海上風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)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，我國海上風電發展迅速，資源開發勢頭強勁，裝機總量連續 6年持續增加。國內主流海上風電機組的功率一般在 5～6MW，葉片長度為 70～80m。一些風電龍頭企業，海上風機的功率已達到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，這就對傳統的材料體系提出了新的挑戰。

風電葉片的基體材料為玻璃鋼復合材料，采用真空灌注工藝成型。葉片分為迎風面殼體和逆風面殼體，兩半殼體在模具內粘結成為一個整體，環氧膠黏劑是葉片殼體粘結的關鍵材料[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性能提出更高的要求。本文主要對目前國外有成熟應用經驗的海上葉片膠黏劑的性能進行測試分析，得出關鍵技術指標要求，并對下一步國產海上葉片膠黏劑研發提出建議。

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為國產海上葉片膠黏劑，C為普通葉片膠黏劑。根據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。

2 試驗結果與討論

2.1 基本性能測試結果

風電葉片海上專用膠黏劑(A)的基本性能參數測試結果與其他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降低葉片重量的目的。從表 1對比數據可以看出，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，在組分設計時，為了提高材料的韌性而降低了膠黏劑中填料物質的含量，所以密度下降。

表1 3種膠黏劑的基本性能參數測試結果Tab.1 Test results of basic performance parameters of three kinds of adhesives

玻璃化轉變溫度(Tg)是指非晶態高分子材料由玻璃態轉變為高彈態所對應的溫度。若材料的使用環境溫度高于 Tg，則材料的力學性能會大幅下降。一般情況下，風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數據是在標準固化條件下測得(膠體厚度 2～3mm，23℃放置 16h，之后 70℃烘箱內放置 8h)。從數據可以看出，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，但意味著固化反應的時間更長，會降低葉片生產效率。

凝膠時間是指雙組分環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，無法達到粘結性能的要求。海上葉片由于長度增加，粘結區域面積也成倍增加，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的測試數據來看，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制造。但是，凝膠時間也不宜過長，否則會影響粘結固化的效率。主要表現在固化加熱過程中，需要在 70℃加熱更長的時間，Tg才能達到要求。

垂掛性測試反應了膠黏劑在刮涂操作時的塑型性。風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，在粘結時會出現缺膠。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。為了獲得更好的力學性能，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 力學性能測試結果

風電葉片海上專用膠黏劑(A)的力學性能參數測試結果與其他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強度。從測試結果來看，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。海上大型風電葉片相對于陸上風電葉片，設計壽命更高，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缺陷開裂的疲勞擴展，大幅提高葉片的粘結壽命。

表2 3種膠黏劑的力學性能參數測試結果Tab.2 Test results of mechanical properties of three kinds of adhesives

沖擊測試結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果上，海上葉片專用膠黏劑的性能也明顯優于普通膠黏劑。

2.3 國產海上葉片膠黏劑性能分析

本次測試采用了某國產品牌海上膠黏劑(B樣品)進行對比，可以看出，國產海上膠黏劑在基本性能方面，除了凝膠時間短，其他和進口產品相當。力學性能方面，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計方面進行改進，在填料含量、施工性能、力學性能方面做好平衡。

3 結 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缺陷開裂的疲勞擴展，大幅提高葉片的粘結壽命。國產海上膠黏劑與同類進口產品相比還存在差距，需要在配方組分設計方面進行改進。