(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電プラント用回転翼の製造における真空補助樹脂トランスファー成形法により製造された層状構造物の使用であって、層状構造物が、
ａ）離型剤層、
ｂ）任意にゲルコート層、
ｃ）プラスチック材料で処理された繊維層、
ｄ）任意にスペーサー層、
ｅ）プラスチック材料を含む繊維層、
ｆ）任意にプラスチックフィルム
を有し、プラスチック材料としてポリウレタンが使用されていることを特徴とする使用。
【請求項２】
前記回転翼が、前記層状構造物から少なくとも部分的になるケーシングを含んでなる、請求項１に記載の使用であって、
前記繊維層を、前記プラスチック材料としてのポリウレタンを調製するための反応混合物で処理することを特徴とする使用。
【請求項３】
前記反応混合物が、イソシアネートとして、ジフェニルメタンジイソシアネートおよび／または２５重量％超のＮＣＯ含量を有するポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネートを含有することを特徴とする、請求項２に記載の使用。
【請求項４】
前記反応混合物が、イソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物として、ＯＨ基の少なくとも６０％が第二級ＯＨ基であり、２００〜１８３０ｍｇＫＯＨ／ｇのＯＨ価を有するポリエーテルポリオールを含有することを特徴とする、請求項２に記載の使用。
【請求項５】
前記反応混合物を、２０〜８０℃の温度で前記繊維層に適用することを特徴とする、請求項２に記載の使用。
【請求項６】
前記反応混合物を、４０〜１６０℃の温度で硬化することを特徴とする、請求項２に記載の使用。
【請求項７】
前記反応混合物が、混合してから３０分後に、５０００ｍＰａｓ以下の粘度を有することを特徴とする、請求項２に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電プラント用回転翼の製造における層状構造物の使用、および風力発電プラント用回転翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力エネルギーの重要性はますます増しつつあるので、風力発電プラント、特に回転翼およびその製造方法は、精力的に研究および開発されている。特に、製造される回転翼の品質および安価な製造方法に関心が持たれている。これまでに知られている風力発電プラント用回転翼は、マトリックス材料としての樹脂（例えば、ポリエステル樹脂（ＵＰ）、ビニルエステル樹脂（ＶＥ）、エポキシ樹脂（ＥＰ））に基づく繊維強化プラスチックからなる。回転翼の製造方法では主に、翼の下半割体および上半割体をそれぞれ一体で製造する。次いで、これらの半割体を合わせて接着する。強化のために、支柱またはブレースも接着する。
【０００３】
翼の下半割体および上半割体の製造方法では、まず、繊維複合材料を調製する。繊維複合材料は、完全に硬化しなければならない。硬化工程にはかなりの時間がかかるので、製造方法全体の迅速な実施にとっては障害となる。上記樹脂製の風力発電プラント用回転翼は、通常、手動積層法、プレプレグ技術を組み合わせた手動積層法によって、ワインディング法または真空補助注入法によって製造する。手動積層法では、まず、離型剤および任意にゲルコートを型表面に適用することによって、型を準備する。次いで、一方向配向または二方向配向を有する多軸ガラス布を型の中に順次配置する。続いて、樹脂を多軸布に適用し、ローリングによって手動で多軸布に圧入する。この工程は、必要に応じて複数回繰り返してよい。また、強化材料としてのブレース、および他の部材、例えば避雷器を組み込んでもよい。この第一ガラス繊維強化層に、一般にバルサ材製、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）製またはポリウレタン（ＰＵＲ）フォーム製であるいわゆるスペーサー層、および第一ガラス繊維強化層と同様の第二ガラス繊維強化層を適用する。この方法は、設備投資が少なく、不具合を特定して修正しやすいという利点を有するが、非常に労働集約的な製造方法であり、その結果、製造コストが非常に高くなり、長い製造時間によってより多くの不都合が生じ、品質管理費が高くなる。
【０００４】
プレプレグ技術を組み合わせた手動積層法は、単純な手動積層法と同様に実施する。しかしながら、この場合、いわゆるプレプレグ（樹脂で含浸した既製ガラスマット）を型の外で製造し、次いで、回転翼の型の中に配置する。単純な手動積層法とは対照的に、プレプレグの製造の部分的な自動化により、製造された回転翼の品質に関する一貫性は向上するが、液状樹脂混合物に含まれる高揮発性化合物から作業者を保護するために、少なからぬ経費（作業場の安全対策費など）がかかる。
【０００５】
（樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）または真空補助樹脂トランスファー成形（ＶＡ  ＲＴＭ）としても知られている）樹脂射出法または「ＳＣＲＩＭＰ法」（Seemann Composites Resin Infusion Moulding Process）では、離型剤および任意にゲルコートの適用によって型を準備する。次いで、正確な生産計画に従って、乾燥繊維マットを型の中に配置する。導入したこの第一層は、後に、外側に位置する回転翼層を形成する。続いて、スペーサー材料を導入し、その上に再び繊維マットを配置する。この繊維マットは、後に、完成した回転翼の半割体／回転翼の半殻の内層を形成する。その後、真空気密フィルムで型全体を密封する。様々な場所から樹脂を型（フィルムと型の間の空間）に注入する前に、このように準備した型から、繊維マットおよびスペーサー材料の中の空気を除去する。先に記載した２つの方法と同様に、この方法は、部材の脱型に必要な硬化時間が１２時間までと非常に長く、それによって設備の生産性が著しく制限されるという欠点を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記した欠点を有さない上に、より短い時間で安価に製造することができる回転翼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
意外なことに、この目的は、上記した樹脂に代えて、プラスチック材料としてポリウレタンを用いて回転翼を製造することによって達成された。特に、回転翼の外側ケーシングにおいて、本発明に従い、プラスチック材料としてポリウレタンを使用する。そこには、外側ケーシングに使用する繊維層が施されている。
【０００８】
本発明は、風力発電プラント用回転翼であって、回転翼が、
ａ）離型剤層、
ｂ）任意にゲルコート層、
ｃ）プラスチック材料で処理された繊維層、
ｄ）任意にスペーサー層、
ｅ）プラスチック材料を含む繊維層、
ｆ）任意にプラスチックフィルム
を有する層状構造物から少なくとも部分的になる外側ケーシングを有し、プラスチック材料としてポリウレタンが使用されていることを特徴とする回転翼を提供する。
【０００９】
本発明はまた、回転翼が、
ａ）離型剤層、
ｂ）任意にゲルコート層、
ｃ）プラスチック材料で処理された繊維層、
ｄ）任意にスペーサー層、
ｅ）プラスチック材料を含む繊維層、
ｆ）任意にプラスチックフィルム
を有する層状構造物から少なくとも部分的になる外側ケーシングを有する、本発明の風力発電プラント用回転翼の製造方法であって、繊維層を、プラスチック材料としてのポリウレタンを調製するための反応混合物で処理することを特徴とする方法も提供する。
【００１０】
本発明は更に、風力発電プラント用回転翼の製造における層状構造物の使用であって、層状構造物が、
ａ）離型剤層、
ｂ）任意にゲルコート層、
ｃ）プラスチック材料で処理された繊維層、
ｄ）任意にスペーサー層、
ｅ）プラスチック材料を含む繊維層、
ｆ）任意にプラスチックフィルム
を有し、プラスチック材料としてポリウレタンが使用されていることを特徴とする使用も提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
離型剤層に、シリコーン含有離型剤またはワックス含有離型剤を使用することが好ましい。これらの離型剤は、文献から知られている。
【００１２】
ゲルコートがポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂またはビニル樹脂からなることが好ましい。
【００１３】
繊維層として、好ましくは、ランダム配向ガラス繊維、多軸ガラス織布、切断ガラス繊維または粉砕ガラス繊維または鉱物繊維、並びにポリマー繊維、鉱物繊維、炭素繊維、ガラス繊維またはアラミド繊維およびそれらの混合物に基づく、繊維マット、繊維不織布および編布、特に好ましくはガラス繊維マットまたはガラス繊維不織布の層を使用してよい。スペーサー層として、好ましくは、プラスチックフォーム、木材または金属を使用してよい。
【００１４】
任意に使用するプラスチックフィルムは、回転翼の製造の際にケーシングの中に層として残してもよいし、回転翼の半割体を脱型する際に除去してもよい。プラスチックフィルムは特に、液状樹脂混合物の充填前の脱気工程において、上記した層を有する型の半殻をシールするのに役立つ。
【００１５】
プラスチック材料として、ポリウレタンを使用する。ポリウレタンは、ポリイソシアネートと、イソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物との反応によって得ることができる。イソシアネート成分と、イソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物の反応混合物を、調製して脱気した層状構造物に注入する。
【００１６】
イソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する適当な化合物は一般に、分子内に２個以上の反応性基（例えば、ＯＨ基、ＳＨ基、ＮＨ基、ＮＨ２基およびＣＨ酸性基）を有する化合物である。ポリエーテルポリオールおよび／またはポリエステルポリオールを使用することが好ましく、ポリエーテルポリオールを使用することが特に好ましい。ポリオール組成物は、ポリオールとして、好ましくは２００〜１８３０ｍｇＫＯＨ／ｇ、より好ましくは３００〜１０００ｍｇＫＯＨ／ｇ、特に好ましくは３５０〜５００ＫＯＨ／ｇのＯＨ価を有するポリオールを含有する。ポリオールの粘度は、好ましくは（２５℃で）８００ｍＰａｓ以下である。ポリオールは、好ましくは少なくとも６０％の第二級ＯＨ基、より好ましくは少なくとも８０％の第二級ＯＨ基、特に好ましくは９０％の第二級ＯＨ基を有する。プロピレンオキシドに基づくポリエーテルポリオールが特に好ましい。
【００１７】
ポリイソシアネート成分として、通常の脂肪族、脂環式、特に芳香族のジイソシアネートおよび／またはポリイソシアネートを使用する。適当であるそのようなポリイソシアネートの例は、１，４−ブチレンジイソシアネート、１，５−ペンタンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、イソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネートおよび／または２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、ビス（４，４’−イソシアナトシクロヘキシル）メタンまたはそれらの他の異性体との混合物、１，４−シクロヘキシレンジイソシアネート、１，４−フェニレンジイソシアネート、２，４−トルエンジイソシアネートおよび／または２，６−トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、１，５−ナフタレンジイソシアネート、２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネートおよび／または２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネートおよび／または４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）および／またはそれらの高級同族体（ｐＭＤＩ）、１，３−ビス−（２−イソシアナト−プロプ−２−イル）−ベンゼンおよび／または１，４−ビス−（２−イソシアナト−プロプ−２−イル）−ベンゼン（ＴＭＸＤＩ）、１，３−ビス−（イソシアナトメチル）ベンゼン（ＸＤＩ）である。イソシアネートジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）を使用することが好ましく、ジフェニルメタンジイソシアネートとポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネート（ｐＭＤＩ）の混合物を使用することが特に好ましい。ジフェニルメタンジイソシアネートとポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネート（ｐＭＤＩ）の混合物は、好ましくは４０〜１００重量％、より好ましくは５０〜９０重量％、特に好ましくは６０〜８０重量％のモノマー含量を有する。使用するポリイソシアネートのＮＣＯ含量は、好ましくは２５重量％超、より好ましくは３０重量％超、特に好ましくは３１．４重量％超である。好ましくは、使用するＭＤＩは、少なくとも３重量％、好ましくは少なくとも２０重量％、特に好ましくは少なくとも４０重量％の、２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネートと２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネートを合わせた含量を有すべきである。イソシアネートの粘度は、好ましくは２５０ｍＰａｓ以下（２５℃）、より好ましくは１００ｍＰａｓ以下（２５℃）、特に好ましくは５０ｍＰａｓ以下（２５℃）である。
【００１８】
記載した反応成分に加えて、ポリウレタン反応混合物は、好ましくは添加剤および添加成分、好ましくは充填材、例えば、カーボンナノチューブ、硫酸バリウム、二酸化チタン、ガラス短繊維、天然繊維、または層状鉱物、例えば珪灰石または白雲母を含有してよい。添加剤および添加成分として、消泡剤、触媒および潜触媒を使用することが好ましい。必要に応じて、他の既知の添加剤および添加成分を使用してもよい。
【００１９】
適当なポリウレタン系は、特に、透明なポリウレタン系である。より大きい成形品の製造において型を均一に充填するには低い粘度が必要とされるので、５０００ｍＰａｓ以下、好ましくは２０００ｍＰａｓ以下、特に好ましくは１０００ｍＰａの粘度（２５℃、成分を混合してから３０分後）を有するポリウレタン系が特に適している。イソシアネート成分と、イソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物の転化率は、選択することが好ましいので、反応混合物中のイソシアネート反応性基数に対するイソシアネート基数の比は、０．９〜１．５、好ましくは１．０〜１．２、特に好ましくは１．０２〜１．１である。
【００２０】
好ましい態様では、イソシアネート成分とイソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物からなる反応混合物は、２０〜８０℃、特に好ましくは２５〜４０℃の温度で注入する。
【００２１】
反応混合物を導入した後、型を加熱することによってポリウレタンの硬化を促進してもよい。好ましい態様では、注入した、イソシアネート成分とイソシアネートに対して反応性である少なくとも２個の水素原子を有する化合物からなる反応混合物は、４０〜１６０℃、好ましくは６０〜１２０℃、特に好ましくは７０〜９０℃の温度で硬化する。
【００２２】
以下の実施例によって、本発明をより詳細に説明する。
【実施例】
【００２３】
種々のポリウレタン系から成形品（シート）を製造し、標準的なエポキシ樹脂系と比較した。シート寸法は１７ｃｍ×１７ｃｍ、厚さは４ｍｍであった。
【００２４】
脱型時間とは、その時間の後には、変形を伴わずに手動でシート型からＰＵＲ試験片を取り出すことができる時間である。
【００２５】
粘度は、成分を混合してから３０分後に測定した。なぜなら、より大きい成形品の製造では、型を均一に充填するために、暫くの間低い粘度を有することが必要とされるからである。
【００２６】
実施例１
７０ｇのBaygal（登録商標） K 55（Bayer MaterialScience AG製のポリエーテルポリオール；ＯＨ価：３８５±１５ｍｇＫＯＨ／ｇ；２５℃での粘度：６００±５０ｍＰａｓ）を、６５．３ｇのBaymidur（登録商標） K 88（Bayer MaterialScience AGの製品、ジフェニルメタンジイソシアネートとポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネートの混合物；ＮＣＯ含量：３１．５±０．５重量％；２５℃での粘度：９０±２０ｍＰａｓ）と一緒に室温で撹拌し、減圧下で脱気した。この溶液をシート型に注入し、室温で１時間保管した。次いで試料を８０℃でベークした。ゲル化時間は約７０分、脱型時間は２時間であった。
試験片は、７６ショアＤ硬度を有していた。
成分を混合してから３０分後の２５℃での粘度は、１５４０ｍＰａｓであった。
【００２７】
実施例２
７０ｇのBaygal（登録商標） K 55（Bayer MaterialScience AG製のポリエーテルポリオール；ＯＨ価：３８５±１５ｍｇＫＯＨ／ｇ；２５℃での粘度：６００±５０ｍＰａｓ）を、６３ｇのBaymidur（登録商標） VP.KU 3-5009（Bayer MaterialScience AGの製品、ジフェニルメタンジイソシアネートとポリフェニレンポリメチレンポリイソシアネートの混合物；ＮＣＯ含量：３１．５〜３３．５重量％；２５℃での粘度：１５〜３０ｍＰａｓ）と一緒に室温で撹拌し、減圧下で脱気した。この溶液をシート型に注入し、室温で１時間保管した。次いで試料を８０℃でベークした。脱型時間は２時間であった。
試験片は、７６ショアＤ硬度を有していた。
成分を混合してから３０分後の２５℃での粘度は、９７４ｍＰａｓであった。
【００２８】
比較例３
１８０ｇのLarit RIM 135（L-135i）注入樹脂（Lange+Ritterの製品）を、６０ｇのLarit RIMH 137硬化剤（Lange+Ritterの製品）と一緒に室温で撹拌し、減圧下で脱気した。この溶液をシート型に注入し、室温で１時間保管した。次いで試料を８０℃でベークした。脱型時間は１２時間であった。
試験片は、７６ショアＤ硬度を有していた。
【００２９】
ポリウレタン系は、有意により短い時間で脱型することができた。ポリウレタン系のより短い脱型時間によって、生産性はより高くなる。なぜなら、成形品が型を占有する時間が著しく短くなり、その結果、より多くの成形品が製造できるからである。