风电叶片二次合模用腹板粘接结构胶研究
2019-03-25顾明泉陈煌刘芳汪明珠姚其胜
顾明泉 陈煌 刘芳 汪明珠 姚其胜
摘要：以特种支化醇醚芳酯胺改性某缩水甘油醚自制增韧剂，以自有专利合成环氧改性脂环胺固化剂，然后以双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、稀释剂、玻璃纤维、触变剂、功能助剂、酚醛聚酰胺和自制的特种增韧剂及脂环胺固化剂等为原料制备了风电叶片二次合模用腹板粘接结构胶，研究了其制备工艺和流变黏度、放热峰和开放时间、拉伸强度、冲击强度、玻璃化转变温度、剪切强度和剪切疲劳等指标性能，结果表明：本研究制备的快速结构胶，具备40min以上操作时间和优化的快速定位时间，其余性能参数均满足风电级设计需求。
关键词：风电叶片;腹板;快速定位;结构胶;二次合模
中图分类号：TQ436+.4文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）05-0017-08
2015年是中国风电发展的高峰，随着陆上I、II类风电场建设日趋饱及多地弃风限能，风电谋求向低风速地带和海上转移，制造与应用呈现出大功率化、分散式和高能效态。作为捕风生能的关键部件，三年来，60～80m级大型化风轮叶片被广泛研制并应用，这对粘接成型用结构胶提出了更多、更高的要求，更大更长的叶片不仅要提高技术质量，还要方便成型并提升制造效率。二次合模、分段制造、叶片延长等工艺技术纷纷引入，然而，缩短过程时间、提升制造效率，仍是行业难题。为此，我们研究开发了一种新型风电叶片快速结构胶，用于二次合模粘接，取得可行性成果，期望能为叶片制造时提质增效作出贡献。
1实验部分
1.1原材料
0164环氧树脂，工业级，无锡蓝星石油化工有限责任公司;830环氧树脂，工业级，迪爱生投资有限公司;特种支化醚醇芳酯胺改性某缩水甘油醚增韧剂，自制;稀释剂，工业级，无锡惠隆电子材料有限公司;玻璃纤维，工业级，浙江;触变剂，工业级，日本;功能助剂，工业级，台湾;柔性支链酚醛合成新型聚酰胺，工业级，广东;环氧改性脂环胺，自制。
1.2仪器与设备
真空双行星动力混合机系统，2L-1000L，山东;旋转流变仪，MCR302，奥地利;示差扫描量热仪，DSC，瑞士;热电偶无纸记录仪，XSR80，北京;微机控制电子万能试验机，50kN，英国;塑料摆锤式冲击试验机，ZBC，上海;动态和疲劳试验系统，8801，美国;电热鼓风干燥箱，热程200℃，上海;实验室温湿度记录仪，上海。
1.3风电叶片二次合模用腹板粘接结构胶的制备
1.3.1腹板粘接胶A组分制备
在反应器中加入特种支化醇醚芳酯胺和某缩水甘油醚，其氨基与缩水甘油醚的物质的量比例控制在0.1：1以下，常压、50℃条件混合搅拌反应0.5～1h，再升温至70℃搅拌反应4-5h，加载真空脱水除气条件，继续升温至90℃搅拌反应2-3h，最后升温至125℃搅拌反应1h，降温停机后得到特种支化醇醚芳酯胺局部改性的缩水甘油醚增韌剂。
将双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、特种支化醇醚芳酯胺改性缩水甘油醚增韧剂、稀释剂、玻璃纤维、触变剂、功能助剂（包含黄相着色剂）投入真空双行星动力混合机系统，室温至70℃区间内搅拌分散混合0.5～1h，清理不均匀物料使掺人混合体中，然后在大于-0.09MPa的真空压力继续搅拌分散2～5h至完全混合均匀，制得腹板粘接胶的A组分。
1.3.2腹板粘接胶B组分制备
采用康达新能源某专利方法，首先对某种快速型脂环胺进行环氧化预聚合，制得环氧改性脂环胺。接着将柔性支链酚醛合成新型聚酰胺、环氧改性脂环胺、玻璃纤维、触变剂、功能助剂（包含蓝相着色剂）投入真空双行星动力混合机系统，室温至50℃区间内搅拌分散混合0.5-1h，清理不均匀物料使掺人混合体中，然后在大于-0.09MPa的真空压力继续搅拌分散2-5h至完全混合均匀，制得腹板粘接胶的B组分。
1.3.3新型风电叶片快速结构胶的制备
通过物料品种和成分含量的调节，系列化制备上述A组分和B组分并不断优化，优选出一种各项综合性能指标达到风电级，且操作时间在40min以上而40℃固化定位时间小于3.5h（较慢速合模结构胶温度和时间各缩减一半），同时具有更优动态韧性和更佳粘接性的快速结构胶产品。
1.4测试与表征
制得新型风电叶片快速结构胶，简称“康达快胶”;另获得某进口供应商的快速结构胶胶样，简称“进口快胶”。将两种胶进行如下对比测试。
（1）流变黏度：采用流变仪测试，分别考察了黏度随剪切率的变化、随温度的变化以及随凝胶时间的变化，剪切速率变化区间2-50s-1/25℃，温度变化区间5～50℃/10s-1，凝胶时间考察区间为0～120min/25℃/10s-1;
（2）放热峰曲线和开放时间测试：在23℃、35℃、45℃温度环境中，分别制备100g杯胶和200mm×50mm×20mm的长方体堆积胶测试放热峰曲线;在35℃环境中，通过一定时间段开放后再叠合的FRP/FRP拉伸剪切试样加热固化后测得的剪切强度变化来判定开放时间;
（3）拉伸强度、冲击强度分别依据ISO 527-2和ISO179-1等标准方法，针对-45℃、23℃和50℃3种温度条件进行测试;
（4）玻璃化转变温度：依据GB/T 19466的方法进行测试;
（5）剪切强度：依据GB/T 7124的方法进行测试，粘接厚度0.5mm、3mm，粘接材质为FRP玻璃钢;
（6）剪切疲劳性能：依据ISO 9664的方法进行测试。
2结果与讨论
2.1流变黏度
结构胶流变黏度对风电叶片的粘接制造工艺影响重大，不仅要适应在线自动涂胶机的打胶工序，而且要有较强抗流挂性以适应堆积填缝30mm以上的要求，还要对玻璃钢基材表面产生良好的润湿性。
制得新型风电叶片快速结构胶和进口胶混合流变黏度随剪切率的变化、随温度的变化以及随凝胶反应时间的变化，结果如图3～5所示。
如图3所示，两种胶的流变黏度随剪切率增大而降低的趋势基本一致，指标测试值也非常接近，均适用于风电叶片粘接合模时的打胶机作业;相对而言，康达快胶黏度抗剪切能力稍强，打出胶保持黏性定型态能力略高。
如图4所示，两种胶的流变黏度随温度的升高而降低，在同等温度下，康达快胶的黏度高于进口快胶，表明前者耐高温抗流性更足，但后者在低温环境表现较好些。
如图5所示，两种胶的流变黏度随凝胶反应时间的增大而缓慢增长，一旦过了约80min后，康达快胶黏度增长趋势迅速上升，可令腹板定位硬度和粘接强度获得迅速提高，有利于缩短腹板粘接工序的时间，提升一次合模效率。
2.2放热峰曲线和开放时间
分别测试100g杯胶和350g长方体的放热峰值，另增加了一种参考性快胶测试，结果如下图6～11所示。
由上述放热峰曲线测试图表明，除参考胶样外，康达快胶较进口快胶具有更快固效果和更低放热，不过胶凝初固时间相差仅仅5～10min，差异较小。从达到放热峰时间考察，康达快胶和进口快胶的在23℃环境中均超过40min，在35℃高温环境中均超过30min，这些可以满足实用化的需求。
开放时间的测试方法为：采用FRP/FRP拉伸剪切强度判断，胶层厚度3mm，从胶开始混合到涂胶面叠合时的时刻分别取0min、30min、45min、1h等以此类推，然后放置于70℃烘箱中固化6b，测试拉伸剪切强度，考察强度开始下降或者因故低于GL技术规范指标要求的时刻。2种胶测得的开放时间结果如下表1和表2。
由表1和表2，进口快胶的开放时间太短，在15～30min对玻璃钢基材的粘接强度就迅速下降，这就无法满足大叶片开放式施胶粘接的需要。而康达快胶开放时间大于40min，完全满足腹板粘接工序实用化的需求。
2.3拉伸强度和冲击强度
大型动态结构在生命周期内拥有持续且稳定的机械性能，是风电叶片最重要的功用特性。本次测试拉伸性能和冲击强度，获得测试数据如下图12～13以及数据表3。
从本体拉伸性能来看，两种结构胶的本体拉伸强度和弹性模量均能满足风电级结构胶机械力学设计要求，其中进口快胶的拉伸强度和模量超高;然而其断裂拉伸应变却不满足诸多叶片厂家设计的常温≥1.5%的要求，为1.4%，证明其强度大而刚性足的同时未能兼顾延展韧性的需求。
从冲击强度看，进口快胶测试数据未能达到诸多大叶片设计的≥10kJ/m2的要求，说明其不能满足大叶片对于抗冲脆裂的动态韧性的需求。
而康达快胶合理平衡了强度、刚性、韧性的关系，能够适应从-45℃-50℃宽幅度应用环境温度条件的应用指标要求，在满足叶片结构胶综合性能指标的前提下，做到刚柔并济，其韧性表现较为突出，应对延长叶片动态寿命有益。
2.4玻璃化转变温度（Tg）
DSC是研究反应动力学常用方法之一。本实验采用DSC法测量结构胶固化不同时间的Tg，分别考察了前0.5～4h的固化前期Tg发展情况（每间隔0.5h测试一次）以及固化后期反应完全程度，采用小料或薄层样型，前期考察时加热固化温度为40℃，后期考察时过程加热固化温度为75℃。由此测得的Tg数据和变化曲线如下图14～15和表4～5所示。
从图14～15及表4～5分析，2种结构胶在加热固化前期的反应趋势基本一直，Tg均随着固化时间的延长而增长，也均在150min前后超过了（23±2）℃的标准常温环境条件，使得结构胶具备了定位硬度和聚合粘接强度。从180min以后，进口快胶的增长幅度明显加大，一方面由于体系不同导致，另一方面过快的Tg增长必然蓄积更大的反应热应力。
从表5考察分析，康达快胶在固化6h时Tg达到最高，反应已经完全，后续的加热使其热力得以平稳释放;而进口快胶在sh时Tg才达已测高峰，反应完全程度未知，从6h起开始释放应力，表现较延迟而非均匀态，与腹板粘接快速化要求有所出入。
2.5剪切强度
粘接性能是风电叶片合模结构胶成功应用的主要关键特性。本实验从拉伸剪切强度评价来表征结构胶粘接性能的优劣，针对-45℃、23℃、50℃3种应用环境条件，测试了两种结构胶不同粘接厚度的拉伸剪切强度，获得测试数据如下图16～19以及数据表6。
图16～19和表6表明，2种结构胶的粘接性能表现虽有一些差异，但都达到了GL认证规范要求的≥12MPa的技术指标，均达到叶片粘接制造的设计要求。
2.6剪切疲劳性能
剪切疲劳性能动态耗损是保障风电叶片胶接使用寿命最为关键的特性之一。本实验采用ISO 9664的标准方法，对两种结构胶FRP/FRP剪切疲劳性能进行了上机测试，得出S-N曲线和m值，并推导出106次循环的极限疲劳强度，粘接厚度1.5mm，动静平均应力比0.1，频率30Hz，測试结果如下图20～21所示。
图20～21表明，两种结构胶的抗动态耗损剪切作用的特性基本相当，m值均超过诸多叶片制造商设计规范要求的≥7的指标，极限疲劳强度均达到叶片粘接制造的设计要求。
3结论
采用合成新型特种增韧剂和选用新型结构主固化剂等方法，熔合风电叶片合模结构胶制备技术，获得一种快速环氧结构胶产品。
通过与某进口快胶进行同等综合测试分析发现，制得的新型WD3135/3134系风电叶片快速结构胶具有更高韧性、快速固化性和合理的开放时间以及相对稍低的放热峰温度，且各项综合性能均满足诸多叶片制造商的设计规范要求。
本研究成果产品适合在风电叶片制造业推广应用，用作二次合模中腹板粘接工序的结构胶，对模具玻璃钢SS面和PS面粘接性优异，帮助缩短工序时间，降低挤出，提高生产效率，可望取得明显的经济集约化效益。
