（四川東樹新材料有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

DTR E240E風(fēng)電葉片用環(huán)氧膠黏劑的研制

周百能，李文可，楊紅，翟保利，王萍，周平，鐘連兵，肖毅

（四川東樹新材料有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

文章在綜述風(fēng)電葉片用環(huán)氧膠黏劑國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，風(fēng)電葉片在環(huán)氧膠黏劑的性能要求的基礎(chǔ)上，采用固化劑改性的方法研制出DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑。對(duì)該膠黏劑的工藝性能、澆鑄體力學(xué)性能、粘接性能及耐蠕變性能進(jìn)行了詳細(xì)的表征。結(jié)果表明DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑擁有良好的綜合性能，完全滿足風(fēng)電葉片的要求。DTR E240E系列風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑成功地應(yīng)用于1.5 MW和2.0 MW風(fēng)電葉片上。

風(fēng)電葉片，粘接，環(huán)氧膠黏劑，應(yīng)用

0 引言

在常見的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中，風(fēng)電葉片由上、下2個(gè)殼體及剪切梁組成。這3個(gè)部分通過(guò)膠黏劑相互粘接形成一個(gè)牢固的整體。膠黏劑在葉片上粘接位置示意圖見圖1[1]，膠黏劑在葉片殼體上施膠后的圖片見圖2。常見的用于葉片粘接的膠黏劑有不飽和聚酯膠黏劑、乙烯基樹脂膠黏劑、環(huán)氧膠黏劑、丙烯酸膠黏劑以及聚氨酯膠黏劑等。由于環(huán)氧膠黏劑具有粘接性好、固化過(guò)程中無(wú)小分子物質(zhì)揮發(fā)、氣味小、尺寸收縮小、固化內(nèi)應(yīng)力低、良好的耐疲勞性能以及價(jià)格適中等優(yōu)勢(shì)[2]，是目前風(fēng)電葉片最常用的膠黏劑[3-4]。

圖1 環(huán)氧膠黏劑在風(fēng)電葉片上粘接位置示意圖

圖2 環(huán)氧膠黏劑在葉片殼體上施膠后的圖片

在兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上，需要粘接的位置為從葉根到葉尖幾十米長(zhǎng)的區(qū)域，粘接層厚度經(jīng)常達(dá)到10 mm以上。這在膠黏劑其他應(yīng)用領(lǐng)域是很少見的。風(fēng)電葉片安裝到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上后，葉片在風(fēng)的作用下要發(fā)生震動(dòng)[1]，風(fēng)電葉片需要具有20年的使用壽命。這些生產(chǎn)和應(yīng)用條件對(duì)風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑材料提出了很高的要求，如要求環(huán)氧膠黏劑對(duì)基體材料具有良好的潤(rùn)濕性能、良好的觸變性能、良好的強(qiáng)度和韌性平衡、優(yōu)異的粘接性能等[5]。葉片設(shè)計(jì)公司和權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電葉片環(huán)氧膠黏劑材料最低性能都有明確的規(guī)定，如德國(guó)勞氏船級(jí)社（GL）規(guī)定剪切強(qiáng)度≥12 MPa，剝離強(qiáng)度≥2 N/mm,熱變形溫度≥65℃等。

目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電葉片所使用的環(huán)氧膠黏劑主要由國(guó)外公司如邁圖（Momentive）、陶氏（Dow）等知名公司供應(yīng)，市場(chǎng)被國(guó)外公司所占據(jù)，近年來(lái)風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑材料在國(guó)內(nèi)是研究熱點(diǎn)，國(guó)家科技部出臺(tái)“863”項(xiàng)目計(jì)劃“MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片原材料國(guó)產(chǎn)化”，以鼓勵(lì)這種材料的國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開展了大量的工作，主要著眼于如何解決傳統(tǒng)環(huán)氧膠黏劑在柔韌性方面的不足。如中國(guó)專利CN101550325A公開了一種風(fēng)電級(jí)雙組份環(huán)氧膠黏劑及其制備方法，在環(huán)氧樹脂引入丙烯酸鏈以提高環(huán)氧樹脂的柔韌性[6]。中國(guó)專利CN101525439A公開了一種用于風(fēng)力發(fā)電葉片結(jié)構(gòu)膠的改性環(huán)氧樹脂及制備方法，通過(guò)在環(huán)氧樹脂中引入柔性的聚氨酯鏈段達(dá)到增加環(huán)氧樹脂柔韌性的效果[7]。中國(guó)專利CN102277117A公開了一種用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電葉片的碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠及其制備方法，采用在環(huán)氧膠黏劑中增加碳納米管增強(qiáng)液的方法以達(dá)到提高材料柔韌性和耐疲勞性能的目的[8]。國(guó)外在風(fēng)電葉片環(huán)氧膠黏劑的研究上又有了一些新動(dòng)向，如Huntsman先進(jìn)材料公司的K.P.Subrah?manian,F.Dubouloz等人認(rèn)為通過(guò)無(wú)機(jī)納米粒子增韌往往達(dá)不到良好的增韌效果，他們采用有機(jī)納米粒子增韌，材料韌性獲得顯著的提高。然而，無(wú)論是對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行接枝改性還是采用納米粒子進(jìn)行增韌都會(huì)帶來(lái)材料成本的顯著提高，且制備工藝復(fù)雜，設(shè)備投資大。

本文采用了一種新型的固化劑改性方法進(jìn)行增韌[9]。研制出DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑，包括主劑E240E、快速固化劑（E242H）和慢速固化劑（E244H）。系統(tǒng)地測(cè)試了該環(huán)氧膠黏劑體系的性能。結(jié)果表明，所開發(fā)的配方具有良好的工藝性能、澆鑄體性能和粘接性能且制備方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好。開發(fā)的環(huán)氧膠黏劑在1.5 MW和2.0 MW風(fēng)機(jī)葉片上進(jìn)行了試用，效果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與試劑

1.1.1 儀器

流變儀：英國(guó)馬爾文Bohlin CVO；精密電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：日本Shimadzu ACIC-100 kN；示差掃描量熱儀（DSC）：德國(guó)Netzsch 200F3；真空干燥箱：上海精宏。

1.1.2 試劑

E240E環(huán)氧膠黏劑、E242H和E244H環(huán)氧膠黏劑固化劑：工業(yè)級(jí)，東方汽輪機(jī)有限公司；進(jìn)口環(huán)氧膠黏劑：工業(yè)級(jí)。

1.2固化機(jī)理

DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑是主劑（E240E）與胺類固化劑（E242H、E244H）的雙組份體系。其固化機(jī)理為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與胺類固化劑的氨基反應(yīng)，反應(yīng)基本原理如圖3所示。

圖3 環(huán)氧基與氨基的反應(yīng)原理

如圖3所示，環(huán)氧基與伯氨基反應(yīng)先生成仲氨基化合物，而后仲氨基化合物與環(huán)氧基團(tuán)繼續(xù)反應(yīng)生成叔氨基化合物。實(shí)際上，使用的環(huán)氧樹脂和胺類固化劑均為多官能團(tuán)化合物，所以固化時(shí)會(huì)逐步反應(yīng)生成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

DTR E240E系列風(fēng)能環(huán)氧膠黏劑為實(shí)驗(yàn)室自制。

黏度采用流變儀測(cè)試，剪切速率5～50 s-1，測(cè)試溫度25℃；放熱峰曲線測(cè)試：在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，取E240E環(huán)氧膠黏劑100 g加入固化劑45 g充分混合測(cè)試放熱峰曲線；拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度依據(jù)GB/T 2567的方法進(jìn)行測(cè)試；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度依據(jù)GB/T 19466的方法進(jìn)行測(cè)試；剪切強(qiáng)度依據(jù)DIN EN 1465的方法進(jìn)行測(cè)試，粘接厚度0.5 mm，粘接材質(zhì)為鋁；剝離強(qiáng)度采用ISO 11339的方法進(jìn)行測(cè)試，粘接厚度0.5 mm，粘接材質(zhì)為鋁；采用某進(jìn)口的環(huán)氧膠黏劑（標(biāo)記為H）作為標(biāo)桿產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的性能表征

（1）黏度

為了達(dá)到良好的堆積高度，風(fēng)電環(huán)氧膠黏劑一般具有很高的黏度。然而，當(dāng)黏度過(guò)高，會(huì)影響膠黏劑對(duì)基體材料的潤(rùn)濕，影響粘接效果。圖4描述了E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在5～50 s-1下的黏度曲線。和標(biāo)桿產(chǎn)品對(duì)比，E240E/E244H膠黏劑黏度略低，因此，對(duì)基體材料具有更好的潤(rùn)濕性能，葉片粘接時(shí)不容易開裂。同時(shí)可以看出，E240E/E244H的觸變性和標(biāo)桿產(chǎn)品類似。

圖4 環(huán)氧膠黏劑在5～50 s-1下的黏度曲線對(duì)比

（2）堆積高度

E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的堆積高度實(shí)驗(yàn)見圖5，該環(huán)氧膠黏劑產(chǎn)品的平面堆積高度和立面堆積高度都大于50 mm，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的使用要求。

圖5 環(huán)氧膠黏劑堆積高度

（3）適用期和固化時(shí)間

圖6從表干時(shí)間和放熱溫度曲線兩種方法來(lái)表征環(huán)氧膠黏劑的適用期。E240E/E244H的適用期大約是30～50 min，適合于葉片局部修補(bǔ)。而E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的適用期超過(guò)了250 min。適用期明顯長(zhǎng)于標(biāo)桿產(chǎn)品的170 min，適合用于合模粘接。

圖7對(duì)比了環(huán)氧膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨固化時(shí)間的變化。從圖中可以看出，快速固化劑都70℃固化2.5 h后就具有75℃以上的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。慢速固化劑需在70℃下固化5 h以上，Tg才能達(dá)到70℃。而標(biāo)桿產(chǎn)品也需要這么長(zhǎng)的時(shí)間。這說(shuō)明盡管E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在室溫下反應(yīng)速度較慢，在70℃的中溫條件下，能夠和標(biāo)桿產(chǎn)品達(dá)到近似的固化速度。

圖6 環(huán)氧膠黏劑可使用時(shí)間對(duì)比

圖7 環(huán)氧膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度發(fā)展對(duì)比

（4）澆鑄體力學(xué)性能

表1對(duì)比了E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑和標(biāo)桿產(chǎn)品的本體力學(xué)性能和耐熱性能。值得注意的是，E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的沖擊強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平，而斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到2.27%，高于標(biāo)桿產(chǎn)品的1.77%。E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑的韌性優(yōu)于標(biāo)桿產(chǎn)品，在同等條件下，膠黏劑開裂的幾率更低。這說(shuō)明通過(guò)固化劑改性的方法完全能夠獲得具有良好柔韌性的膠黏劑產(chǎn)品。

表1 環(huán)氧膠黏劑本體力學(xué)性能和耐熱性能

（5）粘接性能

通過(guò)剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度的對(duì)比來(lái)描述環(huán)氧膠黏劑的粘接性能，見表2。其中，剝離強(qiáng)度測(cè)試圖片見圖8。在不同測(cè)試條件下的DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度都達(dá)到了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平。說(shuō)明該環(huán)氧膠黏劑具有良好的粘接性能。

表2 環(huán)氧膠黏劑粘接性能

圖8 環(huán)氧膠黏劑剝離強(qiáng)度測(cè)試圖片

（6）耐蠕變性能

根據(jù)GL的要求，在60%的剪切載荷下測(cè)試192 h環(huán)氧膠黏劑的耐蠕變長(zhǎng)度，以表征材料的耐蠕變性能。蠕變性能測(cè)試采用纖維增強(qiáng)樹脂材料（FRP）作為粘接材質(zhì)。E240E/E244H環(huán)氧膠黏劑在60%剪切載荷下測(cè)試192 h幾乎不發(fā)生蠕變，見表3。滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 環(huán)氧膠黏劑的耐蠕變性能

2.2DTR E240E環(huán)氧膠黏劑的應(yīng)用

圖9 DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑制備葉片的靜力實(shí)驗(yàn)圖片

將DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑應(yīng)用在1.5 MW（43.5m）和2.0 MW（58 m）葉片上，從黏度、可操作時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)施工情況、固化速度、固化后葉片的粘接情況等方面考察該環(huán)氧膠黏劑的實(shí)際使用情況，結(jié)果表明：該環(huán)氧膠黏劑完全滿足風(fēng)電葉片合模施工要求，粘接區(qū)域沒有明顯的開裂、細(xì)微裂紋等缺陷。選擇一只2.0 MW的風(fēng)電葉片進(jìn)行靜力實(shí)驗(yàn)，見圖9。固定載荷下，葉片的應(yīng)變值與理論值吻合，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)粘接區(qū)域破壞等情況。

3 結(jié)論

采用對(duì)固化劑進(jìn)行改性的方法，獲得了具有良好韌性的環(huán)氧膠黏劑產(chǎn)品，所制備的DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑還具有低黏度、良好的觸變性能、長(zhǎng)適用期、良好的澆鑄體性能和耐熱性能、優(yōu)異的粘接性能、耐蠕變性能。所有的性能都達(dá)到或超過(guò)了標(biāo)桿產(chǎn)品的水平，且滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品還具有制備方法簡(jiǎn)單、設(shè)備投資小、制備的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)。DTR E240E系列環(huán)氧膠黏劑在1.5 MW，2.0 MW風(fēng)電葉片上進(jìn)行了試用，效果良好。該產(chǎn)品具有較廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

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

[2]周百能,楊紅,鐘連兵.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片灌注環(huán)氧樹脂的研制[J],東方電氣評(píng)論,2012,26(2):62-67.

[3]ABS.Baitinger,JBossaerts,CWKensche,et al.應(yīng)用于未來(lái)葉片的環(huán)氧樹脂和膠粘劑[J].電氣制造,2010,(3):68-71.

[4]EMPetrie.Epoxy Adhesive Formulation,2006.

[5]夏建陵,萬(wàn)厲,楊小華,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片用環(huán)氧樹脂膠粘劑的研究[J].熱固性樹脂,2008,23(51):9-11.

[6]許愿,王建斌,解海華.一種風(fēng)電級(jí)雙組分環(huán)氧膠粘劑及其制備方法:CN101550325[P].2009.

[7]侯一斌,姚其勝,陸企亭,等.一種用于風(fēng)力發(fā)電葉片結(jié)構(gòu)膠的改性環(huán)氧樹脂及制備方法:CN101525439[P].2009.

[8]李敏,王章安,顧軼卓,等.一種用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電葉片的碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠及其制備方法: CN102277117A[P].2011.

[9]周百能,盧毅,翟保利,等.一種用于制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的環(huán)氧樹脂膠粘劑及其制備方法: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年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)力發(fā)電相關(guān)非金屬材料產(chǎn)品研發(fā)工作。