DTR E240E风电叶片用环氧胶黏剂的研制

（四川东树新材料有限公司，四川 德阳，618000)

DTR E240E风电叶片用环氧胶黏剂的研制

周百能，李文可，杨红，翟保利，王萍，周平，钟连兵，肖毅

（四川东树新材料有限公司，四川 德阳，618000)

文章在综述风电叶片用环氧胶黏剂国内外研究进展，风电叶片在环氧胶黏剂的性能要求的基础上，采用固化剂改性的方法研制出DTR E240E系列风电环氧胶黏剂。对该胶黏剂的工艺性能、浇铸体力学性能、粘接性能及耐蠕变性能进行了详细的表征。结果表明DTR E240E系列风电环氧胶黏剂拥有良好的综合性能，完全满足风电叶片的要求。DTR E240E系列风电环氧胶黏剂成功地应用于1.5 MW和2.0 MW风电叶片上。

风电叶片，粘接，环氧胶黏剂，应用

0 引言

在常见的风电叶片设计中，风电叶片由上、下2个壳体及剪切梁组成。这3个部分通过胶黏剂相互粘接形成一个牢固的整体。胶黏剂在叶片上粘接位置示意图见图1[1]，胶黏剂在叶片壳体上施胶后的图片见图2。常见的用于叶片粘接的胶黏剂有不饱和聚酯胶黏剂、乙烯基树脂胶黏剂、环氧胶黏剂、丙烯酸胶黏剂以及聚氨酯胶黏剂等。由于环氧胶黏剂具有粘接性好、固化过程中无小分子物质挥发、气味小、尺寸收缩小、固化内应力低、良好的耐疲劳性能以及价格适中等优势[2]，是目前风电叶片最常用的胶黏剂[3-4]。

图1 环氧胶黏剂在风电叶片上粘接位置示意图

图2 环氧胶黏剂在叶片壳体上施胶后的图片

在兆瓦级以上的风力发电机叶片上，需要粘接的位置为从叶根到叶尖几十米长的区域，粘接层厚度经常达到10 mm以上。这在胶黏剂其他应用领域是很少见的。风电叶片安装到风力发电机上后，叶片在风的作用下要发生震动[1]，风电叶片需要具有20年的使用寿命。这些生产和应用条件对风电环氧胶黏剂材料提出了很高的要求，如要求环氧胶黏剂对基体材料具有良好的润湿性能、良好的触变性能、良好的强度和韧性平衡、优异的粘接性能等[5]。叶片设计公司和权威的认证机构对风电叶片环氧胶黏剂材料最低性能都有明确的规定，如德国劳氏船级社（GL）规定剪切强度≥12 MPa，剥离强度≥2 N/mm,热变形温度≥65℃等。

目前国内大型风电叶片所使用的环氧胶黏剂主要由国外公司如迈图（Momentive）、陶氏（Dow）等知名公司供应，市场被国外公司所占据，近年来风电环氧胶黏剂材料在国内是研究热点，国家科技部出台“863”项目计划“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”，以鼓励这种材料的国产化。国内企业和研究机构开展了大量的工作，主要着眼于如何解决传统环氧胶黏剂在柔韧性方面的不足。如中国专利CN101550325A公开了一种风电级双组份环氧胶黏剂及其制备方法，在环氧树脂引入丙烯酸链以提高环氧树脂的柔韧性[6]。中国专利CN101525439A公开了一种用于风力发电叶片结构胶的改性环氧树脂及制备方法，通过在环氧树脂中引入柔性的聚氨酯链段达到增加环氧树脂柔韧性的效果[7]。中国专利CN102277117A公开了一种用于兆瓦级风力发电叶片的碳纳米管增强环氧结构胶及其制备方法，采用在环氧胶黏剂中增加碳纳米管增强液的方法以达到提高材料柔韧性和耐疲劳性能的目的[8]。国外在风电叶片环氧胶黏剂的研究上又有了一些新动向，如Huntsman先进材料公司的K.P.Subrah⁃manian,F.Dubouloz等人认为通过无机纳米粒子增韧往往达不到良好的增韧效果，他们采用有机纳米粒子增韧，材料韧性获得显著的提高。然而，无论是对环氧树脂进行接枝改性还是采用纳米粒子进行增韧都会带来材料成本的显著提高，且制备工艺复杂，设备投资大。

本文采用了一种新型的固化剂改性方法进行增韧[9]。研制出DTR E240E系列环氧胶黏剂，包括主剂E240E、快速固化剂（E242H）和慢速固化剂（E244H）。系统地测试了该环氧胶黏剂体系的性能。结果表明，所开发的配方具有良好的工艺性能、浇铸体性能和粘接性能且制备方法简单、经济性好。开发的环氧胶黏剂在1.5 MW和2.0 MW风机叶片上进行了试用，效果令人满意。

1 实验

1.1仪器与试剂

1.1.1 仪器

流变仪：英国马尔文Bohlin CVO；精密电子万能材料试验机：日本Shimadzu ACIC-100 kN；示差扫描量热仪（DSC）：德国Netzsch 200F3；真空干燥箱：上海精宏。

1.1.2 试剂

E240E环氧胶黏剂、E242H和E244H环氧胶黏剂固化剂：工业级，东方汽轮机有限公司；进口环氧胶黏剂：工业级。

1.2固化机理

DTR E240E系列环氧胶黏剂是主剂（E240E）与胺类固化剂（E242H、E244H）的双组份体系。其固化机理为环氧树脂的环氧基与胺类固化剂的氨基反应，反应基本原理如图3所示。

图3 环氧基与氨基的反应原理

如图3所示，环氧基与伯氨基反应先生成仲氨基化合物，而后仲氨基化合物与环氧基团继续反应生成叔氨基化合物。实际上，使用的环氧树脂和胺类固化剂均为多官能团化合物，所以固化时会逐步反应生成交联网状结构。

1.3实验方法

DTR E240E系列风能环氧胶黏剂为实验室自制。

黏度采用流变仪测试，剪切速率5～50 s-1，测试温度25℃；放热峰曲线测试：在标准实验室环境下，取E240E环氧胶黏剂100 g加入固化剂45 g充分混合测试放热峰曲线；拉伸强度、冲击强度依据GB/T 2567的方法进行测试；玻璃化转变温度依据GB/T 19466的方法进行测试；剪切强度依据DIN EN 1465的方法进行测试，粘接厚度0.5 mm，粘接材质为铝；剥离强度采用ISO 11339的方法进行测试，粘接厚度0.5 mm，粘接材质为铝；采用某进口的环氧胶黏剂（标记为H）作为标杆产品进行对比。

2 结果与讨论

2.1DTR E240E环氧胶黏剂的性能表征

（1）黏度

为了达到良好的堆积高度，风电环氧胶黏剂一般具有很高的黏度。然而，当黏度过高，会影响胶黏剂对基体材料的润湿，影响粘接效果。图4描述了E240E/E244H环氧胶黏剂在5～50 s-1下的黏度曲线。和标杆产品对比，E240E/E244H胶黏剂黏度略低，因此，对基体材料具有更好的润湿性能，叶片粘接时不容易开裂。同时可以看出，E240E/E244H的触变性和标杆产品类似。

图4 环氧胶黏剂在5～50 s-1下的黏度曲线对比

（2）堆积高度

E240E/E244H环氧胶黏剂的堆积高度实验见图5，该环氧胶黏剂产品的平面堆积高度和立面堆积高度都大于50 mm，满足风力发电机叶片的使用要求。

图5 环氧胶黏剂堆积高度

（3）适用期和固化时间

图6从表干时间和放热温度曲线两种方法来表征环氧胶黏剂的适用期。E240E/E244H的适用期大约是30～50 min，适合于叶片局部修补。而E240E/E244H环氧胶黏剂的适用期超过了250 min。适用期明显长于标杆产品的170 min，适合用于合模粘接。

图7对比了环氧胶黏剂的玻璃化转变温度随固化时间的变化。从图中可以看出，快速固化剂都70℃固化2.5 h后就具有75℃以上的玻璃化转变温度（Tg）。慢速固化剂需在70℃下固化5 h以上，Tg才能达到70℃。而标杆产品也需要这么长的时间。这说明尽管E240E/E244H环氧胶黏剂在室温下反应速度较慢，在70℃的中温条件下，能够和标杆产品达到近似的固化速度。

图6 环氧胶黏剂可使用时间对比

图7 环氧胶黏剂玻璃化转变温度发展对比

（4）浇铸体力学性能

表1对比了E240E/E244H环氧胶黏剂和标杆产品的本体力学性能和耐热性能。值得注意的是，E240E/E244H环氧胶黏剂的冲击强度达到了标杆产品的水平，而断裂伸长率达到2.27%，高于标杆产品的1.77%。E240E/E244H环氧胶黏剂的韧性优于标杆产品，在同等条件下，胶黏剂开裂的几率更低。这说明通过固化剂改性的方法完全能够获得具有良好柔韧性的胶黏剂产品。

表1 环氧胶黏剂本体力学性能和耐热性能

（5）粘接性能

通过剪切强度和剥离强度的对比来描述环氧胶黏剂的粘接性能，见表2。其中，剥离强度测试图片见图8。在不同测试条件下的DTR E240E环氧胶黏剂的剪切强度和剥离强度都达到了标杆产品的水平。说明该环氧胶黏剂具有良好的粘接性能。

表2 环氧胶黏剂粘接性能

图8 环氧胶黏剂剥离强度测试图片

（6）耐蠕变性能

根据GL的要求，在60%的剪切载荷下测试192 h环氧胶黏剂的耐蠕变长度，以表征材料的耐蠕变性能。蠕变性能测试采用纤维增强树脂材料（FRP）作为粘接材质。E240E/E244H环氧胶黏剂在60%剪切载荷下测试192 h几乎不发生蠕变，见表3。满足设计要求。

表3 环氧胶黏剂的耐蠕变性能

2.2DTR E240E环氧胶黏剂的应用

图9 DTR E240E系列环氧胶黏剂制备叶片的静力实验图片

将DTR E240E系列环氧胶黏剂应用在1.5 MW（43.5m）和2.0 MW（58 m）叶片上，从黏度、可操作时间、现场施工情况、固化速度、固化后叶片的粘接情况等方面考察该环氧胶黏剂的实际使用情况，结果表明：该环氧胶黏剂完全满足风电叶片合模施工要求，粘接区域没有明显的开裂、细微裂纹等缺陷。选择一只2.0 MW的风电叶片进行静力实验，见图9。固定载荷下，叶片的应变值与理论值吻合，整个实验过程中未出现粘接区域破坏等情况。

3 结论

采用对固化剂进行改性的方法，获得了具有良好韧性的环氧胶黏剂产品，所制备的DTR E240E系列环氧胶黏剂还具有低黏度、良好的触变性能、长适用期、良好的浇铸体性能和耐热性能、优异的粘接性能、耐蠕变性能。所有的性能都达到或超过了标杆产品的水平，且满足设计要求。该产品还具有制备方法简单、设备投资小、制备的产品经济性好等优势。DTR E240E系列环氧胶黏剂在1.5 MW，2.0 MW风电叶片上进行了试用，效果良好。该产品具有较广阔的应用和市场前景。

[1]KPSubrahmanian,FDubouloz.Adhesives for bonding wind turbine blades[J].reinforced Plastic,2009,53(1):26-29.

[2]周百能,杨红,钟连兵.风力发电机叶片灌注环氧树脂的研制[J],东方电气评论,2012,26(2):62-67.

[3]ABS.Baitinger,JBossaerts,CWKensche,et al.应用于未来叶片的环氧树脂和胶粘剂[J].电气制造,2010,(3):68-71.

[4]EMPetrie.Epoxy Adhesive Formulation,2006.

[5]夏建陵,万厉,杨小华,等.风力发电机叶片用环氧树脂胶粘剂的研究[J].热固性树脂,2008,23(51):9-11.

[6]许愿,王建斌,解海华.一种风电级双组分环氧胶粘剂及其制备方法:CN101550325[P].2009.

[7]侯一斌,姚其胜,陆企亭,等.一种用于风力发电叶片结构胶的改性环氧树脂及制备方法:CN101525439[P].2009.

[8]李敏,王章安,顾轶卓,等.一种用于兆瓦级风力发电叶片的碳纳米管增强环氧结构胶及其制备方法: CN102277117A[P].2011.

[9]周百能,卢毅,翟保利,等.一种用于制造风力发电机叶片的环氧树脂胶粘剂及其制备方法:CN101851481A [P].2010.

Study on DTR E240E Epoxy Adhesive for Wind Turbine Blades

Zhou Baineng，Li Wenke，Yang Hong，Zhai Baoli，Wang Ping，Zhou Ping，Zhong Lianbing，Xiao Yi
（Sichuan Dongshu New Materials Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The development situation of epoxy adhesive for wind turbine blades and the requirement of wind turbine blades were brief⁃ly introduced in this paper.DTR E240E epoxy adhesive for wind blades was developed by modification of curing agent.Processing properties,casting mechanical properties,cohesive performance and creep resistance of this adhesive were tested respectively.The re⁃sult showed that DTR E240E epoxy adhesive with good comprehensive properties met requirements of wind turbine blades very well. DTR E240E epoxy adhesive system had been used in 1.5 MW and 2.0 MW wind turbine blades successfully.

wind turbine blades,bonding,epoxy adhesive,application

TM315

A

1674-9987（2016）04-0041-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.009

周百能（1984-），男，2008年毕业于中国科学技术大学分析化学专业，现从事风力发电相关非金属材料产品研发工作。