¿Por qué utilizar compuestos pultruidos de poliuretano para marcos fotovoltaicos?Proceso y aplicaciones de moldeo por pultrusión de poliuretano

¿Por qué utilizar compuestos pultruidos de poliuretano para marcos fotovoltaicos?Proceso y aplicaciones de moldeo por pultrusión de poliuretano

El proceso de moldeo por pultrusión se refiere a la impregnación de mechas y fieltros en tanques de resina bajo la acción de tracción de equipos de tracción, luego en moldes calentados para curar y cortar para formar el producto final.

El proceso de pultrusión se utiliza desde hace décadas para fabricar productos compuestos.Las resinas tradicionales utilizadas en el proceso de pultrusión son poliéster, resinas insaturadas, resinas fenólicas, resinas epoxi, etc.La tecnología de moldeo por pultrusión altamente automatizada puede aprovechar al máximo las propiedades mecánicas de las fibras y es adecuada para la producción continua.

de composites de matriz de resina.

El poliuretano con sus excelentes propiedades mecánicas, moldeo a baja presión, curado rápido, sin evaporación de estireno y otras ventajas de la resina tradicional, se ha convertido en el 'nuevo favorito' de la industria de materiales compuestos de matriz de resina.

I. Materias primas

1. Matriz de resina de poliuretano

El poliuretano es un poliol oligómero y el isocianato como materia prima principal sintetiza una cadena principal que contiene grupos de uretano (-NHCOO-) del polímero.En comparación con las resinas convencionales, el poliuretano se adhiere mejor a los materiales de refuerzo, lo que da como resultado una excelente resistencia al impacto, propiedades mecánicas y resistencia a la intemperie.

La resina de poliuretano no contiene volátiles como el estireno, lo que cumple plenamente con los requisitos nacionales de 'fortalecer la investigación y el desarrollo de aplicaciones de productos ecológicos y promover tecnología liviana y de bajo consumo de energía'.

El poliuretano para moldeo por pultrusión tiene las ventajas de una baja viscosidad y una velocidad de moldeo más rápida.Las propiedades típicas de las resinas de poliuretano para pultrusión se muestran en la siguiente tabla.

Propiedades relevantes de las resinas de poliuretano para pultrusión.

Los compuestos de poliuretano reforzados con fibras continuas todavía tienen algunos problemas que resolver: en la actualidad, existe el fenómeno de que el diseño de las formulaciones de resina de poliuretano y el proceso de preparación están en su mayoría aislados del proceso de fabricación de los compuestos de poliuretano;El poliuretano reacciona violentamente, liberando una gran cantidad de calor que no es fácil de controlar, y es fácil de espumar debido a su sensibilidad a la temperatura y humedad ambiental.

Por lo tanto, en el proceso de preparación se debe utilizar equipo de proceso adecuado (como moldeo cerrado), se debe controlar la temperatura y la humedad ambiental y se debe reducir la reactividad de las materias primas o se debe utilizar poliuretano no espumante.

2. Materiales de refuerzo

Fibra de vidrio

Como fibra inorgánica con excelente rendimiento, la fibra de vidrio es un material frágil con alto módulo de elasticidad, alta resistencia a la tracción y pequeño alargamiento a la rotura, que tiene la ventaja de propiedades mecánicas diseñables y puede diseñarse de manera flexible según la necesidad de mejorar la rendimiento general de la estructura del producto y se usa ampliamente como material de refuerzo para compuestos de matriz de resina.La siguiente tabla muestra las principales propiedades de los dos tipos de fibras de vidrio.

Comparación de las principales propiedades de dos tipos de fibra de vidrio

Se muestra que el aumento del contenido del elemento N en la superficie de la fibra de vidrio puede aumentar significativamente la fuerza de unión entre la fibra de vidrio y la resina de poliuretano, lo que puede deberse al hecho de que los grupos funcionales que contienen nitrógeno reaccionarán con el isocianato residual en la resina de poliuretano para generar grupos urea, que actuarán como agente de enlace químico en la interfaz entre las dos fases.

Fibra de carbon

La fibra de carbono, como excelente material de refuerzo, tiene las ventajas de alta resistencia y módulo específicos, baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica, bajo coeficiente de fricción, bajo alargamiento y buena resistencia a bajas temperaturas.Se puede seleccionar fibra de carbono con diferentes especificaciones y propiedades según los requisitos de aplicación en diferentes campos.Las especificaciones y propiedades de la fibra de carbono se muestran en la siguiente tabla.

Especificaciones y propiedades de la fibra de carbono.

La resina de poliuretano tiene buena humectabilidad para la fibra, pero se necesita una mayor fuerza de unión para que las dos formen una buena interfaz.Por lo tanto, en el proceso de producción de fibra de carbono, la fibra de carbono suele ser un tratamiento de apresto.Principalmente para prevenir la adsorción de impurezas en el aire y el agua de la fibra, para proteger los grupos tensioactivos de la fibra;al mismo tiempo, puede mejorar la función del grupo de fibras, mejorar sus propiedades de infiltración, con cierto efecto de refuerzo.

Sin embargo, la mayor parte de la investigación actual sobre compuestos de matriz de resina de poliuretano reforzada con fibra de carbono se centra en fibras cortas.Por el contrario, cuando se aplican fibras de carbono continuas en compuestos a base de poliuretano, el contenido de fibras de carbono aumenta considerablemente, el área interfacial con la matriz de resina de poliuretano es grande, la fuerza de unión interfacial es grande y la resistencia de refuerzo es mucho mayor que el de las fibras cortas.

Otros materiales reforzados con fibra

Además de la fibra de carbono y la fibra de vidrio, los materiales de refuerzo de fibra más utilizados son la fibra de basalto, la fibra de aramida, etc.

La fibra de basalto es un material reforzado con fibra de alto rendimiento elaborado a partir de mineral de basalto natural.La fibra de basalto tiene alta resistencia a la corrosión y estabilidad química, y un amplio rango de temperatura de uso, con alto aislamiento térmico y acústico.

El material compuesto de poliuretano reforzado con fibra de basalto hecho de perfiles de puertas y ventanas, tiene buen rendimiento de aislamiento térmico, efecto de ahorro de energía, en comparación con las ventanas de fibra de vidrio, tiene una mayor resistencia a la corrosión y propiedades antienvejecimiento.

Fibra de aramida, es decir, fibra de poliamida aromática, con alta resistencia, alto módulo, baja densidad y buena resistencia a la abrasión y otras ventajas, y fibra de carbono, fibras de polietileno de alta resistencia y alto módulo y conocidas como las tres principales fibras de alta tecnología del mundo.

3. Rellenos y materiales auxiliares

Los compuestos de matriz de resina reforzada con fibra son la principal materia prima de la matriz y los materiales de refuerzo; en la producción real de rellenos no solo se puede mejorar el rendimiento de los materiales compuestos y el proceso de moldeo, sino también reducir el costo de producción, para satisfacer la demanda de apariencia y pronto.

Además, existen algunos materiales auxiliares, como colorantes, agentes desmoldeantes, etc.El agente colorante se utiliza generalmente en forma de pasta de pigmento;el agente desmoldante debe tener muy baja energía libre superficial y puede humedecer uniformemente la superficie del molde para lograr el efecto de desmoldeo.

II.Tecnología de moldeo por pultrusión de compuestos de poliuretano reforzados con fibra continua

1. Proceso de moldeo por pultrusión

El moldeo por pultrusión comenzó en la década de 1950, todavía se encuentra en la etapa de desarrollo de alta velocidad, es una fibra continua impregnada bajo la acción de la tracción, a través del moldeo por extrusión, curado, producción continua a gran escala de una variedad de dimensiones de sección transversal de Perfiles lineales sin cambios del proceso de moldeo.

El sistema de resina de poliuretano utilizado en el proceso de moldeo por pultrusión tiene las ventajas de un ciclo de moldeo corto, alta eficiencia de producción y ausencia de volatilización de estireno, lo que hace que los productos pultruidos de poliuretano se conviertan en un punto caliente para la investigación y el desarrollo.Después de varios años de desarrollo, se ha comercializado el moldeo por pultrusión de poliuretano y han aparecido sistemas especiales de resina de poliuretano para productos pultruidos en el país y en el extranjero.

2. Ventajas del proceso de moldeo por pultrusión

Los materiales compuestos de poliuretano reforzados con fibra continua mediante proceso de moldeo por pultrusión, tienen las siguientes ventajas:

1).A menudo se utilizan mechas de fibra de vidrio sin torcer en lugar de esteras de fibra de vidrio.Costos reducidos, pero también para evitar que la estera de fibra de vidrio se rompa fácilmente y afecte la producción.

2).No es necesario sustituir el equipo de pultrusión original, el montaje del sistema de pultrusión es sencillo y económico.

3).La fracción de calidad de la fibra hasta 60% - 90%, la impregnación bajo tensión, puede aprovechar al máximo el papel de la fibra, la resistencia del producto es mayor.

4).El proceso de producción es continuo y la longitud se puede cortar arbitrariamente.

El proceso de producción puede automatizarse y controlarse completamente, con una alta eficiencia de producción.

5).El nuevo sistema de pultrusión iPul del Grupo KraussMaffei ha aumentado la velocidad de producción de los habituales 0,5-1,5 m/min a aproximadamente 3 m/min (datos de laboratorio), abriendo un mercado completamente nuevo para la tecnología de moldeo por pultrusión.

3. Características de rendimiento de los compuestos pultruidos.

En el proceso de moldeo por pultrusión de compuestos de poliuretano reforzados con fibra continua, se pueden usar más fibras de refuerzo, de modo que la resistencia del producto aumenta considerablemente, la resina y la fibra en el desempeño de la formación de buenas ventajas complementarias.Por tanto, los materiales reforzados con fibras producidos mediante el proceso de moldeo por pultrusión con resina de poliuretano como matriz tienen las siguientes propiedades y características:

1).Peso ligero y alta resistencia

El proceso de pultrusión para preparar marcos de poliuretano, por ejemplo, que no necesitan soportar el esqueleto, tiene excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la tracción y resistencia específica y otras propiedades de las puertas y ventanas de plástico de PVC (cloruro de polivinilo) es más de 10 veces, mucho mayor que la aleación de aluminio y el acero, mientras que la densidad de sólo 1/4 de la densidad del acero, la densidad de la aleación de aluminio es 1/2.Las propiedades del material compuesto de poliuretano reforzado con fibra pultruida se muestran en la tabla.

2).Buena resistencia a la corrosión

Los compuestos de poliuretano reforzado con fibra de vidrio tienen buena resistencia a ácidos fuertes, álcalis fuertes y altas concentraciones de sal a temperatura ambiente, y la pérdida de sus propiedades mecánicas es inferior al 3% en la prueba de envejecimiento en húmedo y en caliente, lo que tiene buena resistencia al envejecimiento.

Además, se puede utilizar como material de construcción con la misma vida útil que el edificio, no es necesario tratar la superficie y tiene una fuerte resistencia a la corrosión de la pasta de cemento y otros ambientes alcalinos o ácidos.

3).Buena estabilidad dimensional

La contracción lineal de los compuestos de poliuretano reforzados con fibras continuas es inferior al 0,2% y la desviación del tamaño diseñado es muy pequeña.Además, el coeficiente de expansión lineal de las puertas y ventanas compuestas de poliuretano pultruido es mucho menor que el de la aleación de aluminio y el plástico PVC, y es cercano al de la pared del edificio, lo que evita eficazmente la aparición de grietas causadas por la expansión térmica y contracción y mejora el rendimiento de sellado y preservación del calor.

4).Fuerte designabilidad

El alto contenido de fibra en el moldeo por pultrusión continua de poliuretano con fibras confiere a los compuestos excelentes propiedades mecánicas, y la fracción de masa de fibra preferida es del 60 % al 90 %.El rendimiento de la resina de poliuretano tiene una fuerte designabilidad, diferentes formulaciones de materias primas y aditivos obtenidos de los productos tienen diferentes propiedades.

III.La aplicación de compuestos de poliuretano reforzados con fibra pultruida.

1. Aplicación en el campo de la ingeniería eléctrica.

Con el rápido desarrollo de la economía y la red eléctrica de China, la tendencia de aplicación de nuevos materiales compuestos se destaca año tras año.Los postes tradicionales son susceptibles a sufrir daños graves en climas severos, que pueden devastar la red eléctrica.

Los postes compuestos de poliuretano reforzados con fibra continua son livianos y de alta resistencia, con un buen rendimiento de aislamiento eléctrico, lo que puede reemplazar a los postes tradicionales en áreas especiales como zonas costeras, montañosas y altamente contaminadas.Por ello, la norma CLP 'Postes Eléctricos Compuestos para Redes de Distribución' estipula que se debe utilizar resina de poliuretano y los postes deben moldearse mediante proceso de pultrusión.

Postes y torres de energía aislados con resina de poliuretano, cuya calidad es solo 1/10 de la de los postes de concreto, y se pueden moldear directamente en los miembros de soporte, ahorrando costos de transporte, instalación y mano de obra.Debido a las excelentes características del poliuretano en sí, no es necesario agregar agentes de curado, agentes antienvejecimiento, etc. en el moldeado, lo que reduce el costo de producción de la torre de postes de energía.Sin embargo, el rendimiento de la traza inicial antifugas de los compuestos de poliuretano reforzados con fibra de vidrio es insuficiente y es difícil usarlos directamente en campos eléctricos elevados.

2. Aplicación en el ámbito de la construcción de puertas y ventanas.

La aplicación de materiales pultruidos de poliuretano reforzado con fibra continua en la construcción es principalmente para perfiles de puertas y ventanas.Las ventanas de aleación de aluminio, las ventanas de acero y plástico de PVC, las ventanas de madera revestidas de aluminio y otras puertas y ventanas, aunque tienen un buen rendimiento de aislamiento térmico, son ampliamente bienvenidas por el mercado, pero dichos materiales en el proceso de producción causarán una gran pérdida de energía, y son fáciles de producir sólidos. residuos y volátiles nocivos, y el rendimiento de resistencia al fuego no es bueno.Perfiles de puertas y ventanas pultruidos de poliuretano en la moldura, sin volatilización de estireno, para evitar la contaminación ambiental, en línea con el concepto 'verde'.Como la fibra de vidrio tiene buena retardancia de llama y resistencia al calor, el propio material pultruido de poliuretano tiene resistencia al fuego;y los perfiles de puertas y ventanas pultruidos de poliuretano tienen un coeficiente de transferencia de calor de solo 0,22 W/(m2-K), con una resistencia térmica de 9,96 mK/W, lo que supone un mejor rendimiento de aislamiento térmico.En la siguiente tabla se muestran el coeficiente de transferencia de calor y la estanqueidad al aire de varios tipos de ventanas de ahorro de energía.

En comparación con ventanas y puertas de otros materiales, los perfiles de puertas y ventanas pultruidos de poliuretano tienen dimensiones estables, buena estanqueidad y aislamiento acústico.De acuerdo con la norma nacional 'construcción de puertas y ventanas exteriores herméticas, estancas, resistencia a la presión del viento, clasificación de rendimiento y métodos de prueba', prueba, puertas y ventanas compuestas de poliuretano con hermeticidad de hasta 8 niveles, estanqueidad de hasta 6 niveles, rendimiento de aislamiento acústico de hasta a 5 niveles, ha sido ampliamente utilizado.

3. Aplicación en el campo de las traviesas de ferrocarril.

Las traviesas de madera y las traviesas de hormigón armado son actualmente dos materiales principales para traviesas; la primera no es resistente a la corrosión, tiene una vida útil corta y es contraria a la protección del medio ambiente;Estas últimas materias primas son baratas y fáciles de conseguir, tienen un rendimiento estable y una larga vida útil, pero su poca elasticidad y alta dureza son fáciles de romper.Por el contrario, las traviesas sintéticas de poliuretano reforzado con fibra, independientemente del rendimiento de la propia materia prima o de las características del proceso de pultrusión, han aportado grandes ventajas a la construcción y aplicación de las traviesas.

Qiao Dongping y otros procesos de moldeo por pultrusión para preparar un nuevo tipo de traviesas sintéticas.Los resultados de las pruebas de rendimiento muestran que la nueva traviesa compuesta de poliuretano tiene una carga de flexión de hasta 181 kN y una resistencia a la extracción del tornillo de hasta 76 kN.El tipo de traviesa no solo tiene un rendimiento excelente en resistencia al corte, resistencia al impacto y otras propiedades mecánicas, sino que también tiene un rendimiento excelente en resistencia a la corrosión y al envejecimiento.

4. En otras áreas de aplicación

Piso de automóvil: este tipo de piso de automóvil tiene alta resistencia y peso liviano, lo que mejora la economía de combustible;no habrá volatilización de moléculas pequeñas en el proceso de uso, es resistente a la humedad y a la corrosión, y tiene un cierto grado de retardante de llama, seguro y confiable;el coeficiente de expansión térmica del material de poliuretano reforzado con fibra es pequeño y no hay problema de deformación térmica, lo que tiene una larga vida útil.

Cuerpo: Debido a la mayor fracción de volumen de fibra, el material compuesto tiene excelentes propiedades mecánicas, menor masa, menor consumo de combustible y daño ambiental.

Marco y stent fotovoltaicos: se pueden utilizar compuestos de moldeo pultruido de poliuretano reforzado con fibra de vidrio continua para fabricar marcos y stents de módulos fotovoltaicos, lo cual es un nuevo mercado en rápido desarrollo.Reemplazar los marcos de aleación de aluminio con compuestos puede desempeñar un papel en la reducción de costos, el aligeramiento, etc., y las buenas propiedades aislantes, la resistencia química y otras propiedades de los compuestos hacen que tengan más ventajas de rendimiento para aplicaciones en la superficie del mar, tierra salina y alcalina y otros campos.

En la actualidad, varias empresas han completado la certificación correspondiente y, en parte de la etapa de producción en masa, el marco compuesto se ha convertido incluso en un punto de venta especial de componentes fotovoltaicos.

En la actualidad, el material compuesto pultruido de poliuretano en el marco fotovoltaico y el stent para lograr aplicaciones a gran escala, todavía necesita resolver algunos problemas, por un lado, la intemperie a largo plazo y la resistencia y otras propiedades de la verificación completa, se basa principalmente en respaldo de pruebas y certificaciones de terceros;por otro lado, la velocidad actual de moldeo por pultrusión de poliuretano es generalmente inferior a 1 m/min para la demanda instalada del nivel GW en cualquier momento, es difícil satisfacer las necesidades de producción, lo que requiere que el equipo de producción de moldeo por pultrusión continúe progresando.Esto requiere un progreso continuo de los equipos de producción de moldeo por pultrusión.