Warum pultrudierte Polyurethan-Verbundwerkstoffe für Photovoltaikrahmen verwenden?Polyurethan-Pultrusionsformverfahren und Anwendungen

Warum pultrudierte Polyurethan-Verbundwerkstoffe für Photovoltaikrahmen verwenden?Polyurethan-Pultrusionsformverfahren und Anwendungen

Der Pultrusionsformprozess bezieht sich auf die Imprägnierung von Rovings und Filzen in Harztanks unter der Zugwirkung von Traktionsgeräten, dann in erhitzte Formen zum Aushärten und Schneiden, um das Endprodukt zu formen.

Das Pultrusionsverfahren wird seit Jahrzehnten zur Herstellung von Verbundprodukten eingesetzt.Die traditionellen Harze, die im Pultrusionsverfahren verwendet werden, sind Polyester, ungesättigte Harze, Phenolharze, Epoxidharze und so weiter.Die hochautomatisierte Pultrusionsformtechnologie kann die mechanischen Eigenschaften der Fasern voll zur Geltung bringen und ist für die kontinuierliche Produktion geeignet

von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen.

Polyurethan mit seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Niederdruckformen, schneller Aushärtung, keiner Styrolverdunstung und anderen Vorteilen gegenüber herkömmlichen Harzen wird zum „neuen Favoriten“ der Harzmatrix-Verbundwerkstoffindustrie.

I. Rohstoffe

1. Polyurethanharzmatrix

Polyurethan ist ein oligomeres Polyol und Isocyanat als Hauptrohstoff synthetisiert ein Urethangruppen enthaltendes Hauptkettenpolymer (-NHCOO-).Im Vergleich zu herkömmlichen Harzen verbindet sich Polyurethan besser mit Verstärkungsmaterialien, was zu einer hervorragenden Schlagfestigkeit, mechanischen Eigenschaften und Witterungsbeständigkeit führt.

Polyurethanharz enthält keine flüchtigen Stoffe wie Styrol, was den nationalen Anforderungen zur „Stärkung der Anwendungsforschung und Entwicklung umweltfreundlicher Produkte sowie zur Förderung von Leichtbau- und Energiespartechnologie“ voll und ganz entspricht.

Polyurethan für das Pultrusionsformen hat die Vorteile einer niedrigen Viskosität und einer schnelleren Formgeschwindigkeit.Typische Eigenschaften von Polyurethanharzen für die Pultrusion sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Relevante Eigenschaften von Polyurethanharzen für die Pultrusion

Bei kontinuierlich faserverstärkten Polyurethan-Verbundwerkstoffen müssen noch einige Probleme gelöst werden: Derzeit besteht das Phänomen, dass das Design von Polyurethanharzformulierungen und der Herstellungsprozess größtenteils vom Herstellungsprozess von Polyurethan-Verbundwerkstoffen isoliert sind;Polyurethan reagiert heftig und setzt eine große Menge an Wärme frei, die nicht leicht zu kontrollieren ist, und es kann aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit leicht aufgeschäumt werden.

Daher sollten im Herstellungsprozess geeignete Prozessgeräte (z. B. geschlossenes Formen) verwendet, Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit kontrolliert und die Reaktivität der Rohstoffe verringert oder nicht schäumendes Polyurethan verwendet werden.

2. Verstärkungsmaterialien

Glasfaser

Als anorganische Faser mit hervorragender Leistung ist Glasfaser ein sprödes Material mit hohem Elastizitätsmodul, hoher Zugfestigkeit und geringer Bruchdehnung, das den Vorteil gestaltbarer mechanischer Eigenschaften bietet und je nach Verbesserungsbedarf flexibel gestaltet werden kann Gesamtleistung der Produktstruktur und wird häufig als Verstärkungsmaterial für Harzmatrix-Verbundwerkstoffe verwendet.Die folgende Tabelle zeigt die Haupteigenschaften der beiden Glasfasertypen.

Vergleich der Haupteigenschaften zweier Glasfasertypen

Es wird gezeigt, dass die Erhöhung des N-Elementgehalts auf der Oberfläche von Glasfasern die Bindungskraft zwischen Glasfaser und Polyurethanharz erheblich erhöhen kann, was möglicherweise auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen mit dem restlichen Isocyanat reagieren Das Polyurethanharz erzeugt Harnstoffgruppen, die als chemisches Bindemittel an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen wirken.

Kohlefaser

Kohlenstofffasern haben als ausgezeichnetes Verstärkungsmaterial die Vorteile einer hohen spezifischen Festigkeit und eines hohen Moduls, einer geringen Dichte, eines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eines niedrigen Reibungskoeffizienten, einer geringen Dehnung und einer guten Kältebeständigkeit.Kohlenstofffasern mit unterschiedlichen Spezifikationen und Eigenschaften können entsprechend den Anwendungsanforderungen in verschiedenen Bereichen ausgewählt werden.Die Spezifikationen und Eigenschaften von Kohlefasern sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Spezifikationen und Eigenschaften von Kohlefasern

Das Polyurethanharz weist eine gute Benetzbarkeit der Faser auf, es ist jedoch eine höhere Bindungsstärke erforderlich, damit die beiden eine gute Grenzfläche bilden.Daher erfolgt im Produktionsprozess von Kohlenstofffasern üblicherweise eine Schlichtebehandlung für Kohlenstofffasern.Hauptsächlich um die Faseradsorption von Verunreinigungen in der Luft und im Wasser zu verhindern und die oberflächenaktiven Gruppen der Faser zu schützen;Gleichzeitig kann es die Faserclusterfunktion verbessern, seine Infiltrationseigenschaften verbessern und eine gewisse Verstärkungswirkung erzielen.

Der Großteil der aktuellen Forschung zu kohlenstofffaserverstärkten Polyurethanharz-Matrix-Verbundwerkstoffen konzentriert sich jedoch auf Kurzfasern.Im Gegensatz dazu wird beim Einsatz von Endloskohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen auf Polyurethanbasis der Gehalt an Kohlenstofffasern stark erhöht, die Grenzflächenfläche mit der Polyurethanharzmatrix ist groß, die Grenzflächenbindungskraft ist groß und die Verstärkungsfestigkeit ist viel höher das der kurzen Fasern.

Andere faserverstärkte Materialien

Neben Kohlefasern und Glasfasern sind Basaltfasern, Aramidfasern usw. häufig verwendete Faserverstärkungsmaterialien.

Basaltfaser ist ein faserverstärktes Hochleistungsmaterial aus natürlichem Basalterz.Basaltfasern weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und chemische Stabilität sowie einen weiten Einsatztemperaturbereich mit hoher Wärme- und Schalldämmung auf.

Basaltfaserverstärkter Polyurethan-Verbundwerkstoff aus Tür- und Fensterprofilen, gute Wärmedämmleistung, energiesparende Wirkung, im Vergleich zu Glasfaserfenstern weisen eine höhere Korrosionsbeständigkeit und Anti-Aging-Eigenschaften auf.

Aramidfasern, d. h. aromatische Polyamidfasern mit hoher Festigkeit, hohem Modul, geringer Dichte und guter Abriebfestigkeit und anderen Vorteilen, sowie Kohlenstofffasern, hochfeste und hochmodulige Polyethylenfasern, die als die drei wichtigsten High-Tech-Fasern der Welt bekannt sind.

3. Füll- und Hilfsstoffe

Faserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe sind der Hauptrohstoff für Matrix- und Verstärkungsmaterialien. Bei der tatsächlichen Herstellung von Füllstoffen können nicht nur die Leistung von Verbundwerkstoffen und Formprozessen verbessert, sondern auch die Produktionskosten gesenkt werden, um den Anforderungen an Aussehen und Aussehen gerecht zu werden bald.

Darüber hinaus gibt es einige Hilfsstoffe wie Farbstoffe, Formentrennmittel usw.Der Farbstoff wird im Allgemeinen in Form einer Pigmentpaste verwendet;Das Trennmittel sollte eine sehr niedrige freie Oberflächenenergie haben und die Oberfläche der Form gleichmäßig benetzen können, um den Effekt der Formtrennung zu erzielen.

II.Endlosfaserverstärkte Pultrusionsformtechnologie für Polyurethan-Verbundwerkstoffe

1. Pultrusionsformverfahren

Das Pultrusionsformen begann in den 1950er Jahren, befindet sich noch in der Hochgeschwindigkeitsentwicklungsphase und ist eine imprägnierte Endlosfaser unter Einwirkung von Zugkraft, durch Extrusionsformen, Aushärten und kontinuierliche Großserienproduktion einer Vielzahl von Querschnittsabmessungen unveränderte lineare Profile des Formprozesses.

Das im Pultrusionsformverfahren verwendete Polyurethanharzsystem bietet die Vorteile eines kurzen Formzyklus, einer hohen Produktionseffizienz und keiner Verflüchtigung von Styrol, was pultrudierte Polyurethanprodukte zu einem Hotspot für Forschung und Entwicklung macht.Nach mehreren Jahren der Entwicklung wurde das Polyurethan-Pultrusionsformen kommerzialisiert, und im In- und Ausland sind spezielle Polyurethanharzsysteme für pultrudierte Produkte erschienen.

2. Vorteile des Pultrusionsverfahrens

Endlosfaserverstärkte Polyurethan-Verbundwerkstoffe im Pultrusionsverfahren bieten folgende Vorteile:

1).Anstelle von Glasfasermatten werden häufig ungedrillte Glasfaserrovings verwendet.Reduzierte Kosten, aber auch Vermeidung, dass die Glasfasermatte leicht bricht und die Produktion beeinträchtigt.

2).Die ursprüngliche Pultrusionsausrüstung muss nicht ausgetauscht werden, die Montage des Pultrusionssystems ist einfach und wirtschaftlich.

3).Faserqualitätsanteil bis zu 60 % – 90 %, Imprägnierung unter Spannung, kann die Rolle der Faser voll ausschöpfen, die Produktfestigkeit ist höher.

4).Der Produktionsprozess ist kontinuierlich und die Länge kann beliebig gekürzt werden.

Der Produktionsprozess kann bei hoher Produktionseffizienz vollständig automatisiert und gesteuert werden.

5).Mit der neuen iPul-Pultrusionsanlage der KraussMaffei Gruppe konnte die Produktionsgeschwindigkeit von üblichen 0,5–1,5 m/min auf etwa 3 m/min (Labordaten) gesteigert werden und eröffnet damit einen völlig neuen Markt für die Pultrusionstechnologie.

3. Leistungsmerkmale pultrudierter Verbundwerkstoffe

Im Pultrusionsformverfahren für endlosfaserverstärkte Polyurethan-Verbundwerkstoffe können mehr Verstärkungsfasern verwendet werden, so dass die Festigkeit des Produkts erheblich erhöht wird und das Harz und die Faser bei der Leistung der Bildung gute komplementäre Vorteile haben.Daher weisen die im Pultrusionsverfahren mit Polyurethanharz als Matrix hergestellten faserverstärkten Materialien die folgenden Eigenschaften und Eigenschaften auf:

1).Geringes Gewicht und hohe Festigkeit

Der Pultrusionsprozess zur Herstellung von Polyurethanrahmen, die beispielsweise kein Skelett tragen müssen, weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, Zugfestigkeit und spezifische Festigkeit sowie andere Eigenschaften von Türen und Fenstern aus PVC (Polyvinylchlorid)-Kunststoff auf, die mehr als das Zehnfache betragen, also viel größer als Die Aluminiumlegierung und der Stahl, während die Dichte nur 1/4 der Dichte von Stahl beträgt, beträgt die Dichte der Aluminiumlegierung 1/2.Die Eigenschaften des pultrudierten faserverstärkten Polyurethan-Verbundmaterials sind in der Tabelle aufgeführt.

2).Gute Korrosionsbeständigkeit

Glasfaserverstärkte Polyurethan-Verbundwerkstoffe weisen bei Raumtemperatur eine gute Beständigkeit gegenüber starken Säuren, starken Laugen und hohen Salzkonzentrationen auf, und der Verlust ihrer mechanischen Eigenschaften beträgt im Nass- und Heißalterungstest weniger als 3 %, was eine gute Alterungsbeständigkeit aufweist.

Darüber hinaus kann es als Baumaterial mit der gleichen Lebensdauer wie das Gebäude verwendet werden, die Oberfläche muss nicht behandelt werden und es weist eine starke Korrosionsbeständigkeit gegenüber Zementleim und anderen alkalischen oder sauren Umgebungen auf.

3).Gute Dimensionsstabilität

Die lineare Schrumpfung endlosfaserverstärkter Polyurethan-Verbundwerkstoffe beträgt weniger als 0,2 % und die Abweichung von der vorgesehenen Größe ist sehr gering.Darüber hinaus ist der lineare Ausdehnungskoeffizient der Türen und Fenster aus pultrudiertem Polyurethan-Verbundwerkstoff viel kleiner als der von Aluminiumlegierungen und PVC-Kunststoffen und liegt nahe an dem der Gebäudewand, wodurch das Auftreten von Rissen durch Wärmeausdehnung wirksam vermieden wird Kontraktion und verbessert die Versiegelungs- und Wärmeschutzleistung.

4).Starke Designfähigkeit

Der hohe Faseranteil beim Pultrusionsformen von Endlosfasern aus Polyurethan verleiht den Verbundwerkstoffen hervorragende mechanische Eigenschaften, und der bevorzugte Fasermassenanteil beträgt 60 % bis 90 %.Die Leistung von Polyurethanharz ist stark gestaltbar, unterschiedliche Rohstoffformulierungen und aus den Produkten gewonnene Additive haben unterschiedliche Eigenschaften.

III.Die Anwendung von pultrudierten faserverstärkten Polyurethan-Verbundwerkstoffen

1. Anwendung im Bereich der elektrischen Energietechnik

Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Wirtschaft und des Stromnetzes wird der Anwendungstrend neuer Verbundwerkstoffe von Jahr zu Jahr hervorgehoben.Herkömmliche Masten sind in rauen Klimazonen anfällig für schwere Schäden, die das Stromnetz zerstören können.

Endlosfaserverstärkte Polyurethan-Verbundmasten sind leicht und hochfest und verfügen über eine gute elektrische Isolationsleistung, die herkömmliche Masten in besonderen Gebieten wie Küsten-, Berg- und stark verschmutzten Gebieten ersetzen können.Daher schreibt der CLP-Standard „Verbundstrommasten für Verteilungsnetze“ vor, dass Polyurethanharz verwendet werden muss und die Masten im Pultrusionsverfahren geformt werden sollten.

Mit Polyurethanharz isolierte Strommasten und -türme, deren Qualität nur 1/10 der Betonmasten beträgt und direkt in die Stützelemente eingegossen werden können, wodurch Transport-, Installations- und Arbeitskosten gespart werden.Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Polyurethan selbst ist es nicht erforderlich, dem Formteil Härtungsmittel, Alterungsschutzmittel usw. hinzuzufügen, was die Produktionskosten des Strommastturms senkt.Die Anti-Leckage-Startspurleistung von glasfaserverstärkten Polyurethan-Verbundwerkstoffen ist jedoch unzureichend und es ist schwierig, sie direkt bei hohen elektrischen Feldern zu verwenden.

2. Anwendung im Bereich des Türen- und Fensterbaus

Die Verwendung von endlosfaserverstärkten pultrudierten Polyurethanmaterialien im Bauwesen erfolgt hauptsächlich für Tür- und Fensterprofile.Fenster aus Aluminiumlegierung, PVC-Kunststoff-Stahlfenster, mit Aluminium verkleidete Holzfenster und andere Türen und Fenster sind zwar gute Wärmedämmeigenschaften, werden jedoch vom Markt allgemein begrüßt, aber solche Materialien verursachen im Produktionsprozess viel Energieverlust und sind leicht zu produzieren solide Abfall und schädliche flüchtige Stoffe, und die Feuerbeständigkeit ist nicht gut.Pultrudierte Fenster- und Türprofile aus Polyurethan im Formteil, keine Verflüchtigung von Styrol, um Umweltverschmutzung zu vermeiden, im Einklang mit dem „grünen“ Konzept.Da die Glasfaser eine gute Flammhemmung und Hitzebeständigkeit aufweist, weist das pultrudierte Polyurethanmaterial selbst eine Feuerbeständigkeit auf;Und pultrudierte Fenster- und Türprofile aus Polyurethan haben einen Wärmedurchgangskoeffizienten von nur 0,22 W/(m2-K) bei einem Wärmewiderstand von 9,96 mK/W, was eine bessere Wärmedämmleistung bedeutet.Der Wärmedurchgangskoeffizient und die Luftdichtheit verschiedener Arten von Energiesparfenstern sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Im Vergleich zu Fenstern und Türen aus anderen Materialien zeichnen sich pultrudierte Fenster- und Türprofile aus Polyurethan durch stabile Abmessungen, gute Luftdichtheit und Schalldämmung aus.Gemäß der nationalen Norm „Gebäudeaußentüren und -fenster luftdicht, wasserdicht, Winddruckwiderstandsleistungsbewertung und Prüfmethoden“ werden Türen und Fenster aus Polyurethan-Verbundwerkstoffen mit einer Luftdichtheit von bis zu 8 Stufen, einer Wasserdichtheit von bis zu 6 Stufen und einer Schalldämmleistung von bis zu 100 % getestet bis zu 5 Stufen, ist weit verbreitet.

3. Anwendung im Bereich Eisenbahnschwellen

Holzschwellen und Stahlbetonschwellen sind derzeit zwei wichtige Schwellenmaterialien. Ersteres ist nicht korrosionsbeständig, hat eine kurze Lebensdauer und steht im Widerspruch zum Umweltschutz.Die letztgenannten Rohstoffe sind billig und leicht zu bekommen, haben eine stabile Leistung und eine lange Lebensdauer, aber ihre geringe Elastizität und hohe Härte lassen sie leicht brechen.Im Gegensatz dazu haben faserverstärkte Polyurethan-Synthetikschwellen unabhängig von der Leistung des Rohmaterials selbst oder den Eigenschaften des Pultrusionsprozesses große Vorteile für die Konstruktion und Anwendung von Schwellen gebracht.

Qiao Dongping und andere Pultrusionsformverfahren zur Herstellung eines neuen Typs synthetischer Schwellen.Leistungstestergebnisse zeigen, dass die neue Polyurethan-Verbundschwelle eine Biegelast von bis zu 181 kN und eine Schraubenauszugsfestigkeit von bis zu 76 kN aufweist.Die Art der Schwelle zeichnet sich nicht nur durch hervorragende Scherfestigkeit, Schlagzähigkeit und andere mechanische Eigenschaften aus, sondern auch durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit.

4. In anderen Anwendungsbereichen

Fahrzeugboden: Diese Art von Fahrzeugboden weist eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht auf, was den Kraftstoffverbrauch senkt.Bei der Verwendung kommt es zu keiner Verflüchtigung kleiner Moleküle, es ist feuchtigkeitsbeständig und korrosionsbeständig und weist einen gewissen Grad an Flammschutz, Sicherheit und Zuverlässigkeit auf.Der Wärmeausdehnungskoeffizient des faserverstärkten Polyurethanmaterials ist gering und es gibt kein Problem der thermischen Verformung, was eine lange Lebensdauer hat.

Karosserie: Aufgrund des höheren Faservolumenanteils weist das Verbundmaterial hervorragende mechanische Eigenschaften, eine geringere Masse, einen geringeren Kraftstoffverbrauch und weniger Umweltschäden auf.

Photovoltaik-Rahmen und -Stents: Durchgehend glasfaserverstärkte pultrudierte Formverbundstoffe aus Polyurethan können zur Herstellung von Rahmen und Stents für Photovoltaik-Module verwendet werden, was einen sich schnell entwickelnden neuen Markt darstellt.Das Ersetzen von Aluminiumlegierungsrahmen durch Verbundwerkstoffe kann zur Kostenreduzierung, Gewichtsreduzierung usw. beitragen, und die guten Isoliereigenschaften, die chemische Beständigkeit und andere Eigenschaften der Verbundwerkstoffe sorgen dafür, dass sie mehr Leistungsvorteile für den Einsatz an der Meeresoberfläche, in salzhaltigen und alkalischen Landgebieten bieten andere Felder.

Mittlerweile haben eine Reihe von Unternehmen die entsprechende Zertifizierung abgeschlossen, in Teilen der Massenproduktion ist der Verbundrahmen sogar zu einem besonderen Verkaufsargument von Photovoltaikkomponenten geworden.

Gegenwärtig müssen pultrudierte Polyurethan-Verbundmaterialien in Photovoltaikrahmen und Stents, um eine großflächige Anwendung zu erreichen, noch einige Probleme lösen, zum einen ist die langfristige Witterungsbeständigkeit und Festigkeit sowie andere Eigenschaften hauptsächlich auf die vollständige Überprüfung angewiesen Bestätigung von Tests und Zertifizierungen durch Dritte;Andererseits beträgt die aktuelle Geschwindigkeit des pultrudierten Polyurethan-Formteils im Allgemeinen weniger als 1 m/min für den installierten Bedarf des GW-Niveaus. Es ist schwierig, den Produktionsbedarf zu decken, was eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Pultrusionsform-Produktionsausrüstung erfordert.Dies erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Pultrusions-Produktionsanlagen.