风电叶片用环氧粘结剂性能研究

江一杭 吴海亮 吴红焕 刘鲜红 李波（天津东汽风电叶片工程有限公司天津300456）

风电叶片用环氧粘结剂性能研究

江一杭 吴海亮 吴红焕 刘鲜红 李波（天津东汽风电叶片工程有限公司天津300456）

针对当前风电叶片生产所用的主流粘结材料汉森（Hexion）L135G 3体系与陶氏（DOW）770E体系，以及国产康达（KangDa）WD 3135体系的力学性能与工艺性能进行测试，通过对比分析得出风电叶片粘结剂的一般性能指标。对比测试结果表明，汉森粘结剂整体性能指标最优，陶氏体系在抗冲击性方面略显不足，而国产康达体系除弯曲性能低于汉森外，在剪切、拉伸、冲击等关键指标上与汉森相当。【关键词】复合材料风电叶片环氧粘结剂力学性能

0 引言

叶片是风力发电装置的关键核心部分，其设计和采用的材料不但决定其本身的质量与成本，也决定着风力发电装置的整体性能和功率。[1-4]粘结剂作为风电叶片的重要主材之一，在叶片制造中，主要用于迎风侧（压力侧PS面）和逆风侧（吸力侧SS面）的组合粘结。而对于大功率叶片，其长度近40m，本体重量在5 t以上，运行中将经受上亿次弯曲振动，粘结部分承受巨大的剪切力，因此，粘结材料的性能直接关系到叶片的整体质量，并影响到叶片的使用寿命；粘结剂的测试、评估与选型，对于叶片的设计、研究和生产，均有重要的意义。

基于风电叶片用粘结剂市场供方状况、粘结剂技术指标水平，结合国内风电叶片厂对粘结剂应用经验，目前已成熟使用的环氧粘结剂体系包括：汉森（Hexion）L135G3体系、陶氏（DOW）770E体系，以及国产康达（KangDa）WD3135体系。本文通过对以上3种粘结剂体系力学性能及工艺性能的对比测试、分析，得出风电叶片粘结剂的一般性能指标，同时为叶片粘结材料的研究、选型以及材料国产化提供参考。

1 实验内容

根据叶片运行中粘结材料的受力方式，粘结剂的力学性能测试内容主要包括：拉伸、弯曲、剪切、冲击。另外，基于叶片生产成型工艺，对粘结剂的工艺性能要求包括：堆积高度、可操作时间、后固化时间、玻璃化转变温度、放热峰值等方面。

粘结剂力学性能测试试样按照ISO标准及国家标准制备，相关参数见表1。试样在常温条件下（23±2℃，50%±5%相对湿度）固化16 h，然后置于70℃烘箱中后固化8 h，自然冷却至室温。粘结剂拉伸、弯曲、剪切性能测试采用SHIMADZH AG-1C 100KN型万能拉伸机，配合TCE-N300型高低温箱；冲击性能测试采用江都市天发试验机械厂TF-2059型简支梁冲击试验机；玻璃化转变温度测试采用METTLER TOLEDODSC1型差示扫描量热仪；放热峰值采用YOKOGAWA MV1000型多通道测温仪自动记录。

表1 粘结剂性能测试试样说明

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸与弯曲强度

拉伸与弯曲强度为粘结剂本体最基本的力学性能。在叶片结构设计中，粘结剂不仅具有粘结功能，同时还具有结构填充作用，如：叶片PS与SS侧壳体粘结填充厚度可达3 cm以上，因此，对于粘结剂本体的强度与弯曲性有极高的要求。如粘结剂本体强度不足，则叶片可能在运行中出现粘结剂开裂情况。

表2 粘结剂拉伸与弯曲性能

汉森、陶氏及康达粘结剂的拉伸、弯曲强度测试数据见表2。由测试数据可见，室温下汉森和陶氏的本体断裂应力相当，陶氏的模量较高，材料的刚度大，断裂形变低。康达的拉伸强度和弯曲强度略低，材料模量小，具有一定的韧性。但就拉伸与弯曲性能综合而言，汉森粘结剂存在一定的优势。

2.2 冲击强度

粘结剂的冲击强度指本体受冲击破坏时所吸收的能量，也称冲击吸收功，可反映材料的韧性。冲击强度高的优势主要体现在叶片瞬间受力时，如受到撞击等情况，粘结剂能最大限度的吸收或抵抗外界作用力，保持良好的粘结效果。

汉森、陶氏及康达粘结剂的抗冲击测试结果见表3。由测试可见，康达和汉森的抗冲击韧性相当，而陶氏粘结剂的脆性较大，尤其在低温下，难以满足一般应用要求。

表3 粘结剂冲击性能（单位：kJ/m2）

2.3 剪切强度

在叶片的运动中（摆动或挥舞），粘结剂将承受由弯曲引起的剪切力。剪切力是风叶粘结剂的主要受力模式，剪切强度是叶片设计和粘结失效分析的关键因素，也是粘结剂产品认证的重点依据。

粘结剂的剪切强度是通过测试粘结剂与玻璃钢（Fiber Reinforced Plastics，FRP）粘结体的拉剪强度来实现的。因粘结剂的剪切性能直接关系到叶片的粘结质量，因此需在不同条件下全面测试。测试条件主要包括：常温剪切、高温剪切，潮湿或盐雾环境的剪切性能，以及疲劳条件下的剪切。

表4 粘结剂在不同条件下的剪切性能（单位：MPa）

从表4数据来看，各厂家粘结剂在通常（23℃-50%RH）条件下的剪切强度均大于20 MPa，三者常温剪切性能近似处于同一水平。同时，通过观察测试过程中的样品破坏部位和形貌（FRP破坏），3种粘结剂与FRP结合效果均良好。

在高温环境下（50℃，叶片的生存极限），由于接近粘结剂的玻璃化转变温度，3种材料的剪切性能均有下降，其中康达下降最大。但剪切强度仍保持在20MPa附近，与汉森性能水平相当。

耐水性方面，水或盐水（雾）仅能作用于粘结剂表面，对粘结剂内部及粘结界面影响较小，从对比测试数据上看反映出类似结果。同时从叶片结构设计看，粘结剂不直接与盐雾和水接触，因此，3种粘结剂均满足潮湿环境应用要求。

因测试条件限制，本文通过测试粘接体在特征剪切应力下（7±1 MPa的交变应力）经106次拉剪后的强度保持情况，粗略判断耐疲劳特性。由测试结果可见，汉森的耐疲劳特性最佳，经疲劳后剪切强度几乎无变化。康达经疲劳后的剪切强度数据略有降低，但强度保持率均在95%以上，可近似认为抗疲劳性能与汉森相当。而陶氏经疲劳后的剪切强度有一定下降，其疲劳特性待进一步测试分析。

综合以上力学性能测试结果，可见，汉森粘结剂的本体强度大，冲击吸收功高，同时兼具韧性，与玻璃钢粘结最佳，剪切性能优异，其综合性能明显高于康达和陶氏。

2.4 塑形性

在叶片粘结工艺中，粘结剂需要手工刮涂于叶片粘结部位。由于粘结厚度较大，因此，需要粘结剂具有良好的塑性能力，便于施工。粘结剂的塑性能力一般通过堆积高度来评估，即：将粘结剂堆积为5 cm底径圆锥体直立后不垂挂的最大高度。根据测试结果，汉森、陶氏及康达的堆积高度分别为4 cm、5 cm、7.5 cm，可见，康达粘结剂的塑形性最佳。

2.5 可操作时间与固化时间

对于双组分环氧粘结剂，在主剂与固化剂混配后，即开始缓慢反应，直至凝胶、固化。粘结剂混合后至凝胶的时间称为可操作时间。环境温度越高，可操作时间越短。由于叶片粘结过程为手工作业，粘结剂刮涂时间较长（1～2 h），因此，要求粘结剂有足够的可操作时间，避免凝胶导致性能大幅度降低。由测试数据可见（见表5），3种粘结剂在35℃（车间环境温度上限）的可操作时间均大于1 h，基本满足叶片合模粘接的要求。其中，康达粘结剂的可操作时间最长，但其固化时间也相对延长。

表5 粘结剂在不同温度下的可操作时间和固化时间

在实际生产中，叶片进行合模粘结后，粘结剂是在高温下（60～80℃）直接进行固化。一般以粘结剂的玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature，Tg）固化至一定标准（如：65℃）作为粘结性能达到最佳的标志。因此，影响生产效率的主要是粘结剂的后固化情况。图1为汉森、陶氏及康达粘结剂的后固化时间与玻璃化转变温度的关系，由图可见，在固化条件相同的情况下，陶氏粘结剂的Tg最高，这一点有利于提高叶片生产工艺效率。

图1 粘结剂的固化时间与玻璃化转变温度关系

2.6 放热峰值

环氧粘结剂的固化反应为放热反应，如体系反应放热过高，且不能及时散去，则会加剧反应，导致粘结剂爆聚，降低粘结性能，严重时会使叶片报废。因此，粘结剂固化反应放热量需严格控制。

图2为汉森、陶氏及康达粘结剂固化反应过程中的温度测量记录（均为100 g量，35℃环境温度）。其中，汉森粘结剂反应中的峰值温度为93℃，相对较高，而陶氏和康达分别为91℃和85℃。现场操作表明，3种粘结剂的反应放热均能满足现场环境（一般低于35℃）下正常使用。但实际操作中仍须避免堆胶集热，混合后的粘结剂应尽快分散使用。

3 结论

图2 粘结剂的固化放热温度与时间关系

通过以上对当前风电叶片3种粘结剂体系性能的对比测试，可以得出以下结论：系在抗冲击性方面略显不足，而国产康达体系除弯曲性能低于汉森外，在剪切、拉伸、冲击等关键指标上与汉森相当。

②工艺性能方面，3种粘结剂均适于填充塑形操作，可操作时间充足。其中，陶氏粘结剂后固化所需时间最短，工艺效率最高。

③根据3种粘结剂性能对比，结合材料设计安全系数，可初步得出风电叶片用粘结剂所需一般性能指标，见表6。

风电叶片行业在国内兴起不久，在叶片原材料的使用、选型和开发中难免缺乏经验。因此，在材料国产化进程中，应充分借鉴国外成熟材料体系的使用经验，对其性能指标、工艺参数等方面作深入的分析，并结合叶片的结构设计与强度校核，全方位研究与转化，以稳步推动风电叶片的国产化进程。■

[1]钟方国，赵鸿汉.风力发电发展现状及其复合材料的应用[J].热固性树脂，2006（21）：16-21.

[2]赵稼祥．复合材料在风力发电上的应用[J].高科技纤维与应用，2003,28（4）：1-4.

[3]陈绍杰．复合材料与风机叶片[J].高科技纤维与应用，2007，32（3）：8-12.

[4]马振基，林育锋.复合材料在风力发电上的应用发展[J].2005，30（4）：6-14.

2011-05-09