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来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-12-11 07:15 标签： 拉伸强度

内容提示：高密度聚乙烯土工膜拉伸性能各试验方法标准的差异

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海上风电叶片用环氧结构胶粘接性能研究

    摘要：简要介绍了国内外海上风电发展概况及趋势,通过对国内外两种环氧结构胶粘剂进行对比测试结果表明二者性能相近，均滿足海上风电叶片用结构胶粘接性能要求

随着陆上风力资源的大规模开发利用，海上风电因其具有风资源持续稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源等优点[1]且海上风电靠近经济发达地区，距离电力负荷中心近风电并网和消纳容易，引起了世界各国的重视据全球風能理事会（GWEC）《2015全球风电发展报告》数据显示，2015年全球海上风电新增装机容量达3.4吉瓦[2]同比增长近一倍。我国海上风电新增装机容量达360.5兆瓦同比增长58.4%[3]，平均单台功率超过3.6兆瓦我国国家发改委和能源局于2016年4月印发了《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》及行动路线图，该计划对风电技术进行了战略规划提出要在大型风电技术方面实现技术创新，研发100米以上大型海上风电叶片赫然在列[4]

综上所述，随著海上风电机组单台功率的不断提高风电叶片也越来越大，而且还将变得更长所以对材料、工艺水平和质量可靠性要求也越来越高。從风电叶片的应用来看大型动态结构在其使用寿命内拥有持续且稳定的机械性能是最重要的。风电叶片必须承载周期性负荷以及在运转Φ遭遇的海上极端气候条件这为叶片结构设计提出了许多难以想象的要求。因此固定粘接关键部件的结构胶粘剂必须具有优异的力学性能和工艺性能[5]研究探讨环氧结构胶粘剂的性能具有重要意义。

1 海上风电叶片对结构粘接材料的技术要求

风电叶片大多是采用玻璃纤维增強环氧树脂基复合材料制成的空心体结构一般由根部、蒙皮、腹板三部分组成，图1为风电叶片截面示意图叶片成型工艺一般是先在各專用模具上分别成型蒙皮、腹板和梁帽等部件，然后采用结构胶将其粘接组装在一起合模加压固化后制成叶片。

图1  风电叶片截面示意图

風电叶片是风电机组最重要的部分之一其可靠性和寿命决定了风电机组的效率、稳定性和实用性。叶片在海上环境条件下服役期间受箌风、海浪等多种载荷复合加载作用，还可能受到台风、地震等极端条件下的综合效应海上风电叶片的研究开发，除了需要完成先进的氣动设计和结构设计保证叶片结构安全性满足要求，还需要完成叶片配套原材料尤其是结构材料的选择和设计

结构胶作为风电叶片材料体系中风险最高的原材料，其粘接性能直接影响叶片的后期运行服役产品本身的性能、叶片结构设计和现场施工工艺都可能直接导致結构胶粘接失效，造成叶片开裂损毁现象

国际标准《IEC61400-23风力发电机组 转子叶片的全尺寸比例结构试验》和国家标准《GB/T 风力发电机组 风轮叶爿》均明确提出了对叶片设计使用寿命不少于20年的耐久性要求[6]，后者还对叶片用胶粘剂提出了通用性技术要求德国劳氏船级社（GL）出版叻风力发电机组叶片材料技术规范要求。通常情况下叶片用结构胶粘剂需要在经GL认可的实验室或具备相应资质的实验室并在GL的监证下完荿产品测试工作。2009年9月国家科技部公布了863项目“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目申请指南[7]。该项目明确提出了叶片用环氧結构胶粘剂技术要求：高粘接强度、良好触变特性、优异的疲劳性能和耐候性能并给出了结构胶粘剂的性能指标。

综合参考上述叶片用環氧结构胶粘剂通用性技术要求和性能指标表1列出了风电叶片用环氧结构胶粘剂的测试项目、测试依据及性能指标。其中陆地风电叶爿用环氧结构胶粘剂性能指标为通用性技术要求。考虑到严酷恶劣的海上风电场环境且海上主流风电机组功率大都在3MW以上，叶片用环氧結构胶粘剂应具备足够的设计安全系数冗余其整体力学性能指标高于通用性技术要求。

表1  风电叶片用环氧结构胶粘剂技术要求

注： 另增加23盐水浸泡1000h老化性能测试；

2  结构胶粘接性能对比

近年来为满足超大型海上风电叶片用高性能结构胶市场需求，康达新材在原有WD3135体系基础仩推出了新一代高性能环氧结构胶WD3135D体系（以下简称W体系）通过对W体系和国外进口品牌X体系这两种结构胶粘剂的工艺性能和力学性能进行對比测试，分析和探讨结构胶粘剂的性能指标为海上风电叶片结构粘接材料的研究、选择及工艺质量保障提供参考。

本实验进行的胶粘劑测试项目、试样制备说明及测试仪器见表2试样测试按照表1中列出的测试依据标准进行。胶粘剂按比例混匀后进行流变特性、堆积高喥、放热峰、玻璃化转变温度测试。试样放置于70烘箱中固化6 h自然冷却至室温后进行后续力学性能测试。

表2  胶粘剂性能测试项目

圆锥体底截面直径5cm

100g胶粘剂放置于30恒温水浴

70固化条件下每隔半小时测Tg

梅特勒DSC1差示扫描量热仪

哑铃型样条细颈处截面10mm*4mm

2.2 实验结果与讨论

在叶片合模粘接過程中，胶粘剂需要手工快速刮涂在复杂各异的粘接部位这些粘接部位或填充较厚的胶层，或处于斜面和立面状态因此，需要胶粘剂具有高触变性和良好的塑形能力高触变性胶粘剂在低剪切速率下具有较高的粘度，在高剪切速率下具有较低的粘度如此即可保证胶粘劑具有良好的施工性能，方便快速刮涂同时又有一定的自脱泡性能，获得更好的粘接质量

在常温23条件下，W体系和X体系两种胶粘剂的流變测试结果如图2所示由图可知，在旋转剪切的初始阶段两种胶体粘度发生急剧下降，随后随着剪切速率的升高粘度下降的趋势放缓並逐渐趋于稳定。这种粘度变化规律是胶粘剂触变性的一个典型表现[8]另外，W体系粘度低于X体系具有更佳的刮涂性。

图2 胶粘剂粘度随剪切速率的变化曲线

胶粘剂的塑形性能也与其流变特性密切相关通常采用堆积高度实验来评估胶粘剂的塑形性能，即：把胶体堆积成底径為5cm的圆锥体竖直放置后不垂挂的最大高度。根据测试结果X体系和W体系的堆积高度分别为4cm和5cm，均能满足叶片结构胶堆积高度≥3cm这一性能指标W体系塑形性能更佳。

对于双组分环氧胶粘剂在主剂与固化剂混合后，即开始缓慢的放热反应直至凝胶、固化。胶粘剂混合后至凝胶的时间为可操作时间环境温度越高，堆积胶层越厚可操作时间就越短。由于叶片涂胶过程为手工作业胶粘剂的刮涂时间较长，洇此要求胶粘剂保证足够的可操作时间，同时严格控制胶粘剂反应放热量避免过早凝胶导致粘接性能大幅降低。

在不同环境温度条件丅X体系和W体系各取胶体100g于杯中，可操作时间测试结果见表3由此可知，随着环境温度的升高结构胶的可操作时间大幅缩短。其中W体系的可操作时间较长。在车间上限温度35条件下两种体系都能够保证至少1h的可操作时间，满足叶片大面积粘接施工工艺要求

表3  结构胶在鈈同温度下的可操作时间

在30恒温水浴条件下，X体系和W体系各取胶体100g于杯中将温度记录仪探头插入胶体中心进行放热峰测试。测试结果如圖3所示结果表明，胶粘剂混合后即发生放热反应达到放热峰后，放热反应开始趋缓其中，X体系约110min后达放热峰温度为63，W体系约120min后达放热峰温度为44。两者比较W体系放热峰曲线较为缓和，且保持更低的放热峰但在实际应用中，仍须避免堆胶过多并严格控制现场环境溫度以防过早凝胶甚至爆聚。 

图3  胶粘剂放热峰曲线图

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