關鍵詞：風力發(fā)電葉片 膠粘劑

中圖分類號：O631 文獻標識碼：A 文章編號：1003-4862(2012)07-0028-03

0˙引言

風力發(fā)電具有資源再生、容量巨大、無污染和綜合治理成本較低等優(yōu)點，其開發(fā)和利用受到世界各國越來越多的關注[1,2]。世界各國在風能開發(fā)利用方面投資的持續(xù)增長，導致風力發(fā)電設備制造業(yè)成為許多國家最熱門的經(jīng)濟領域，相應的市場規(guī)模急劇擴大[3]。全球風能理事會(GWEC)發(fā)布的全球風電市場裝機數(shù)據(jù)顯示，全球風電產(chǎn)業(yè)2011年新增風電裝機容量達41,000MW，全球風能發(fā)電增長21%。2011年中國風電新增裝機達20GW。據(jù)預測，到2020年中國風電裝機容量有望達到3億千瓦左右[4]。目前各國正加快對風力發(fā)電機組的研究步伐，不斷推出新的技術(shù)和裝備。大型風力機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片殼體，芯材及其他玻璃纖維復合材料部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把葉片殼體與芯材，以及上、下半葉片殼體互相粘結(jié)，并將殼體縫隙填實，合模加壓固化后制成整體葉片[5]。其中使用的膠粘劑是葉片的重要結(jié)構(gòu)材料，直接關系到葉片的剛度和強度。隨著單機裝機容量的增加，風輪葉片也越來越長，主流尺寸已達到40米以上，最大葉片的長度甚至超過80米，重達5噸以上[6]。這就對合模粘接的膠粘劑提出了更嚴苛的技術(shù)要求。

伴隨著風電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，膠粘劑的市場需求越來越大。每生產(chǎn)一個葉片就要使用50到300千克的膠粘劑。世界各國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長速度非常快。在各國政府的推動下，風力發(fā)電還將持續(xù)快速增長很長一段時間，這為膠粘劑廠商創(chuàng)造了巨大的商機。

1˙風電葉片用膠粘劑的特性與種類

從風電葉片的應用來看，大型動態(tài)結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)擁有持續(xù)且穩(wěn)定的機械性能是最重要的。風電葉片必須承載周期性負荷以及在運轉(zhuǎn)中遭遇的極端天氣，這為葉片結(jié)構(gòu)設計提出了許多難以想象的要求。因此固定粘接關鍵部件的膠粘劑必須具有最優(yōu)異的力學性能和操作性能。一個可靠的風電葉片膠粘劑必須具備以下重要的功能：

a)具有較高的強度和韌性，必須能夠承受每個葉片的離心力;

b)具有優(yōu)異的操作特性，如不坍落、易泵輸?shù)?

c)具有良好的浸潤性和觸變性;

d)具有高抗壓性能，耐疲勞性能和抗老化性能;

e)膠粘劑的反應周期與葉片模具的工作周期要緊密吻合[7];

f)具有卓越的縫隙填充能力，能適合不同厚度的粘接帶;

g)低放熱和低固化收縮率。

目前，市場上主流的風電葉片用膠粘劑有環(huán)氧膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、改性丙烯酸酯膠粘劑。環(huán)氧膠粘劑與其他類型膠粘劑相比，具有膠接強度高、固化收縮率小、易于改性等優(yōu)點。環(huán)氧樹脂、固化劑及改性劑的品種很多，可通過合理而巧妙的配方設計，使膠粘劑具有所需要的工藝性，并具有所要求的使用性能。環(huán)氧膠粘劑因具有性能和成本優(yōu)勢而成為大多風電葉片制造廠商的首選。

 

2˙國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

一些大型跨國公司已經(jīng)積極開展風電葉片用膠粘劑的研制和生產(chǎn)，典型代表有Hexion、Hunstman、DOW、巴斯夫、亞什蘭、ITW等。目前國內(nèi)外大型葉片制造廠家基本采用美國Hexion公司的環(huán)氧樹脂產(chǎn)品。Hexion公司的L135/K2-K4系列環(huán)氧膠粘劑是含有玻璃纖維、無溶劑膠粘劑系統(tǒng)，具有低放熱性、熱觸變性、卓越的間隙填充性能，最大填充間隙可以達到5厘米。可以用來粘結(jié)各種材質(zhì)的材料，同時可以用于垂直表面上的黏結(jié)、無垂掛。該型膠粘劑具有優(yōu)異的力學性能和機械性能，能夠承受極端環(huán)境條件下的疲勞測試。由于能夠有效提高風電葉片生產(chǎn)效率和葉片工作性能，已經(jīng)獲得風電葉片制造商們廣泛的認可。

ITWPlexus公司開發(fā)的MA560和MA590型膠黏劑為丙烯膠粘劑，這種膠粘劑能夠使FRP復合材料具備更好的剝離性能和耐疲勞性能。并且能夠?qū)崿F(xiàn)常溫快速固化，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。除此之外，與環(huán)氧膠粘劑相比，還可以有效降低固化工序的成本。但是其研制成本相對Hexion的L135/K2-K4系列要高。

Vantico公司的“Araldite”型膠粘劑是由環(huán)氧和聚氨酯組成的，具有不塌落、易泵輸和快速低溫固化的特性，適合于風電葉片的應用。其中XD4734/XD4735系列環(huán)氧/固化劑系統(tǒng)已廣泛用于葉片生產(chǎn)[8,9]。

亞什蘭公司生產(chǎn)的ENGUARDBP6200ARF是一款乙烯基基體的、專用于風電葉片粘接的膠粘劑;PLIOGRIP1000是一種雙組分的、增韌型的丙烯酸膠粘劑。

Gurit公司的Spabond345牌膠粘劑是以增韌環(huán)氧樹脂為基礎的。Spabond130牌膠粘劑是以增韌環(huán)氧樹脂為主，填充少量短切碳纖維,獲得了DNN/GermanischerLloyd批準，可粘結(jié)葉片/輪轂的螺桿、螺母。該產(chǎn)品克服了金屬、復合材料不同的熱脹冷縮產(chǎn)生的應力。

我國作為全球最大的樹脂生產(chǎn)、消費國，樹脂類產(chǎn)品性能已經(jīng)達到國際水平，部分產(chǎn)品可與國際品牌媲美。然而國內(nèi)生產(chǎn)的主要是普遍型樹脂。這種樹脂雖然有許多優(yōu)異性能，但仍有其不足之處，比如粘度高，流動性差，固化后交聯(lián)密度高，存在內(nèi)應力大、質(zhì)脆、耐疲勞性、耐熱性、耐沖擊性、耐開裂性和耐濕熱性較差等缺點，在很大程度上限制了它們在風電葉片復合材料上的應用。在國內(nèi)外市場拉動下，我國研究者也開始研究和開發(fā)高性能的膠粘劑用于風電葉片。上海康達化工有限公司是國內(nèi)膠粘劑廠家中發(fā)展最為迅速和成功的。其開發(fā)的風力葉片專用環(huán)氧膠WD3135是一種雙組分、高觸變性、高韌性的環(huán)氧膠粘劑，適用于葉片的粘接工藝。已經(jīng)通過了德國GL論證，一定程度上可以替代進口膠粘劑，而且在一些風電葉片生產(chǎn)廠家中得以應用。

3˙國內(nèi)外產(chǎn)品對比

文獻[10]針對當前風電葉片生產(chǎn)所用的主流膠粘劑：美國Hexion公司的L135G3體系、美國DOW公司的770E體系，以及國產(chǎn)康達WD3135體系，比較了它們的力學性能與工藝性能。比較結(jié)果見表1～表4。

表1 膠粘劑拉伸與彎曲性能

表2 膠粘劑沖擊性能

表3 膠粘劑不同條件下剪切性能

表4 膠粘劑不同濕度下可操作時間和固化時間

通過以上對比可見，Hexion膠粘劑的整體力學性能最優(yōu)，Dow膠粘劑在抗沖擊性方面略顯不足。而國產(chǎn)康達膠粘劑的操作性能有一定的優(yōu)勢，拉伸、抗沖擊、剪切等關鍵性能與Hexion相當，但是彎曲性能低于Hexion。目前，國內(nèi)有部分風電葉片制造廠家采用康達公司的膠粘劑，但是主要用于非關鍵件的粘接，應用范圍非常有限，屬于小批量生產(chǎn)。因此，非常有必要借鑒國外先進技術(shù)和經(jīng)驗，對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的各項性能指標，以穩(wěn)步推進風電葉片關鍵材料國產(chǎn)化的進程。
 

4˙結(jié)束語

膠粘劑是風電葉片的重要材料之一。風電葉片用膠粘劑的關鍵生產(chǎn)技術(shù)幾乎被少數(shù)國外公司壟斷。目前，國產(chǎn)膠粘劑尚不能完全滿足風電葉片的工藝要求，主要存在斷裂強度及伸長率低、韌性差、耐疲勞性能差等問題，其結(jié)果是葉片運轉(zhuǎn)中易形成開裂，使用壽命大大縮短。盡管國內(nèi)少數(shù)廠家開始研制高性能的風電葉片用膠粘劑，并且得以應用，但是與國外產(chǎn)品的性能相比，仍然存在一定的差距，僅僅處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。國內(nèi)葉片廠家長期以來主要依靠進口，不僅價格居高不下，葉片生產(chǎn)成本偏高，而且嚴重制約了我國風電葉片制造行業(yè)核心競爭力的提升。因此，我國應加大資金投入和研發(fā)力度，突破關鍵技術(shù)，才能使國內(nèi)的風電葉片生產(chǎn)商較大幅度降低生產(chǎn)成本，推動我國風電產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳誠,杜明兵等.風電葉片用環(huán)氧樹脂的研究[J]，化工新型材料,2009,(10):118-121.

[2]趙偉超,寧榮昌等.風電葉片用環(huán)氧樹脂固化體系的研究[J],中國膠粘劑,2010,(2):1-3.

[3]廖波,李鴻巖等.風電葉片用雙酚A環(huán)氧樹脂體系的研究[J],化工新型材料,2010,(9):151-152.

[4]陳亞君,吳國慶.風力發(fā)電機組葉片材料綜述[J],化工新型材料,2010,(9):37-38.

[5]Composites——Prime enable for wind energy[J]2003,(5):29-45.

[6]賈元龍,楊足明等.風電葉片用雙組分聚氨酯膠粘劑的研制[J].粘接,2009(2):44-47.

[7]劉揚濤.應用于未來葉片的環(huán)氧樹脂和膠黏劑[J].電氣制造,2010,(3):68-71.

[8]董永祺.國外風力發(fā)電用環(huán)氧樹脂[J].玻璃鋼,2008,(2):19-22.

[9]羅益鋒.世界風能及其葉片材料發(fā)展概況與趨勢[J],高科技纖維與應用,2003,(10):1-7.

[10]江一杭,吳海亮等.風電葉片用環(huán)氧粘結(jié)劑性能研究[J],天津科技,2011,(3):17-19.

原標題:風電葉片用膠粘劑的研究進展和現(xiàn)狀