风电叶片用环氧粘结剂性能研究

2011-10-13江一杭吴海亮吴红焕刘鲜红李波天津东汽风电叶片工程有限公司天津300456

天津科技 2011年3期

江一杭吴海亮吴红焕刘鲜红李波（天津东汽风电叶片工程有限公司天津300456）

风电叶片用环氧粘结剂性能研究

江一杭吴海亮吴红焕刘鲜红李波（天津东汽风电叶片工程有限公司天津300456）

针对当前风电叶片生产所用的主流粘结材料汉森（Hexion）L135G 3体系与陶氏（DOW）770E体系，以及国产康达（KangDa）WD 3135体系的力学性能与工艺性能进行测试，通过对比分析得出风电叶片粘结剂的一般性能指标。对比测试结果表明，汉森粘结剂整体性能指标最优，陶氏体系在抗冲击性方面略显不足，而国产康达体系除弯曲性能低于汉森外，在剪切、拉伸、冲击等关键指标上与汉森相当。【关键词】复合材料风电叶片环氧粘结剂力学性能

0 引言

叶片是风力发电装置的关键核心部分，其设计和采用的材料不但决定其本身的质量与成本，也决定着风力发电装置的整体性能和功率。[1-4]粘结剂作为风电叶片的重要主材之一，在叶片制造中，主要用于迎风侧（压力侧PS面）和逆风侧（吸力侧SS面）的组合粘结。而对于大功率叶片，其长度近40m，本体重量在5 t以上，运行中将经受上亿次弯曲振动，粘结部分承受巨大的剪切力，因此，粘结材料的性能直接关系到叶片的整体质量，并影响到叶片的使用寿命；粘结剂的测试、评估与选型，对于叶片的设计、研究和生产，均有重要的意义。

基于风电叶片用粘结剂市场供方状况、粘结剂技术指标水平，结合国内风电叶片厂对粘结剂应用经验，目前已成熟使用的环氧粘结剂体系包括：汉森（Hexion）L135G3体系、陶氏（DOW）770E体系，以及国产康达（KangDa）WD3135体系。本文通过对以上3种粘结剂体系力学性能及工艺性能的对比测试、分析，得出风电叶片粘结剂的一般性能指标，同时为叶片粘结材料的研究、选型以及材料国产化提供参考。

1 实验内容

根据叶片运行中粘结材料的受力方式，粘结剂的力学性能测试内容主要包括：拉伸、弯曲、剪切、冲击。另外，基于叶片生产成型工艺，对粘结剂的工艺性能要求包括：堆积高度、可操作时间、后固化时间、玻璃化转变温度、放热峰值等方面。

粘结剂力学性能测试试样按照ISO标准及国家标准制备，相关参数见表1。试样在常温条件下（23±2℃，50%±5%相对湿度）固化16 h，然后置于70℃烘箱中后固化8 h，自然冷却至室温。粘结剂拉伸、弯曲、剪切性能测试采用SHIMADZH AG-1C 100KN型万能拉伸机，配合TCE-N300型高低温箱；冲击性能测试采用江都市天发试验机械厂TF-2059型简支梁冲击试验机；玻璃化转变温度测试采用METTLER TOLEDODSC1型差示扫描量热仪；放热峰值采用YOKOGAWA MV1000型多通道测温仪自动记录。

表1 粘结剂性能测试试样说明

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸与弯曲强度

拉伸与弯曲强度为粘结剂本体最基本的力学性能。在叶片结构设计中，粘结剂不仅具有粘结功能，同时还具有结构填充作用，如：叶片PS与SS侧壳体粘结填充厚度可达3 cm以上，因此，对于粘结剂本体的强度与弯曲性有极高的要求。如粘结剂本体强度不足，则叶片可能在运行中出现粘结剂开裂情况。

表2 粘结剂拉伸与弯曲性能

汉森、陶氏及康达粘结剂的拉伸、弯曲强度测试数据见表2。由测试数据可见，室温下汉森和陶氏的本体断裂应力相当，陶氏的模量较高，材料的刚度大，断裂形变低。康达的拉伸强度和弯曲强度略低，材料模量小，具有一定的韧性。但就拉伸与弯曲性能综合而言，汉森粘结剂存在一定的优势。

2.2 冲击强度

粘结剂的冲击强度指本体受冲击破坏时所吸收的能量，也称冲击吸收功，可反映材料的韧性。冲击强度高的优势主要体现在叶片瞬间受力时，如受到撞击等情况，粘结剂能最大限度的吸收或抵抗外界作用力，保持良好的粘结效果。

汉森、陶氏及康达粘结剂的抗冲击测试结果见表3。由测试可见，康达和汉森的抗冲击韧性相当，而陶氏粘结剂的脆性较大，尤其在低温下，难以满足一般应用要求。

表3 粘结剂冲击性能（单位：kJ/m2）

2.3 剪切强度

在叶片的运动中（摆动或挥舞），粘结剂将承受由弯曲引起的剪切力。剪切力是风叶粘结剂的主要受力模式，剪切强度是叶片设计和粘结失效分析的关键因素，也是粘结剂产品认证的重点依据。

粘结剂的剪切强度是通过测试粘结剂与玻璃钢（Fiber Reinforced Plastics，FRP）粘结体的拉剪强度来实现的。因粘结剂的剪切性能直接关系到叶片的粘结质量，因此需在不同条件下全面测试。测试条件主要包括：常温剪切、高温剪切，潮湿或盐雾环境的剪切性能，以及疲劳条件下的剪切。

表4 粘结剂在不同条件下的剪切性能（单位：MPa）

从表4数据来看，各厂家粘结剂在通常（23℃-50%RH）条件下的剪切强度均大于20 MPa，三者常温剪切性能近似处于同一水平。同时，通过观察测试过程中的样品破坏部位和形貌（FRP破坏），3种粘结剂与FRP结合效果均良好。

在高温环境下（50℃，叶片的生存极限），由于接近粘结剂的玻璃化转变温度，3种材料的剪切性能均有下降，其中康达下降最大。但剪切强度仍保持在20MPa附近，与汉森性能水平相当。

耐水性方面，水或盐水（雾）仅能作用于粘结剂表面，对粘结剂内部及粘结界面影响较小，从对比测试数据上看反映出类似结果。同时从叶片结构设计看，粘结剂不直接与盐雾和水接触，因此，3种粘结剂均满足潮湿环境应用要求。

因测试条件限制，本文通过测试粘接体在特征剪切应力下（7±1 MPa的交变应力）经106次拉剪后的强度保持情况，粗略判断耐疲劳特性。由测试结果可见，汉森的耐疲劳特性最佳，经疲劳后剪切强度几乎无变化。康达经疲劳后的剪切强度数据略有降低，但强度保持率均在95%以上，可近似认为抗疲劳性能与汉森相当。而陶氏经疲劳后的剪切强度有一定下降，其疲劳特性待进一步测试分析。

综合以上力学性能测试结果，可见，汉森粘结剂的本体强度大，冲击吸收功高，同时兼具韧性，与玻璃钢粘结最佳，剪切性能优异，其综合性能明显高于康达和陶氏。

2.4 塑形性

在叶片粘结工艺中，粘结剂需要手工刮涂于叶片粘结部位。由于粘结厚度较大，因此，需要粘结剂具有良好的塑性能力，便于施工。粘结剂的塑性能力一般通过堆积高度来评估，即：将粘结剂堆积为5 cm底径圆锥体直立后不垂挂的最大高度。根据测试结果，汉森、陶氏及康达的堆积高度分别为4 cm、5 cm、7.5 cm，可见，康达粘结剂的塑形性最佳。

2.5 可操作时间与固化时间

对于双组分环氧粘结剂，在主剂与固化剂混配后，即开始缓慢反应，直至凝胶、固化。粘结剂混合后至凝胶的时间称为可操作时间。环境温度越高，可操作时间越短。由于叶片粘结过程为手工作业，粘结剂刮涂时间较长（1～2 h），因此，要求粘结剂有足够的可操作时间，避免凝胶导致性能大幅度降低。由测试数据可见（见表5），3种粘结剂在35℃（车间环境温度上限）的可操作时间均大于1 h，基本满足叶片合模粘接的要求。其中，康达粘结剂的可操作时间最长，但其固化时间也相对延长。

表5 粘结剂在不同温度下的可操作时间和固化时间

在实际生产中，叶片进行合模粘结后，粘结剂是在高温下（60～80℃）直接进行固化。一般以粘结剂的玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature，Tg）固化至一定标准（如：65℃）作为粘结性能达到最佳的标志。因此，影响生产效率的主要是粘结剂的后固化情况。图1为汉森、陶氏及康达粘结剂的后固化时间与玻璃化转变温度的关系，由图可见，在固化条件相同的情况下，陶氏粘结剂的Tg最高，这一点有利于提高叶片生产工艺效率。

图1 粘结剂的固化时间与玻璃化转变温度关系

2.6 放热峰值

环氧粘结剂的固化反应为放热反应，如体系反应放热过高，且不能及时散去，则会加剧反应，导致粘结剂爆聚，降低粘结性能，严重时会使叶片报废。因此，粘结剂固化反应放热量需严格控制。

图2为汉森、陶氏及康达粘结剂固化反应过程中的温度测量记录（均为100 g量，35℃环境温度）。其中，汉森粘结剂反应中的峰值温度为93℃，相对较高，而陶氏和康达分别为91℃和85℃。现场操作表明，3种粘结剂的反应放热均能满足现场环境（一般低于35℃）下正常使用。但实际操作中仍须避免堆胶集热，混合后的粘结剂应尽快分散使用。