海上風(fēng)電葉片專用膠黏劑的性能研究

江一杭，楊 忠，劉鮮紅，張春愛

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，我國海上風(fēng)電發(fā)展迅速，資源開發(fā)勢頭強勁，裝機總量連續(xù) 6年持續(xù)增加。國內(nèi)主流海上風(fēng)電機組的功率一般在 5～6MW，葉片長度為 70～80m。一些風(fēng)電龍頭企業(yè)，海上風(fēng)機的功率已達到10MW，葉片長度可達到 90m 以上。相較陸上葉片而言，海上風(fēng)機的葉片長度更大、承受的載荷更高、壽命要求更長，這就對傳統(tǒng)的材料體系提出了新的挑戰(zhàn)。

風(fēng)電葉片的基體材料為玻璃鋼復(fù)合材料，采用真空灌注工藝成型。葉片分為迎風(fēng)面殼體和逆風(fēng)面殼體，兩半殼體在模具內(nèi)粘結(jié)成為一個整體，環(huán)氧膠黏劑是葉片殼體粘結(jié)的關(guān)鍵材料[1-3]。隨著海上葉片尺寸的大幅增加，對膠黏劑的工藝性能和力學(xué)性能提出更高的要求。本文主要對目前國外有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的海上葉片膠黏劑的性能進行測試分析，得出關(guān)鍵技術(shù)指標要求，并對下一步國產(chǎn)海上葉片膠黏劑研發(fā)提出建議。

1 試驗方案

采用3種膠黏劑進行平行對比測試，A樣品為進口海上葉片專用膠黏劑，B為國產(chǎn)海上葉片膠黏劑，C為普通葉片膠黏劑。根據(jù)葉片對膠黏劑的性能要求，重點分析測評凝膠時間、垂掛性、拉伸測試、剪切測試、沖擊測試性能以及其他膠黏劑的基本參數(shù)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 基本性能測試結(jié)果

風(fēng)電葉片海上專用膠黏劑(A)的基本性能參數(shù)測試結(jié)果與其他2種膠黏劑的對比見表1。

密度是膠黏劑的基本特性之一。在強度滿足要求的情況下，密度越低，在同等體積用量情況下，膠黏劑的重量越輕，因此可以在一定程度實現(xiàn)降低葉片重量的目的。從表 1對比數(shù)據(jù)可以看出，海上專用膠黏劑(A)的密度最低，為 1.14g/cm3，相比普通膠黏劑(C)的1.26g/cm3低出了9.5%。一個海上葉片若使用1.5t膠黏劑，由于密度低，則可以減少重量約140kg。從海上膠黏劑的成分來看，在組分設(shè)計時，為了提高材料的韌性而降低了膠黏劑中填料物質(zhì)的含量，所以密度下降。

表1 3種膠黏劑的基本性能參數(shù)測試結(jié)果Tab.1 Test results of basic performance parameters of three kinds of adhesives

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指非晶態(tài)高分子材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對應(yīng)的溫度。若材料的使用環(huán)境溫度高于 Tg，則材料的力學(xué)性能會大幅下降。一般情況下，風(fēng)電葉片的運行極限溫度在 50℃以下，而材料的Tg必須高于70℃。表1數(shù)據(jù)是在標準固化條件下測得(膠體厚度 2～3mm，23℃放置 16h，之后 70℃烘箱內(nèi)放置 8h)。從數(shù)據(jù)可以看出，同等固化條件下，A、B、C 試樣的 Tg值均滿足＞70℃的要求，但A的Tg值要低于C。實際上若將A的固化時間延長至12h，則Tg也可達到與C一致，但意味著固化反應(yīng)的時間更長，會降低葉片生產(chǎn)效率。

凝膠時間是指雙組分環(huán)氧膠黏劑混合好之后的最長可操作時間，超過此時間意味著膠黏劑失去活性，無法達到粘結(jié)性能的要求。海上葉片由于長度增加，粘結(jié)區(qū)域面積也成倍增加，粘接工序的時間比普通葉片要長得多。正常情況下，粘結(jié)工序會達到 2h，對于一些異常情況，則可能超出 4h。從表 1的測試數(shù)據(jù)來看，海上專用膠黏劑 A的凝膠時間可以達到464min(11h)，遠超出普通膠黏劑的4h，因此更加適合大尺寸海上葉片的生產(chǎn)制造。但是，凝膠時間也不宜過長，否則會影響粘結(jié)固化的效率。主要表現(xiàn)在固化加熱過程中，需要在 70℃加熱更長的時間，Tg才能達到要求。

垂掛性測試反應(yīng)了膠黏劑在刮涂操作時的塑型性。風(fēng)電葉片刮膠的厚度較大，一般會達到 1～1.5cm，如果塑型性不好，則膠黏劑容易流淌，無法保持原有的形狀，在粘結(jié)時會出現(xiàn)缺膠。垂掛性測試一般采用圖1所示方法。

圖1 膠黏劑的垂掛性測試示意圖Fig.1 Hanging test of adhesive

將膠黏劑在平板上刮成 10cm×10cm×5cm的方體，然后將平板直立，觀察開始變形的時間，以及完全下滑的時間，并記錄和比較。從測試結(jié)果來看，海上專用膠黏劑的塑型性明顯不如普通膠黏劑，形狀維持時間在 6～7min，而普通膠黏劑可以達到15min。這一點與組分中的填料含量降低有關(guān)。為了獲得更好的力學(xué)性能，需要在一定程度上犧牲工藝性能。從實際使用來看，葉片涂膠的位置大多是在平面和傾微的斜面上，故 6～7min的形狀維持時間可以滿足使用要求。

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

風(fēng)電葉片海上專用膠黏劑(A)的力學(xué)性能參數(shù)測試結(jié)果與其他2種膠黏劑的對比見表2。

抗拉強度、模量及斷裂延伸率反映膠黏劑本體的力學(xué)強度。從測試結(jié)果來看，海上葉片專用膠黏劑的抗拉斷裂強度達到了 54.3MPa，比普通膠黏劑有所提升，但抗拉模量有所下降。最大的變化在于斷裂延伸率，相比普通膠黏劑提升到了 4.38%。斷裂延伸率在一定程度上反映材料的韌性，數(shù)值越高表明材料可以承受的變形越大。在抗拉強度和模量相近的情況下，斷裂延伸率越高，則造成該材料破壞需要的外界能量更高。海上大型風(fēng)電葉片相對于陸上風(fēng)電葉片，設(shè)計壽命更高，承受的載荷更高，尤其是疲勞載荷。膠黏劑的韌性越好，則可以承受越高的形變，同時還可以阻止部分粘結(jié)缺陷開裂的疲勞擴展，大幅提高葉片的粘結(jié)壽命。

表2 3種膠黏劑的力學(xué)性能參數(shù)測試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of three kinds of adhesives

沖擊測試結(jié)果也在一定程度上反映出了材料韌性的提升。海上葉片專用膠黏劑的沖擊強度達到了30kJ/m2，明顯高于普通膠黏劑，也說明了韌性的提升。另外，在膠黏劑的本體抗彎和抗剪強度測試結(jié)果上，海上葉片專用膠黏劑的性能也明顯優(yōu)于普通膠黏劑。

2.3 國產(chǎn)海上葉片膠黏劑性能分析

本次測試采用了某國產(chǎn)品牌海上膠黏劑(B樣品)進行對比，可以看出，國產(chǎn)海上膠黏劑在基本性能方面，除了凝膠時間短，其他和進口產(chǎn)品相當(dāng)。力學(xué)性能方面，如材料的本體強度、斷裂延伸率、沖擊強度，均低于進口材料。因此，還需要在配方組分設(shè)計方面進行改進，在填料含量、施工性能、力學(xué)性能方面做好平衡。

3 結(jié) 論

海上葉片專用膠黏劑在凝膠時間、本體強度、斷裂延伸率、沖擊強度方面，相比普通膠黏劑有很大提升，尤其是斷裂延伸率達到 4.38%，沖擊強度達到了30kJ/m2，表明材料具有很好的韌性，可以承受更高的形變，同時還可以阻止部分粘結(jié)缺陷開裂的疲勞擴展，大幅提高葉片的粘結(jié)壽命。國產(chǎn)海上膠黏劑與同類進口產(chǎn)品相比還存在差距，需要在配方組分設(shè)計方面進行改進。