江一杭 吳海亮 吳紅煥 劉鮮紅 李波（天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司天津300456）

風(fēng)電葉片用環(huán)氧粘結(jié)劑性能研究

江一杭 吳海亮 吳紅煥 劉鮮紅 李波（天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司天津300456）

針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電葉片生產(chǎn)所用的主流粘結(jié)材料漢森（Hexion）L135G 3體系與陶氏（DOW）770E體系，以及國(guó)產(chǎn)康達(dá)（KangDa）WD 3135體系的力學(xué)性能與工藝性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比分析得出風(fēng)電葉片粘結(jié)劑的一般性能指標(biāo)。對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，漢森粘結(jié)劑整體性能指標(biāo)最優(yōu)，陶氏體系在抗沖擊性方面略顯不足，而國(guó)產(chǎn)康達(dá)體系除彎曲性能低于漢森外，在剪切、拉伸、沖擊等關(guān)鍵指標(biāo)上與漢森相當(dāng)。【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料風(fēng)電葉片環(huán)氧粘結(jié)劑力學(xué)性能

0 引言

葉片是風(fēng)力發(fā)電裝置的關(guān)鍵核心部分，其設(shè)計(jì)和采用的材料不但決定其本身的質(zhì)量與成本，也決定著風(fēng)力發(fā)電裝置的整體性能和功率。[1-4]粘結(jié)劑作為風(fēng)電葉片的重要主材之一，在葉片制造中，主要用于迎風(fēng)側(cè)（壓力側(cè)PS面）和逆風(fēng)側(cè)（吸力側(cè)SS面）的組合粘結(jié)。而對(duì)于大功率葉片，其長(zhǎng)度近40m，本體重量在5 t以上，運(yùn)行中將經(jīng)受上億次彎曲振動(dòng)，粘結(jié)部分承受巨大的剪切力，因此，粘結(jié)材料的性能直接關(guān)系到葉片的整體質(zhì)量，并影響到葉片的使用壽命；粘結(jié)劑的測(cè)試、評(píng)估與選型，對(duì)于葉片的設(shè)計(jì)、研究和生產(chǎn)，均有重要的意義。

基于風(fēng)電葉片用粘結(jié)劑市場(chǎng)供方狀況、粘結(jié)劑技術(shù)指標(biāo)水平，結(jié)合國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片廠對(duì)粘結(jié)劑應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，目前已成熟使用的環(huán)氧粘結(jié)劑體系包括：漢森（Hexion）L135G3體系、陶氏（DOW）770E體系，以及國(guó)產(chǎn)康達(dá)（KangDa）WD3135體系。本文通過(guò)對(duì)以上3種粘結(jié)劑體系力學(xué)性能及工藝性能的對(duì)比測(cè)試、分析，得出風(fēng)電葉片粘結(jié)劑的一般性能指標(biāo)，同時(shí)為葉片粘結(jié)材料的研究、選型以及材料國(guó)產(chǎn)化提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)葉片運(yùn)行中粘結(jié)材料的受力方式，粘結(jié)劑的力學(xué)性能測(cè)試內(nèi)容主要包括：拉伸、彎曲、剪切、沖擊。另外，基于葉片生產(chǎn)成型工藝，對(duì)粘結(jié)劑的工藝性能要求包括：堆積高度、可操作時(shí)間、后固化時(shí)間、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、放熱峰值等方面。

粘結(jié)劑力學(xué)性能測(cè)試試樣按照ISO標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。試樣在常溫條件下（23±2℃，50%±5%相對(duì)濕度）固化16 h，然后置于70℃烘箱中后固化8 h，自然冷卻至室溫。粘結(jié)劑拉伸、彎曲、剪切性能測(cè)試采用SHIMADZH AG-1C 100KN型萬(wàn)能拉伸機(jī)，配合TCE-N300型高低溫箱；沖擊性能測(cè)試采用江都市天發(fā)試驗(yàn)機(jī)械廠TF-2059型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試采用METTLER TOLEDODSC1型差示掃描量熱儀；放熱峰值采用YOKOGAWA MV1000型多通道測(cè)溫儀自動(dòng)記錄。

表1 粘結(jié)劑性能測(cè)試試樣說(shuō)明

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸與彎曲強(qiáng)度

拉伸與彎曲強(qiáng)度為粘結(jié)劑本體最基本的力學(xué)性能。在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，粘結(jié)劑不僅具有粘結(jié)功能，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)填充作用，如：葉片PS與SS側(cè)殼體粘結(jié)填充厚度可達(dá)3 cm以上，因此，對(duì)于粘結(jié)劑本體的強(qiáng)度與彎曲性有極高的要求。如粘結(jié)劑本體強(qiáng)度不足，則葉片可能在運(yùn)行中出現(xiàn)粘結(jié)劑開(kāi)裂情況。

表2 粘結(jié)劑拉伸與彎曲性能

漢森、陶氏及康達(dá)粘結(jié)劑的拉伸、彎曲強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，室溫下漢森和陶氏的本體斷裂應(yīng)力相當(dāng)，陶氏的模量較高，材料的剛度大，斷裂形變低?？颠_(dá)的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度略低，材料模量小，具有一定的韌性。但就拉伸與彎曲性能綜合而言，漢森粘結(jié)劑存在一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 沖擊強(qiáng)度

粘結(jié)劑的沖擊強(qiáng)度指本體受沖擊破壞時(shí)所吸收的能量，也稱沖擊吸收功，可反映材料的韌性。沖擊強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在葉片瞬間受力時(shí)，如受到撞擊等情況，粘結(jié)劑能最大限度的吸收或抵抗外界作用力，保持良好的粘結(jié)效果。

漢森、陶氏及康達(dá)粘結(jié)劑的抗沖擊測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由測(cè)試可見(jiàn)，康達(dá)和漢森的抗沖擊韌性相當(dāng)，而陶氏粘結(jié)劑的脆性較大，尤其在低溫下，難以滿足一般應(yīng)用要求。

表3 粘結(jié)劑沖擊性能（單位：kJ/m2）

2.3 剪切強(qiáng)度

在葉片的運(yùn)動(dòng)中（擺動(dòng)或揮舞），粘結(jié)劑將承受由彎曲引起的剪切力。剪切力是風(fēng)葉粘結(jié)劑的主要受力模式，剪切強(qiáng)度是葉片設(shè)計(jì)和粘結(jié)失效分析的關(guān)鍵因素，也是粘結(jié)劑產(chǎn)品認(rèn)證的重點(diǎn)依據(jù)。

粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度是通過(guò)測(cè)試粘結(jié)劑與玻璃鋼（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP）粘結(jié)體的拉剪強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因粘結(jié)劑的剪切性能直接關(guān)系到葉片的粘結(jié)質(zhì)量，因此需在不同條件下全面測(cè)試。測(cè)試條件主要包括：常溫剪切、高溫剪切，潮濕或鹽霧環(huán)境的剪切性能，以及疲勞條件下的剪切。

表4 粘結(jié)劑在不同條件下的剪切性能（單位：MPa）

從表4數(shù)據(jù)來(lái)看，各廠家粘結(jié)劑在通常（23℃-50%RH）條件下的剪切強(qiáng)度均大于20 MPa，三者常溫剪切性能近似處于同一水平。同時(shí)，通過(guò)觀察測(cè)試過(guò)程中的樣品破壞部位和形貌（FRP破壞），3種粘結(jié)劑與FRP結(jié)合效果均良好。

在高溫環(huán)境下（50℃，葉片的生存極限），由于接近粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，3種材料的剪切性能均有下降，其中康達(dá)下降最大。但剪切強(qiáng)度仍保持在20MPa附近，與漢森性能水平相當(dāng)。

耐水性方面，水或鹽水（霧）僅能作用于粘結(jié)劑表面，對(duì)粘結(jié)劑內(nèi)部及粘結(jié)界面影響較小，從對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)上看反映出類似結(jié)果。同時(shí)從葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看，粘結(jié)劑不直接與鹽霧和水接觸，因此，3種粘結(jié)劑均滿足潮濕環(huán)境應(yīng)用要求。

因測(cè)試條件限制，本文通過(guò)測(cè)試粘接體在特征剪切應(yīng)力下（7±1 MPa的交變應(yīng)力）經(jīng)106次拉剪后的強(qiáng)度保持情況，粗略判斷耐疲勞特性。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，漢森的耐疲勞特性最佳，經(jīng)疲勞后剪切強(qiáng)度幾乎無(wú)變化?？颠_(dá)經(jīng)疲勞后的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)略有降低，但強(qiáng)度保持率均在95%以上，可近似認(rèn)為抗疲勞性能與漢森相當(dāng)。而陶氏經(jīng)疲勞后的剪切強(qiáng)度有一定下降，其疲勞特性待進(jìn)一步測(cè)試分析。

綜合以上力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)，漢森粘結(jié)劑的本體強(qiáng)度大，沖擊吸收功高，同時(shí)兼具韌性，與玻璃鋼粘結(jié)最佳，剪切性能優(yōu)異，其綜合性能明顯高于康達(dá)和陶氏。

2.4 塑形性

在葉片粘結(jié)工藝中，粘結(jié)劑需要手工刮涂于葉片粘結(jié)部位。由于粘結(jié)厚度較大，因此，需要粘結(jié)劑具有良好的塑性能力，便于施工。粘結(jié)劑的塑性能力一般通過(guò)堆積高度來(lái)評(píng)估，即：將粘結(jié)劑堆積為5 cm底徑圓錐體直立后不垂掛的最大高度。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，漢森、陶氏及康達(dá)的堆積高度分別為4 cm、5 cm、7.5 cm，可見(jiàn)，康達(dá)粘結(jié)劑的塑形性最佳。

2.5 可操作時(shí)間與固化時(shí)間

對(duì)于雙組分環(huán)氧粘結(jié)劑，在主劑與固化劑混配后，即開(kāi)始緩慢反應(yīng)，直至凝膠、固化。粘結(jié)劑混合后至凝膠的時(shí)間稱為可操作時(shí)間。環(huán)境溫度越高，可操作時(shí)間越短。由于葉片粘結(jié)過(guò)程為手工作業(yè)，粘結(jié)劑刮涂時(shí)間較長(zhǎng)（1～2 h），因此，要求粘結(jié)劑有足夠的可操作時(shí)間，避免凝膠導(dǎo)致性能大幅度降低。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)（見(jiàn)表5），3種粘結(jié)劑在35℃（車間環(huán)境溫度上限）的可操作時(shí)間均大于1 h，基本滿足葉片合模粘接的要求。其中，康達(dá)粘結(jié)劑的可操作時(shí)間最長(zhǎng)，但其固化時(shí)間也相對(duì)延長(zhǎng)。

表5 粘結(jié)劑在不同溫度下的可操作時(shí)間和固化時(shí)間

在實(shí)際生產(chǎn)中，葉片進(jìn)行合模粘結(jié)后，粘結(jié)劑是在高溫下（60～80℃）直接進(jìn)行固化。一般以粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Glass Transition Temperature，Tg）固化至一定標(biāo)準(zhǔn)（如：65℃）作為粘結(jié)性能達(dá)到最佳的標(biāo)志。因此，影響生產(chǎn)效率的主要是粘結(jié)劑的后固化情況。圖1為漢森、陶氏及康達(dá)粘結(jié)劑的后固化時(shí)間與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系，由圖可見(jiàn)，在固化條件相同的情況下，陶氏粘結(jié)劑的Tg最高，這一點(diǎn)有利于提高葉片生產(chǎn)工藝效率。

圖1 粘結(jié)劑的固化時(shí)間與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度關(guān)系

2.6 放熱峰值

環(huán)氧粘結(jié)劑的固化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如體系反應(yīng)放熱過(guò)高，且不能及時(shí)散去，則會(huì)加劇反應(yīng)，導(dǎo)致粘結(jié)劑爆聚，降低粘結(jié)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使葉片報(bào)廢。因此，粘結(jié)劑固化反應(yīng)放熱量需嚴(yán)格控制。

圖2為漢森、陶氏及康達(dá)粘結(jié)劑固化反應(yīng)過(guò)程中的溫度測(cè)量記錄（均為100 g量，35℃環(huán)境溫度）。其中，漢森粘結(jié)劑反應(yīng)中的峰值溫度為93℃，相對(duì)較高，而陶氏和康達(dá)分別為91℃和85℃?，F(xiàn)場(chǎng)操作表明，3種粘結(jié)劑的反應(yīng)放熱均能滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境（一般低于35℃）下正常使用。但實(shí)際操作中仍須避免堆膠集熱，混合后的粘結(jié)劑應(yīng)盡快分散使用。

3 結(jié)論

圖2 粘結(jié)劑的固化放熱溫度與時(shí)間關(guān)系

通過(guò)以上對(duì)當(dāng)前風(fēng)電葉片3種粘結(jié)劑體系性能的對(duì)比測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：系在抗沖擊性方面略顯不足，而國(guó)產(chǎn)康達(dá)體系除彎曲性能低于漢森外，在剪切、拉伸、沖擊等關(guān)鍵指標(biāo)上與漢森相當(dāng)。

②工藝性能方面，3種粘結(jié)劑均適于填充塑形操作，可操作時(shí)間充足。其中，陶氏粘結(jié)劑后固化所需時(shí)間最短，工藝效率最高。

③根據(jù)3種粘結(jié)劑性能對(duì)比，結(jié)合材料設(shè)計(jì)安全系數(shù)，可初步得出風(fēng)電葉片用粘結(jié)劑所需一般性能指標(biāo)，見(jiàn)表6。

風(fēng)電葉片行業(yè)在國(guó)內(nèi)興起不久，在葉片原材料的使用、選型和開(kāi)發(fā)中難免缺乏經(jīng)驗(yàn)。因此，在材料國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，應(yīng)充分借鑒國(guó)外成熟材料體系的使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其性能指標(biāo)、工藝參數(shù)等方面作深入的分析，并結(jié)合葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，全方位研究與轉(zhuǎn)化，以穩(wěn)步推動(dòng)風(fēng)電葉片的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程?！?/p>

[1]鐘方國(guó)，趙鴻漢.風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及其復(fù)合材料的應(yīng)用[J].熱固性樹(shù)脂，2006（21）：16-21.

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2011-05-09