風(fēng)電葉片用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠作為葉片五大主材之一，其性能的優(yōu)劣將直接決定葉片的質(zhì)量。盡管環(huán)氧類(lèi)結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用已較為成熟，但實(shí)際中仍然存在一些問(wèn)題需要完善和提升。例如：斷裂伸長(zhǎng)率較低導(dǎo)致其本體的韌性不足；考慮到工藝性能的改善，環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠的流變特性也需要提升；結(jié)構(gòu)膠主劑和固化劑混合后，需保證足夠的可操作時(shí)間，同時(shí)應(yīng)盡量控制固化放熱量，避免粘接性能的降低。鑒于此，國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司李沛欣等研究人員著重綜述了在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠增韌、觸變性能提升以及放熱特性方面取得的研究進(jìn)展，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)比了目前主流結(jié)構(gòu)膠的性能差異。
1 環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠韌性的增強(qiáng)
風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，葉片會(huì)不斷地受到風(fēng)振動(dòng)的影響。環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠盡管具有較強(qiáng)的粘接和良好的拉剪性能，但其斷裂伸長(zhǎng)率較低，本體的韌性不足。如果結(jié)構(gòu)膠的韌性不能達(dá)到要求，那么其粘接性能很容易失效，不能再承受應(yīng)力，葉片內(nèi)部的復(fù)合結(jié)構(gòu)也會(huì)受到損傷而失效。因此，對(duì)環(huán)氧類(lèi)結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行韌性增強(qiáng)具有重要意義。目前，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠增韌方式主要有：橡膠類(lèi)彈性體增韌、熱塑性樹(shù)脂增韌、利用互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IPN）增韌、納米粒子增韌、固化劑引入柔性鏈段增韌以及復(fù)合技術(shù)增韌等。
在眾多增韌技術(shù)中，復(fù)合增韌可以同時(shí)利用多種增韌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到不犧牲原有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上達(dá)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(shù)制備雙組分環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，使增韌環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的性能得到明顯改善。其中，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)5%以上，拉伸強(qiáng)度達(dá)到70 MPa，拉伸模量達(dá)到4.0 GPa以上，沖擊強(qiáng)度大于15 kJ/m2。另外研究人員首先將環(huán)氧基體用自制抗沖擊改性劑進(jìn)行增柔處理，在此基礎(chǔ)上，固化劑組分使用大量剛性結(jié)構(gòu)的芳香胺固化劑進(jìn)行增韌，另外添加納米鈣、硅微粉等納米粒子進(jìn)一步進(jìn)行增韌處理。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)膠本體平均拉伸強(qiáng)度為58.73MPa，平均剪切強(qiáng)度為27.92MPa，平均剝離強(qiáng)度為2.48 N/mm，上述指標(biāo)均優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠技術(shù)要求。該研究表明，經(jīng)過(guò)多種手段增柔增韌環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)更大尺寸風(fēng)電葉片的粘接具有較強(qiáng)的適用性能，在滿足高韌性的前提下，真正實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高模量的綜合性能。
2 觸變性能的提升
葉片結(jié)構(gòu)膠的觸變性能對(duì)其工藝性能具有重要的影響，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑在混合后必須迅速產(chǎn)生“非流掛”特性，特別是應(yīng)用于厚度可達(dá)葉片結(jié)構(gòu)膠的觸變性能對(duì)其工藝性能具有重要的影響，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑在混合后必須迅速產(chǎn)生“非流掛”特性，特別是應(yīng)用于厚度可達(dá)20~30 mm的垂直表面時(shí)，并保持初始形狀，直到凝膠化或下一個(gè)加工步驟。在高剪切速率作用下表現(xiàn)較低的黏度，在低剪切速率下表現(xiàn)較高的黏度，可保證結(jié)構(gòu)膠具有優(yōu)異的工藝性能。因此在葉片的合模過(guò)程中，使用高觸變性結(jié)構(gòu)膠是必不可少的。由圖1可知：在剪切初始階段，兩種結(jié)構(gòu)膠黏度呈現(xiàn)劇烈下降趨勢(shì)，當(dāng)剪切速率達(dá)到一定范圍時(shí)（20~50 s-1）膠體黏度變化較小并逐漸趨于穩(wěn)定。這兩個(gè)體系中黏度變化規(guī)律是結(jié)構(gòu)膠觸變性的一個(gè)典型表現(xiàn)。從圖中可以得出兩種結(jié)構(gòu)膠均具有較好的流變特性。
圖1 結(jié)構(gòu)膠黏度隨剪切速率的變化曲線
為了不產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，常常使用觸變劑來(lái)達(dá)到提升觸變性能的目的。觸變劑的類(lèi)型主要分為物理類(lèi)觸變劑和化學(xué)類(lèi)觸變劑。在結(jié)構(gòu)膠中常用的觸變劑為物理類(lèi)觸變劑，如氣相二氧化硅、碳酸鈣、氫化蓖麻油以及其他類(lèi)型的觸變劑。盡管物理類(lèi)觸變劑在一定程度上改善了環(huán)氧類(lèi)結(jié)構(gòu)膠的觸變性，然而在某些情況下，物理觸變劑所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)在高剪切速率下被部分破壞，不能迅速恢復(fù)。
最近，越來(lái)越多的研究人員關(guān)注了化學(xué)觸變劑對(duì)觸變性能的提升，當(dāng)最終的混合物在高剪切應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)用于垂直表面時(shí)，具有良好的施工性能。對(duì)于化學(xué)觸變劑，樹(shù)脂和固化劑中均含有特定的組分，該觸變劑不會(huì)大幅改變每個(gè)組分的黏度。當(dāng)樹(shù)脂和固化劑混合在一起時(shí)，特殊填料表面的酸實(shí)體會(huì)使高分子量的陽(yáng)離子聚合物質(zhì)子化，并且混合物可同時(shí)形成物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2所示?；瘜W(xué)觸變劑在環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合過(guò)程中發(fā)揮作用，且不會(huì)在高剪切速率條件下被破壞，恢復(fù)良好，很好地控制黏度，觸變性能表現(xiàn)優(yōu)于物理觸變劑結(jié)構(gòu)膠。因此引入化學(xué)觸變劑為未來(lái)開(kāi)發(fā)葉片環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠提供了新思路。
圖2 物理交聯(lián)示意圖
3 對(duì)放熱性能的合理提升
目前，葉片環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠由于作用成分主要為雙組分，因而長(zhǎng)期以來(lái)面臨的難題是如何有效解決雙組分結(jié)構(gòu)膠施工前有較長(zhǎng)的操作時(shí)間和施工后能夠快速固化的矛盾。在實(shí)際生產(chǎn)中要保證結(jié)構(gòu)膠具有足夠的可操作時(shí)間（結(jié)構(gòu)膠從混合到成為凝膠為操作時(shí)間），而且隨著葉片的設(shè)計(jì)越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)操作時(shí)間提出了更高的要求?？蒲腥藛T通過(guò)一定的化學(xué)改性固化劑、促進(jìn)劑或合成全新的固化劑等來(lái)實(shí)現(xiàn)操作時(shí)間長(zhǎng)，固化速度快，同時(shí)放熱峰較低的目的。通過(guò)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(guò)事先的化學(xué)反應(yīng)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(fā)下，打開(kāi)封閉的官能團(tuán)，從而進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)。雙氰胺、硼胺絡(luò)合物、咪唑類(lèi)化合物是應(yīng)用較多的潛伏型固化劑。
結(jié)語(yǔ)
未來(lái)更大尺寸的MW級(jí)風(fēng)電葉片對(duì)環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠的性能提出了更高的要求，在開(kāi)發(fā)研究中，需要了解各種增韌手段和增韌劑性能的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行合理協(xié)同復(fù)合增韌，在保持高粘接強(qiáng)度的前提下，有效增強(qiáng)韌性；通過(guò)引入觸變劑，特別是化學(xué)觸變劑來(lái)改善工藝特性；通過(guò)優(yōu)化固化劑來(lái)延長(zhǎng)可操作時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)膠固化效率等。
