大尺寸風(fēng)輪葉片用第二代環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠特征技術(shù)

文 | 許愿

大尺寸風(fēng)輪葉片用第二代環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠特征技術(shù)

文 | 許愿

風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，致使具有陸地一類、二類的優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源的風(fēng)電場(chǎng)逐漸減少，同期的海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)速度持續(xù)加快，為保持穩(wěn)定的發(fā)電容量增長(zhǎng)勢(shì)頭，風(fēng)電機(jī)組的功率型號(hào)越來(lái)越大型化。這樣的結(jié)果，使得風(fēng)輪葉片的尺寸也越來(lái)越大型化，由之前的40米左右的主流尺寸也慢慢過(guò)渡到現(xiàn)如今60米上下。相關(guān)信息表明，國(guó)內(nèi)由中材科技制造的最長(zhǎng)的風(fēng)輪葉片已經(jīng)達(dá)到77.7米。

隨著風(fēng)輪葉片的設(shè)計(jì)尺寸越來(lái)越長(zhǎng)，在葉弦上會(huì)產(chǎn)生更高的靜距，勢(shì)必導(dǎo)致后緣產(chǎn)生更大形變張力，引導(dǎo)著材料向高韌性和高耐疲勞性方向發(fā)展。材料性能的新要求無(wú)疑就對(duì)合模用的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠提出了更高更新的技術(shù)要求。

結(jié)合風(fēng)輪葉片尺寸大型化的應(yīng)用需求，深化第二代環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑研制無(wú)疑具有久遠(yuǎn)的市場(chǎng)意義。本文試圖從葉片大型化對(duì)結(jié)構(gòu)膠提出的新技術(shù)要求著手，探討出結(jié)構(gòu)膠未來(lái)幾年可能面臨的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展方向，提出一些思路和對(duì)策。區(qū)別于現(xiàn)在市場(chǎng)上以漢森BP135G3/BPH137G為代表的第一代環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的主流應(yīng)用，為第二代葉片用結(jié)構(gòu)膠的研制和應(yīng)用提供參考和借鑒。

為使得文章敘述明確化，同時(shí)遵從風(fēng)電行業(yè)的普遍認(rèn)識(shí)，如無(wú)特指，文中所述大尺寸葉片指60米以上葉片。

大尺寸葉片對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘劑性能提出新的要求

一、結(jié)構(gòu)粘接上要求有更高的界面粘接性能

通常使用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料（FRP）進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠界面粘接評(píng)價(jià)，進(jìn)行儀器測(cè)試，表征出粘接強(qiáng)度相對(duì)指標(biāo)，量化為拉伸剪切強(qiáng)度，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：ISO 4587-2003 和 GB/T 7124-2008。

實(shí)際情況是，大尺寸葉片的普遍裝機(jī)，從源頭上的基礎(chǔ)材料設(shè)計(jì)方面，到對(duì)拉剪性能方面，目前還沒(méi)有給出具體的規(guī)范和指導(dǎo)。相信隨著大尺寸葉片的普及化和對(duì)膠粘劑材料研究的深入化，對(duì)這一指標(biāo)會(huì)做出詳細(xì)的規(guī)定。

目前，行業(yè)內(nèi)通用遵守的拉剪強(qiáng)度的判定依據(jù)如下：

1.風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪葉片結(jié)構(gòu)膠黏劑技術(shù)條件（CGC/ GF012:2011，見(jiàn)表1）。

FRP/FRP粘接（膠層厚度3mm）≥14Mpa。

2.德國(guó)船級(jí)社愛(ài)勞德標(biāo)準(zhǔn)（GL規(guī)范，見(jiàn)表2）。

AI/AI粘接（膠層厚度3mm）≥14Mpa。

AI/AI粘接（膠層厚度3mm）記錄數(shù)據(jù)，通常做≥20Mpa判定。

二、本體性能上要求表現(xiàn)出更高的柔韌性

膠粘劑本體性能的評(píng)價(jià)嚴(yán)格講屬材料學(xué)范疇。進(jìn)行儀器測(cè)試時(shí)，想要表征出膠粘劑柔韌性相對(duì)指標(biāo)，常用的測(cè)試項(xiàng)目和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有：

1.簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度：依據(jù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 179-1/1eU，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2567-2008。

2.材料本體拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率：依據(jù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 527，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1040-2006。

同樣情況，對(duì)這些指標(biāo)沒(méi)有給出針對(duì)性的規(guī)定和指導(dǎo)。近年來(lái)，以漢森膠粘劑為代表的一些膠粘劑原材料廠商，對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)推廣了自己的一些觀點(diǎn)，如下：

1.斷裂韌性G1C由現(xiàn)在的0.5N/mm－0.8N/mm顯著提高到2N/mm－3N/mm左右的水平。

2.斷裂韌性G2C由現(xiàn)在的5.46N/mm提高到13.1N/mm。

3.簡(jiǎn)支梁沖擊由現(xiàn)在的11kJ/m2提高到31kJ/m2。

筆者以為，隨著對(duì)葉片粘接膠粘劑材料的研究深入化，會(huì)有越來(lái)越詳細(xì)的、越來(lái)越規(guī)范的表征指標(biāo)被提出。

三、材料應(yīng)用上要求有更優(yōu)異的耐疲勞性能

對(duì)膠粘劑材料進(jìn)行疲勞性能考核，通常是評(píng)價(jià)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的方法，通過(guò)對(duì)拉剪性能測(cè)試，繪制疲勞曲線，為材料在葉片上的應(yīng)用提供參考。目前所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 9664-1995和 GB/T 27595-2011，具體測(cè)試方案此處略。

筆者以為，對(duì)膠粘劑材料的疲勞性能研究還有更多更有效的方式都需要探討。主要有以下幾個(gè)方面：

1.同樣的拉剪強(qiáng)度的疲勞測(cè)試，還可以計(jì)算疲勞測(cè)試后剪切強(qiáng)度的保持率。

2.在匯制SN曲線的測(cè)試中，除了拉壓?jiǎn)蜗驕y(cè)試方法，還可以設(shè)定拉壓雙向方案。

3.對(duì)膠粘劑進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞性能評(píng)價(jià)，在具體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上，可以考慮以形變恒定為基本參照，還可以考慮以應(yīng)變恒定為基本參照。

4.對(duì)膠粘劑粘接界面進(jìn)行疲勞性能評(píng)價(jià)，也就是通常所說(shuō)的“三明治”結(jié)構(gòu)。

隨著行業(yè)對(duì)膠粘劑的合模應(yīng)用進(jìn)行疲勞性能的研究和評(píng)價(jià)越來(lái)越重視，對(duì)所期望性能的表征和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的判定，也會(huì)越來(lái)越有針對(duì)性。另外，還有一個(gè)現(xiàn)狀是，由于進(jìn)行疲勞性能研究和測(cè)試需要昂貴的測(cè)試儀器和高額的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，受此限制，近年來(lái)針對(duì)膠粘劑本身所進(jìn)行的疲勞性能研究工作相對(duì)材料的疲勞性能研究要少許多。

四、使用工藝上要求有更長(zhǎng)的開放時(shí)間和操作時(shí)間

開放時(shí)間是指膠粘劑膠面在一定的敞口時(shí)間內(nèi)由于環(huán)境的影響（溫濕度）而造成粘接性能下降所需的時(shí)間。操作時(shí)間通常指膠粘劑的粘度增加至一倍時(shí)所需的時(shí)間，其長(zhǎng)短主要反應(yīng)結(jié)構(gòu)膠的反應(yīng)活性大小。

目前的現(xiàn)況是，膠粘劑配方設(shè)計(jì)的操作時(shí)間一般都在120分鐘以內(nèi)。實(shí)際工藝現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)闅んw的殘留溫度影響，葉片廠商會(huì)控制在60分鐘以內(nèi)，以避免結(jié)構(gòu)膠性能降低。開放時(shí)間在膠粘劑配方的設(shè)計(jì)上通常為操作時(shí)間的一倍或者以上。

大尺寸葉片目前雖然沒(méi)有針對(duì)操作時(shí)間和開放時(shí)間做出具體的嚴(yán)格規(guī)定，但道理顯而易見(jiàn)，更長(zhǎng)的開放時(shí)間和操作時(shí)間是第二代葉片結(jié)構(gòu)膠的一個(gè)重要研究方向。

五、合模固化時(shí)要求有更快的固化速度

大尺寸葉片在合模粘接時(shí)，既要保證有利于施工的長(zhǎng)的操作時(shí)間和開放時(shí)間，同時(shí)還要求不延長(zhǎng)膠粘劑的固化時(shí)間，提高脫模效率和生產(chǎn)效率。這就要求結(jié)構(gòu)膠在合模粘接后在中溫固化時(shí)，有更快的固化速度，粘接強(qiáng)度會(huì)在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高。

表1 GL測(cè)試規(guī)范

對(duì)固化速度的研究工作，前期膠粘劑測(cè)試方面主要是使用DSC進(jìn)行固化時(shí)間評(píng)價(jià)和表征，后期固化材料方面是使用硬度計(jì)進(jìn)行評(píng)判。

表2 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪葉片結(jié)構(gòu)膠黏劑技術(shù)條件CGC/GF012:2011

第二代環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠特征研制技術(shù)

一、雙增韌樹脂應(yīng)用技術(shù)

環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠主要由主體樹脂、固化劑、增韌體系、促進(jìn)劑、觸變劑等成分組成。這些組分相互配合，實(shí)現(xiàn)三維交聯(lián)、有效催化和高效增韌，可以設(shè)計(jì)出高性能的膠粘劑。

增韌從來(lái)都是環(huán)氧樹脂膠粘劑永恒的話題。一定程度上講，環(huán)氧增韌技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也代表了環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠技術(shù)的發(fā)展。大尺寸葉片對(duì)高韌性膠粘劑的性能要求，使得單一增韌技術(shù)已經(jīng)滿足不了膠粘劑的技術(shù)應(yīng)用。雙增韌技術(shù)在膠粘劑中的應(yīng)用，是第二代葉片環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的主要研究方向。

相關(guān)資料表明，使用丙烯酸改性環(huán)氧和核殼橡膠雙增韌技術(shù)制備雙組分環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，制備的結(jié)構(gòu)膠材料性能優(yōu)異，測(cè)試數(shù)據(jù)上，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)5%以上，拉伸性能大于70MPa，模量可達(dá)4GPa以上，G1C可達(dá)90左右，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度大于15kJ/m2。同時(shí)使得環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度大幅度的提高，測(cè)試數(shù)據(jù)可達(dá)30MPa，相比較單增韌技術(shù)膠粘劑提高了近20%。

二、基體樹脂復(fù)配應(yīng)用技術(shù)

（一）在基體樹脂中增加應(yīng)用多官能特性結(jié)構(gòu)樹脂

在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠樹脂組分里添加復(fù)合型樹脂，是近年來(lái)進(jìn)行增韌研究的又一個(gè)主要方向。相比較于雙增韌環(huán)氧合成技術(shù)，它操作起來(lái)相對(duì)要簡(jiǎn)單些，起到的增韌效果卻不差，具有優(yōu)越的“性價(jià)比”和一定的參考價(jià)值。

通常的復(fù)配技術(shù)主要是指在現(xiàn)通常雙酚A型環(huán)氧樹脂中增加使用雙酚F等環(huán)氧樹脂或脂環(huán)型環(huán)氧樹脂，或者三官能多團(tuán)能環(huán)氧樹脂，或者增加多官活性稀釋劑的應(yīng)用，以期增加高分子材料固化后分子間的潤(rùn)滑和柔順性能，從而使得材料的柔韌性能有所提高。

（二）在固化劑中引入高分子預(yù)聚物

作為組合應(yīng)用技術(shù)，在固化劑組分里同樣可以引入增韌手段。主要是指在現(xiàn)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的聚醚氨或聚酰胺固化劑材料中，事先引入與環(huán)氧樹脂相溶性好的長(zhǎng)鏈狀高分子物進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，此預(yù)反應(yīng)物部分或全部復(fù)配應(yīng)用于膠粘劑的固化劑中。這樣，相對(duì)于分子量較小的聚醚氨或聚酰胺，將長(zhǎng)鏈的固化劑高分子預(yù)聚物引入到雙組分膠粘劑的加成反應(yīng)固化中，形成基礎(chǔ)樹脂部分和固化劑部分雙向增韌，針對(duì)性解決環(huán)氧樹脂的增韌性能。相關(guān)資料表明，這種復(fù)配技術(shù)的應(yīng)用，還能增強(qiáng)最終的動(dòng)靜態(tài)疲勞性能。

三、潛伏性固化劑或催化劑應(yīng)用技術(shù)

針對(duì)葉片用膠技術(shù)，這是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)應(yīng)用。引入此項(xiàng)技術(shù)到葉片環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠中，主要是針對(duì)提高膠粘劑后期的固化速度而考慮的。它的成熟應(yīng)用和推廣，還要依賴于以下兩種關(guān)鍵技術(shù)。

（一）熱敏型固化劑或催化劑的開發(fā)

熱敏型固化劑。從原理上講，主要是指將固化劑或催化劑的部分活性通過(guò)事先的化學(xué)反應(yīng)方法使之得以封閉，在雙組分膠粘劑混合施工完成后，在模具后加溫度的引發(fā)下，打開封閉的官能團(tuán)，從而進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。這種固化劑應(yīng)用技術(shù)我們統(tǒng)稱為熱敏型固化劑。此種固化劑或催化劑在實(shí)際應(yīng)用中，最直觀的表現(xiàn)是借事先不等當(dāng)量的化學(xué)反應(yīng)從而提供膠粘劑長(zhǎng)的開放時(shí)間或操作時(shí)間，而后在后加溫度的引發(fā)下，提高膠粘劑的固化反應(yīng)速度。

（二）新型環(huán)氧固化劑的選擇

全新型的固化劑的合成和應(yīng)用。相比較在原固化劑材料上進(jìn)行改性和修飾，是一種全新的根本性的技術(shù)，需要對(duì)葉片制造技術(shù)和膠粘劑有著深刻的理解和認(rèn)識(shí)，這樣才能有針對(duì)性地在某一性能上完成對(duì)膠粘劑的設(shè)計(jì)。

四、固化劑合成改性技術(shù)的應(yīng)用

（一）化學(xué)改性技術(shù)

固化劑是雙組份環(huán)氧膠粘劑的重要組成部分，其化學(xué)類型常規(guī)有脂肪族胺、脂環(huán)族胺、聚醚胺、低份子聚酰胺等等。在膠粘劑配方設(shè)計(jì)之初，通常是依據(jù)環(huán)氧當(dāng)量和活潑氫當(dāng)量配比原則，設(shè)計(jì)各組分的添加量，形成樹脂組份和固化劑組份的有效配比，最終形成雙組份包裝應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，雙組分膠粘劑面臨的一個(gè)難題是，如何有效解決雙組份膠粘劑施工前有較長(zhǎng)的適用期（即足夠長(zhǎng)的工藝開放時(shí)間）和施工后有較快的固化快速這一矛盾。另外，如何實(shí)現(xiàn)環(huán)氧類膠粘劑的高效增韌，也是膠粘劑行業(yè)工藝應(yīng)用中面臨的一個(gè)長(zhǎng)期課題。新的行業(yè)要求對(duì)增韌技術(shù)提出了更高要求，不單是引入新組分的添加類復(fù)配技術(shù)，各種合成應(yīng)用技術(shù)陸陸續(xù)續(xù)都已經(jīng)引入到了常規(guī)雙組份膠粘劑的配方設(shè)計(jì)之中了。

筆者相信，在后期大尺寸葉片用結(jié)構(gòu)膠的技術(shù)導(dǎo)向下，更多的化學(xué)改性技術(shù)都會(huì)應(yīng)用在固化劑的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)某一種特征性能或?qū)ζ渌阅茏龀龌パa(bǔ)。

（二）預(yù)催化技術(shù)

此技術(shù)是上文化學(xué)改性技術(shù)的一個(gè)分支和補(bǔ)充，單列出來(lái)是因?yàn)樗鼮橐环N具體的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，主要是指將固化劑一部分的活性通過(guò)事先的化學(xué)反應(yīng)方法使之得以封閉，在雙組分膠粘劑混合施工完成后，在溫度的引發(fā)下，打開封閉的官能團(tuán)，從而進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，此種技術(shù)主要是延長(zhǎng)膠粘劑的開放時(shí)間或操作時(shí)間。

（三）中低溫后固化技術(shù)

此技術(shù)的應(yīng)用主要是針對(duì)提高膠粘劑的后期固化速度而提出的。實(shí)驗(yàn)表明，中低溫后固化技術(shù)還可以提高結(jié)構(gòu)膠的耐高低溫沖擊性能。通常的技術(shù)手段主要是在膠粘劑配方中引入長(zhǎng)分子鏈的柔性結(jié)構(gòu)與相對(duì)短分子鏈的剛性結(jié)構(gòu)基團(tuán)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，是指在固化劑材料方面，優(yōu)選復(fù)配脂環(huán)胺脂肪胺及聚酰胺材料。傳統(tǒng)膠黏劑中通常為了保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要往往使用到較大量的脂環(huán)胺做為固化劑，而脂環(huán)胺固化時(shí)需要較高的溫度（80℃－100℃）才能使材料的固化程度達(dá)到葉片粘接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。而在膠粘劑中使用脂環(huán)胺的同時(shí)再引入脂肪胺和改性聚酰胺技術(shù)，這種固化劑復(fù)配的材料特性決定了其與環(huán)氧樹脂反應(yīng)本身就不需要太高的溫度，通常在60℃－80℃即可達(dá)到預(yù)期的效果。這樣，一方面有效提高了膠粘劑固化速度，對(duì)膠粘劑固化性能做了有益補(bǔ)充和增強(qiáng)。另一方面，在葉片的生產(chǎn)制造中會(huì)節(jié)約一定的能源，積年累月，效果將非常明顯。

結(jié)論

針對(duì)大尺寸葉片的陸續(xù)裝機(jī)，作為葉片合模粘接的主要膠粘劑類型，第二代新型環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的開發(fā)和研制，應(yīng)該盡快加快進(jìn)度。相關(guān)信息表明，一些膠粘劑廠商，在研制技術(shù)上已經(jīng)有所突破，相信，不用很長(zhǎng)時(shí)間，在市場(chǎng)上必然會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。

在此，筆者提出呼吁并倡議，在新型環(huán)氧膠粘劑的開發(fā)和研制中，希望更多的葉片廠商參與進(jìn)來(lái)，加強(qiáng)縱向聯(lián)合，從設(shè)計(jì)葉片的技術(shù)源頭上，對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠提出明確的新要求，使所有的工作都具有更強(qiáng)的針對(duì)性。

（作者單位：煙臺(tái)德邦科技有限公司）