風電葉片用膠粘劑研究現狀

2012-03-20 02:23:44胡梅吳飛周晶晶

船電技術 2012年7期

胡梅吳飛周晶晶

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

風力發電具有資源再生、容量巨大、無污染和綜合治理成本較低等優點，其開發和利用受到世界各國越來越多的關注[1,2]。世界各國在風能開發利用方面投資的持續增長，導致風力發電設備制造業成為許多國家最熱門的經濟領域，相應的市場規模急劇擴大[3]。全球風能理事會（GWEC）發布的全球風電市場裝機數據顯示，全球風電產業2011年新增風電裝機容量達41,000 MW，全球風能發電增長21%。2011年中國風電新增裝機達20GW。據預測，到2020年中國風電裝機容量有望達到3億千瓦左右[4]。目前各國正加快對風力發電機組的研究步伐，不斷推出新的技術和裝備。

大型風力機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片殼體，芯材及其他玻璃纖維復合材料部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把葉片殼體與芯材，以及上、下半葉片殼體互相粘結，并將殼體縫隙填實，合模加壓固化后制成整體葉片[5]。其中使用的膠粘劑是葉片的重要結構材料，直接關系到葉片的剛度和強度。隨著單機裝機容量的增加，風輪葉片也越來越長，主流尺寸已達到40米以上，最大葉片的長度甚至超過80米，重達5噸以上[6]。這就對合模粘接的膠粘劑提出了更嚴苛的技術要求。

伴隨著風電產業的迅猛發展，膠粘劑的市場需求越來越大。每生產一個葉片就要使用50到300千克的膠粘劑。世界各國風力發電產業增長速度非常快。在各國政府的推動下，風力發電還將持續快速增長很長一段時間，這為膠粘劑廠商創造了巨大的商機。

1 風電葉片用膠粘劑的特性與種類

從風電葉片的應用來看，大型動態結構在其使用壽命內擁有持續且穩定的機械性能是最重要的。風電葉片必須承載周期性負荷以及在運轉中遭遇的極端天氣，這為葉片結構設計提出了許多難以想象的要求。因此固定粘接關鍵部件的膠粘劑必須具有最優異的力學性能和操作性能。一個可靠的風電葉片膠粘劑必須具備以下重要的功能：

a）具有較高的強度和韌性，必須能夠承受每個葉片的離心力；

b）具有優異的操作特性，如不坍落、易泵輸等；

c）具有良好的浸潤性和觸變性；

d）具有高抗壓性能，耐疲勞性能和抗老化性能；

e）膠粘劑的反應周期與葉片模具的工作周期要緊密吻合[7]；

f）具有卓越的縫隙填充能力，能適合不同厚度的粘接帶；

g）低放熱和低固化收縮率。

目前，市場上主流的風電葉片用膠粘劑有環氧膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、改性丙烯酸酯膠粘劑。環氧膠粘劑與其他類型膠粘劑相比，具有膠接強度高、固化收縮率小、易于改性等優點。環氧樹脂、固化劑及改性劑的品種很多，可通過合理而巧妙的配方設計，使膠粘劑具有所需要的工藝性，并具有所要求的使用性能。環氧膠粘劑因具有性能和成本優勢而成為大多風電葉片制造廠商的首選。

2 國內外研究現狀

一些大型跨國公司已經積極開展風電葉片用膠粘劑的研制和生產，典型代表有Hexion、Hunstman、DOW、巴斯夫、亞什蘭、ITW等。

目前國內外大型葉片制造廠家基本采用美國Hexion公司的環氧樹脂產品。Hexion公司的L135/K2-K4系列環氧膠粘劑是含有玻璃纖維、無溶劑膠粘劑系統，具有低放熱性、熱觸變性、卓越的間隙填充性能，最大填充間隙可以達到5厘米。可以用來粘結各種材質的材料，同時可以用于垂直表面上的黏結、無垂掛。該型膠粘劑具有優異的力學性能和機械性能，能夠承受極端環境條件下的疲勞測試。由于能夠有效提高風電葉片生產效率和葉片工作性能，已經獲得風電葉片制造商們廣泛的認可。

ITW Plexus公司開發的MA560和MA590型膠黏劑為丙烯膠粘劑，這種膠粘劑能夠使FRP復合材料具備更好的剝離性能和耐疲勞性能。并且能夠實現常溫快速固化，大大降低了生產成本，提高了生產效率。除此之外，與環氧膠粘劑相比，還可以有效降低固化工序的成本。但是其研制成本相對Hexion的L135/K2-K4系列要高。

Vantico公司的“Araldite”型膠粘劑是由環氧和聚氨酯組成的，具有不塌落、易泵輸和快速低溫固化的特性，適合于風電葉片的應用。其中XD4734/XD4735系列環氧 /固化劑系統已廣泛用于葉片生產[8,9]。

亞什蘭公司生產的ENGUARD BP6200 ARF是一款乙烯基基體的、專用于風電葉片粘接的膠粘劑；PLIOGRIP 1000是一種雙組分的、增韌型的丙烯酸膠粘劑。

Gurit公司的Spabond345牌膠粘劑是以增韌環氧樹脂為基礎的。Spabond130 牌膠粘劑是以增韌環氧樹脂為主，填充少量短切碳纖維, 獲得了DNN/Germanischer Lloyd批準，可粘結葉片/輪轂的螺桿、螺母。該產品克服了金屬、復合材料不同的熱脹冷縮產生的應力。

我國作為全球最大的樹脂生產、消費國，樹脂類產品性能已經達到國際水平，部分產品可與國際品牌媲美。然而國內生產的主要是普遍型樹脂。這種樹脂雖然有許多優異性能，但仍有其不足之處，比如粘度高，流動性差，固化后交聯密度高，存在內應力大、質脆、耐疲勞性、耐熱性、耐沖擊性、耐開裂性和耐濕熱性較差等缺點，在很大程度上限制了它們在風電葉片復合材料上的應用。在國內外市場拉動下，我國研究者也開始研究和開發高性能的膠粘劑用于風電葉片。上海康達化工有限公司是國內膠粘劑廠家中發展最為迅速和成功的。其開發的風力葉片專用環氧膠WD3135是一種雙組分、高觸變性、高韌性的環氧膠粘劑，適用于葉片的粘接工藝。已經通過了德國GL論證，一定程度上可以替代進口膠粘劑，而且在一些風電葉片生產廠家中得以應用。

3 國內外產品對比

文獻[10]針對當前風電葉片生產所用的主流膠粘劑：美國Hexion公司的 L135G3 體系、美國DOW公司的 770E體系，以及國產康達WD3135體系，比較了它們的力學性能與工藝性能。比較結果見表1～表4。

通過以上對比可見，Hexion膠粘劑的整體力學性能最優，Dow膠粘劑在抗沖擊性方面略顯不足。而國產康達膠粘劑的操作性能有一定的優勢，拉伸、抗沖擊、剪切等關鍵性能與Hexion相當，但是彎曲性能低于Hexion。目前，國內有部分風電葉片制造廠家采用康達公司的膠粘劑，但是主要用于非關鍵件的粘接，應用范圍非常有限，屬于小批量生產。因此，非常有必要借鑒國外先進技術和經驗，對產品進行優化設計，提高產品的各項性能指標，以穩步推進風電葉片關鍵材料國產化的進程。

4 結束語

膠粘劑是風電葉片的重要材料之一。風電葉片用膠粘劑的關鍵生產技術幾乎被少數國外公司壟斷。目前，國產膠粘劑尚不能完全滿足風電葉片的工藝要求，主要存在斷裂強度及伸長率低、韌性差、耐疲勞性能差等問題，其結果是葉片運轉中易形成開裂，使用壽命大大縮短。盡管國內少數廠家開始研制高性能的風電葉片用膠粘劑，并且得以應用，但是與國外產品的性能相比，仍然存在一定的差距，僅僅處于小規模生產階段。國內葉片廠家長期以來主要依靠進口，不僅價格居高不下，葉片生產成本偏高，而且嚴重制約了我國風電葉片制造行業核心競爭力的提升。因此，我國應加大資金投入和研發力度，突破關鍵技術，才能使國內的風電葉片生產商較大幅度降低生產成本，推動我國風電產業健康快速發展。