DTR E240E風(fēng)電葉片用環(huán)氧膠黏劑的研制

（四川東樹新材料有限公司，四川 德陽，618000)

DTR E240E風(fēng)電葉片用環(huán)氧膠黏劑的研制

周百能，李文可，楊紅，翟保利，王萍，周平，鐘連兵，肖毅

（四川東樹新材料有限公司，四川 德陽，618000)

文章在綜述風(fēng)電葉片用環(huán)氧膠黏劑國內(nèi)外研究進(jìn)展，風(fēng)電葉片在環(huán)氧膠黏劑的性能要求的基礎(chǔ)上，采用固化劑改性的方法研制出DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑。對該膠黏劑的工藝性能、澆鑄體力學(xué)性能、粘接性能及耐蠕變性能進(jìn)行了詳細(xì)的表征。結(jié)果表明DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑擁有良好的綜合性能，完全滿足風(fēng)電葉片的要求。DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑成功地應(yīng)用于1.5 MW和2.0 MW風(fēng)電葉片上。

風(fēng)電葉片，粘接，環(huán)氧膠黏劑，應(yīng)用

0 引言

在常見的風(fēng)電葉片設(shè)計中，風(fēng)電葉片由上、下2個殼體及剪切梁組成。這3個部分通過膠黏劑相互粘接形成一個牢固的整體。膠黏劑在葉片上粘接位置示意圖見圖1[1]，膠黏劑在葉片殼體上施膠后的圖片見圖2。常見的用于葉片粘接的膠黏劑有不飽和聚酯膠黏劑、乙烯基樹脂膠黏劑、環(huán)氧膠黏劑、丙烯酸膠黏劑以及聚氨酯膠黏劑等。由于環(huán)氧膠黏劑具有粘接性好、固化過程中無小分子物質(zhì)揮發(fā)、氣味小、尺寸收縮小、固化內(nèi)應(yīng)力低、良好的耐疲勞性能以及價格適中等優(yōu)勢[2]，是目前風(fēng)電葉片最常用的膠黏劑[3-4]。

圖1 環(huán)氧膠黏劑在風(fēng)電葉片上粘接位置示意圖

圖2 環(huán)氧膠黏劑在葉片殼體上施膠后的圖片

在兆瓦級以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上，需要粘接的位置為從葉根到葉尖幾十米長的區(qū)域，粘接層厚度經(jīng)常達(dá)到10 mm以上。這在膠黏劑其他應(yīng)用領(lǐng)域是很少見的。風(fēng)電葉片安裝到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上后，葉片在風(fēng)的作用下要發(fā)生震動[1]，風(fēng)電葉片需要具有20年的使用壽命。這些生產(chǎn)和應(yīng)用條件對風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑材料提出了很高的要求，如要求環(huán)氧膠黏劑對基體材料具有良好的潤濕性能、良好的觸變性能、良好的強(qiáng)度和韌性平衡、優(yōu)異的粘接性能等[5]。葉片設(shè)計公司和權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對風(fēng)電葉片環(huán)氧膠黏劑材料最低性能都有明確的規(guī)定，如德國勞氏船級社（GL）規(guī)定剪切強(qiáng)度≥12 MPa，剝離強(qiáng)度≥2 N/mm,熱變形溫度≥65℃等。

目前國內(nèi)大型風(fēng)電葉片所使用的環(huán)氧膠黏劑主要由國外公司如邁圖（Momentive）、陶氏（Dow）等知名公司供應(yīng)，市場被國外公司所占據(jù)，近年來風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑材料在國內(nèi)是研究熱點(diǎn)，國家科技部出臺“863”項(xiàng)目計劃“MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片原材料國產(chǎn)化”，以鼓勵這種材料的國產(chǎn)化。國內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開展了大量的工作，主要著眼于如何解決傳統(tǒng)環(huán)氧膠黏劑在柔韌性方面的不足。如中國專利CN101550325A公開了一種風(fēng)電級雙組份環(huán)氧膠黏劑及其制備方法，在環(huán)氧樹脂引入丙烯酸鏈以提高環(huán)氧樹脂的柔韌性[6]。中國專利CN101525439A公開了一種用于風(fēng)力發(fā)電葉片結(jié)構(gòu)膠的改性環(huán)氧樹脂及制備方法，通過在環(huán)氧樹脂中引入柔性的聚氨酯鏈段達(dá)到增加環(huán)氧樹脂柔韌性的效果[7]。中國專利CN102277117A公開了一種用于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電葉片的碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠及其制備方法，采用在環(huán)氧膠黏劑中增加碳納米管增強(qiáng)液的方法以達(dá)到提高材料柔韌性和耐疲勞性能的目的[8]。國外在風(fēng)電葉片環(huán)氧膠黏劑的研究上又有了一些新動向，如Huntsman先進(jìn)材料公司的K.P.Subrah?manian,F.Dubouloz等人認(rèn)為通過無機(jī)納米粒子增韌往往達(dá)不到良好的增韌效果，他們采用有機(jī)納米粒子增韌，材料韌性獲得顯著的提高。然而，無論是對環(huán)氧樹脂進(jìn)行接枝改性還是采用納米粒子進(jìn)行增韌都會帶來材料成本的顯著提高，且制備工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大。

本文采用了一種新型的固化劑改性方法進(jìn)行增韌[9]。研制出DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑，包括主劑E240E、快速固化劑（E242H）和慢速固化劑（E244H）。系統(tǒng)地測試了該環(huán)氧膠黏劑體系的性能。結(jié)果表明，所開發(fā)的配方具有良好的工藝性能、澆鑄體性能和粘接性能且制備方法簡單、經(jīng)濟(jì)性好。開發(fā)的環(huán)氧膠黏劑在1.5 MW和2.0 MW風(fēng)機(jī)葉片上進(jìn)行了試用，效果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與試劑

1.1.1 儀器

流變儀：英國馬爾文Bohlin CVO；精密電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：日本Shimadzu ACIC-100 kN；示差掃描量熱儀（DSC）：德國Netzsch 200F3；真空干燥箱：上海精宏。

1.1.2 試劑

E240E環(huán)氧膠黏劑、E242H和E244H環(huán)氧膠黏劑固化劑：工業(yè)級，東方汽輪機(jī)有限公司；進(jìn)口環(huán)氧膠黏劑：工業(yè)級。

1.2固化機(jī)理

DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑是主劑（E240E）與胺類固化劑（E242H、E244H）的雙組份體系。其固化機(jī)理為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與胺類固化劑的氨基反應(yīng)，反應(yīng)基本原理如圖3所示。

圖3 環(huán)氧基與氨基的反應(yīng)原理

如圖3所示，環(huán)氧基與伯氨基反應(yīng)先生成仲氨基化合物，而后仲氨基化合物與環(huán)氧基團(tuán)繼續(xù)反應(yīng)生成叔氨基化合物。實(shí)際上，使用的環(huán)氧樹脂和胺類固化劑均為多官能團(tuán)化合物，所以固化時會逐步反應(yīng)生成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

DTR E240E系列風(fēng)能環(huán)氧膠黏劑為實(shí)驗(yàn)室自制。

黏度采用流變儀測試，剪切速率5～50 s-1，測試溫度25℃；放熱峰曲線測試：在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，取E240E環(huán)氧膠黏劑100 g加入固化劑45 g充分混合測試放熱峰曲線；拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度依據(jù)GB/T 2567的方法進(jìn)行測試；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度依據(jù)GB/T 19466的方法進(jìn)行測試；剪切強(qiáng)度依據(jù)DIN EN 1465的方法進(jìn)行測試，粘接厚度0.5 mm，粘接材質(zhì)為鋁；剝離強(qiáng)度采用ISO 11339的方法進(jìn)行測試，粘接厚度0.5 mm，粘接材質(zhì)為鋁；采用某進(jìn)口的環(huán)氧膠黏劑（標(biāo)記為H）作為標(biāo)桿產(chǎn)品進(jìn)行對比。

2 結(jié)果與討論

2.1DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的性能表征

（1）黏度

為了達(dá)到良好的堆積高度，風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑一般具有很高的黏度。然而，當(dāng)黏度過高，會影響膠黏劑對基體材料的潤濕，影響粘接效果。圖4描述了E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在5～50 s-1下的黏度曲線。和標(biāo)桿產(chǎn)品對比，E240E/E244H膠黏劑黏度略低，因此，對基體材料具有更好的潤濕性能，葉片粘接時不容易開裂。同時可以看出，E240E/E244H的觸變性和標(biāo)桿產(chǎn)品類似。

圖4 環(huán)氧膠黏劑在5～50 s-1下的黏度曲線對比

（2）堆積高度

E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的堆積高度實(shí)驗(yàn)見圖5，該環(huán)氧膠黏劑產(chǎn)品的平面堆積高度和立面堆積高度都大于50 mm，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的使用要求。

圖5 環(huán)氧膠黏劑堆積高度

（3）適用期和固化時間

圖6從表干時間和放熱溫度曲線兩種方法來表征環(huán)氧膠黏劑的適用期。E240E/E244H的適用期大約是30～50 min，適合于葉片局部修補(bǔ)。而E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的適用期超過了250 min。適用期明顯長于標(biāo)桿產(chǎn)品的170 min，適合用于合模粘接。

圖7對比了環(huán)氧膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨固化時間的變化。從圖中可以看出，快速固化劑都70℃固化2.5 h后就具有75℃以上的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。慢速固化劑需在70℃下固化5 h以上，Tg才能達(dá)到70℃。而標(biāo)桿產(chǎn)品也需要這么長的時間。這說明盡管E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在室溫下反應(yīng)速度較慢，在70℃的中溫條件下，能夠和標(biāo)桿產(chǎn)品達(dá)到近似的固化速度。

圖6 環(huán)氧膠黏劑可使用時間對比

圖7 環(huán)氧膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度發(fā)展對比

（4）澆鑄體力學(xué)性能

表1對比了E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑和標(biāo)桿產(chǎn)品的本體力學(xué)性能和耐熱性能。值得注意的是，E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的沖擊強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平，而斷裂伸長率達(dá)到2.27%，高于標(biāo)桿產(chǎn)品的1.77%。E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的韌性優(yōu)于標(biāo)桿產(chǎn)品，在同等條件下，膠黏劑開裂的幾率更低。這說明通過固化劑改性的方法完全能夠獲得具有良好柔韌性的膠黏劑產(chǎn)品。

表1 環(huán)氧膠黏劑本體力學(xué)性能和耐熱性能

（5）粘接性能

通過剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度的對比來描述環(huán)氧膠黏劑的粘接性能，見表2。其中，剝離強(qiáng)度測試圖片見圖8。在不同測試條件下的DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度都達(dá)到了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平。說明該環(huán)氧膠黏劑具有良好的粘接性能。

表2 環(huán)氧膠黏劑粘接性能

圖8 環(huán)氧膠黏劑剝離強(qiáng)度測試圖片

（6）耐蠕變性能

根據(jù)GL的要求，在60%的剪切載荷下測試192 h環(huán)氧膠黏劑的耐蠕變長度，以表征材料的耐蠕變性能。蠕變性能測試采用纖維增強(qiáng)樹脂材料（FRP）作為粘接材質(zhì)。E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在60%剪切載荷下測試192 h幾乎不發(fā)生蠕變，見表3。滿足設(shè)計要求。

表3 環(huán)氧膠黏劑的耐蠕變性能

2.2DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的應(yīng)用

圖9 DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑制備葉片的靜力實(shí)驗(yàn)圖片

將DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑應(yīng)用在1.5 MW（43.5m）和2.0 MW（58 m）葉片上，從黏度、可操作時間、現(xiàn)場施工情況、固化速度、固化后葉片的粘接情況等方面考察該環(huán)氧膠黏劑的實(shí)際使用情況，結(jié)果表明：該環(huán)氧膠黏劑完全滿足風(fēng)電葉片合模施工要求，粘接區(qū)域沒有明顯的開裂、細(xì)微裂紋等缺陷。選擇一只2.0 MW的風(fēng)電葉片進(jìn)行靜力實(shí)驗(yàn)，見圖9。固定載荷下，葉片的應(yīng)變值與理論值吻合，整個實(shí)驗(yàn)過程中未出現(xiàn)粘接區(qū)域破壞等情況。

3 結(jié)論

采用對固化劑進(jìn)行改性的方法，獲得了具有良好韌性的環(huán)氧膠黏劑產(chǎn)品，所制備的DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑還具有低黏度、良好的觸變性能、長適用期、良好的澆鑄體性能和耐熱性能、優(yōu)異的粘接性能、耐蠕變性能。所有的性能都達(dá)到或超過了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平，且滿足設(shè)計要求。該產(chǎn)品還具有制備方法簡單、設(shè)備投資小、制備的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑在1.5 MW，2.0 MW風(fēng)電葉片上進(jìn)行了試用，效果良好。該產(chǎn)品具有較廣闊的應(yīng)用和市場前景。

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Study on DTR E240E Epoxy Adhesive for Wind Turbine Blades

Zhou Baineng，Li Wenke，Yang Hong，Zhai Baoli，Wang Ping，Zhou Ping，Zhong Lianbing，Xiao Yi
（Sichuan Dongshu New Materials Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The development situation of epoxy adhesive for wind turbine blades and the requirement of wind turbine blades were brief?ly introduced in this paper.DTR E240E epoxy adhesive for wind blades was developed by modification of curing agent.Processing properties,casting mechanical properties,cohesive performance and creep resistance of this adhesive were tested respectively.The re?sult showed that DTR E240E epoxy adhesive with good comprehensive properties met requirements of wind turbine blades very well. DTR E240E epoxy adhesive system had been used in 1.5 MW and 2.0 MW wind turbine blades successfully.

wind turbine blades,bonding,epoxy adhesive,application

TM315

A

1674-9987（2016）04-0041-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.009

周百能（1984-），男，2008年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)力發(fā)電相關(guān)非金屬材料產(chǎn)品研發(fā)工作。