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              風電葉片用結構膠的思考

              2020-05-09 來源:風電新材料 瀏覽數:2372

              風電葉片用環氧結構膠作為葉片五大主材之一,其性能的優劣將直接決定葉片的質量。盡管環氧類結構膠的應用已較為成熟,但實際中仍然存在一些問題需要完善和提升。例如:斷裂伸長率較低導致其本體的韌性不足;考慮到工藝性能的改善,環氧型結構膠的流變特性也需要提升;結構膠主劑和固化劑混合后,需保證足夠的可操作時間,同時應盡量控制固化放熱量,避免粘接性能的降低。鑒于此,國電聯合動力技術有限公司李沛欣等研究人員著重綜述了在環氧結構膠增韌、觸變性能提升以及放熱特性方面取得的研究進展,并結合實際應用情況,對比了目前主流結構膠的性能

              風電葉片用結構膠的思考

                風電葉片用環氧結構膠作為葉片五大主材之一,其性能的優劣將直接決定葉片的質量。盡管環氧類結構膠的應用已較為成熟,但實際中仍然存在一些問題需要完善和提升。例如:斷裂伸長率較低導致其本體的韌性不足;考慮到工藝性能的改善,環氧型結構膠的流變特性也需要提升;結構膠主劑和固化劑混合后,需保證足夠的可操作時間,同時應盡量控制固化放熱量,避免粘接性能的降低。鑒于此,國電聯合動力技術有限公司李沛欣等研究人員著重綜述了在環氧結構膠增韌、觸變性能提升以及放熱特性方面取得的研究進展,并結合實際應用情況,對比了目前主流結構膠的性能差異。
                
                1  環氧結構膠韌性的增強
                
                風機在運行過程中,葉片會不斷地受到風振動的影響。環氧型結構膠盡管具有較強的粘接和良好的拉剪性能,但其斷裂伸長率較低,本體的韌性不足。如果結構膠的韌性不能達到要求,那么其粘接性能很容易失效,不能再承受應力,葉片內部的復合結構也會受到損傷而失效。因此,對環氧類結構膠進行韌性增強具有重要意義。目前,環氧結構膠增韌方式主要有:橡膠類彈性體增韌、熱塑性樹脂增韌、利用互穿網絡結構(IPN)增韌、納米粒子增韌、固化劑引入柔性鏈段增韌以及復合技術增韌等。
                
                在眾多增韌技術中,復合增韌可以同時利用多種增韌技術的優點,以達到不犧牲原有強度的基礎上達到增韌的效果。研究人員使用丙烯酸改性和核殼橡膠雙增韌技術制備雙組分環氧結構膠,使增韌環氧結構膠的性能得到明顯改善。其中,斷裂伸長率可達5%以上,拉伸強度達到70 MPa,拉伸模量達到4.0 GPa以上,沖擊強度大于15 kJ/m2。另外研究人員首先將環氧基體用自制抗沖擊改性劑進行增柔處理,在此基礎上,固化劑組分使用大量剛性結構的芳香胺固化劑進行增韌,另外添加納米鈣、硅微粉等納米粒子進一步進行增韌處理。研究結果表明,結構膠本體平均拉伸強度為58.73MPa,平均剪切強度為27.92MPa,平均剝離強度為2.48 N/mm,上述指標均優于風力發電機組風輪葉片環氧結構膠技術要求。該研究表明,經過多種手段增柔增韌環氧結構膠對更大尺寸風電葉片的粘接具有較強的適用性能,在滿足高韌性的前提下,真正實現了高強度、高模量的綜合性能。
                
                2  觸變性能的提升
                
                葉片結構膠的觸變性能對其工藝性能具有重要的影響,環氧樹脂和固化劑在混合后必須迅速產生“非流掛”特性,特別是應用于厚度可達葉片結構膠的觸變性能對其工藝性能具有重要的影響,環氧樹脂和固化劑在混合后必須迅速產生“非流掛”特性,特別是應用于厚度可達20~30 mm的垂直表面時,并保持初始形狀,直到凝膠化或下一個加工步驟。在高剪切速率作用下表現較低的黏度,在低剪切速率下表現較高的黏度,可保證結構膠具有優異的工藝性能。因此在葉片的合模過程中,使用高觸變性結構膠是必不可少的。由圖1可知:在剪切初始階段,兩種結構膠黏度呈現劇烈下降趨勢,當剪切速率達到一定范圍時(20~50 s-1)膠體黏度變化較小并逐漸趨于穩定。這兩個體系中黏度變化規律是結構膠觸變性的一個典型表現。從圖中可以得出兩種結構膠均具有較好的流變特性。

              圖1 結構膠黏度隨剪切速率的變化曲線
                
                為了不產生流掛現象,常常使用觸變劑來達到提升觸變性能的目的。觸變劑的類型主要分為物理類觸變劑和化學類觸變劑。在結構膠中常用的觸變劑為物理類觸變劑,如氣相二氧化硅、碳酸鈣、氫化蓖麻油以及其他類型的觸變劑。盡管物理類觸變劑在一定程度上改善了環氧類結構膠的觸變性,然而在某些情況下,物理觸變劑所產生的結構在高剪切速率下被部分破壞,不能迅速恢復。
                
                最近,越來越多的研究人員關注了化學觸變劑對觸變性能的提升,當最終的混合物在高剪切應力狀態下應用于垂直表面時,具有良好的施工性能。對于化學觸變劑,樹脂和固化劑中均含有特定的組分,該觸變劑不會大幅改變每個組分的黏度。當樹脂和固化劑混合在一起時,特殊填料表面的酸實體會使高分子量的陽離子聚合物質子化,并且混合物可同時形成物理交聯結構,如圖2所示?;瘜W觸變劑在環氧樹脂和固化劑混合過程中發揮作用,且不會在高剪切速率條件下被破壞,恢復良好,很好地控制黏度,觸變性能表現優于物理觸變劑結構膠。因此引入化學觸變劑為未來開發葉片環氧結構膠提供了新思路。

              圖2 物理交聯示意圖
                
                3  對放熱性能的合理提升
                
                目前,葉片環氧型結構膠由于作用成分主要為雙組分,因而長期以來面臨的難題是如何有效解決雙組分結構膠施工前有較長的操作時間和施工后能夠快速固化的矛盾。在實際生產中要保證結構膠具有足夠的可操作時間(結構膠從混合到成為凝膠為操作時間),而且隨著葉片的設計越來越長,對操作時間提出了更高的要求??蒲腥藛T通過一定的化學改性固化劑、促進劑或合成全新的固化劑等來實現操作時間長,固化速度快,同時放熱峰較低的目的。通過引入潛伏型固化劑,特別是熱敏型封閉固化劑,將固化劑部分活性通過事先的化學反應方法使之得以封閉,在雙組分膠粘劑混合施工完成后,在模具后加溫度的引發下,打開封閉的官能團,從而進行后續的化學反應。雙氰胺、硼胺絡合物、咪唑類化合物是應用較多的潛伏型固化劑。
                
                結語
                
                未來更大尺寸的MW級風電葉片對環氧型結構膠的性能提出了更高的要求,在開發研究中,需要了解各種增韌手段和增韌劑性能的優缺點,進行合理協同復合增韌,在保持高粘接強度的前提下,有效增強韌性;通過引入觸變劑,特別是化學觸變劑來改善工藝特性;通過優化固化劑來延長可操作時間,提高結構膠固化效率等。

              標簽:

              風電葉片 風機
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