風電葉片二次合模用腹板粘接結構膠研究

顧明泉 陳煌 劉芳 汪明珠 姚其勝

摘要：以特種支化醇醚芳酯胺改性某縮水甘油醚自制增韌劑，以自有專利合成環氧改性脂環胺固化劑，然后以雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、稀釋劑、玻璃纖維、觸變劑、功能助劑、酚醛聚酰胺和自制的特種增韌劑及脂環胺固化劑等為原料制備了風電葉片二次合模用腹板粘接結構膠，研究了其制備工藝和流變黏度、放熱峰和開放時間、拉伸強度、沖擊強度、玻璃化轉變溫度、剪切強度和剪切疲勞等指標性能，結果表明：本研究制備的快速結構膠，具備40min以上操作時間和優化的快速定位時間，其余性能參數均滿足風電級設計需求。

關鍵詞：風電葉片;腹板;快速定位;結構膠;二次合模

中圖分類號：TQ436⁺.4文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0017-08

2015年是中國風電發展的高峰，隨著陸上I、II類風電場建設日趨飽及多地棄風限能，風電謀求向低風速地帶和海上轉移，制造與應用呈現出大功率化、分散式和高能效態。作為捕風生能的關鍵部件，三年來，60～80m級大型化風輪葉片被廣泛研制并應用，這對粘接成型用結構膠提出了更多、更高的要求，更大更長的葉片不僅要提高技術質量，還要方便成型并提升制造效率。二次合模、分段制造、葉片延長等工藝技術紛紛引入，然而，縮短過程時間、提升制造效率，仍是行業難題。為此，我們研究開發了一種新型風電葉片快速結構膠，用于二次合模粘接，取得可行性成果，期望能為葉片制造時提質增效作出貢獻。

1實驗部分

1.1原材料

0164環氧樹脂，工業級，無錫藍星石油化工有限責任公司;830環氧樹脂，工業級，迪愛生投資有限公司;特種支化醚醇芳酯胺改性某縮水甘油醚增韌劑，自制;稀釋劑，工業級，無錫惠隆電子材料有限公司;玻璃纖維，工業級，浙江;觸變劑，工業級，日本;功能助劑，工業級，臺灣;柔性支鏈酚醛合成新型聚酰胺，工業級，廣東;環氧改性脂環胺，自制。

1.2儀器與設備

真空雙行星動力混合機系統，2L-1000L，山東;旋轉流變儀，MCR302，奧地利;示差掃描量熱儀，DSC，瑞士;熱電偶無紙記錄儀，XSR80，北京;微機控制電子萬能試驗機，50kN，英國;塑料擺錘式沖擊試驗機，ZBC，上海;動態和疲勞試驗系統，8801，美國;電熱鼓風干燥箱，熱程200℃，上海;實驗室溫濕度記錄儀，上海。

1.3風電葉片二次合模用腹板粘接結構膠的制備

1.3.1腹板粘接膠A組分制備

在反應器中加入特種支化醇醚芳酯胺和某縮水甘油醚，其氨基與縮水甘油醚的物質的量比例控制在0.1：1以下，常壓、50℃條件混合攪拌反應0.5～1h，再升溫至70℃攪拌反應4-5h，加載真空脫水除氣條件，繼續升溫至90℃攪拌反應2-3h，最后升溫至125℃攪拌反應1h，降溫停機后得到特種支化醇醚芳酯胺局部改性的縮水甘油醚增韌劑。

將雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、特種支化醇醚芳酯胺改性縮水甘油醚增韌劑、稀釋劑、玻璃纖維、觸變劑、功能助劑（包含黃相著色劑）投入真空雙行星動力混合機系統，室溫至70℃區間內攪拌分散混合0.5～1h，清理不均勻物料使摻人混合體中，然后在大于-0.09MPa的真空壓力繼續攪拌分散2～5h至完全混合均勻，制得腹板粘接膠的A組分。

1.3.2腹板粘接膠B組分制備

采用康達新能源某專利方法，首先對某種快速型脂環胺進行環氧化預聚合，制得環氧改性脂環胺。接著將柔性支鏈酚醛合成新型聚酰胺、環氧改性脂環胺、玻璃纖維、觸變劑、功能助劑（包含藍相著色劑）投入真空雙行星動力混合機系統，室溫至50℃區間內攪拌分散混合0.5-1h，清理不均勻物料使摻人混合體中，然后在大于-0.09MPa的真空壓力繼續攪拌分散2-5h至完全混合均勻，制得腹板粘接膠的B組分。

1.3.3新型風電葉片快速結構膠的制備

通過物料品種和成分含量的調節，系列化制備上述A組分和B組分并不斷優化，優選出一種各項綜合性能指標達到風電級，且操作時間在40min以上而40℃固化定位時間小于3.5h（較慢速合模結構膠溫度和時間各縮減一半），同時具有更優動態韌性和更佳粘接性的快速結構膠產品。

1.4測試與表征

制得新型風電葉片快速結構膠，簡稱“康達快膠”;另獲得某進口供應商的快速結構膠膠樣，簡稱“進口快膠”。將兩種膠進行如下對比測試。

（1）流變黏度：采用流變儀測試，分別考察了黏度隨剪切率的變化、隨溫度的變化以及隨凝膠時間的變化，剪切速率變化區間2-50s^-1/25℃，溫度變化區間5～50℃/10s^-1，凝膠時間考察區間為0～120min/25℃/10s^-1;

（2）放熱峰曲線和開放時間測試：在23℃、35℃、45℃溫度環境中，分別制備100g杯膠和200mm×50mm×20mm的長方體堆積膠測試放熱峰曲線;在35℃環境中，通過一定時間段開放后再疊合的FRP/FRP拉伸剪切試樣加熱固化后測得的剪切強度變化來判定開放時間;

（3）拉伸強度、沖擊強度分別依據ISO 527-2和ISO179-1等標準方法，針對-45℃、23℃和50℃3種溫度條件進行測試;

（4）玻璃化轉變溫度：依據GB/T 19466的方法進行測試;

（5）剪切強度：依據GB/T 7124的方法進行測試，粘接厚度0.5mm、3mm，粘接材質為FRP玻璃鋼;

（6）剪切疲勞性能：依據ISO 9664的方法進行測試。

2結果與討論

2.1流變黏度

結構膠流變黏度對風電葉片的粘接制造工藝影響重大，不僅要適應在線自動涂膠機的打膠工序，而且要有較強抗流掛性以適應堆積填縫30mm以上的要求，還要對玻璃鋼基材表面產生良好的潤濕性。

制得新型風電葉片快速結構膠和進口膠混合流變黏度隨剪切率的變化、隨溫度的變化以及隨凝膠反應時間的變化，結果如圖3～5所示。

如圖3所示，兩種膠的流變黏度隨剪切率增大而降低的趨勢基本一致，指標測試值也非常接近，均適用于風電葉片粘接合模時的打膠機作業;相對而言，康達快膠黏度抗剪切能力稍強，打出膠保持黏性定型態能力略高。

如圖4所示，兩種膠的流變黏度隨溫度的升高而降低，在同等溫度下，康達快膠的黏度高于進口快膠，表明前者耐高溫抗流性更足，但后者在低溫環境表現較好些。

如圖5所示，兩種膠的流變黏度隨凝膠反應時間的增大而緩慢增長，一旦過了約80min后，康達快膠黏度增長趨勢迅速上升，可令腹板定位硬度和粘接強度獲得迅速提高，有利于縮短腹板粘接工序的時間，提升一次合模效率。

2.2放熱峰曲線和開放時間

分別測試100g杯膠和350g長方體的放熱峰值，另增加了一種參考性快膠測試，結果如下圖6～11所示。

由上述放熱峰曲線測試圖表明，除參考膠樣外，康達快膠較進口快膠具有更快固效果和更低放熱，不過膠凝初固時間相差僅僅5～10min，差異較小。從達到放熱峰時間考察，康達快膠和進口快膠的在23℃環境中均超過40min，在35℃高溫環境中均超過30min，這些可以滿足實用化的需求。

開放時間的測試方法為：采用FRP/FRP拉伸剪切強度判斷，膠層厚度3mm，從膠開始混合到涂膠面疊合時的時刻分別取0min、30min、45min、1h等以此類推，然后放置于70℃烘箱中固化6b，測試拉伸剪切強度，考察強度開始下降或者因故低于GL技術規范指標要求的時刻。2種膠測得的開放時間結果如下表1和表2。

由表1和表2，進口快膠的開放時間太短，在15～30min對玻璃鋼基材的粘接強度就迅速下降，這就無法滿足大葉片開放式施膠粘接的需要。而康達快膠開放時間大于40min，完全滿足腹板粘接工序實用化的需求。

2.3拉伸強度和沖擊強度

大型動態結構在生命周期內擁有持續且穩定的機械性能，是風電葉片最重要的功用特性。本次測試拉伸性能和沖擊強度，獲得測試數據如下圖12～13以及數據表3。

從本體拉伸性能來看，兩種結構膠的本體拉伸強度和彈性模量均能滿足風電級結構膠機械力學設計要求，其中進口快膠的拉伸強度和模量超高;然而其斷裂拉伸應變卻不滿足諸多葉片廠家設計的常溫≥1.5%的要求，為1.4%，證明其強度大而剛性足的同時未能兼顧延展韌性的需求。

從沖擊強度看，進口快膠測試數據未能達到諸多大葉片設計的≥10kJ/m²的要求，說明其不能滿足大葉片對于抗沖脆裂的動態韌性的需求。

而康達快膠合理平衡了強度、剛性、韌性的關系，能夠適應從-45℃-50℃寬幅度應用環境溫度條件的應用指標要求，在滿足葉片結構膠綜合性能指標的前提下，做到剛柔并濟，其韌性表現較為突出，應對延長葉片動態壽命有益。

2.4玻璃化轉變溫度（T_g）

DSC是研究反應動力學常用方法之一。本實驗采用DSC法測量結構膠固化不同時間的T_g，分別考察了前0.5～4h的固化前期T_g發展情況（每間隔0.5h測試一次）以及固化后期反應完全程度，采用小料或薄層樣型，前期考察時加熱固化溫度為40℃，后期考察時過程加熱固化溫度為75℃。由此測得的T_g數據和變化曲線如下圖14～15和表4～5所示。

從圖14～15及表4～5分析，2種結構膠在加熱固化前期的反應趨勢基本一直，T_g均隨著固化時間的延長而增長，也均在150min前后超過了（23±2）℃的標準常溫環境條件，使得結構膠具備了定位硬度和聚合粘接強度。從180min以后，進口快膠的增長幅度明顯加大，一方面由于體系不同導致，另一方面過快的T_g增長必然蓄積更大的反應熱應力。

從表5考察分析，康達快膠在固化6h時T_g達到最高，反應已經完全，后續的加熱使其熱力得以平穩釋放;而進口快膠在sh時T_g才達已測高峰，反應完全程度未知，從6h起開始釋放應力，表現較延遲而非均勻態，與腹板粘接快速化要求有所出入。

2.5剪切強度

粘接性能是風電葉片合模結構膠成功應用的主要關鍵特性。本實驗從拉伸剪切強度評價來表征結構膠粘接性能的優劣，針對-45℃、23℃、50℃3種應用環境條件，測試了兩種結構膠不同粘接厚度的拉伸剪切強度，獲得測試數據如下圖16～19以及數據表6。

圖16～19和表6表明，2種結構膠的粘接性能表現雖有一些差異，但都達到了GL認證規范要求的≥12MPa的技術指標，均達到葉片粘接制造的設計要求。

2.6剪切疲勞性能

剪切疲勞性能動態耗損是保障風電葉片膠接使用壽命最為關鍵的特性之一。本實驗采用ISO 9664的標準方法，對兩種結構膠FRP/FRP剪切疲勞性能進行了上機測試，得出S-N曲線和m值，并推導出10⁶次循環的極限疲勞強度，粘接厚度1.5mm，動靜平均應力比0.1，頻率30Hz，測試結果如下圖20～21所示。

圖20～21表明，兩種結構膠的抗動態耗損剪切作用的特性基本相當，m值均超過諸多葉片制造商設計規范要求的≥7的指標，極限疲勞強度均達到葉片粘接制造的設計要求。

3結論

采用合成新型特種增韌劑和選用新型結構主固化劑等方法，熔合風電葉片合模結構膠制備技術，獲得一種快速環氧結構膠產品。

通過與某進口快膠進行同等綜合測試分析發現，制得的新型WD3135/3134系風電葉片快速結構膠具有更高韌性、快速固化性和合理的開放時間以及相對稍低的放熱峰溫度，且各項綜合性能均滿足諸多葉片制造商的設計規范要求。

本研究成果產品適合在風電葉片制造業推廣應用，用作二次合模中腹板粘接工序的結構膠，對模具玻璃鋼SS面和PS面粘接性優異，幫助縮短工序時間，降低擠出，提高生產效率，可望取得明顯的經濟集約化效益。