环氧树脂体系在风力机中的应用、回收与更新

2.4叶片壳体用环氧胶粘剂

2.4.1概 述

从横断面看，叶片基本上是主梁加壳体(又称：蒙皮)的结构形式，分为两种：①整体叶片：主梁是方形断面的整体箱型梁，整体壳体，利用环氧胶粘剂将二者胶合成整体;②分体叶片：主梁是两根工字梁，有两“半”壳体(上、下壳体)，利用环氧胶粘剂将上、下壳体和两根工字梁牢固地胶合成整体。
 

上述胶粘剂承受着极大载荷、工作环境恶劣，因此，其性能要求极高、苛刻。该剂一般选用触变材料，如：双组分(即：环氧树脂+固化剂)粘结剂。工艺要求：当其涂敷厚度>20～30mm时，立即呈现非流挂(下垂)状态(“non-slump ”properties)，并持续到产生凝胶(或下一个固化工序)时都维持着初始状态。

2.4.2 触变胶粘剂

(1)“物理触变”胶粘剂

往胶粘剂里添加触变剂(如：气相法白炭黑)，可快速使物料呈现非流挂状态(“non-slump ”texture)。当物料承受高剪切载荷(如：树脂与固化剂混合、工艺操作)过程中，物料上的合成应力会降低它的粘度，导致物料胶凝以前，破坏伸长了的物料形态(extruded texture)。许多情况下，配料过程(mixture)会降低物料的结构性能。因此，只有除掉物料的应力时，方可进行配料工序——这是现行“物理触变”为基础的材料的缺陷和局限性之一。

双组分材料的粘度很高，为了降低粘度，需采用高性能泵来进行输送。由于受风力劲吹，风力机叶片才得以驱动、运行。这样，势必使叶片持续产生复杂、大的振动和扭曲。叶片壳体里的胶粘剂一旦产生破损迹象，就不能再承受应力，否则势必使叶片内复合材料结构破坏、损毁以致叶片报废。

(2)“化学触变”胶粘剂

新颖“化学触变”胶粘剂(专利)，双组份，二者混合时当添加特定的、表面有酸性物质(acid entities)的填料时，呈现高分子量阳离子聚合物质子化现象，系统即刻呈现物理交联结构。该剂的粘度低，可以靠其自重(不用泵)进行输送。当被涂敷在垂直面上，承受着高剪切应力状态时，环氧树脂和固化剂不会急剧改变各自的粘度。本研究有下述三种胶粘剂系统：

系统1：环氧树脂+“化学触变”型固化剂1;
 

系统2：环氧树脂+“物理触变”型固化剂2，后者添加了大量气相法白炭黑碱性(based)触变剂，它垂直面上的抗流挂性(sag resistance)与系统1相同;

系统3：环氧树脂+“物理触变”型固化剂3，后者添加了大量气相法白炭黑碱性触变剂，在低剪切率下它的初始混合粘度大约与系统1相当。

研究说明：经过不同剪切冲击试验(低剪切→高剪切→低剪切…)和应力恢复期后，“物理触变”型系统的最终粘度较低;“化学触变”型系统1剪切冲击试验前、后的粘度相同。显然，上述两种技术的应力恢复期是不同的。“化学触变”型系统混合物料时产生应力恢复，涂敷后也立即产生(builds up)应力恢复。“物理触变”型系统里添加触变剂，可产生粘结结构(the structure d)。当承受高剪切率时，上述结构部分地被破坏，而且不能快速恢复。

(3)纳米粒子的协和效应

研究发现，环氧树脂与一些特定的纳米有机粒子相混合后，会产生协和效应——显著提高材料的韧性。某些纳米粒子与特定固化剂混合后，显著提高材料的韧性，但不降低热性能，对初始粘度的冲击也不大。一般双酚A环氧树脂固化后较脆，温度敏感性较高，力学和热学性能较低。纳米碳管具有独特的物理性能：密度很小(钢的1/6)、高强度(拉伸强度50～200GPa[钢的100倍])、高模量(600 GPa)和优异的柔软性，是前者的理想增强材料。这并不是有机相与无机相的简单加和，而是纳米碳管和环氧树脂在纳米范围内结合形成，界面间存在较强或较弱的化学键，实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性能于一体的崭新复合。纳米碳管是强催化剂，可降低树脂的反应温度。当材料受力、破坏时，其优异的柔软性可吸收能量，提高树脂的强度。Araldite™ EP1000AB新型纳米增韧环氧胶粘剂(Huntsman公司)，含特种分散型有机纳米粒子(亚微级)，可抑制微裂纹扩大，同时使连续固化的环氧基体耐高温。选用特种固化剂，不用热压罐，低于100℃固化;室温储存期>6个月。力学性能优异，使用简便，可用于粘结、修补叶片等。
 

2.5新颖的FRP成型工艺

2.5.1微波固化工艺

微波固化具有独特的“场效应”和快速“体加热”特性，因而粘结剂固化速度快且均匀、粘结质量高，在快速修复飞机等航空装备中具有巨大潜力。 [28]FRP叶片、叶片模具的厚度和面积都较大，因此，物料固化过程中热量散布困难且不均匀，传统的固化工艺(电加热原理)无法快速而均匀地把热量传递到物料内部。德国ITC(弗劳恩霍夫化学研究所)利用树脂可吸收微波的原理，研究成用于碳纤维复合材料的微波固化工艺。研究说明，微波加热的复合材料物料的粘度较低，使其室温下变硬速度较慢，纤维更易融入树脂基体里，工艺修正时间很宽裕。该工艺的效率高、制品质优，废品、污染物极少，但对固化物件的安放位置要求精准、严格。

2.5.2快步工艺(quickstep)

快步工艺(西澳大利亚尼尔˙格拉哈姆发明)，利用流体(如：水)的热传导，通过流体震动，工作压力1～4磅/英尺2，高压炉的工作压力60～200磅/英尺2，属独特的充液、平衡压力、流动塑造工艺。加工时间约1h，可加工层压板、蜂窝式和泡沫芯夹层结构等制品。制品里的纤维含量很高(>70%)，孔隙含量极少，质量和性能优异。