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风能叶片用胶配方|分析检测

一.背景

几年来,我国的风电行业发展迅猛.据相关资料显示,2009年新装机容量达13803.2MW,可谓风头正劲.而作为风力发电机组的关键部件之一的复合材料转子叶片,其生产制造过程进行合模工艺粘接都无一例外不用到结构胶粘剂;随着2MW、3MW技术机型的产能主流化,风轮叶片也表现出越来越长的迅增势头,主流尺寸已达40m以上.这就对合模粘接的结构胶粘剂提出了更高更强的技术要求.

长期以来,环氧树脂胶粘剂由于对复合材料表面具有良好的粘接性能,树脂和固化剂之间丰富的设计配合可能性,可以实现无溶剂无挥发份的固化,一直以来是结构胶粘剂的主要类型;因此,结合风电行业需求,深化环氧结构胶粘剂研制与制造技术无疑具有久远的市场意义。禾川化学专业从事叶片胶配方分析、成分分析、配方检测、成分检测;禾川化学是胶黏剂企业产品技术革新的风向标;禾川化学成功开发出新型风能叶片用胶配方技术;该叶片胶广泛应用于风电行业.

二.风能叶片用胶

风能叶片胶一般有环氧体系外,还有丙烯酸、聚氨酯体系等。

2.1环氧体系叶片胶

环氧树脂结构胶主要由主体树脂、固化剂、增韧体系、促进剂等组成.这些组分相互配合,实现三维交联、有效催化和高效增韧,可以设计出高性能的胶粘剂,众所周知,环氧树脂固化物与生俱来的脆性特点,增韧从来都是环氧树脂胶粘剂永恒的话题.也就是说,增韧技术的发展在某种程度上也代表了环氧胶粘剂技术的发展.另外,相比较而言,环氧树脂胶粘剂与作为复合材料的基体相比,没有纤维的增强,所以胶粘剂主体的韧性和抗冲击性能的要求更高.下面就比较重要的环氧树脂结构胶增韧体系作一个介绍.

2.1.1叶片胶增韧体系

1)橡胶(Rubber)

橡胶是环氧树脂的一种优良的低应力改性剂,但与环氧树脂的溶解度参数相差很大,难以达到100%分散。早期的做法是将橡胶磨成粉末加入到环氧树脂中,已期达到增韧的效果,为了克服这一缺点,一般通过其活性端基(如羧基、羟基、胺基、异氰酸酯基等)与环氧树脂中的活性基团(如环氧基、仲羟基等)反应形成嵌段,从而达到增韧的目的.活性端基液体橡胶包括聚硫、聚氯酯、硅橡胶、聚二烯烃橡胶或其共聚物等,其分子链两端分别带有各种不同官能团.由于它是一种非定型的液体预聚物,故在固化剂的作用下,聚合物分子会发生主链增长和交联,形成交联网络结构,赋予材料较高橡胶弹性.目前,环氧树脂的增韧大多采用活性端基橡胶如液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)、液体端羟基丁腈橡胶(HTBN)和液体端氨基丁腈橡胶,其中液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)较为常用.这种增韧方法是在固化过程中,形成精细分散相来提高韧性,固化后橡胶和环氧树脂形成相分离以达到增韧效果.然而由于其体系引入了橡胶,胶粘剂生产过程本身难以保证充分有效分散,体系会表现出增韧不均现象.为了解决这一问题,目前成熟的方案是将环氧树脂和液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)进行预反应得到均一的相,能够很好地解决分散不均的问题.

2)丙烯酸酯(Acrylate)

丙烯酸树脂本身具有优异的户外耐久性、耐化学性和物理机械性能,通过与其他单体、树脂共聚和改性,可以变化材料的各方面性能。环氧改性丙烯酸树脂是在环氧树脂分子链的两端引人丙烯基不饱和双键,然后与其他单体共聚,这样,就使得丙烯酸树脂的各种优良性能(丰满度、附着力等)在环氧树脂中得到充分发挥.此类技术通称为第二代增韧技术.其胶粘剂主剂通常以甲基丙烯酸甲醋、丙烯酸、丙烯酸辛醋、丙烯酸异丁酯等单体,过氧化苯甲酞为引发剂,E-51或E-44环氧树脂为改性剂,经聚合得到环氧改性丙烯酸树脂,固化剂部分以胺类固化剂为主并辅以自由基引发剂,固化反应过程中引发剂被胺与环氧环聚合反应.热所引发,引发链聚合反应,称之为复合固化.此类技术改性的环氧结构胶粘剂具有性能可调、对被粘接面预处理要求宽松、粘接适用范围较广等特点,综合了丁腈橡胶改性环氧技术的优点,在增韧的同时,可以不降低材料的模量,并考虑了高低温度对环氧丙烯酸酯胶粘剂性能的影响与适应性能,因而能表现出高强高韧之外优异的高.但相比起它带来的容易施工优点,这一牺牲显的尤为值得.近年来,有资料显示,国内几家研究机构在这方面做了些基础工作,并取得了有效进展.相信随着风轮叶片行业和蓬勃发展,此类改性环氧结构胶粘剂势必会得到广泛的推广和使用.

3)聚氨酯(Polyurethane)

聚氨酯是一类性能优良的高分子材料,其分子中有柔性链,弹性、耐低温性能和耐溶剂性好,并且其本身就有很好的粘接性,可以制成性能优良的胶粘剂.异氰酸酯与常规环氧树脂E-51或E-44先期制得聚氨酯预聚体,达成两端以环氧官能团封端.这样,使聚氨酯的高弹性与环氧树脂的高粘接性互补强化,增加环氧结构胶的韧性,能显著提高胶粘剂的冲击强度和耐低温性能.是目前较成功也较成熟的一种改性环氧技术.然而此种技术是以牺牲模量的前提下获得高增韧性能的,在风轮叶片行业,不能有效满足风轮叶片高强高模的技术要求,也难有用武之地,各方面资料显示,目前市场上还未见大规模应用.

4)其它环氧增韧技术

近年来,用树枝状超支化聚合物增韧环氧树脂、丙烯酸酯核壳型丙烯酸酯增韧、纳米材料增韧、液晶增韧等技术在结构胶粘剂工业化生产中也得到了实际应用.但此类技术的结构胶粘剂,由于固化温度或增韧程度或其它条件的限制,对于风轮叶片的合模结构粘接来讲,目前还未看到有价值的应用.

2.2叶片胶检测指标

1)固化前特性

1.比重(Density)参照标准:DINENISO1675

2.粘度(Viscosity)参照标准:DIN53019

3.可使用时间(PotLife)(对于双组份胶粘剂)参照标准:DIN16945,Section6.3;4-6试验需要测试不同条件下的数据

测试环境:

a.固化后,23°C/50%/24±1hrs;

b.固化后,23°C/DistilledWater/1000±12hrs;

胶层厚度:I.0.5mm;Ⅱ.3mm;

4.拉伸剪切强度(TensileLap-ShearStrength)参照标准:DINEN1465,六个样,FRP,主要是指单搭接,要求测试50°C条件下的数据,要求泡水1000小时后数据不小于12MPa;

5.剥离强度(PeelingResistance)参照标准:ISO11339,六个样,铝材,要求泡水1000小时后数据不小于2N/mm;

6.热变形温度(DimensionalStabilityUnderHeat)参照标准:DINENISO75-2,MethodA,六个样,要求泡水1000小时后数据不小于65°C;

7.静载蠕变试验(Long-DurationShearTensionTest)参照标准:DINEN1465标准,InAStandardClimate23°C/50%RlativeHumidityAt60%OfTheMeanTensileLap-ShearStrengthFor192±2Hours,六个样,FRP对于胶层厚度0.5mm的试件;要求蠕变应变小于0.18mm,对于胶层厚度3mm的试件;要求蠕变应变小于1mm;

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