لماذا نستخدم مركبات البولي يوريثين Pultruded للإطارات الكهروضوئية؟عملية وتطبيقات صب البولي يوريثين

لماذا نستخدم مركبات البولي يوريثين Pultruded للإطارات الكهروضوئية؟عملية وتطبيقات صب البولي يوريثين

تشير عملية صب بولتروسيون إلى تشريب التجوال واللباد في خزانات الراتنج تحت عملية السحب لمعدات الجر، ثم في قوالب ساخنة للمعالجة والقطع لتشكيل المنتج النهائي.

لقد تم استخدام عملية بولتروسيون لعقود من الزمن لتصنيع المنتجات المركبة.الراتنجات التقليدية المستخدمة في عملية بولتروسيون هي البوليستر، والراتنجات غير المشبعة، والراتنجات الفينولية، وراتنجات الايبوكسي وما إلى ذلك.يمكن لتكنولوجيا صب بولتروسيون الأوتوماتيكية للغاية أن تعطي الفرصة الكاملة للخصائص الميكانيكية للألياف وهي مناسبة للإنتاج المستمر

من مركبات مصفوفة الراتنج.

البولي يوريثين بخصائصه الميكانيكية الممتازة، والقولبة ذات الضغط المنخفض، والمعالجة السريعة، وعدم تبخر الستايرين ومزايا أخرى من الراتنج التقليدي، أصبح 'المفضل الجديد' لصناعة المواد المركبة من الراتنج.

أولا: المواد الخام

1. مصفوفة راتنجات البولي يوريثين

البولي يوريثين عبارة عن بوليول قليل القسيم وإيزوسيانات كمادة خام رئيسية يتم تصنيعها في سلسلة رئيسية تحتوي على مجموعات يوريتان (-NHCOO-) بوليمر.بالمقارنة مع الراتنجات التقليدية، يرتبط البولي يوريثين بشكل أفضل بمواد التسليح، مما يؤدي إلى مقاومة ممتازة للصدمات، وخصائص ميكانيكية وقابلية للعوامل الجوية.

لا يحتوي راتينج البولي يوريثين على مواد متطايرة مثل الستايرين، وهو ما يلبي تمامًا المتطلبات الوطنية المتمثلة في 'تعزيز البحث التطبيقي وتطوير المنتجات الخضراء، وتعزيز التكنولوجيا خفيفة الوزن ومنخفضة الطاقة'.

يتميز مادة البولي يوريثين المستخدمة في صب البولتروسيون بمزايا اللزوجة المنخفضة وسرعة التشكيل الأسرع.يتم عرض الخصائص النموذجية لراتنجات البولي يوريثين للبولتروس في الجدول أدناه.

الخصائص ذات الصلة لراتنجات البولي يوريثين للبولتروسيون

لا تزال مركبات البولي يوريثين المقواة بالألياف المستمرة تواجه بعض المشاكل التي يتعين حلها: في الوقت الحاضر، توجد ظاهرة مفادها أن تصميم تركيبات راتنجات البولي يوريثين وعملية التحضير معزولة في الغالب عن عملية تصنيع مركبات البولي يوريثين؛يتفاعل البولي يوريثين بعنف، ويطلق كمية كبيرة من الحرارة التي ليس من السهل التحكم فيها، ومن السهل أن تكون رغوية بسبب حساسيتها لدرجة الحرارة والرطوبة المحيطة.

لذلك، يجب استخدام معدات المعالجة المناسبة (مثل القولبة المغلقة) في عملية التحضير، ويجب التحكم في درجة الحرارة والرطوبة البيئية، ويجب تقليل تفاعل المواد الخام أو استخدام مادة البولي يوريثين غير الرغوية.

2. مواد التسليح

الألياف الزجاجية

باعتبارها ألياف غير عضوية ذات أداء ممتاز، فإن الألياف الزجاجية عبارة عن مادة هشة ذات معامل مرونة عالي وقوة شد عالية واستطالة صغيرة عند الكسر، والتي تتميز بخصائص ميكانيكية قابلة للتصميم، ويمكن تصميمها بمرونة وفقًا للحاجة إلى تحسين الأداء العام لهيكل المنتج، ويستخدم على نطاق واسع كمواد تقوية لمركبات مصفوفة الراتنج.ويبين الجدول التالي الخصائص الرئيسية لنوعي الألياف الزجاجية.

مقارنة الخصائص الرئيسية لنوعين من الألياف الزجاجية

لقد تبين أن زيادة محتوى عنصر N على سطح الألياف الزجاجية يمكن أن تزيد بشكل كبير من قوة الترابط بين الألياف الزجاجية وراتنج البولي يوريثين، والذي قد يكون بسبب حقيقة أن المجموعات الوظيفية المحتوية على النيتروجين سوف تتفاعل مع الإيزوسيانات المتبقية في راتينج البولي يوريثين لتوليد مجموعات اليوريا، والتي ستعمل كعامل ربط كيميائي عند السطح البيني بين المرحلتين.

ألياف كربونيه

تتميز ألياف الكربون، باعتبارها مادة تقوية ممتازة، بمزايا القوة والمعامل النوعي العالي، والكثافة المنخفضة، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، ومعامل الاحتكاك المنخفض، والاستطالة المنخفضة، والمقاومة الجيدة لدرجات الحرارة المنخفضة.يمكن اختيار ألياف الكربون بمواصفات وخصائص مختلفة وفقًا لمتطلبات التطبيق في المجالات المختلفة.مواصفات وخصائص ألياف الكربون مبينة في الجدول أدناه.

مواصفات وخصائص ألياف الكربون

يتمتع راتينج البولي يوريثين بقابلية جيدة للتبلل مع الألياف، ولكن هناك حاجة إلى قوة ربط أعلى إذا كان الاثنان يشكلان واجهة جيدة.لذلك، في عملية إنتاج ألياف الكربون، عادة ما يتم معالجة ألياف الكربون بالحجم.بشكل رئيسي لمنع امتصاص الألياف للشوائب في الهواء والماء، لحماية المجموعات النشطة على سطح الألياف؛وفي الوقت نفسه، يمكنه تحسين وظيفة مجموعة الألياف، وتحسين خصائص التسلل، مع تأثير تعزيز معين.

ومع ذلك، فإن معظم الأبحاث الحالية حول مركبات مصفوفة راتنجات البولي يوريثان المقواة بألياف الكربون تركز على الألياف القصيرة.في المقابل، عندما يتم تطبيق ألياف الكربون المستمرة في المركبات القائمة على البولي يوريثين، فإن محتوى ألياف الكربون يزداد بشكل كبير، وتكون المنطقة البينية مع مصفوفة راتنجات البولي يوريثين كبيرة، وقوة الترابط البيني كبيرة، وقوة التسليح أعلى بكثير من أن من الألياف القصيرة.

مواد أخرى مقواة بالألياف

بالإضافة إلى ألياف الكربون والألياف الزجاجية، فإن مواد تقوية الألياف شائعة الاستخدام هي ألياف البازلت وألياف الأراميد وما إلى ذلك.

ألياف البازلت هي مادة معززة بالألياف عالية الأداء مصنوعة من خام البازلت الطبيعي.تتميز ألياف البازلت بمقاومة عالية للتآكل وثبات كيميائي، ونطاق واسع من درجات حرارة الاستخدام، مع عزل حراري وصوتي عالي.

المواد المركبة من مادة البولي يوريثين المقواة بألياف البازلت المصنوعة من جوانب الأبواب والنوافذ، وأداء العزل الحراري الجيد، وتأثير توفير الطاقة، مقارنة بنوافذ الألياف الزجاجية تتمتع بمقاومة أعلى للتآكل وخصائص مضادة للشيخوخة.

ألياف الأراميد، أي ألياف البولي أميد العطرية، ذات القوة العالية، والمعامل العالي، والكثافة المنخفضة، ومقاومة جيدة للتآكل ومزايا أخرى، وألياف الكربون، وألياف البولي إيثيلين عالية القوة والمعامل العالي والمعروفة باسم الألياف الثلاثة الرئيسية عالية التقنية في العالم.

3. الحشو والمواد المساعدة

تعتبر مركبات مصفوفة الراتنج المقواة بالألياف هي المادة الخام الرئيسية للمصفوفة ومواد التعزيز، في الإنتاج الفعلي للحشوات لا يمكنها فقط تحسين أداء المواد المركبة وعملية التشكيل، ولكن أيضًا تقليل تكلفة الإنتاج، لتلبية الطلب على المظهر و قريباً.

بالإضافة إلى ذلك، هناك بعض المواد المساعدة، مثل عامل التلوين، عامل تحرير القالب وما إلى ذلك.يُستخدم عامل التلوين عمومًا على شكل معجون صبغ؛يجب أن يكون لعامل التحرير طاقة خالية من السطح منخفضة جدًا ويمكنه أن يبلل سطح القالب بشكل موحد لتحقيق تأثير تحرير القالب.

ثانيا.تكنولوجيا صب البولي يوريثين المقوى بالألياف المستمرة

1. عملية صب بولتروسيون

بدأت عملية قولبة النتوء في الخمسينيات من القرن الماضي، ولا تزال في مرحلة التطوير عالية السرعة، وهي عبارة عن ألياف مستمرة مشربة تحت تأثير الجر، من خلال قولبة قالب البثق، والمعالجة، والإنتاج المستمر على نطاق واسع لمجموعة متنوعة من أبعاد المقطع العرضي لمحات خطية دون تغيير لعملية صب.

يتميز نظام راتينج البولي يوريثين المستخدم في عملية التشكيل بالبولتروسيون بمزايا دورة التشكيل القصيرة، وكفاءة الإنتاج العالية، وعدم تطاير الستايرين، مما يجعل منتجات البولي يوريثين المسحوقة تصبح نقطة ساخنة للبحث والتطوير.بعد عدة سنوات من التطوير، تم تسويق قوالب البولي يوريثين بولتروسيون، وظهرت أنظمة راتنجات البولي يوريثين الخاصة للمنتجات بولتروديد في الداخل والخارج.

2. مزايا عملية صب بولتروسيون

تتمتع المواد المركبة من مادة البولي يوريثين المقواة بالألياف المستمرة باستخدام عملية صب بولتروسيون بالمزايا التالية:

1).غالبًا ما يتم استخدام الألياف الزجاجية غير الملتوية بدلاً من حصائر الألياف الزجاجية.انخفاض التكاليف، ولكن أيضًا لتجنب كسر حصيرة الألياف الزجاجية بسهولة والتأثير على الإنتاج.

2).لا حاجة لاستبدال معدات بولتروسيون الأصلية، تجميع نظام بولتروسيون بسيط واقتصادي.

3).جزء جودة الألياف يصل إلى 60% - 90%، التشريب تحت التوتر، يمكن أن يعطي اللعب الكامل لدور الألياف، وقوة المنتج أعلى.

4).عملية الإنتاج مستمرة ويمكن قطع الطول بشكل تعسفي.

يمكن أتمتة عملية الإنتاج والتحكم فيها بالكامل، بكفاءة إنتاجية عالية.

5).لقد أدى نظام iPul pultrusion الجديد التابع لمجموعة KraussMaffei إلى زيادة سرعة الإنتاج من 0.5-1.5m/min المعتادة إلى حوالي 3m/min (بيانات المختبر)، مما يفتح سوقًا جديدًا بالكامل لتكنولوجيا قولبة pultrusion.

3. خصائص الأداء للمركبات المسحوقة

في عملية صب بولتروسيون مركبات البولي يوريثين المقواة بالألياف المستمرة، يمكن استخدام المزيد من الألياف المعززة، بحيث يتم زيادة قوة المنتج بشكل كبير، والراتنج والألياف في أداء تشكيل مزايا تكميلية جيدة.ولذلك، فإن المواد المقواة بالألياف التي تنتجها عملية صب بولتروسيون مع راتنجات البولي يوريثين كمصفوفة لها الخصائص والخصائص التالية:

1).خفيفة الوزن وقوة عالية

عملية بولتروسيون لإعداد إطارات البولي يوريثين، على سبيل المثال، والتي لا تحتاج إلى دعم الهيكل العظمي، لها خصائص ميكانيكية ممتازة، وقوة شد وقوة محددة وغيرها من خصائص الأبواب والنوافذ البلاستيكية البلاستيكية (بولي فينيل كلورايد) أكثر من 10 مرات، أكبر بكثير من سبائك الألومنيوم والصلب، في حين أن كثافة 1/4 فقط من كثافة الصلب، وكثافة سبائك الألومنيوم 1/2.يتم عرض خصائص مادة البولي يوريثين المركبة المقواة بالألياف في الجدول.

2).مقاومة جيدة للتآكل

تتمتع مركبات البولي يوريثين المقواة بالألياف الزجاجية بمقاومة جيدة للأحماض القوية والقلويات القوية والتركيز العالي للملح في درجة حرارة الغرفة، وفقدان خواصها الميكانيكية أقل من 3٪ في اختبار الشيخوخة الرطب والساخن، والذي يتمتع بمقاومة جيدة للشيخوخة.

علاوة على ذلك، يمكن استخدامه كمواد بناء لها نفس عمر المبنى، ولا يحتاج السطح إلى معالجة، كما أنه يتمتع بمقاومة قوية للتآكل تجاه المعجون الأسمنتي والبيئات القلوية أو الحمضية الأخرى.

3).استقرار الأبعاد الجيد

إن الانكماش الخطي لمركبات البولي يوريثين المقواة بالألياف المستمرة أقل من 0.2٪، والانحراف عن الحجم المصمم صغير جدًا.بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل التمدد الخطي للأبواب والنوافذ المركبة من البولي يوريثان أصغر بكثير من سبائك الألومنيوم والبلاستيك PVC، وهو قريب من جدار المبنى، مما يتجنب بشكل فعال ظهور الشقوق الناتجة عن التمدد الحراري و الانكماش ويحسن أداء الختم والحفاظ على الحرارة.

4).تصميم قوي

إن المحتوى العالي من الألياف في صب ألياف البولي يوريثين المستمر يمنح المركبات خصائص ميكانيكية ممتازة، ونسبة كتلة الألياف المفضلة هي 60% - 90%.يتميز أداء راتنجات البولي يوريثان بقدرة قوية على التصميم، كما أن تركيبات المواد الخام المختلفة والمواد المضافة التي يتم الحصول عليها من المنتجات لها خصائص مختلفة.

ثالثا.تطبيق مركبات البولي يوريثان المقواة بالألياف

1. التطبيق في مجال هندسة الطاقة الكهربائية

مع التطور السريع للاقتصاد الصيني وشبكة الطاقة، يتم تسليط الضوء على اتجاه تطبيق المواد المركبة الجديدة سنة بعد سنة.الأعمدة التقليدية معرضة لأضرار جسيمة في المناخات القاسية، والتي يمكن أن تدمر شبكة الكهرباء.

تتميز الأعمدة المركبة المصنوعة من البولي يوريثين المقوى بالألياف المستمرة بأنها خفيفة الوزن وعالية القوة، مع أداء جيد للعزل الكهربائي، والتي يمكن أن تحل محل الأعمدة التقليدية في مناطق خاصة مثل المناطق الساحلية والجبلية والملوثة للغاية.ولذلك، فإن معيار CLP 'أعمدة الكهرباء المركبة لشبكات التوزيع' ينص على أنه يجب استخدام راتينج البولي يوريثين ويجب تشكيل الأعمدة عن طريق عملية بولتروسيون.

أعمدة الكهرباء والأبراج المعزولة براتينج البولي يوريثان، والتي تكون جودتها 1/10 فقط من الأعمدة الخرسانية، ويمكن تشكيلها مباشرة في أعضاء الدعم، مما يوفر تكاليف النقل والتركيب والعمالة.نظرًا للخصائص الممتازة للبولي يوريثين نفسه، ليست هناك حاجة لإضافة عامل معالجة، عامل مضاد للشيخوخة، وما إلى ذلك في القالب، مما يقلل من تكلفة إنتاج برج عمود الطاقة.ومع ذلك، فإن أداء تتبع بداية مقاومة التسرب لمركبات البولي يوريثين المقواة بالألياف الزجاجية غير كافٍ، ومن الصعب استخدامها مباشرة في المجالات الكهربائية العالية.

2. التطبيق في مجال أبواب ونوافذ البناء

إن تطبيق مواد البولي يوريثين المقواة بالألياف المستمرة في البناء يتم بشكل أساسي لمقاطع الأبواب والنوافذ.النوافذ المصنوعة من سبائك الألومنيوم، والنوافذ البلاستيكية البلاستيكية المصنوعة من الصلب، والنوافذ الخشبية المكسوة بالألمنيوم والأبواب والنوافذ الأخرى، على الرغم من أن أداء العزل الحراري الجيد، يرحب به السوق على نطاق واسع، ولكن مثل هذه المواد في عملية الإنتاج ستتسبب في فقدان الكثير من الطاقة، ومن السهل إنتاج مواد صلبة. النفايات والمواد المتطايرة الضارة، وأداء مقاومة الحريق ليس جيدا.جوانب النوافذ والأبواب من مادة البولي يوريثين في القالب، لا يوجد تطاير للستيرين، لتجنب التلوث البيئي، بما يتماشى مع مفهوم 'الأخضر'.بما أن الألياف الزجاجية لديها مقاومة جيدة للهب ومقاومة للحرارة، فإن مادة البولي يوريثين المسحوقة نفسها لديها مقاومة للحريق؛تتميز مقاطع النوافذ والأبواب المصنوعة من مادة البولي يوريثين بمعامل نقل الحرارة يبلغ 0.22 وات/(م2-ك) فقط، مع مقاومة حرارية تبلغ 9.96 ملي كلفن/وات، وهو أداء أفضل للعزل الحراري.يوضح الجدول أدناه معامل نقل الحرارة وإغلاق الهواء لعدة أنواع من النوافذ الموفرة للطاقة.

بالمقارنة مع النوافذ والأبواب الأخرى من المواد، فإن جوانب النوافذ والأبواب المصنوعة من مادة البولي يوريثين ذات الأبعاد الثابتة، ونفاذية الهواء الجيدة وعزل الصوت.وفقًا للمعيار الوطني 'اختبار الأبواب والنوافذ الخارجية للمبنى محكم الإغلاق ومقاوم للماء ودرجات أداء مقاومة ضغط الرياح وطرق الاختبار'، فإن أبواب ونوافذ مركب البولي يوريثين مقاومة للهواء حتى 8 مستويات، ومقاومة للماء حتى 6 مستويات، وأداء عزل الصوت يصل إلى إلى 5 مستويات، وقد استخدمت على نطاق واسع.

3. التطبيق في مجال عوارض السكك الحديدية

تعد العوارض الخشبية والعوارض الخرسانية المسلحة حاليًا مادتين رئيسيتين للنوم، والأولى ليست مقاومة للتآكل، وعمر خدمة قصير، وتتعارض مع حماية البيئة؛المواد الخام الأخيرة رخيصة الثمن ويسهل الحصول عليها، وأداء مستقر، وعمر خدمة طويل، ولكن مرونتها ضعيفة وصلابتها العالية، وسهلة التمزق.في المقابل، فإن عوارض البولي يوريثين الاصطناعية المقواة بالألياف، بغض النظر عن أداء المواد الخام نفسها أو خصائص عملية النتوء، قد جلبت مزايا كبيرة لبناء وتطبيق عوارض النوم.

تشياو دونغبينغ وغيرها من عمليات صب بولتروسيون لإعداد نوع جديد من العوارض الاصطناعية.تظهر نتائج اختبار الأداء أن حمولة الانحناء النائمة المركبة من مادة البولي يوريثين تصل إلى 181 كيلو نيوتن، وقوة سحب المسمار تصل إلى 76 كيلو نيوتن.هذا النوع من النائم ليس فقط في قوة القص، وقوة التأثير والخصائص الميكانيكية الأخرى لها أداء ممتاز، في مقاومة التآكل، ومقاومة الشيخوخة هي أيضًا أداء ممتاز.

4. في مجالات التطبيق الأخرى

أرضية السيارة: هذا النوع من أرضية السيارة يتميز بالقوة العالية والوزن الخفيف، مما يحسن الاقتصاد في استهلاك الوقود؛لن يكون هناك تطاير للجزيئات الصغيرة أثناء عملية الاستخدام، ومقاومة للرطوبة ومقاومة للتآكل، ولها درجة معينة من مثبطات اللهب، وآمنة وموثوقة؛معامل التمدد الحراري لمادة البولي يوريثين المقواة بالألياف صغير، ولا توجد مشكلة في التشوه الحراري، ولها عمر خدمة طويل.

الجسم: نظرًا لنسبة الألياف الكبيرة في الحجم، تتمتع المادة المركبة بخصائص ميكانيكية ممتازة وكتلة أقل واستهلاك منخفض للوقود وأضرار بيئية.

الإطار الكهروضوئي والدعامات: يمكن استخدام مركبات صب البولي يوريثين المقواة بالألياف الزجاجية المستمرة لصنع إطارات ودعامات الوحدات الكهروضوئية ، وهو سوق جديد سريع التطور.يمكن أن يلعب استبدال إطارات سبائك الألومنيوم بالمواد المركبة دورًا في تقليل التكلفة والوزن الخفيف وما إلى ذلك، كما أن خصائص العزل الجيدة للمركبات والمقاومة الكيميائية وغيرها من الخصائص تجعلها تتمتع بمزايا أداء أكثر للتطبيق على سطح البحر والأراضي المالحة والقلوية و مجالات أخرى.

في الوقت الحاضر، أكمل عدد من الشركات الشهادات ذات الصلة، وفي جزء من مرحلة الإنتاج الضخم، أصبح الإطار المركب نقطة بيع خاصة للمكونات الكهروضوئية.

في الوقت الحاضر، لا تزال المواد المركبة من البولي يوريثين في الإطار الكهروضوئي والدعامات لتحقيق تطبيق على نطاق واسع، بحاجة إلى حل بعض المشاكل، من ناحية، التجوية على المدى الطويل والقوة وغيرها من خصائص التحقق الكامل، تعتمد بشكل أساسي على اختبار الطرف الثالث وتصديق الشهادات؛من ناحية أخرى، فإن سرعة صب البولي يوريثين pultruded الحالية عادة ما تكون أقل من 1 م / دقيقة للطلب المثبت لمستوى GW في أي وقت، ومن الصعب تلبية احتياجات الإنتاج، الأمر الذي يتطلب معدات إنتاج صب بولتروسيون مستمرة في التقدم.وهذا يتطلب التقدم المستمر لمعدات إنتاج صب بولتروسيون.