Pourquoi utiliser des composites polyuréthane pultrudés pour les cadres photovoltaïques ?Processus et applications de moulage par pultrusion de polyuréthane

Pourquoi utiliser des composites polyuréthane pultrudés pour les cadres photovoltaïques ?Processus et applications de moulage par pultrusion de polyuréthane

Le processus de moulage par pultrusion fait référence à l'imprégnation des mèches et des feutres dans des réservoirs de résine sous l'action de traction d'un équipement de traction, puis dans des moules chauffés pour le durcissement et la découpe pour former le produit final.

Le procédé de pultrusion est utilisé depuis des décennies pour fabriquer des produits composites.Les résines traditionnelles utilisées dans le processus de pultrusion sont le polyester, les résines insaturées, les résines phénoliques, les résines époxy, etc.La technologie de moulage par pultrusion hautement automatisée peut exploiter pleinement les propriétés mécaniques des fibres et convient à la production continue.

de composites à matrice de résine.

Le polyuréthane avec ses excellentes propriétés mécaniques, son moulage à basse pression, son durcissement rapide, son absence d'évaporation du styrène et d'autres avantages par rapport à la résine traditionnelle, devient le « nouveau favori » de l'industrie des matériaux composites à matrice de résine.

I. Matières premières

1. Matrice de résine polyuréthane

Le polyuréthane est un polyol oligomère et un isocyanate comme matière première principale synthétise une chaîne principale contenant un polymère de groupes uréthane (-NHCOO-).Comparé aux résines conventionnelles, le polyuréthane se lie mieux aux matériaux de renforcement, ce qui se traduit par une excellente résistance aux chocs, des propriétés mécaniques et une excellente résistance aux intempéries.

La résine polyuréthane ne contient pas de substances volatiles telles que le styrène, ce qui répond pleinement aux exigences nationales de « renforcement de la recherche et du développement d'applications de produits verts et de promotion de technologies légères et à faible consommation d'énergie ».

Le polyuréthane pour le moulage par pultrusion présente les avantages d'une faible viscosité et d'une vitesse de moulage plus rapide.Les propriétés typiques des résines polyuréthane pour la pultrusion sont présentées dans le tableau ci-dessous.

Propriétés pertinentes des résines polyuréthane pour la pultrusion

Les composites de polyuréthane renforcés de fibres continues ont encore quelques problèmes à résoudre : à l'heure actuelle, il existe un phénomène selon lequel la conception des formulations de résine de polyuréthane et le processus de préparation sont pour la plupart isolés du processus de fabrication des composites de polyuréthane ;le polyuréthane réagit violemment en libérant une grande quantité de chaleur qui n'est pas facile à contrôler, et il est facile à mousser en raison de sa sensibilité à la température et à l'humidité ambiantes.

Par conséquent, un équipement de traitement approprié (tel qu'un moulage fermé) doit être utilisé dans le processus de préparation, la température et l'humidité de l'environnement doivent être contrôlées et la réactivité des matières premières doit être réduite ou du polyuréthane non moussant doit être utilisé.

2. Matériaux de renfort

Fibres de verre

En tant que fibre inorganique offrant d'excellentes performances, la fibre de verre est un matériau fragile avec un module d'élasticité élevé, une résistance à la traction élevée et un faible allongement à la rupture, qui présente l'avantage de propriétés mécaniques concevables et peut être conçu de manière flexible en fonction de la nécessité d'améliorer la performance globale de la structure du produit, et il est largement utilisé comme matériau de renforcement pour les composites à matrice de résine.Le tableau suivant présente les principales propriétés des deux types de fibres de verre.

Comparaison des principales propriétés de deux types de fibre de verre

Il est démontré que l'augmentation de la teneur en éléments N à la surface de la fibre de verre peut augmenter considérablement la force de liaison entre la fibre de verre et la résine polyuréthane, ce qui peut être dû au fait que les groupes fonctionnels contenant de l'azote réagiront avec l'isocyanate résiduel dans la résine polyuréthane pour générer des groupements urée, qui agiront comme un liant chimique à l'interface entre les deux phases.

Fibre de carbone

La fibre de carbone, en tant qu'excellent matériau de renforcement, présente les avantages d'une résistance et d'un module spécifiques élevés, d'une faible densité, d'un faible coefficient de dilatation thermique, d'un faible coefficient de frottement, d'un faible allongement et d'une bonne résistance aux basses températures.La fibre de carbone avec différentes spécifications et propriétés peut être sélectionnée en fonction des exigences d'application dans différents domaines.Les spécifications et propriétés de la fibre de carbone sont présentées dans le tableau ci-dessous.

Spécifications et propriétés de la fibre de carbone

La résine polyuréthane présente une bonne mouillabilité par rapport à la fibre, mais une force de liaison plus élevée est nécessaire si les deux doivent former une bonne interface.Par conséquent, dans le processus de production de fibre de carbone, la fibre de carbone est généralement un traitement d'encollage.Principalement pour empêcher l'adsorption des fibres des impuretés dans l'air et l'eau, pour protéger les groupes tensioactifs des fibres ;en même temps, il peut améliorer la fonction du cluster de fibres, améliorer ses propriétés d'infiltration, avec un certain effet de renforcement.

Cependant, la plupart des recherches actuelles sur les composites à matrice de résine polyuréthane renforcée par des fibres de carbone se concentrent sur les fibres courtes.En revanche, lorsque des fibres de carbone continues sont appliquées dans des composites à base de polyuréthane, la teneur en fibres de carbone est considérablement augmentée, la zone interfaciale avec la matrice de résine polyuréthane est grande, la force de liaison interfaciale est grande et la résistance de renforcement est beaucoup plus élevée que celui des fibres courtes.

Autres matériaux renforcés de fibres

En plus de la fibre de carbone et de la fibre de verre, les matériaux de renforcement des fibres couramment utilisés sont la fibre de basalte, la fibre d'aramide, etc.

La fibre de basalte est un matériau renforcé de fibres haute performance fabriqué à partir de minerai de basalte naturel.La fibre de basalte présente une résistance élevée à la corrosion et une stabilité chimique, ainsi qu'une large plage de températures d'utilisation, avec une isolation thermique et phonique élevée.

Matériau composite polyuréthane renforcé de fibres de basalte composé de profilés de portes et de fenêtres, bonnes performances d'isolation thermique, effet d'économie d'énergie, par rapport aux fenêtres en fibre de verre, ont une résistance à la corrosion et des propriétés anti-vieillissement plus élevées.

Fibre d'aramide, c'est-à-dire fibre de polyamide aromatique, à haute résistance, module élevé, faible densité et bonne résistance à l'abrasion et d'autres avantages, et fibre de carbone, fibres de polyéthylène à haute résistance et haut module et connues comme les trois principales fibres de haute technologie au monde.

3. Charges et matériaux auxiliaires

Les composites à matrice de résine renforcée par des fibres sont la principale matière première de la matrice et des matériaux de renforcement. Dans la production réelle de charges, ils peuvent non seulement améliorer les performances des matériaux composites et du processus de moulage, mais également réduire les coûts de production, pour répondre à la demande d'apparence et bientôt.

De plus, il existe certains matériaux auxiliaires, tels que des colorants, des agents de démoulage, etc.L'agent colorant est généralement utilisé sous forme de pâte pigmentaire ;l'agent de démoulage doit avoir une énergie libre de surface très faible et peut mouiller uniformément la surface du moule pour obtenir l'effet de démoulage.

II.Technologie de moulage par pultrusion de composites polyuréthanes renforcés de fibres continues

1. Processus de moulage par pultrusion

Le moulage par pultrusion a commencé dans les années 1950, est encore au stade de développement à grande vitesse, est une fibre continue imprégnée sous l'action de traction, via le moulage par extrusion, le durcissement, la production continue à grande échelle d'une variété de dimensions transversales de profils linéaires inchangés du processus de moulage.

Le système de résine de polyuréthane utilisé dans le processus de moulage par pultrusion présente les avantages d'un cycle de moulage court, d'une efficacité de production élevée, de l'absence de volatilisation du styrène, ce qui fait des produits pultrudés en polyuréthane un point chaud pour la recherche et le développement.Après plusieurs années de développement, le moulage par pultrusion de polyuréthane a été commercialisé et des systèmes spéciaux de résine de polyuréthane pour les produits pultrudés sont apparus dans le pays et à l'étranger.

2. Avantages du procédé de moulage par pultrusion

Les matériaux composites en polyuréthane renforcés de fibres continues utilisant le procédé de moulage par pultrusion présentent les avantages suivants :

1).Des mèches non torsadées en fibre de verre sont souvent utilisées à la place des tapis en fibre de verre.Coûts réduits, mais également pour éviter que le tapis en fibre de verre ne se brise facilement et n'affecte la production.

2).Pas besoin de remplacer l'équipement de pultrusion d'origine, l'assemblage du système de pultrusion est simple et économique.

3).La fraction de qualité des fibres jusqu'à 60 % - 90 %, l'imprégnation sous tension, peut jouer pleinement le rôle de la fibre, la résistance du produit est plus élevée.

4).Le processus de production est continu et la longueur peut être coupée arbitrairement.

Le processus de production peut être entièrement automatisé et contrôlé, avec une efficacité de production élevée.

5).Le nouveau système de pultrusion iPul du groupe KraussMaffei a augmenté la vitesse de production de 0,5 à 1,5 m/min habituels à environ 3 m/min (données de laboratoire), ouvrant ainsi un tout nouveau marché pour la technologie de moulage par pultrusion.

3. Caractéristiques de performance des composites pultrudés

Dans le processus de moulage par pultrusion de composites de polyuréthane renforcés de fibres continues, davantage de fibres de renforcement peuvent être utilisées, de sorte que la résistance du produit soit considérablement augmentée, la résine et la fibre dans la performance de la formation de bons avantages complémentaires.Par conséquent, les matériaux renforcés de fibres produits par le procédé de moulage par pultrusion avec une résine polyuréthane comme matrice ont les propriétés et caractéristiques suivantes :

1).Léger et haute résistance

Le procédé de pultrusion pour préparer des cadres en polyuréthane, par exemple, qui n'ont pas besoin de soutenir le squelette, possède d'excellentes propriétés mécaniques, une résistance à la traction et une résistance spécifique et d'autres propriétés des portes et fenêtres en plastique PVC (polychlorure de vinyle) sont plus de 10 fois, beaucoup plus grandes que l'alliage d'aluminium et l'acier, tandis que la densité de seulement 1/4 de la densité de l'acier, la densité de l'alliage d'aluminium de 1/2.Les propriétés du matériau composite polyuréthane renforcé de fibres pultrudées sont indiquées dans le tableau.

2).Bonne résistance à la corrosion

Les composites de polyuréthane renforcé de fibres de verre ont une bonne résistance aux acides forts, aux alcalis forts et à une concentration élevée de sel à température ambiante, et la perte de ses propriétés mécaniques est inférieure à 3 % lors du test de vieillissement humide et chaud, qui présente une bonne résistance au vieillissement.

De plus, il peut être utilisé comme matériau de construction avec la même durée de vie que le bâtiment, la surface n'a pas besoin d'être traitée et il présente une forte résistance à la corrosion de la pâte de ciment et d'autres environnements alcalins ou acides.

3).Bonne stabilité dimensionnelle

Le retrait linéaire des composites de polyuréthane renforcés de fibres continues est inférieur à 0,2 % et l'écart par rapport à la taille conçue est très faible.De plus, le coefficient de dilatation linéaire des portes et fenêtres composites en polyuréthane pultrudé est beaucoup plus petit que celui de l'alliage d'aluminium et du plastique PVC, et il est proche de celui du mur du bâtiment, ce qui évite efficacement l'apparition de fissures causées par la dilatation thermique et contraction et améliore les performances d’étanchéité et de conservation de la chaleur.

4).Forte capacité de conception

La teneur élevée en fibres dans le moulage par pultrusion de polyuréthane à fibres continues confère aux composites d'excellentes propriétés mécaniques, et la fraction massique de fibres préférée est de 60 % à 90 %.Les performances de la résine polyuréthane ont une forte capacité de conception, différentes formulations de matières premières et additifs obtenus à partir des produits ont des propriétés différentes.

III.L'application de composites de polyuréthane renforcés de fibres pultrudées

1. Application dans le domaine de l'ingénierie électrique

Avec le développement rapide de l'économie et du réseau électrique chinois, la tendance à l'application de nouveaux matériaux composites est mise en évidence d'année en année.Les poteaux traditionnels sont susceptibles de subir de graves dommages dans les climats rigoureux, ce qui peut dévaster le réseau électrique.

Les poteaux composites en polyuréthane renforcé de fibres continues sont légers et très résistants, avec de bonnes performances d'isolation électrique, ce qui peut remplacer les poteaux traditionnels dans des zones spéciales telles que les zones côtières, montagneuses et hautement polluées.Ainsi, la norme CLP « Poteaux électriques composites pour réseaux de distribution » stipule que de la résine polyuréthane doit être utilisée et que les poteaux doivent être moulés par procédé de pultrusion.

Poteaux et tours électriques isolés en résine polyuréthane, dont la qualité n'est que de 1/10 de celle des poteaux en béton, et peuvent être moulés directement dans les éléments de support, économisant ainsi les coûts de transport, d'installation et de main d'œuvre.En raison des excellentes caractéristiques du polyuréthane lui-même, il n'est pas nécessaire d'ajouter d'agent de durcissement, d'agent anti-âge, etc. dans le moulage, ce qui réduit le coût de production de la tour de poteaux électriques.Cependant, les performances de trace de démarrage anti-fuite des composites de polyuréthane renforcés de fibres de verre sont insuffisantes et il est difficile de les utiliser directement dans des champs électriques élevés.

2. Application dans le domaine des portes et fenêtres du bâtiment

L'application de matériaux pultrudés en polyuréthane renforcés de fibres continues dans la construction concerne principalement les profilés de portes et de fenêtres.Fenêtres en alliage d'aluminium, fenêtres en acier plastique PVC, fenêtres en bois revêtues d'aluminium et autres portes et fenêtres, bien que de bonnes performances d'isolation thermique, largement bien accueillies par le marché, mais de tels matériaux dans le processus de production entraîneront beaucoup de pertes d'énergie, faciles à produire du solide les déchets et les substances volatiles nocives, et les performances de résistance au feu ne sont pas bonnes.Profilés de portes et fenêtres pultrudés en polyuréthane dans la moulure, sans volatilisation du styrène, pour éviter la pollution de l'environnement, conformément au concept « vert ».Comme la fibre de verre a un bon caractère ignifuge et une bonne résistance à la chaleur, le matériau pultrudé en polyuréthane lui-même est résistant au feu ;et les profilés de fenêtres et de portes pultrudés en polyuréthane ont un coefficient de transfert thermique de seulement 0,22 W/(m2-K), avec une résistance thermique de 9,96 mK/W, ce qui représente une meilleure performance d'isolation thermique.Le coefficient de transfert thermique et l'étanchéité à l'air de plusieurs types de fenêtres à économie d'énergie sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Comparés aux fenêtres et portes d'autres matériaux, les profilés de fenêtres et de portes pultrudés en polyuréthane ont des dimensions stables, une bonne étanchéité à l'air et une bonne isolation phonique.Selon la norme nationale « portes et fenêtres extérieures de bâtiment étanches à l'air, à l'eau, à la pression du vent, méthodes d'évaluation et de test des performances », portes et fenêtres en composite de polyuréthane d'étanchéité à l'air jusqu'à 8 niveaux, d'étanchéité à l'eau jusqu'à 6 niveaux, de performances d'isolation acoustique jusqu'à à 5 niveaux, a été largement utilisé.

3. Application dans le domaine des traverses de chemin de fer

Les traverses en bois et les traverses en béton armé sont actuellement deux matériaux majeurs pour les traverses, les premières ne sont pas résistantes à la corrosion, ont une durée de vie courte et sont contraires à la protection de l'environnement ;ces dernières matières premières sont bon marché et faciles à obtenir, ont des performances stables, une longue durée de vie, mais leur faible élasticité et leur dureté élevée sont faciles à rompre.En revanche, les traverses synthétiques en polyuréthane renforcé de fibres, quelles que soient les performances de la matière première elle-même ou les caractéristiques du processus de pultrusion, ont apporté de grands avantages à la construction et à l'application des traverses.

Qiao Dongping et d'autres procédés de moulage par pultrusion pour préparer un nouveau type de traverses synthétiques.Les résultats des tests de performance montrent que la nouvelle charge de flexion des traverses composites en polyuréthane peut atteindre 181 kN et une résistance à l'arrachement des vis allant jusqu'à 76 kN.le type de traverse n'est pas seulement dans la résistance au cisaillement, la résistance aux chocs et d'autres propriétés mécaniques ont d'excellentes performances, dans la résistance à la corrosion, la résistance au vieillissement est également d'excellentes performances.

4. Dans d'autres domaines d'application

Plancher automobile : ce type de plancher automobile est très résistant et léger, ce qui améliore l'économie de carburant ;il n'y aura pas de volatilisation de petites molécules lors du processus d'utilisation, résistant à l'humidité et à la corrosion, et possède un certain degré de retardateur de flamme, sûr et fiable ;le coefficient de dilatation thermique du matériau polyuréthane renforcé de fibres est faible et il n'y a aucun problème de déformation thermique, ce qui a une longue durée de vie.

Corps : Grâce à une fraction volumique de fibres plus élevée, le matériau composite présente d'excellentes propriétés mécaniques, une masse inférieure, une consommation de carburant réduite et des dommages environnementaux.

Cadre et stent photovoltaïques : des composites de moulage pultrudés en polyuréthane renforcé de fibres de verre continues peuvent être utilisés pour fabriquer des cadres et des stents de modules photovoltaïques, qui constituent un nouveau marché en développement rapide.Le remplacement des cadres en alliage d'aluminium par des composites peut jouer un rôle dans la réduction des coûts, l'allègement, etc., et les bonnes propriétés isolantes, la résistance chimique et d'autres propriétés des composites leur confèrent davantage d'avantages en termes de performances pour une application à la surface de la mer, sur les terres salines et alcalines et d'autres domaines.

À l'heure actuelle, un certain nombre d'entreprises ont obtenu la certification correspondante et, dans une partie de la phase de production en série, le cadre composite est même devenu un argument de vente privilégié pour les composants photovoltaïques.

À l'heure actuelle, le matériau composite pultrudé en polyuréthane dans le cadre photovoltaïque et le stent pour réaliser une application à grande échelle, doit encore résoudre certains problèmes, d'une part, l'altération et la résistance à long terme et d'autres propriétés de la vérification complète, repose principalement sur tests tiers et approbation de certification ;d'autre part, la vitesse actuelle de moulage par pultrusion du polyuréthane est généralement inférieure à 1 m/min pour la demande installée du niveau GW à tout moment, il est difficile de répondre aux besoins de production, ce qui nécessite que l'équipement de production de moulage par pultrusion continue de progresser.Cela nécessite un progrès continu des équipements de production de moulage par pultrusion.