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风电叶片用结构胶的思考

2020-05-09 来源:风电新材料 浏览数:2570

风电叶片用环氧结构胶作为叶片五大主材之一,其性能的优劣将直接决定叶片的质量。尽管环氧类结构胶的应用已较为成熟,但实际中仍然存在一些问题需要完善和提升。例如:断裂伸长率较低导致其本体的韧性不足;考虑到工艺性能的改善,环氧型结构胶的流变特性也需要提升;结构胶主剂和固化剂混合后,需保证足够的可操作时间,同时应尽量控制固化放热量,避免粘接性能的降低。鉴于此,国电联合动力技术有限公司李沛欣等研究人员着重综述了在环氧结构胶增韧、触变性能提升以及放热特性方面取得的研究进展,并结合实际应用情况,对比了目前主流结构胶的性能

  风电叶片用环氧结构胶作为叶片五大主材之一,其性能的优劣将直接决定叶片的质量。尽管环氧类结构胶的应用已较为成熟,但实际中仍然存在一些问题需要完善和提升。例如:断裂伸长率较低导致其本体的韧性不足;考虑到工艺性能的改善,环氧型结构胶的流变特性也需要提升;结构胶主剂和固化剂混合后,需保证足够的可操作时间,同时应尽量控制固化放热量,避免粘接性能的降低。鉴于此,国电联合动力技术有限公司李沛欣等研究人员着重综述了在环氧结构胶增韧、触变性能提升以及放热特性方面取得的研究进展,并结合实际应用情况,对比了目前主流结构胶的性能差异。
  
  1  环氧结构胶韧性的增强
  
  风机在运行过程中,叶片会不断地受到风振动的影响。环氧型结构胶尽管具有较强的粘接和良好的拉剪性能,但其断裂伸长率较低,本体的韧性不足。如果结构胶的韧性不能达到要求,那么其粘接性能很容易失效,不能再承受应力,叶片内部的复合结构也会受到损伤而失效。因此,对环氧类结构胶进行韧性增强具有重要意义。目前,环氧结构胶增韧方式主要有:橡胶类弹性体增韧、热塑性树脂增韧、利用互穿网络结构(IPN)增韧、纳米粒子增韧、固化剂引入柔性链段增韧以及复合技术增韧等。
  
  在众多增韧技术中,复合增韧可以同时利用多种增韧技术的优点,以达到不牺牲原有强度的基础上达到增韧的效果。研究人员使用丙烯酸改性和核壳橡胶双增韧技术制备双组分环氧结构胶,使增韧环氧结构胶的性能得到明显改善。其中,断裂伸长率可达5%以上,拉伸强度达到70 MPa,拉伸模量达到4.0 GPa以上,冲击强度大于15 kJ/m2。另外研究人员首先将环氧基体用自制抗冲击改性剂进行增柔处理,在此基础上,固化剂组分使用大量刚性结构的芳香胺固化剂进行增韧,另外添加纳米钙、硅微粉等纳米粒子进一步进行增韧处理。研究结果表明,结构胶本体平均拉伸强度为58.73MPa,平均剪切强度为27.92MPa,平均剥离强度为2.48 N/mm,上述指标均优于风力发电机组风轮叶片环氧结构胶技术要求。该研究表明,经过多种手段增柔增韧环氧结构胶对更大尺寸风电叶片的粘接具有较强的适用性能,在满足高韧性的前提下,真正实现了高强度、高模量的综合性能。
  
  2  触变性能的提升
  
  叶片结构胶的触变性能对其工艺性能具有重要的影响,环氧树脂和固化剂在混合后必须迅速产生“非流挂”特性,特别是应用于厚度可达叶片结构胶的触变性能对其工艺性能具有重要的影响,环氧树脂和固化剂在混合后必须迅速产生“非流挂”特性,特别是应用于厚度可达20~30 mm的垂直表面时,并保持初始形状,直到凝胶化或下一个加工步骤。在高剪切速率作用下表现较低的黏度,在低剪切速率下表现较高的黏度,可保证结构胶具有优异的工艺性能。因此在叶片的合模过程中,使用高触变性结构胶是必不可少的。由图1可知:在剪切初始阶段,两种结构胶黏度呈现剧烈下降趋势,当剪切速率达到一定范围时(20~50 s-1)胶体黏度变化较小并逐渐趋于稳定。这两个体系中黏度变化规律是结构胶触变性的一个典型表现。从图中可以得出两种结构胶均具有较好的流变特性。

图1 结构胶黏度随剪切速率的变化曲线
  
  为了不产生流挂现象,常常使用触变剂来达到提升触变性能的目的。触变剂的类型主要分为物理类触变剂和化学类触变剂。在结构胶中常用的触变剂为物理类触变剂,如气相二氧化硅、碳酸钙、氢化蓖麻油以及其他类型的触变剂。尽管物理类触变剂在一定程度上改善了环氧类结构胶的触变性,然而在某些情况下,物理触变剂所产生的结构在高剪切速率下被部分破坏,不能迅速恢复。
  
  最近,越来越多的研究人员关注了化学触变剂对触变性能的提升,当最终的混合物在高剪切应力状态下应用于垂直表面时,具有良好的施工性能。对于化学触变剂,树脂和固化剂中均含有特定的组分,该触变剂不会大幅改变每个组分的黏度。当树脂和固化剂混合在一起时,特殊填料表面的酸实体会使高分子量的阳离子聚合物质子化,并且混合物可同时形成物理交联结构,如图2所示。化学触变剂在环氧树脂和固化剂混合过程中发挥作用,且不会在高剪切速率条件下被破坏,恢复良好,很好地控制黏度,触变性能表现优于物理触变剂结构胶。因此引入化学触变剂为未来开发叶片环氧结构胶提供了新思路。

图2 物理交联示意图
  
  3  对放热性能的合理提升
  
  目前,叶片环氧型结构胶由于作用成分主要为双组分,因而长期以来面临的难题是如何有效解决双组分结构胶施工前有较长的操作时间和施工后能够快速固化的矛盾。在实际生产中要保证结构胶具有足够的可操作时间(结构胶从混合到成为凝胶为操作时间),而且随着叶片的设计越来越长,对操作时间提出了更高的要求。科研人员通过一定的化学改性固化剂、促进剂或合成全新的固化剂等来实现操作时间长,固化速度快,同时放热峰较低的目的。通过引入潜伏型固化剂,特别是热敏型封闭固化剂,将固化剂部分活性通过事先的化学反应方法使之得以封闭,在双组分胶粘剂混合施工完成后,在模具后加温度的引发下,打开封闭的官能团,从而进行后续的化学反应。双氰胺、硼胺络合物、咪唑类化合物是应用较多的潜伏型固化剂。
  
  结语
  
  未来更大尺寸的MW级风电叶片对环氧型结构胶的性能提出了更高的要求,在开发研究中,需要了解各种增韧手段和增韧剂性能的优缺点,进行合理协同复合增韧,在保持高粘接强度的前提下,有效增强韧性;通过引入触变剂,特别是化学触变剂来改善工艺特性;通过优化固化剂来延长可操作时间,提高结构胶固化效率等。

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风电叶片 风机
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