江一杭，楊 忠，劉鮮紅，張春愛(ài)

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展迅速，資源開(kāi)發(fā)勢(shì)頭強(qiáng)勁，裝機(jī)總量連續(xù) 6年持續(xù)增加。國(guó)內(nèi)主流海上風(fēng)電機(jī)組的功率一般在 5～6MW，葉片長(zhǎng)度為 70～80m。一些風(fēng)電龍頭企業(yè)，海上風(fēng)機(jī)的功率已達(dá)到10MW，葉片長(zhǎng)度可達(dá)到 90m 以上。相較陸上葉片而言，海上風(fēng)機(jī)的葉片長(zhǎng)度更大、承受的載荷更高、壽命要求更長(zhǎng)，這就對(duì)傳統(tǒng)的材料體系提出了新的挑戰(zhàn)。

風(fēng)電葉片的基體材料為玻璃鋼復(fù)合材料，采用真空灌注工藝成型。葉片分為迎風(fēng)面殼體和逆風(fēng)面殼體，兩半殼體在模具內(nèi)粘結(jié)成為一個(gè)整體，環(huán)氧膠黏劑是葉片殼體粘結(jié)的關(guān)鍵材料[1-3]。隨著海上葉片尺寸的大幅增加，對(duì)膠黏劑的工藝性能和力學(xué)性能提出更高的要求。本文主要對(duì)目前國(guó)外有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的海上葉片膠黏劑的性能進(jìn)行測(cè)試分析，得出關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求，并對(duì)下一步國(guó)產(chǎn)海上葉片膠黏劑研發(fā)提出建議。

1 試驗(yàn)方案

采用3種膠黏劑進(jìn)行平行對(duì)比測(cè)試，A樣品為進(jìn)口海上葉片專用膠黏劑，B為國(guó)產(chǎn)海上葉片膠黏劑，C為普通葉片膠黏劑。根據(jù)葉片對(duì)膠黏劑的性能要求，重點(diǎn)分析測(cè)評(píng)凝膠時(shí)間、垂掛性、拉伸測(cè)試、剪切測(cè)試、沖擊測(cè)試性能以及其他膠黏劑的基本參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基本性能測(cè)試結(jié)果

風(fēng)電葉片海上專用膠黏劑(A)的基本性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果與其他2種膠黏劑的對(duì)比見(jiàn)表1。

密度是膠黏劑的基本特性之一。在強(qiáng)度滿足要求的情況下，密度越低，在同等體積用量情況下，膠黏劑的重量越輕，因此可以在一定程度實(shí)現(xiàn)降低葉片重量的目的。從表 1對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，海上專用膠黏劑(A)的密度最低，為 1.14g/cm3，相比普通膠黏劑(C)的1.26g/cm3低出了9.5%。一個(gè)海上葉片若使用1.5t膠黏劑，由于密度低，則可以減少重量約140kg。從海上膠黏劑的成分來(lái)看，在組分設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高材料的韌性而降低了膠黏劑中填料物質(zhì)的含量，所以密度下降。

表1 3種膠黏劑的基本性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of basic performance parameters of three kinds of adhesives

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指非晶態(tài)高分子材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度。若材料的使用環(huán)境溫度高于 Tg，則材料的力學(xué)性能會(huì)大幅下降。一般情況下，風(fēng)電葉片的運(yùn)行極限溫度在 50℃以下，而材料的Tg必須高于70℃。表1數(shù)據(jù)是在標(biāo)準(zhǔn)固化條件下測(cè)得(膠體厚度 2～3mm，23℃放置 16h，之后 70℃烘箱內(nèi)放置 8h)。從數(shù)據(jù)可以看出，同等固化條件下，A、B、C 試樣的 Tg值均滿足＞70℃的要求，但A的Tg值要低于C。實(shí)際上若將A的固化時(shí)間延長(zhǎng)至12h，則Tg也可達(dá)到與C一致，但意味著固化反應(yīng)的時(shí)間更長(zhǎng)，會(huì)降低葉片生產(chǎn)效率。

凝膠時(shí)間是指雙組分環(huán)氧膠黏劑混合好之后的最長(zhǎng)可操作時(shí)間，超過(guò)此時(shí)間意味著膠黏劑失去活性，無(wú)法達(dá)到粘結(jié)性能的要求。海上葉片由于長(zhǎng)度增加，粘結(jié)區(qū)域面積也成倍增加，粘接工序的時(shí)間比普通葉片要長(zhǎng)得多。正常情況下，粘結(jié)工序會(huì)達(dá)到 2h，對(duì)于一些異常情況，則可能超出 4h。從表 1的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，海上專用膠黏劑 A的凝膠時(shí)間可以達(dá)到464min(11h)，遠(yuǎn)超出普通膠黏劑的4h，因此更加適合大尺寸海上葉片的生產(chǎn)制造。但是，凝膠時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)影響粘結(jié)固化的效率。主要表現(xiàn)在固化加熱過(guò)程中，需要在 70℃加熱更長(zhǎng)的時(shí)間，Tg才能達(dá)到要求。

垂掛性測(cè)試反應(yīng)了膠黏劑在刮涂操作時(shí)的塑型性。風(fēng)電葉片刮膠的厚度較大，一般會(huì)達(dá)到 1～1.5cm，如果塑型性不好，則膠黏劑容易流淌，無(wú)法保持原有的形狀，在粘結(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺膠。垂掛性測(cè)試一般采用圖1所示方法。

圖1 膠黏劑的垂掛性測(cè)試示意圖Fig.1 Hanging test of adhesive

將膠黏劑在平板上刮成 10cm×10cm×5cm的方體，然后將平板直立，觀察開(kāi)始變形的時(shí)間，以及完全下滑的時(shí)間，并記錄和比較。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，海上專用膠黏劑的塑型性明顯不如普通膠黏劑，形狀維持時(shí)間在 6～7min，而普通膠黏劑可以達(dá)到15min。這一點(diǎn)與組分中的填料含量降低有關(guān)。為了獲得更好的力學(xué)性能，需要在一定程度上犧牲工藝性能。從實(shí)際使用來(lái)看，葉片涂膠的位置大多是在平面和傾微的斜面上，故 6～7min的形狀維持時(shí)間可以滿足使用要求。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

風(fēng)電葉片海上專用膠黏劑(A)的力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果與其他2種膠黏劑的對(duì)比見(jiàn)表2。

抗拉強(qiáng)度、模量及斷裂延伸率反映膠黏劑本體的力學(xué)強(qiáng)度。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，海上葉片專用膠黏劑的抗拉斷裂強(qiáng)度達(dá)到了 54.3MPa，比普通膠黏劑有所提升，但抗拉模量有所下降。最大的變化在于斷裂延伸率，相比普通膠黏劑提升到了 4.38%。斷裂延伸率在一定程度上反映材料的韌性，數(shù)值越高表明材料可以承受的變形越大。在抗拉強(qiáng)度和模量相近的情況下，斷裂延伸率越高，則造成該材料破壞需要的外界能量更高。海上大型風(fēng)電葉片相對(duì)于陸上風(fēng)電葉片，設(shè)計(jì)壽命更高，承受的載荷更高，尤其是疲勞載荷。膠黏劑的韌性越好，則可以承受越高的形變，同時(shí)還可以阻止部分粘結(jié)缺陷開(kāi)裂的疲勞擴(kuò)展，大幅提高葉片的粘結(jié)壽命。

表2 3種膠黏劑的力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of three kinds of adhesives

沖擊測(cè)試結(jié)果也在一定程度上反映出了材料韌性的提升。海上葉片專用膠黏劑的沖擊強(qiáng)度達(dá)到了30kJ/m2，明顯高于普通膠黏劑，也說(shuō)明了韌性的提升。另外，在膠黏劑的本體抗彎和抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果上，海上葉片專用膠黏劑的性能也明顯優(yōu)于普通膠黏劑。

2.3 國(guó)產(chǎn)海上葉片膠黏劑性能分析

本次測(cè)試采用了某國(guó)產(chǎn)品牌海上膠黏劑(B樣品)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，國(guó)產(chǎn)海上膠黏劑在基本性能方面，除了凝膠時(shí)間短，其他和進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。力學(xué)性能方面，如材料的本體強(qiáng)度、斷裂延伸率、沖擊強(qiáng)度，均低于進(jìn)口材料。因此，還需要在配方組分設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)，在填料含量、施工性能、力學(xué)性能方面做好平衡。

3 結(jié) 論

海上葉片專用膠黏劑在凝膠時(shí)間、本體強(qiáng)度、斷裂延伸率、沖擊強(qiáng)度方面，相比普通膠黏劑有很大提升，尤其是斷裂延伸率達(dá)到 4.38%，沖擊強(qiáng)度達(dá)到了30kJ/m2，表明材料具有很好的韌性，可以承受更高的形變，同時(shí)還可以阻止部分粘結(jié)缺陷開(kāi)裂的疲勞擴(kuò)展，大幅提高葉片的粘結(jié)壽命。國(guó)產(chǎn)海上膠黏劑與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比還存在差距，需要在配方組分設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)。