jié)構(gòu)中的芯材要求密度小、厚度大，具有一定的承剪能力。芯材的關(guān)鍵性能指標是壓縮和剪切強度，圖1介紹了目前夾層結(jié)構(gòu)中常用的芯材，包括蜂窩芯材、Balsa木（輕木）、泡沫芯材等。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)常用的芯材Fig.1 Common core materials used for sandwich structure

蜂窩芯材具有各向異性的特點，由于蜂窩和面板的粘接接觸面積相對較小，抗疲勞性能較差，蜂窩的開孔容易滲水，導致芯材和面板的粘接破壞等，且不適合于真空灌注工藝。

Balsa 木因為密度選擇范圍小、面層破壞后吸水腐爛等缺點，已逐漸被 PVC 泡沫取代。

和蜂窩芯材相比，泡沫芯材具有加工費用低、粘接面積大、各向同性等優(yōu)點。

夾芯泡沫是指高分子聚合物經(jīng)發(fā)泡而成的硬質(zhì)閉孔材料，主要種類有聚氯乙烯（PVC）、熱塑性聚酯（PET）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚醚酰亞胺（PEI）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚苯乙烯（PS）和聚氨酯（PU）。其中 PS 和 PU 泡沫通常僅作為浮力材料，而不作為結(jié)構(gòu)材料使用。SAN 泡沫性能和線性的 PVC 接近，一般用于船舶市場。PEI 泡沫可以作為結(jié)構(gòu)泡沫，且具有良好的防火阻燃性能，但其價格太高，一般在飛機和列車車體中應(yīng)用較多。PVC、PET、PMI 泡沫以其優(yōu)異的性能及可接受的價格，應(yīng)用得最為廣泛。

2 應(yīng)用于風電葉片的泡沫

風電葉片上夾層結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于殼體和大梁中，常用的芯材是交聯(lián) PVC 泡沫和 Balsa 木。風電葉片的典型設(shè)計方案是把強度較高的 Balsa 木用于承受載荷較大的靠近葉根的部位，PVC 泡沫用于承受載荷較小的靠近葉尖的部位，從葉根向葉尖方向，芯材的厚度逐漸減小。

PVC 泡沫由于開發(fā)技術(shù)成熟，綜合性能優(yōu)異，且價格相對較低，得到了廣泛的應(yīng)用，但是其加工和使用溫度較低。目前 PVC 泡沫國內(nèi)外生產(chǎn)廠家少，價格高，而且供應(yīng)緊張，尋找合適的替代材料成為當務(wù)之急。近幾年來，PET 泡沫在風電葉片中的應(yīng)用越來越多，PMI 泡沫在風電葉片上也有嘗試性的應(yīng)用。

2.1 PVC泡沫

圖2為 PVC 泡沫的化學式，PVC 泡沫是由聚氨酯對 PVC 樹脂改性后發(fā)泡而成，改性機理為接枝共聚。目前市場上有 Diab 的 Divinycell 系列，Alcan 的C70、C71，JFC的 Navicel 系列，常州天晟的 Strucell系列 PVC 泡沫。

圖2 PVC泡沫的化學式Fig.2 Chemical formula of PVC foam

2.2 PET泡沫

圖3為 PET 泡沫的化學式，PET 泡沫由芳香族的二元羧酸和二元醇縮聚反應(yīng)產(chǎn)生的聚酯經(jīng)發(fā)泡而成。目前市場上有Alcan公司的T90、T91和T92系列 PET 泡沫。

圖3 PET泡沫的化學式Fig.3 Chemical formula of PET foam

2.3 PMI泡沫

圖4為 PMI 泡沫的化學式，是由甲基丙烯腈和甲基丙烯酸在引發(fā)劑存在下低溫預(yù)聚，然后在高溫下環(huán)化異構(gòu)化生成 PMI 可發(fā)泡聚合物板。這類反應(yīng)很奇特，是由氰基和羧基分子間重排環(huán)化生成酰亞胺結(jié)構(gòu)的。PMI 可發(fā)泡聚合物板在加熱的條件下，發(fā)泡劑分解膨脹，發(fā)泡成 PMI 泡沫板。目前市場上有 Degussa的 Rohacell 系列PMI泡沫和日本Sekisui公司生產(chǎn)的商標為 Formac 的 PMI 泡沫。

圖4 PMI泡沫的化學式Fig.4 Chemical formula of PMI foam

3 PET、PVC、PMI泡沫的比較

參考權(quán)威認證機構(gòu) DNV 對風電葉片用夾芯泡沫的要求，本文將從靜態(tài)力學性能、疲勞性能、吸水性和樹脂吸收率、耐熱性、安全性、環(huán)保性等方面對PET、PVC、PMI 泡沫進行比較。

3.1 靜態(tài)力學性能比較

夾芯泡沫在風電葉片上的應(yīng)用要求泡沫本身具有較高的力學性能，表1比較了PVC泡沫（60 kg/m3）、PMI泡沫（60 kg/m3）、PET泡沫（110 kg/m3）的拉壓彎剪力學性能（以下數(shù)據(jù)來源于市場上各種泡沫的主流制造商）。

表1 幾種夾芯泡沫力學性能的比較Tab.1 Comparison of mechanical properties of several sandwich foams

從表1中幾種夾芯泡沫力學性能的比較可以看出，PVC泡沫（60 kg/m3）和PET泡沫（110 Kg/m3）的力學性能相當，PMI泡沫（60 kg/m3）的力學性能顯著高于PVC泡沫（60 kg/m3）和PET泡沫（110 kg/m3）；要達到PVC泡沫（60 kg/m3）的力學性能，PET泡沫的密度需要在110 kg/m3以上。

3.2 疲勞性能比較

夾芯泡沫往往應(yīng)用于動力載荷下的構(gòu)件，如機車、高速船、航空和風力發(fā)電葉片等，在風電葉片實際運行過程中拉壓等交變載荷的作用下，夾層結(jié)構(gòu)會受到強烈的疲勞作用，所以需要對夾層結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能進行比較。

3.2.1 PMI 泡沫和 PVC 泡沫疲勞性能對比

在Stockholm的Royal Institute of Technology KTH 進行了交聯(lián) PVC 泡沫、PMI 泡沫夾心結(jié)構(gòu)梁的四點疲勞試驗，設(shè)計夾具使得夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形式是芯材發(fā)生剪切破壞。在500萬次循環(huán)以后，對未發(fā)生破壞的梁，使用靜力測試方法測試樣件的殘余抗剪強度［1］。

一系列的試驗表明，PMI 泡沫能夠承受相當于58%的靜力斷裂荷載的疲勞強度，交聯(lián)PVC泡沫能承受相當于33%的靜力斷裂荷載的疲勞強度。PMI泡沫的抗疲勞性能好于 PVC 泡沫。

3.2.2 PET 泡沫和 PVC 泡沫疲勞性能對比

汪鵬等［2］測試了 PET 泡沫和 PVC 泡沫夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)1 000萬次四點彎曲疲勞后的抗剪強度，試驗結(jié)果表明PET泡沫的抗剪強度為0.35 MPa，而 PVC 泡沫的抗剪強度為0.20 MPa，說明 PET 泡沫的疲勞性能優(yōu)于 PVC 泡沫。

3.3 吸水性比較

這3種泡沫都是閉孔泡沫，吸水率都很低。

PMI 泡沫由于具有酰胺結(jié)構(gòu)吸水率較高，容易吸潮，故對操作環(huán)境要求嚴格。PMI 泡沫吸水后，熱蠕變性能會下降。一般情況下，PMI 泡沫需存儲在密封防潮的包裝中，使用前需加熱烘干處理。

3.4 樹脂吸收率比較

樹脂吸收率取決于泡沫的閉孔率，泡沫的閉孔率越高，樹脂吸收率越低。泡沫的閉孔率來源于2個方面，一方面是泡沫本身的閉孔率，另一方面是后期切割等機械加工導致泡沫表面的開孔。在真空灌注過程中，樹脂會進入到開孔中，導致葉片重量增加。

PET 泡沫泡孔尺寸通常較大，故樹脂吸收率通常較高，表面也容易掉渣。劉魁［3］對PET、PVC 泡沫在灌注前后的面密度進行比較，得出泡沫吸膠量的測試結(jié)果：PET 泡沫吸膠量為1 261.5 g/m2、PVC 泡沫吸膠量為1 117.8 g/m2。經(jīng)封孔處理的 PET 泡沫吸膠量比 PVC 低，但會增加額外的工藝步驟。

據(jù)國內(nèi)某泡沫制造商介紹，PMI 泡沫樹脂吸收率較低，只有 PVC 泡沫的一半。

3.5 耐熱性比較

泡沫的耐熱性主要體現(xiàn)在2個方面。

①為滿足風電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，泡沫在使用前需進行切割、倒角等機械加工，在加工過程中，由于泡沫材料的導熱系數(shù)低，若切割進給速度過快，泡沫機械加工部位溫度升高過快，可能會出現(xiàn)燒焦等情況。

②葉片固化時，由于局部區(qū)域放熱集中也會產(chǎn)生很高的溫度。泡沫耐熱溫度不足可能出現(xiàn)變色或燒焦等情況。

PET 泡沫具有良好的耐熱性，在110 ℃時泡沫本體的性能基本不會下降，同時也有良好的尺寸穩(wěn)定性。

PVC 泡沫最高耐溫90 ℃，在葉片制造過程中經(jīng)常會出現(xiàn)由于放熱峰過高導致 PVC 泡沫變色或燒糊的現(xiàn)象，直接影響葉片的性能。

PMI 泡沫經(jīng)適當?shù)母邷靥幚砗?，能滿足190 ℃的固化工藝對泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，且在高溫下耐蠕變［4］。泡沫的耐熱性對風電葉片真空灌注過程的固化溫度提出了要求，泡沫耐熱溫度越低，越需要更嚴格地監(jiān)控固化溫度以保證泡沫性能的穩(wěn)定性。

3.6 安全性、環(huán)保性比較

以 PVC 為代表的熱固性泡沫，由于無法降解和回收，對環(huán)境和資源存在影響，故隨著未來低碳經(jīng)濟的發(fā)展，熱塑性泡沫將會越來越得到重視和發(fā)展。PVC 泡沫主要原料是固態(tài)的 PVC 泡沫粉，生產(chǎn)過程中可能會產(chǎn)生少量 Hcl 等有害氣體。

PET 泡沫采用物理發(fā)泡，生產(chǎn)過程中沒有有害物質(zhì)放出，可以回收利用，具有良好的環(huán)保性能。

PMI 泡沫生產(chǎn)使用的原料多為液態(tài)、有毒有害有機化合物，如甲基丙烯腈有慢性毒性、催淚作用，并且對皮膚有傷害。甲基丙烯酸也是有毒有害物質(zhì)，且遇明火和高溫易燃易爆。但 PMI 泡沫生產(chǎn)過程中液態(tài)原料只在第一步存在，讓第一步在密閉的環(huán)境下進行可以避免生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染及對人體的傷害。

3.7 阻燃、燃燒煙霧濃度、毒性

夾芯泡沫在航空和列車上應(yīng)用時，除了對動態(tài)和靜態(tài)力學性能有嚴格要求外，還需要泡沫材料具備防火、低煙、無毒等性能，這方面 PEI 泡沫最具優(yōu)勢，完全通過了航空材料上阻燃、燃燒煙霧濃度和毒性的測試，PMI 和 PVC 泡沫次之，PET 泡沫較差。夾芯泡沫在風電葉片上的應(yīng)用也有上述要求。

3.8 價格比較

在相同密度下，進口 PMI 泡沫價格是 PVC 泡沫的 1.8～2.5 倍，雖然 PMI 泡沫已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但價格仍較高，限制了其在風電葉片上的應(yīng)用，目前 PMI 泡沫主要應(yīng)用于航空航天、高速列車等領(lǐng)域。西北工業(yè)大學的張廣成團隊采用丙烯腈替代了甲基丙烯腈［5］，制備的 PMI 泡沫在成本上具有顯著的優(yōu)勢。PET 泡沫的價格比 PVC 泡沫略低。

4 結(jié)論與展望

PET 泡沫成本較低，耐熱性能優(yōu)異，可以回收利用，具有良好的環(huán)保性能，但良好的環(huán)保性能體現(xiàn)在風機服役結(jié)束后，在現(xiàn)有情況下，環(huán)保性能未必會作為葉片制造商選擇夾芯泡沫的必要條件。

同時，PET 泡沫也有很多缺點：

①力學性能不如 PVC 泡沫，要達到密度為60 kg/m3PVC 泡沫的性能，PET 泡沫的密度要在110 kg/m3以上；

②阻燃性能不足；

③目前的 PET 泡沫孔隙比較大，樹脂吸收量較高，表面容易掉渣，需要封閉或打平等表面處理方可降低其樹脂吸收率，限制了 PET 泡沫的應(yīng)用。但隨著材料技術(shù)的進步，國內(nèi)也有廠家解決了表面孔隙較大的問題，推廣了 PET 泡沫在風電葉片上的應(yīng)用。

PVC 泡沫技術(shù)成熟，綜合性能優(yōu)異，且價格相對較低，但耐熱溫度低，需要更嚴格地監(jiān)控固化溫度保證泡沫性能的穩(wěn)定性。

PMI 泡沫具有較高的耐熱溫度，力學性能及疲勞性能更優(yōu)，防火阻燃，樹脂吸收率低且各向同性，綜合性能比 PVC 泡沫好，是一種高性能的泡沫。PMI 泡沫的不足主要是價格較高，限制了其在風電葉片上的應(yīng)用，但可以通過原料的替換降低成本，還可以利用自身性能優(yōu)勢，通過其使用工藝的優(yōu)化進一步降低其使用綜合成本。PMI 泡沫吸水率較高，對存儲及使用環(huán)境要求嚴格，最好密封防潮包裝，使用前可適當加熱處理。

總之，PET、PVC、PMI 泡沫各有其優(yōu)缺點，但均能滿足風電葉片的使用需求，夾芯泡沫的選擇應(yīng)基于材料、結(jié)構(gòu)、工藝、成本等因素綜合考慮，需要通過大量試驗等進行驗證。沒有最好的泡沫，只有最合適的泡沫。■