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CN110815879A - 一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用 - Google Patents

一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用 Download PDF

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CN110815879A
CN110815879A CN201910976798.6A CN201910976798A CN110815879A CN 110815879 A CN110815879 A CN 110815879A CN 201910976798 A CN201910976798 A CN 201910976798A CN 110815879 A CN110815879 A CN 110815879A
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王庆昭
刘鹏
王志明
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Qingdao Zhengai Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：(1)超高分子量聚乙烯的改性，将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯；(2)将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和/或过渡层材料共挤成膜。根据高空的风电叶片的尺寸信息，采用人工或者机械的方法将该复合膜贴合于风电叶片上，贴膜完成后对接缝进行热压焊接。本发明所公开的复合膜能够实现对风电叶片的全包覆保护，保护风电叶片在其服役期间免受脏污、雨蚀的破坏，同时拥有良好的耐候性能。

Description

一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种风电叶片保护膜的制备方法，特别涉及一种用于保护风电叶片的超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用。
背景技术
风电叶片是风力发电机的核心部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风电机组正常稳定运行的决定因素。风电叶片在运行中其叶尖线速度可达80m/s。如此高的速度下风电叶片尤其是叶片的前缘部分会遭受来自空气中的风沙、盐雾、雨滴的侵蚀，使得叶片气动性能下降，从而影响发电效率。
目前，在风电叶片的保护方面应用最为广泛的是涂料保护。根据涂料性能指标：强的附着力、一定的柔韧性、较强的耐磨耐冲击性能、耐候性能、表面平滑性能等要求。目前较为理想的涂料为聚氨酯型涂料，丙烯酸类涂料，有机硅树脂涂料和氟碳聚合物涂料。但是，至今为止还没有一种涂料能全部满足叶片保护的全部性能。
涂料保护虽能在一定程度上保护风电叶片，但是由于涂料特有的溶剂性质，在固化后必然会有溶剂小分子逃逸，从而使涂料保护层表面出现微孔，而这些微孔即是保护层损坏的起始点。所以，涂料保护法，在风电叶片的整个服役期间需要多次的维护，而风电叶片因其特殊的工作环境使得维护工作非常困难。
目前，聚氨酯薄膜是一种可行的膜材料，但受限于材料本身的极性性质，在服役期间容易水解、且抗脏污与抗结冰能力差。因此，聚氨酯薄膜寿命很短，难以匹配风电叶片的服役期。
德国克莱博格橡胶股份有限公司在专利CN102458839A中提供了一种用于风电叶片保护的复合膜。但是复合膜的贴合工艺采用的是通过真空热压的方式在叶片制作过程中将复合膜覆在叶片前缘，工艺复杂，且对已有叶片无法使用，大大减少了复合膜的使用范围。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)薄膜具有优异的耐磨，耐冲击性能，低温状态下的耐冲击性能同样优异；摩擦系数小，无极性、表面能低，抗脏污、抗结冰性能好；以及非常优秀的化学稳定性能使得其在各个领域都有相当广泛的应用。目前还未见将其很好地应用于风电叶片的保护上的报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用，以达到实现对风电叶片的全包覆保护，保护风电叶片在其服役期间免受脏污、雨蚀的破坏，同时拥有良好的耐候性能的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)超高分子量聚乙烯的改性，将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯；
(2)将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和/或过渡层材料共挤成膜，当改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和过渡层材料共挤成膜时，热塑性弹性体材料位于改性超高分子量聚乙烯和过渡层材料之间。
上述方案中，所述改性剂为解缠结剂石墨烯和分散剂聚乙烯蜡，所述改性剂用量为2-10％。
上述方案中，所述热塑性弹性体材料为乙丙橡胶、变性聚丙烯酸酯橡胶、氟化橡胶、丙烯腈-丁二烯-橡胶或者聚氨酯中的一种。
上述方案中，所述过渡层材料为乙烯丙烯酸共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种。
上述方案中，所述步骤(1)中的超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万以上，改性超高分子量聚乙烯的溶体质量流动速率为0.2～2.0g/10min。
上述方案中，所述步骤(2)中，将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料共挤成膜时，改性超高分子量聚乙烯层的厚度小于或者等于热塑性弹性体材料层的厚度，热塑性弹性体材料层表面具有机械网格状花纹。
上述方案中，所述步骤(2)中，将改性超高分子量聚乙烯与过渡层材料共挤成膜时，过渡层厚度小于改性超高分子量聚乙烯层的厚度，该复合膜为双面光滑的复合膜。
上述方案中，将改性超高分子量聚乙烯与过渡层材料共挤成膜后，或者将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和过渡层材料共挤成膜后，经过背胶辊背胶、冷却进入缠绕机缠绕，得到背胶复合膜产品。
进一步的技术方案中，背胶所用的胶黏剂的类型为溶剂型胶黏剂或者是无溶剂的热塑性压敏胶，背胶层厚度为50-500μm。
一种超高分子量聚乙烯复合膜的应用，采用上述制备方法制得的复合膜，根据高空的风电叶片的尺寸信息，采用人工或者机械的方法将该复合膜贴合于风电叶片上，贴膜完成后对接缝进行热压焊接。
通过上述技术方案，本发明提供的超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法通过加入改性剂使超高分子量聚乙烯达到熔体挤出的要求，使得超高分子量聚乙烯薄膜可以通过熔体挤出方式生产，摆脱了传统的车削工艺带来的不连续，厚度不均匀的缺点，为超高分子量聚乙烯薄膜的连续多样化生产提供了有利条件。
此外，通过熔融共挤技术可以将超高分子量聚乙烯与多种热塑性弹性体紧密的复合，这样在超高分子量聚乙烯和基体中间形成一层弹性层，制得的复合膜中热塑性弹性体材料层表面具有机械网格状花纹，在复合膜与风电叶片表面添加环氧树脂，通过机械互锁的原理即可将复合膜牢牢地固定在风电叶片基体表面，此外，弹性体层的存在赋予了复合膜良好的弹性性能，大大提高了复合膜在使用过程中的耐冲击性能。
复合膜中过渡层的存在使得超高分子量聚乙烯可以和绝大多数高分子基体产生结构强度的结合力，可以改善超高分子量聚乙烯与风电叶片基体之间粘接性能差的缺点，利用丙烯酸类双组份胶、环氧树脂类双组份胶或者聚氨酯类胶黏剂可以使复合膜能很好的站接到风电叶片基体上。采用带背胶的复合膜进行贴膜时，便于操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的复合膜产品a(b)示意图；
图2为本发明实施例所公开的复合膜产品a中的热塑性弹性体材料层表面示意图；
图3为本发明实施例所公开的复合膜产品c示意图；
图4为本发明实施例所公开的背胶复合膜产品b示意图；
图5为本发明实施例所公开的背胶复合膜产品c示意图；
图6为复合膜产品a的生产工艺流程图；
图7为复合膜产品b和背胶复合膜产品b的生产工艺流程图；
图8为复合膜产品c和背胶复合膜产品c的生产工艺流程图；
图中，1、改性超高分子量聚乙烯；2、热塑性弹性体材料；3、过渡层材料；4、背胶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法及应用，具体实施例如下：
结合图1与图6、图7，一种超高分子量聚乙烯双层复合膜的生产装置，包括挤出机一、挤出机二、共挤模具、三辊压延机与卷绕机。按照生产工艺流程图的先后次序，挤出机一、挤出机二、共挤模具、三辊压延机、卷绕机依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机，基础及温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50Mpa。
结合图3和图8，一种超高分子量聚乙烯三层复合膜的生产装置，包括挤出机一、挤出机二、挤出机三、共挤模具、三辊压延机与卷绕机。按照生产工艺流程图的先后次序，挤出机一、挤出机二、挤出机三、共挤模具、三辊压延机、卷绕机依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机，基础及温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50Mpa。
结合图4与图6、图7，一种超高分子量聚乙烯双层复合背胶膜的生产装置，包括挤出机一、挤出机二、共挤模具、三辊压延机、背胶辊和卷绕机。按照生产工艺流程图的先后次序，挤出机一、挤出机二、共挤模具、三辊压延机、背胶辊、卷绕机依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机，基础及温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50Mpa。
结合图5和图8，一种超高分子量聚乙烯三层复合背胶膜的生产装置，包括挤出机一、挤出机二、挤出机三、共挤模具、三辊压延机、背胶辊和卷绕机。按照生产工艺流程图的先后次序，挤出机一、挤出机二、挤出机三、共挤模具、三辊压延机、背胶辊、卷绕机依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机，基础及温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50Mpa。
超高分子量聚乙烯的改性：
将粘均分子量为300万的超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯。改性剂为解缠结剂石墨烯和分散剂聚乙烯蜡，解缠结剂石墨烯用量为3％，分散剂聚乙烯蜡用量为7％，超高分子量聚乙烯用量为90％，上述为质量分数百分比。得到的改性超高分子量聚乙烯颗粒料的MFR(melt mass flow rate，溶体质量流动速率)为1g/10min。
实施例一：
采用如图7上半部分所示的生产工艺，将改性后的超高分子量聚乙烯(UPE)原料，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)原料经过单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过共挤模具形成共挤复合膜。超高分子量聚乙烯原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃。挤出压力设定为10Mpa，冷却，经过三辊压延机压延、定型，通过卷绕机卷取，得到超高分子量聚乙烯层厚度为200μm，EVA层厚度为50μm，总厚度为250μm，幅宽为500cm的UPE-EVA复合膜产品b，如图1所示的产品。
实施例二：
采用如图6所示的生产工艺，将改性后的超高分子量聚乙烯原料(UPE)，聚氨酯(TPU)原料经过单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过共挤模具形成共挤复合膜。超高分子量聚乙烯原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；TPU原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃。挤出压力设定为10Mpa，冷却，进过三辊压延机压延、定型，通过卷绕机卷取，得到超高分子量聚乙烯层厚度为200μm，TPU层厚度为200μm，总厚度为400μm，幅宽为500cm的UPE-TPU复合膜产品a，如图1所示的产品。该产品在TPU层表面有花纹效果，如图2所示。
实施例三：
采用如图7下半部分所示的生产工艺，将改性后的超高分子量聚乙烯原料(UPE)，乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)原料经过单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过共挤模具形成共挤复合膜。超高分子量聚乙烯原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃。挤出压力设定为10Mpa，冷却，进过三辊压延机压延、定型，通过背胶辊在EVA面备上丙烯酸酯类压敏胶，卷绕机卷取，得到超高分子量聚乙烯层厚度为200μm，EVA层厚度为50μm，压敏胶层厚度为50μm，总厚度为300μm，幅宽为500cm的UPE-EVA复合背胶膜产品b，如图4所示的产品。
实施例四：
采用如图8上半部分所示的生产工艺，将改性后的超高分子量聚乙烯原料(UPE)、乙丙橡胶(EPM)、三元乙丙橡胶(EPDM)原料经过单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过共挤模具形成共挤复合膜。超高分子量聚乙烯原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；乙丙橡胶(EPM)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；三元乙丙橡胶(EPDM)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃。挤出压力设定为10Mpa，冷却，进过三辊压延机压延、定型，通过卷绕机卷取，得到超高分子量聚乙烯层厚度为200μm，EPM层厚度为200μm，EPDM层厚度为50μm，总厚度为450μm，幅宽为500cm的UPE-EPM-EPDM复合膜产品c，如图3所示的产品。该产品中间层为热塑性弹性体材料，可以起到减震作用。底层为过渡层材料，厚度比较薄，可以改善复合膜的粘结性能。
实施例五：
采用如图8下半部分所示的生产工艺，将改性后的超高分子量聚乙烯原料(UPE)、变性聚丙烯酸酯橡胶(EAM)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)原料经过单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过共挤模具形成共挤复合膜。超高分子量聚乙烯原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；变性聚丙烯酸酯橡胶(EAM)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃；乙烯丙烯酸共聚物(EAA)原料挤出机螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃。挤出压力设定为10Mpa，冷却，进过三辊压延机压延、定型，通过背胶辊在EAA层面备上丙烯酸酯类压敏胶，卷绕机卷取，得到超高分子量聚乙烯层厚度为200μm，EAM层厚度为200μm，EAA层厚度为50μm，压敏胶层厚度为50μm，总厚度为500μm，幅宽为500cm的UPE-EAM-EAA复合背胶膜产品c，如图5所示的产品。
应用实例：
使用UPE-EPM-EPDM复合膜产品c对2.0MW风电叶片进行保护，采量体裁衣的方式对67m长的叶片进行三维数据分析得出对叶片进行全包覆的复合膜的尺寸，保证在贴膜的时候复合膜能够随形，随后对叶片进行人工贴膜，所用胶黏剂为环氧树脂类双组份胶黏剂。黏贴完成，经过24h固化，随后利用手提式热压焊接器对接缝进行焊接保证贴膜表面光滑。
使用UPE-EAM-EAA复合背胶膜产品c对2.0MW风电叶片进行机械贴膜，首先是采集风电叶片的外观结构尺寸形成三维空间结构构架；然后根据叶片的尺寸信息(67m长)，利用计算机模拟在保证随形的前提下拟出最佳的贴膜方法所需要的复合膜的尺寸数据，对复合膜做出相应的裁剪；随后利用人工智能机器人担载复合膜进行高空的贴膜施工；贴膜时将背胶表面的保护层揭掉，直接使用背胶将复合膜贴敷于叶片上，在贴膜完成以后对接缝进行热压焊接，从而达到无缝连接的效果。
实验证明，此类复合膜在叶片整个服役期内都可以对叶片进行很好的保护；超高分子量聚乙烯膜表面光滑，摩擦系数小，可以提高发电量3％；此外，超高分子量聚乙烯薄膜具有很好的抗结冰性能，大大提高了叶片在低温环境下运行的安全性。
上述技术方案形成了一套完整的实施风电叶片贴膜保护的高空作业工艺流程，热压焊接技术实现了膜与膜的无缝连接，通过此工艺可以实现对风电叶片的全包覆保护，保护风电叶片在其服役期间免受脏污、雨蚀的破坏，同时拥有良好的耐候性能。此外，超高分子量聚乙烯复合膜优秀的抗结冰能力将使得通过在叶片基体中添加加热丝来解决叶片表面覆冰问题的方法成为过去，这不仅仅是风电叶片保护的一种突破，也是风电叶片生产的一种革新。贴膜工艺弥补了贴膜保护相对涂料保护的不连续的缺陷，为风电叶片的贴膜保护方法的推广创造了良好的条件。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)超高分子量聚乙烯的改性，将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯；
(2)将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和/或过渡层材料共挤成膜，当改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和过渡层材料共挤成膜时，热塑性弹性体材料位于改性超高分子量聚乙烯和过渡层材料之间。
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述改性剂为解缠结剂石墨烯和分散剂聚乙烯蜡，所述改性剂用量为2-10％。
3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述热塑性弹性体材料为乙丙橡胶、变性聚丙烯酸酯橡胶、氟化橡胶、丙烯腈-丁二烯-橡胶或者聚氨酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述过渡层材料为乙烯丙烯酸共聚物、三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万以上，改性超高分子量聚乙烯的溶体质量流动速率为0.2～2.0g/10min。
6.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料共挤成膜时，改性超高分子量聚乙烯层的厚度小于或者等于热塑性弹性体材料层的厚度，热塑性弹性体材料层表面具有机械网格状花纹。
7.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将改性超高分子量聚乙烯与过渡层材料共挤成膜时，过渡层厚度小于改性超高分子量聚乙烯层的厚度，该复合膜为双面光滑的复合膜。
8.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，将改性超高分子量聚乙烯与过渡层材料共挤成膜后，或者将改性超高分子量聚乙烯与热塑性弹性体材料和过渡层材料共挤成膜后，经过背胶辊背胶、冷却进入缠绕机缠绕，得到背胶复合膜产品。
9.根据权利要求8所述的一种超高分子量聚乙烯复合膜的制备方法，其特征在于，背胶所用的胶黏剂的类型为溶剂型胶黏剂或者是无溶剂的热塑性压敏胶，背胶层厚度为50-500μm。
10.一种超高分子量聚乙烯复合膜的应用，采用如权利要求1所述的制备方法制得的复合膜，其特征在于，根据高空的风电叶片的尺寸信息，采用人工或者机械的方法将该复合膜贴合于风电叶片上，贴膜完成后对接缝进行热压焊接。
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