風(fēng)電葉片用膠粘劑研究現(xiàn)狀

胡梅 吳飛 周晶晶

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電具有資源再生、容量巨大、無(wú)污染和綜合治理成本較低等優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)和利用受到世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注[1,2]。世界各國(guó)在風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用方面投資的持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造業(yè)成為許多國(guó)家最熱門的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，相應(yīng)的市場(chǎng)規(guī)模急劇擴(kuò)大[3]。全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的全球風(fēng)電市場(chǎng)裝機(jī)數(shù)據(jù)顯示，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)2011年新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)41,000 MW，全球風(fēng)能發(fā)電增長(zhǎng)21%。2011年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)達(dá)20GW。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)到3億千瓦左右[4]。目前各國(guó)正加快對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究步伐，不斷推出新的技術(shù)和裝備。

大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造。在兩個(gè)陰模上分別成型葉片殼體，芯材及其他玻璃纖維復(fù)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(jié)，并將殼體縫隙填實(shí)，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(jié)構(gòu)材料，直接關(guān)系到葉片的剛度和強(qiáng)度。隨著單機(jī)裝機(jī)容量的增加，風(fēng)輪葉片也越來(lái)越長(zhǎng)，主流尺寸已達(dá)到40米以上，最大葉片的長(zhǎng)度甚至超過(guò)80米，重達(dá)5噸以上[6]。這就對(duì)合模粘接的膠粘劑提出了更嚴(yán)苛的技術(shù)要求。

伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，膠粘劑的市場(chǎng)需求越來(lái)越大。每生產(chǎn)一個(gè)葉片就要使用50到300千克的膠粘劑。世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度非常快。在各國(guó)政府的推動(dòng)下，風(fēng)力發(fā)電還將持續(xù)快速增長(zhǎng)很長(zhǎng)一段時(shí)間，這為膠粘劑廠商創(chuàng)造了巨大的商機(jī)。

1 風(fēng)電葉片用膠粘劑的特性與種類

從風(fēng)電葉片的應(yīng)用來(lái)看，大型動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)擁有持續(xù)且穩(wěn)定的機(jī)械性能是最重要的。風(fēng)電葉片必須承載周期性負(fù)荷以及在運(yùn)轉(zhuǎn)中遭遇的極端天氣，這為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了許多難以想象的要求。因此固定粘接關(guān)鍵部件的膠粘劑必須具有最優(yōu)異的力學(xué)性能和操作性能。一個(gè)可靠的風(fēng)電葉片膠粘劑必須具備以下重要的功能：

a） 具有較高的強(qiáng)度和韌性，必須能夠承受每個(gè)葉片的離心力；

b） 具有優(yōu)異的操作特性，如不坍落、易泵輸?shù)龋?/p>

c） 具有良好的浸潤(rùn)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(yīng)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(chǎng)上主流的風(fēng)電葉片用膠粘劑有環(huán)氧膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、改性丙烯酸酯膠粘劑。環(huán)氧膠粘劑與其他類型膠粘劑相比，具有膠接強(qiáng)度高、固化收縮率小、易于改性等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及改性劑的品種很多，可通過(guò)合理而巧妙的配方設(shè)計(jì)，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(huán)氧膠粘劑因具有性能和成本優(yōu)勢(shì)而成為大多風(fēng)電葉片制造廠商的首選。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

一些大型跨國(guó)公司已經(jīng)積極開(kāi)展風(fēng)電葉片用膠粘劑的研制和生產(chǎn)，典型代表有Hexion、Hunstman、DOW、巴斯夫、亞什蘭、ITW等。

目前國(guó)內(nèi)外大型葉片制造廠家基本采用美國(guó)Hexion公司的環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品。Hexion公司的L135/K2-K4系列環(huán)氧膠粘劑是含有玻璃纖維、無(wú)溶劑膠粘劑系統(tǒng)，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(dá)到5厘米。可以用來(lái)粘結(jié)各種材質(zhì)的材料，同時(shí)可以用于垂直表面上的黏結(jié)、無(wú)垂掛。該型膠粘劑具有優(yōu)異的力學(xué)性能和機(jī)械性能，能夠承受極端環(huán)境條件下的疲勞測(cè)試。由于能夠有效提高風(fēng)電葉片生產(chǎn)效率和葉片工作性能，已經(jīng)獲得風(fēng)電葉片制造商們廣泛的認(rèn)可。

ITW Plexus公司開(kāi)發(fā)的MA560和MA590型膠黏劑為丙烯膠粘劑，這種膠粘劑能夠使FRP復(fù)合材料具備更好的剝離性能和耐疲勞性能。并且能夠?qū)崿F(xiàn)常溫快速固化，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。除此之外，與環(huán)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(duì)Hexion的L135/K2-K4系列要高。

Vantico公司的“Araldite”型膠粘劑是由環(huán)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(fēng)電葉片的應(yīng)用。其中XD4734/XD4735系列環(huán)氧 /固化劑系統(tǒng)已廣泛用于葉片生產(chǎn)[8,9]。

亞什蘭公司生產(chǎn)的ENGUARD BP6200 ARF是一款乙烯基基體的、專用于風(fēng)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(huán)氧樹(shù)脂為基礎(chǔ)的。Spabond130 牌膠粘劑是以增韌環(huán)氧樹(shù)脂為主，填充少量短切碳纖維, 獲得了DNN/Germanischer Lloyd批準(zhǔn)，可粘結(jié)葉片/輪轂的螺桿、螺母。該產(chǎn)品克服了金屬、復(fù)合材料不同的熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力。

我國(guó)作為全球最大的樹(shù)脂生產(chǎn)、消費(fèi)國(guó)，樹(shù)脂類產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，部分產(chǎn)品可與國(guó)際品牌媲美。然而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的主要是普遍型樹(shù)脂。這種樹(shù)脂雖然有許多優(yōu)異性能，但仍有其不足之處，比如粘度高，流動(dòng)性差，固化后交聯(lián)密度高，存在內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)脆、耐疲勞性、耐熱性、耐沖擊性、耐開(kāi)裂性和耐濕熱性較差等缺點(diǎn)，在很大程度上限制了它們?cè)陲L(fēng)電葉片復(fù)合材料上的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)拉動(dòng)下，我國(guó)研究者也開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)高性能的膠粘劑用于風(fēng)電葉片。上海康達(dá)化工有限公司是國(guó)內(nèi)膠粘劑廠家中發(fā)展最為迅速和成功的。其開(kāi)發(fā)的風(fēng)力葉片專用環(huán)氧膠WD3135是一種雙組分、高觸變性、高韌性的環(huán)氧膠粘劑，適用于葉片的粘接工藝。已經(jīng)通過(guò)了德國(guó)GL論證，一定程度上可以替代進(jìn)口膠粘劑，而且在一些風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠家中得以應(yīng)用。

3 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品對(duì)比

文獻(xiàn)[10]針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電葉片生產(chǎn)所用的主流膠粘劑：美國(guó)Hexion公司的 L135G3 體系、美國(guó)DOW公司的 770E體系，以及國(guó)產(chǎn)康達(dá)WD3135體系，比較了它們的力學(xué)性能與工藝性能。比較結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

通過(guò)以上對(duì)比可見(jiàn)，Hexion膠粘劑的整體力學(xué)性能最優(yōu)，Dow膠粘劑在抗沖擊性方面略顯不足。而國(guó)產(chǎn)康達(dá)膠粘劑的操作性能有一定的優(yōu)勢(shì)，拉伸、抗沖擊、剪切等關(guān)鍵性能與Hexion相當(dāng)，但是彎曲性能低于Hexion。目前，國(guó)內(nèi)有部分風(fēng)電葉片制造廠家采用康達(dá)公司的膠粘劑，但是主要用于非關(guān)鍵件的粘接，應(yīng)用范圍非常有限，屬于小批量生產(chǎn)。因此，非常有必要借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，以穩(wěn)步推進(jìn)風(fēng)電葉片關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

膠粘劑是風(fēng)電葉片的重要材料之一。風(fēng)電葉片用膠粘劑的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)幾乎被少數(shù)國(guó)外公司壟斷。目前，國(guó)產(chǎn)膠粘劑尚不能完全滿足風(fēng)電葉片的工藝要求，主要存在斷裂強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率低、韌性差、耐疲勞性能差等問(wèn)題，其結(jié)果是葉片運(yùn)轉(zhuǎn)中易形成開(kāi)裂，使用壽命大大縮短。盡管國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家開(kāi)始研制高性能的風(fēng)電葉片用膠粘劑，并且得以應(yīng)用，但是與國(guó)外產(chǎn)品的性能相比，仍然存在一定的差距，僅僅處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。國(guó)內(nèi)葉片廠家長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠進(jìn)口，不僅價(jià)格居高不下，葉片生產(chǎn)成本偏高，而且嚴(yán)重制約了我國(guó)風(fēng)電葉片制造行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升。因此，我國(guó)應(yīng)加大資金投入和研發(fā)力度，突破關(guān)鍵技術(shù)，才能使國(guó)內(nèi)的風(fēng)電葉片生產(chǎn)商較大幅度降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

表1 膠粘劑拉伸與彎曲性能

表2 膠粘劑沖擊性能（單位：kJ/m2）

表3 膠粘劑不同條件下剪切性能（單位：MPa）

表4 膠粘劑不同溫度下可操作時(shí)間和固化時(shí)間

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