大尺寸风轮叶片用第二代环氧结构胶特征技术

2016-03-04许愿

风能 2016年11期

文 | 许愿

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风电装机容量的不断增加，致使具有陆地一类、二类的优质风能资源的风电场逐渐减少，同期的海上风电场装机速度持续加快，为保持稳定的发电容量增长势头，风电机组的功率型号越来越大型化。这样的结果，使得风轮叶片的尺寸也越来越大型化，由之前的40米左右的主流尺寸也慢慢过渡到现如今60米上下。相关信息表明，国内由中材科技制造的最长的风轮叶片已经达到77.7米。

随着风轮叶片的设计尺寸越来越长，在叶弦上会产生更高的静距，势必导致后缘产生更大形变张力，引导着材料向高韧性和高耐疲劳性方向发展。材料性能的新要求无疑就对合模用的环氧结构胶提出了更高更新的技术要求。

结合风轮叶片尺寸大型化的应用需求，深化第二代环氧结构胶粘剂研制无疑具有久远的市场意义。本文试图从叶片大型化对结构胶提出的新技术要求着手，探讨出结构胶未来几年可能面临的技术特点和发展方向，提出一些思路和对策。区别于现在市场上以汉森BP135G3/BPH137G为代表的第一代环氧结构胶的主流应用，为第二代叶片用结构胶的研制和应用提供参考和借鉴。

为使得文章叙述明确化，同时遵从风电行业的普遍认识，如无特指，文中所述大尺寸叶片指60米以上叶片。

大尺寸叶片对环氧结构胶粘剂性能提出新的要求

一、结构粘接上要求有更高的界面粘接性能

通常使用玻璃纤维增强树脂复合材料（FRP）进行结构胶界面粘接评价，进行仪器测试，表征出粘接强度相对指标，量化为拉伸剪切强度，依据标准为：ISO 4587-2003 和 GB/T 7124-2008。

实际情况是，大尺寸叶片的普遍装机，从源头上的基础材料设计方面，到对拉剪性能方面，目前还没有给出具体的规范和指导。相信随着大尺寸叶片的普及化和对胶粘剂材料研究的深入化，对这一指标会做出详细的规定。

目前，行业内通用遵守的拉剪强度的判定依据如下：

1.风电机组风轮叶片结构胶黏剂技术条件（CGC/ GF012:2011，见表1）。

FRP/FRP粘接（胶层厚度3mm）≥14Mpa。

2.德国船级社爱劳德标准（GL规范，见表2）。

AI/AI粘接（胶层厚度3mm）≥14Mpa。

AI/AI粘接（胶层厚度3mm）记录数据，通常做≥20Mpa判定。

二、本体性能上要求表现出更高的柔韧性

胶粘剂本体性能的评价严格讲属材料学范畴。进行仪器测试时，想要表征出胶粘剂柔韧性相对指标，常用的测试项目和依据标准有：

1.简支梁冲击强度：依据的国际标准为ISO 179-1/1eU，国内标准为GB/T 2567-2008。

2.材料本体拉伸强度及断裂伸长率：依据的国际标准为ISO 527，国内标准为GB/T 1040-2006。

同样情况，对这些指标没有给出针对性的规定和指导。近年来，以汉森胶粘剂为代表的一些胶粘剂原材料厂商，对此项指标在行业内推广了自己的一些观点，如下：

1.断裂韧性G1C由现在的0.5N/mm－0.8N/mm显著提高到2N/mm－3N/mm左右的水平。

2.断裂韧性G2C由现在的5.46N/mm提高到13.1N/mm。

3.简支梁冲击由现在的11kJ/m2提高到31kJ/m2。

笔者以为，随着对叶片粘接胶粘剂材料的研究深入化，会有越来越详细的、越来越规范的表征指标被提出。

三、材料应用上要求有更优异的耐疲劳性能

对胶粘剂材料进行疲劳性能考核，通常是评价胶粘剂拉伸剪切疲劳性能的方法，通过对拉剪性能测试，绘制疲劳曲线，为材料在叶片上的应用提供参考。目前所依据的标准为ISO 9664-1995和 GB/T 27595-2011，具体测试方案此处略。

笔者以为，对胶粘剂材料的疲劳性能研究还有更多更有效的方式都需要探讨。主要有以下几个方面：

1.同样的拉剪强度的疲劳测试，还可以计算疲劳测试后剪切强度的保持率。

2.在汇制SN曲线的测试中，除了拉压单向测试方法，还可以设定拉压双向方案。

3.对胶粘剂进行三点弯曲疲劳性能评价，在具体实验方案的设计上，可以考虑以形变恒定为基本参照，还可以考虑以应变恒定为基本参照。

4.对胶粘剂粘接界面进行疲劳性能评价，也就是通常所说的“三明治”结构。

随着行业对胶粘剂的合模应用进行疲劳性能的研究和评价越来越重视，对所期望性能的表征和对测试数据的判定，也会越来越有针对性。另外，还有一个现状是，由于进行疲劳性能研究和测试需要昂贵的测试仪器和高额的运行维护费用，受此限制，近年来针对胶粘剂本身所进行的疲劳性能研究工作相对材料的疲劳性能研究要少许多。

四、使用工艺上要求有更长的开放时间和操作时间

开放时间是指胶粘剂胶面在一定的敞口时间内由于环境的影响（温湿度）而造成粘接性能下降所需的时间。操作时间通常指胶粘剂的粘度增加至一倍时所需的时间，其长短主要反应结构胶的反应活性大小。

目前的现况是，胶粘剂配方设计的操作时间一般都在120分钟以内。实际工艺现场，因为壳体的残留温度影响，叶片厂商会控制在60分钟以内，以避免结构胶性能降低。开放时间在胶粘剂配方的设计上通常为操作时间的一倍或者以上。

大尺寸叶片目前虽然没有针对操作时间和开放时间做出具体的严格规定，但道理显而易见，更长的开放时间和操作时间是第二代叶片结构胶的一个重要研究方向。

五、合模固化时要求有更快的固化速度

大尺寸叶片在合模粘接时，既要保证有利于施工的长的操作时间和开放时间，同时还要求不延长胶粘剂的固化时间，提高脱模效率和生产效率。这就要求结构胶在合模粘接后在中温固化时，有更快的固化速度，粘接强度会在更短时间内达到最高。

表1 GL测试规范

对固化速度的研究工作，前期胶粘剂测试方面主要是使用DSC进行固化时间评价和表征，后期固化材料方面是使用硬度计进行评判。

表2 风电机组风轮叶片结构胶黏剂技术条件CGC/GF012:2011

第二代环氧结构胶特征研制技术

一、双增韧树脂应用技术

环氧树脂结构胶主要由主体树脂、固化剂、增韧体系、促进剂、触变剂等成分组成。这些组分相互配合，实现三维交联、有效催化和高效增韧，可以设计出高性能的胶粘剂。

增韧从来都是环氧树脂胶粘剂永恒的话题。一定程度上讲，环氧增韧技术的发展在某种程度上也代表了环氧结构胶技术的发展。大尺寸叶片对高韧性胶粘剂的性能要求，使得单一增韧技术已经满足不了胶粘剂的技术应用。双增韧技术在胶粘剂中的应用，是第二代叶片环氧结构胶的主要研究方向。

相关资料表明，使用丙烯酸改性环氧和核壳橡胶双增韧技术制备双组分环氧结构胶，制备的结构胶材料性能优异，测试数据上，断裂伸长率可达5%以上，拉伸性能大于70MPa，模量可达4GPa以上，G1C可达90左右，无缺口冲击强度大于15kJ/m2。同时使得环氧结构胶对复合材料的结构粘接强度大幅度的提高，测试数据可达30MPa，相比较单增韧技术胶粘剂提高了近20%。

二、基体树脂复配应用技术

（一）在基体树脂中增加应用多官能特性结构树脂

在环氧结构胶树脂组分里添加复合型树脂，是近年来进行增韧研究的又一个主要方向。相比较于双增韧环氧合成技术，它操作起来相对要简单些，起到的增韧效果却不差，具有优越的“性价比”和一定的参考价值。

通常的复配技术主要是指在现通常双酚A型环氧树脂中增加使用双酚F等环氧树脂或脂环型环氧树脂，或者三官能多团能环氧树脂，或者增加多官活性稀释剂的应用，以期增加高分子材料固化后分子间的润滑和柔顺性能，从而使得材料的柔韧性能有所提高。

（二）在固化剂中引入高分子预聚物

作为组合应用技术，在固化剂组分里同样可以引入增韧手段。主要是指在现行业内应用较多的聚醚氨或聚酰胺固化剂材料中，事先引入与环氧树脂相溶性好的长链状高分子物进行预反应，此预反应物部分或全部复配应用于胶粘剂的固化剂中。这样，相对于分子量较小的聚醚氨或聚酰胺，将长链的固化剂高分子预聚物引入到双组分胶粘剂的加成反应固化中，形成基础树脂部分和固化剂部分双向增韧，针对性解决环氧树脂的增韧性能。相关资料表明，这种复配技术的应用，还能增强最终的动静态疲劳性能。

三、潜伏性固化剂或催化剂应用技术

针对叶片用胶技术，这是近年来出现的一种新技术应用。引入此项技术到叶片环氧结构胶中，主要是针对提高胶粘剂后期的固化速度而考虑的。它的成熟应用和推广，还要依赖于以下两种关键技术。

（一）热敏型固化剂或催化剂的开发

热敏型固化剂。从原理上讲，主要是指将固化剂或催化剂的部分活性通过事先的化学反应方法使之得以封闭，在双组分胶粘剂混合施工完成后，在模具后加温度的引发下，打开封闭的官能团，从而进行后续的化学反应。这种固化剂应用技术我们统称为热敏型固化剂。此种固化剂或催化剂在实际应用中，最直观的表现是借事先不等当量的化学反应从而提供胶粘剂长的开放时间或操作时间，而后在后加温度的引发下，提高胶粘剂的固化反应速度。

（二）新型环氧固化剂的选择

全新型的固化剂的合成和应用。相比较在原固化剂材料上进行改性和修饰，是一种全新的根本性的技术，需要对叶片制造技术和胶粘剂有着深刻的理解和认识，这样才能有针对性地在某一性能上完成对胶粘剂的设计。

四、固化剂合成改性技术的应用

（一）化学改性技术

固化剂是双组份环氧胶粘剂的重要组成部分，其化学类型常规有脂肪族胺、脂环族胺、聚醚胺、低份子聚酰胺等等。在胶粘剂配方设计之初，通常是依据环氧当量和活泼氢当量配比原则，设计各组分的添加量，形成树脂组份和固化剂组份的有效配比，最终形成双组份包装应用。长期以来，双组分胶粘剂面临的一个难题是，如何有效解决双组份胶粘剂施工前有较长的适用期（即足够长的工艺开放时间）和施工后有较快的固化快速这一矛盾。另外，如何实现环氧类胶粘剂的高效增韧，也是胶粘剂行业工艺应用中面临的一个长期课题。新的行业要求对增韧技术提出了更高要求，不单是引入新组分的添加类复配技术，各种合成应用技术陆陆续续都已经引入到了常规双组份胶粘剂的配方设计之中了。

笔者相信，在后期大尺寸叶片用结构胶的技术导向下，更多的化学改性技术都会应用在固化剂的应用中，实现某一种特征性能或对其他性能做出互补。

（二）预催化技术

此技术是上文化学改性技术的一个分支和补充，单列出来是因为它为一种具体的实际应用技术，主要是指将固化剂一部分的活性通过事先的化学反应方法使之得以封闭，在双组分胶粘剂混合施工完成后，在温度的引发下，打开封闭的官能团，从而进行后续的化学反应，此种技术主要是延长胶粘剂的开放时间或操作时间。

（三）中低温后固化技术

此技术的应用主要是针对提高胶粘剂的后期固化速度而提出的。实验表明，中低温后固化技术还可以提高结构胶的耐高低温冲击性能。通常的技术手段主要是在胶粘剂配方中引入长分子链的柔性结构与相对短分子链的刚性结构基团。进一步来说，是指在固化剂材料方面，优选复配脂环胺脂肪胺及聚酰胺材料。传统胶黏剂中通常为了保证其结构强度的需要往往使用到较大量的脂环胺做为固化剂，而脂环胺固化时需要较高的温度（80℃－100℃）才能使材料的固化程度达到叶片粘接的结构强度要求。而在胶粘剂中使用脂环胺的同时再引入脂肪胺和改性聚酰胺技术，这种固化剂复配的材料特性决定了其与环氧树脂反应本身就不需要太高的温度，通常在60℃－80℃即可达到预期的效果。这样，一方面有效提高了胶粘剂固化速度，对胶粘剂固化性能做了有益补充和增强。另一方面，在叶片的生产制造中会节约一定的能源，积年累月，效果将非常明显。