大尺寸風輪葉片用第二代環氧結構膠特征技術

文 | 許愿

大尺寸風輪葉片用第二代環氧結構膠特征技術

文 | 許愿

風電裝機容量的不斷增加，致使具有陸地一類、二類的優質風能資源的風電場逐漸減少，同期的海上風電場裝機速度持續加快，為保持穩定的發電容量增長勢頭，風電機組的功率型號越來越大型化。這樣的結果，使得風輪葉片的尺寸也越來越大型化，由之前的40米左右的主流尺寸也慢慢過渡到現如今60米上下。相關信息表明，國內由中材科技制造的最長的風輪葉片已經達到77.7米。

隨著風輪葉片的設計尺寸越來越長，在葉弦上會產生更高的靜距，勢必導致后緣產生更大形變張力，引導著材料向高韌性和高耐疲勞性方向發展。材料性能的新要求無疑就對合模用的環氧結構膠提出了更高更新的技術要求。

結合風輪葉片尺寸大型化的應用需求，深化第二代環氧結構膠粘劑研制無疑具有久遠的市場意義。本文試圖從葉片大型化對結構膠提出的新技術要求著手，探討出結構膠未來幾年可能面臨的技術特點和發展方向，提出一些思路和對策。區別于現在市場上以漢森BP135G3/BPH137G為代表的第一代環氧結構膠的主流應用，為第二代葉片用結構膠的研制和應用提供參考和借鑒。

為使得文章敘述明確化，同時遵從風電行業的普遍認識，如無特指，文中所述大尺寸葉片指60米以上葉片。

大尺寸葉片對環氧結構膠粘劑性能提出新的要求

一、結構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樹脂復合材料（FRP）進行結構膠界面粘接評價，進行儀器測試，表征出粘接強度相對指標，量化為拉伸剪切強度，依據標準為：ISO 4587-2003 和 GB/T 7124-2008。

實際情況是，大尺寸葉片的普遍裝機，從源頭上的基礎材料設計方面，到對拉剪性能方面，目前還沒有給出具體的規范和指導。相信隨著大尺寸葉片的普及化和對膠粘劑材料研究的深入化，對這一指標會做出詳細的規定。

目前，行業內通用遵守的拉剪強度的判定依據如下：

1.風電機組風輪葉片結構膠黏劑技術條件（CGC/ GF012:2011，見表1）。

FRP/FRP粘接（膠層厚度3mm）≥14Mpa。

2.德國船級社愛勞德標準（GL規范，見表2）。

AI/AI粘接（膠層厚度3mm）≥14Mpa。

AI/AI粘接（膠層厚度3mm）記錄數據，通常做≥20Mpa判定。

二、本體性能上要求表現出更高的柔韌性

膠粘劑本體性能的評價嚴格講屬材料學范疇。進行儀器測試時，想要表征出膠粘劑柔韌性相對指標，常用的測試項目和依據標準有：

1.簡支梁沖擊強度：依據的國際標準為ISO 179-1/1eU，國內標準為GB/T 2567-2008。

2.材料本體拉伸強度及斷裂伸長率：依據的國際標準為ISO 527，國內標準為GB/T 1040-2006。

同樣情況，對這些指標沒有給出針對性的規定和指導。近年來，以漢森膠粘劑為代表的一些膠粘劑原材料廠商，對此項指標在行業內推廣了自己的一些觀點，如下：

1.斷裂韌性G1C由現在的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由現在的5.46N/mm提高到13.1N/mm。

3.簡支梁沖擊由現在的11kJ/m2提高到31kJ/m2。

筆者以為，隨著對葉片粘接膠粘劑材料的研究深入化，會有越來越詳細的、越來越規范的表征指標被提出。

三、材料應用上要求有更優異的耐疲勞性能

對膠粘劑材料進行疲勞性能考核，通常是評價膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的方法，通過對拉剪性能測試，繪制疲勞曲線，為材料在葉片上的應用提供參考。目前所依據的標準為ISO 9664-1995和 GB/T 27595-2011，具體測試方案此處略。

筆者以為，對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。主要有以下幾個方面：

1.同樣的拉剪強度的疲勞測試，還可以計算疲勞測試后剪切強度的保持率。

2.在匯制SN曲線的測試中，除了拉壓單向測試方法，還可以設定拉壓雙向方案。

3.對膠粘劑進行三點彎曲疲勞性能評價，在具體實驗方案的設計上，可以考慮以形變恒定為基本參照，還可以考慮以應變恒定為基本參照。

4.對膠粘劑粘接界面進行疲勞性能評價，也就是通常所說的“三明治”結構。

隨著行業對膠粘劑的合模應用進行疲勞性能的研究和評價越來越重視，對所期望性能的表征和對測試數據的判定，也會越來越有針對性。另外，還有一個現狀是，由于進行疲勞性能研究和測試需要昂貴的測試儀器和高額的運行維護費用，受此限制，近年來針對膠粘劑本身所進行的疲勞性能研究工作相對材料的疲勞性能研究要少許多。

四、使用工藝上要求有更長的開放時間和操作時間

開放時間是指膠粘劑膠面在一定的敞口時間內由于環境的影響（溫濕度）而造成粘接性能下降所需的時間。操作時間通常指膠粘劑的粘度增加至一倍時所需的時間，其長短主要反應結構膠的反應活性大小。

目前的現況是，膠粘劑配方設計的操作時間一般都在120分鐘以內。實際工藝現場，因為殼體的殘留溫度影響，葉片廠商會控制在60分鐘以內，以避免結構膠性能降低。開放時間在膠粘劑配方的設計上通常為操作時間的一倍或者以上。

大尺寸葉片目前雖然沒有針對操作時間和開放時間做出具體的嚴格規定，但道理顯而易見，更長的開放時間和操作時間是第二代葉片結構膠的一個重要研究方向。

五、合模固化時要求有更快的固化速度

大尺寸葉片在合模粘接時，既要保證有利于施工的長的操作時間和開放時間，同時還要求不延長膠粘劑的固化時間，提高脫模效率和生產效率。這就要求結構膠在合模粘接后在中溫固化時，有更快的固化速度，粘接強度會在更短時間內達到最高。

表1 GL測試規范

對固化速度的研究工作，前期膠粘劑測試方面主要是使用DSC進行固化時間評價和表征，后期固化材料方面是使用硬度計進行評判。

表2 風電機組風輪葉片結構膠黏劑技術條件CGC/GF012:2011

第二代環氧結構膠特征研制技術

一、雙增韌樹脂應用技術

環氧樹脂結構膠主要由主體樹脂、固化劑、增韌體系、促進劑、觸變劑等成分組成。這些組分相互配合，實現三維交聯、有效催化和高效增韌，可以設計出高性能的膠粘劑。

增韌從來都是環氧樹脂膠粘劑永恒的話題。一定程度上講，環氧增韌技術的發展在某種程度上也代表了環氧結構膠技術的發展。大尺寸葉片對高韌性膠粘劑的性能要求，使得單一增韌技術已經滿足不了膠粘劑的技術應用。雙增韌技術在膠粘劑中的應用，是第二代葉片環氧結構膠的主要研究方向。

相關資料表明，使用丙烯酸改性環氧和核殼橡膠雙增韌技術制備雙組分環氧結構膠，制備的結構膠材料性能優異，測試數據上，斷裂伸長率可達5%以上，拉伸性能大于70MPa，模量可達4GPa以上，G1C可達90左右，無缺口沖擊強度大于15kJ/m2。同時使得環氧結構膠對復合材料的結構粘接強度大幅度的提高，測試數據可達30MPa，相比較單增韌技術膠粘劑提高了近20%。

二、基體樹脂復配應用技術

（一）在基體樹脂中增加應用多官能特性結構樹脂

在環氧結構膠樹脂組分里添加復合型樹脂，是近年來進行增韌研究的又一個主要方向。相比較于雙增韌環氧合成技術，它操作起來相對要簡單些，起到的增韌效果卻不差，具有優越的“性價比”和一定的參考價值。

通常的復配技術主要是指在現通常雙酚A型環氧樹脂中增加使用雙酚F等環氧樹脂或脂環型環氧樹脂，或者三官能多團能環氧樹脂，或者增加多官活性稀釋劑的應用，以期增加高分子材料固化后分子間的潤滑和柔順性能，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聚物

作為組合應用技術，在固化劑組分里同樣可以引入增韌手段。主要是指在現行業內應用較多的聚醚氨或聚酰胺固化劑材料中，事先引入與環氧樹脂相溶性好的長鏈狀高分子物進行預反應，此預反應物部分或全部復配應用于膠粘劑的固化劑中。這樣，相對于分子量較小的聚醚氨或聚酰胺，將長鏈的固化劑高分子預聚物引入到雙組分膠粘劑的加成反應固化中，形成基礎樹脂部分和固化劑部分雙向增韌，針對性解決環氧樹脂的增韌性能。相關資料表明，這種復配技術的應用，還能增強最終的動靜態疲勞性能。

三、潛伏性固化劑或催化劑應用技術

針對葉片用膠技術，這是近年來出現的一種新技術應用。引入此項技術到葉片環氧結構膠中，主要是針對提高膠粘劑后期的固化速度而考慮的。它的成熟應用和推廣，還要依賴于以下兩種關鍵技術。

（一）熱敏型固化劑或催化劑的開發

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事先的化學反應方法使之得以封閉，在雙組分膠粘劑混合施工完成后，在模具后加溫度的引發下，打開封閉的官能團，從而進行后續的化學反應。這種固化劑應用技術我們統稱為熱敏型固化劑。此種固化劑或催化劑在實際應用中，最直觀的表現是借事先不等當量的化學反應從而提供膠粘劑長的開放時間或操作時間，而后在后加溫度的引發下，提高膠粘劑的固化反應速度。

（二）新型環氧固化劑的選擇

全新型的固化劑的合成和應用。相比較在原固化劑材料上進行改性和修飾，是一種全新的根本性的技術，需要對葉片制造技術和膠粘劑有著深刻的理解和認識，這樣才能有針對性地在某一性能上完成對膠粘劑的設計。

四、固化劑合成改性技術的應用

（一）化學改性技術

固化劑是雙組份環氧膠粘劑的重要組成部分，其化學類型常規有脂肪族胺、脂環族胺、聚醚胺、低份子聚酰胺等等。在膠粘劑配方設計之初，通常是依據環氧當量和活潑氫當量配比原則，設計各組分的添加量，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用。長期以來，雙組分膠粘劑面臨的一個難題是，如何有效解決雙組份膠粘劑施工前有較長的適用期（即足夠長的工藝開放時間）和施工后有較快的固化快速這一矛盾。另外，如何實現環氧類膠粘劑的高效增韌，也是膠粘劑行業工藝應用中面臨的一個長期課題。新的行業要求對增韌技術提出了更高要求，不單是引入新組分的添加類復配技術，各種合成應用技術陸陸續續都已經引入到了常規雙組份膠粘劑的配方設計之中了。

筆者相信，在后期大尺寸葉片用結構膠的技術導向下，更多的化學改性技術都會應用在固化劑的應用中，實現某一種特征性能或對其他性能做出互補。

（二）預催化技術

此技術是上文化學改性技術的一個分支和補充，單列出來是因為它為一種具體的實際應用技術，主要是指將固化劑一部分的活性通過事先的化學反應方法使之得以封閉，在雙組分膠粘劑混合施工完成后，在溫度的引發下，打開封閉的官能團，從而進行后續的化學反應，此種技術主要是延長膠粘劑的開放時間或操作時間。

（三）中低溫后固化技術

此技術的應用主要是針對提高膠粘劑的后期固化速度而提出的。實驗表明，中低溫后固化技術還可以提高結構膠的耐高低溫沖擊性能。通常的技術手段主要是在膠粘劑配方中引入長分子鏈的柔性結構與相對短分子鏈的剛性結構基團。進一步來說，是指在固化劑材料方面，優選復配脂環胺脂肪胺及聚酰胺材料。傳統膠黏劑中通常為了保證其結構強度的需要往往使用到較大量的脂環胺做為固化劑，而脂環胺固化時需要較高的溫度（80℃－100℃）才能使材料的固化程度達到葉片粘接的結構強度要求。而在膠粘劑中使用脂環胺的同時再引入脂肪胺和改性聚酰胺技術，這種固化劑復配的材料特性決定了其與環氧樹脂反應本身就不需要太高的溫度，通常在60℃－80℃即可達到預期的效果。這樣，一方面有效提高了膠粘劑固化速度，對膠粘劑固化性能做了有益補充和增強。另一方面，在葉片的生產制造中會節約一定的能源，積年累月，效果將非常明顯。

結論

針對大尺寸葉片的陸續裝機，作為葉片合模粘接的主要膠粘劑類型，第二代新型環氧結構膠的開發和研制，應該盡快加快進度。相關信息表明，一些膠粘劑廠商，在研制技術上已經有所突破，相信，不用很長時間，在市場上必然會出現大規模的推廣和應用。

在此，筆者提出呼吁并倡議，在新型環氧膠粘劑的開發和研制中，希望更多的葉片廠商參與進來，加強縱向聯合，從設計葉片的技術源頭上，對環氧結構膠提出明確的新要求，使所有的工作都具有更強的針對性。

（作者單位：煙臺德邦科技有限公司）