风电叶片用结构胶粘剂粘度及触变性试验分析.pdf

风电叶片用结构胶粘剂粘度及触变性试验分析２０１３年５月风电叶片用结构胶粘剂粘度及触变性试验分析谈娟娟，贾智源，宋秋香（１．特种纤维复合材料国家重点实验室，北京１０２１０１；２．北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１；３．中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０２１０１）摘要：风力发电是结构胶粘剂的新兴应用领域，在风电叶片的生产、组装、部件制造中有着广泛的应用，是风电叶片整体结构中的关键组成。有效地分析评价风电叶片用结构胶粘剂对于保证叶片的质量极为重要。胶粘剂的流变性是评价其质量和．Ｚ－艺性能的关键因素，其中粘度和触变性是两个极为重要的表征量。通过对风电叶片用结构胶粘剂在不同测试条件下的粘度和触变性试验，总结不同测试条件对胶粘剂粘度及触变性评价的影响，并提出使用触变环法评价结构胶粘剂的触变性的方法。经过分析表明，触变环法能够定性定量地表征胶体的触变性。关键词：结构胶粘剂；粘度；触变性；风电叶片中图分类号：ＴＢ３３２：ＴＱ４３７文献标识码：Ａ——文章编号：１００３０９９９（２０１３）０３～００２６０４洁净能源是２ｌ世纪全世界关注的问题，风力发电则是重要的可再生洁净能源之一。在天津举行的２０１２天津风电产业创新论坛上的报告显示，２０１１年中国新增风电装机容量接近１８００万ｋＷ，总装机容量达到６５００万ｋＷ，中国已经是世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家。作为风力发电机组的关键部件之一一复合材料转子叶片，其生产制造过程进行合模工艺粘接等都无一例外需要用到结构胶粘剂，据行业统计平均每生产一个叶片需要用结构胶粘剂１５０ｋｇ以上。叶片结构的粘接区是整体结构中最薄弱的环节，粘结质量受胶粘剂本身的质量和实际的粘接工艺影响非常大，因此考查风电叶片用结构胶粘剂的工艺性能尤为关键。作为结构加固中不可或缺的重要材料，极有必要将结构胶粘剂的工艺性能指标及操作要求列人国家规范¨。但目前国内在风电叶片制造领域还没有成型的标准可供参考。在风电叶片上用到的结构胶粘剂不仅要求粘结强度高，而且需要施工性能好，在倾斜或垂直面施工时，要求胶粘剂不拉丝、不流淌，即具有优异的触变性。触变性这一术语描述的即是粘性非牛顿流体的一种具有重要工业意义的流变学现象，是分散体系流变学的重要内容之一ｌ２Ｊ。现阶段已有多种方法来评价胶液触变性的好坏，最常用的两种触变性评价方法有触变指数法和触变环法＿３］。针对非牛顿流体的流变性测量，目前使用最多的测试仪器类型是同心圆筒型旋转粘度计，国内常用的测定胶粘剂粘度的仪器类型有上海仪器厂生产的ＮＤＪ．１旋转粘度计和成都仪器厂生产的ＮＸＳ一１１旋转粘度计及其他少数几种类型的粘度计Ｊ。而在结构胶粘剂的总触变能测试中，旋转流变仪的椎板或平行板测量头系统是更好的选择，能每次以相同的低速度将上板轴向移动至相对底板设定的间隙。在本文中选用—ＨＡＡＫＥＲＳ６０００型旋转流变仪对典型的风电叶片用结构胶粘剂进行分析。这类流变仪具有由空气轴承支撑的转轴，相比于同心圆筒型旋转粘度计，能够保证足够高灵敏度以控制或测定更精确的应力和剪切速率值。本研究的目的在于探寻叶片用结构胶粘剂触变性的评价方法。１实验部分１．１实验仪器本次试验的所有测试采用德国ＨＡＡＫＥ公司的ＲＳ６０００型旋转流变仪，其测试温度范围为０～４００￣Ｃ，控温精度为±０．０２ｃＣ，振荡频率范围为１．０×１Ｏ～～１００Ｈｚ，转速范围为１．０×１０～～１５００ｒ／ｍｉｎ。１．２实验材料选用迈图公司生产的风电叶片用结构胶粘剂ＭＧＳ１３５Ｒ为试验样品，对其粘度及触变性进行测试分析。收稿１３期：２０１２４）７－０３作者简介：谈娟娟（１９８３一），女，博士，主要从事树脂基复合材料方面的研究。Ｆ，Ｃ３：Ｎｏ．３２０１３年第３期玻璃钢／复合材料２７２实验结果与讨论２．１温度对粘度的影响旋转流变仪主要有两种测试模式：旋转模式和振荡模式。由于胶粘剂在受到持续的剪切作用时，粘度逐渐下降，因此在考虑温度对粘度的影响时，应尽量排除剪切作用因素，在这一测试过程中，采用振荡模式较为合适。固定振荡频率为１．０Ｈｚ，测试温度范围为１０～５Ｏ，升温速率为２￣Ｃ／ｍｉｎ，图１即为这一测试条件下的复数粘度随温度的变化曲线。由图１可知，胶粘剂的粘度随着温度的升高而逐渐下降，其原因为，胶体分子间的距离很短，分子间的引力即内聚力，是构成粘性的主要因素，随着温度升高，分子间距离增大，内聚力减小，粘度随之降低。这一数据为判断结构胶粘剂是否具有足够的初始强度提供了参考。图１复数粘度随温度的变化曲线Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇ２．２剪切时间对粘度的影响℃在固定测试温度为３５，剪切速率为１０．０１／ｓ的情况下，图２给出了连续旋转剪切６００ｓ的过程中胶体粘度的变化曲线。随着旋转剪切时间愈长，胶体的凝胶结构破坏程度愈高，粘度值愈小。１００９５９Ｏ８５０ｌ００２００３００４００５００６００Ｔｉｍｅ／ｓ图２粘度随剪切时间的变化曲线Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇｔｉｍｅｉｎｃ【ｅａｓ沁ｇ２．３剪切速率对粘度的影响在这类实验中采用旋转模式考查胶体在温度恒定的条件下，不同剪切速率下的粘度情况。首先选℃定在测试温度３５，在３００ｓ内剪切速率由０．００１１／ｓ线性提高至２０．０１／ｓ的过程中，胶体粘度的降低趋势如图３所示。由图３可见，在旋转剪切的初始阶段，胶体粘度发生急剧下降，在数值上降低了一个数量级，随后随着剪切速率的升高，粘度的下降趋势减缓并逐渐趋于稳定。从这一胶体粘度随剪切作用的变化回归曲线中可知，剪切作用对胶体粘度的影响很大，当胶体受到剪切扰动后，凝胶结构极易遭到℃破坏而导致粘度降低。当温度恒定为２５或４５￣Ｃ时，胶粘剂的粘度呈现了同样的变化趋势，如图４所示，并且测试温度越高，胶体的粘度值越低；在后续的平衡阶段，随温度的升高粘度值下降幅度减小。这种粘度变化规律也是胶粘剂触变性的一种表现。Ｏ５ｌＯｌ５２０ｌ／ｓ图３粘度随剪切速率的变化曲线Ｆｉｇ．３ＴｈｅＣｕｒｖｅｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ图４在不同的测试温度下的粘度随剪切速率的变化曲线Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ许多分散体系不仅普遍地呈现取向潜势，而且还存在着与时间相关的颗粒／分子间的相互作用。这种特性能致使分散体系内部成键构造一种三维网“”络结构，通常称为凝胶。同颗粒内部或分子内部的力相比，这些氢键或离子键等相对比较微弱，当分酒～一一～一一一一一一～一●●●●ＴＪ１１』１２８风电叶片用结构胶粘剂粘度及触变性试验分析２０１３年５月散体系受到长时间剪切时这些键易于破裂。网络解体时胶体粘度随剪切时间降低，直到逐渐接近给定的恒剪切速率下最低的可能值为止。这个最低粘度“”值反应了分散体的溶胶状态。触变性流体的重要特性在于：只要让物料静置相当长的时间，该流体即能够重建凝胶结构，其胶体化学实质是指流体状态发生凝胶．溶胶一凝胶这一可逆转变的特性。这里首先可以考虑采用两个定剪切速率下的粘度比值来模拟转筒粘度计确定触变指数的方式来评价胶体的触变性。假设采用剪切速率分别为０．６１／Ｓ和６．０１／ｓ下粘度的比值来定义为触变指数，则２５￣（２、３５￣（２和４５￣（２三个不同温度条件下，触变指数，分别为７．８Ｏ、８．９７、８．４８，列于表１中，表ｌ同时也给出了三个不同温度下分别在０．６１／ｓ和６．０１／ｓ剪切速率下的对应粘度值。这三个温度下计算的触变指数数值接近，可见采用触变指数法体现不出温度的变化对胶体触变性的影响。表１不同温度下胶体在剪切速率为０．６１／ｓ和６．０１／ｓ时的粘度值以及粘度比值Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｒａｔｉｏｓｏｆａｄｈｅｓｉｖｅｕｎｄｅｒ０．６１／ｓａｎｄ６．０１／ｓｓｈｅａｆｉｎｇｒａｔｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ２．４触变环法分析触变性触变环法又称为滞后环法，其试验原理为：当剪切速率从０连续增加到一个定值再从这个定值逐渐下降到０并测定其应力随剪切速率的变化，随着剪切速率增大和减小，应力值出现上行和下行两条不重合的曲线，上行曲线位于下行曲线上面，圈出一个滞后面积，也即是触变环，这个面积与破坏触变结构所需能量成正比。通过改变不同的时间和不同的最大剪切速率值，可以得到不同面积的触变环，触变环的面积越大则触变性越大，反之则越小。若两条曲线重合，则体系无触变性【４Ｊ。如果在上行等变剪切速率之后紧跟着下行等变率试验，仅仅一次上下行循环试验之后，触变结构也许并未完全破坏，也许需要第二次、第三次等等这种循环试验。因此在这种情况下，通常将试验程序设计为剪切速率升至上限后维持一段时间￡，以便在此期间内完成结构破坏。随后的程序是将剪切速率在ｔ：时间内返回至零，仅需一次上下行循环，以环内的滞后面积确定胶体触变性大小，如图５所示。ＦＲＰ／ＣＭ：２０１３ｉＮｏ．３０ｌ００２００３００４００５００６０Ｏｙ／ｌ／ｓ图５由上下行等变率曲线形成的触变环Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐｆｏｒｍｅｄｔｈｒｏｕｇｈｕｐａｎｄｄｏｗｎｃｕｒｖｅｓａｔｌｉｎｅａｒｖａｒｉａｂｌｅｓｈｅａｒｉｎｇｒａｔｅ构成图５中触变环的试验程序设计为：在恒定℃温度３５，在３００ｓ（）内剪切速率从０１／ｓ等变率升至６００１／ｓ，紧接着以６００１／ｓ恒剪切速率连续作用１２００ｓ（ｔ。），最后在６００ｓ（ｔ：）内剪切速率等变率—降至０１／ｓ。由ＨＡＡＫＥＲＳ６０００旋转流变仪自带的数据分析软件直接算出触变环的面积为８．４５５×１０Ｐａ／ｓ。下面即以每次试验过程中的触变环的相对面积大小反映触变能的高低。首先我们通过改变在最大剪切速率６００１／ｓ时的作用时间ｔ考查对胶体触变结构的破坏程度。在上下行曲线测试程序一致的前提下，在剪切速率上限值时选取的作用时间段分别为３００ｓ、６００ｓ、９００ｓ、１２００ｓ和１５００ｓ，在这５次对应的测试过程中所形成的触变环面积列于表２中，为便于比较，将其示于图６中，可以看出在前４种高剪切作用时间下，对应形成的触变环面积基本呈线性递增，当高剪切作用时间延长至１５００ｓ时，触变环面积增加幅度减缓，说明胶体“”“”的凝胶结构基本被破坏，逐渐接近溶胶状态。表２在最大剪切速率为６００１／ｓ时作用不同时间形成的触变环面积Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅａｒｅａｏｆｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈｅａｒｉｎｇｔｉｍｅａｔ６００１／ｓｓｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ时Ｎ／ｓ３００６００９００１２００１５００触变环面积／Ｐａ・ｓ一６．５８９×１０６．４２９×１０７．４３５×１０８．４５５×１０８．５８９×１０９Ｏ×Ｉ．．…，…８５ｘ｛‘ｌ一一８．０Ｘｌ｛／：ＩＩ７５Ｘ１｛。７．０Ｘｌ｛，｛一６５ｘｌ｛＿６．０Ｘｌ一ｊ／｛，，，５５￣１。２００４Ｏ０６００８００１０００１２００１４００Ｔｉｍｅ／ｓ图６触变环面积随作用时间的变化曲线Ｆｉｇ．６Ｔｈｅａｒｅａｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｈｅａｆｉｎｇｔｉｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ２０１３年第３期玻璃钢／复合材料２９鉴于风电叶片用结构胶粘剂是在叶片蒙皮预固化成型后使用，此时叶片蒙皮的表面温度通常低于℃４０，因此我们考查了胶体在４５ｏ【＝及其以下的几个不同温度时的相对触变能大小，如图７所示，具体的触变环面积列于表３。在触变环的构成中上下行曲线的程序设计与前面的一致，在最高剪切速率下的作用时间固定为１２００ｓ。从图７中可以看出，随着测试温度的升高，对应温度下的触变环面积大幅下降，表明胶体的总触变能随着温度的升高而下降。这一总触变能与温度的关系不难理解，当温度升高，分散体系内部的分子、颗粒等的热运动加剧，分子间距离增大，氢键、离子键、范德华力等分子间作用力减小，“”凝胶网络结构强度减弱，在受到长时间高速剪切作用时，分散体系的触变结构易于被破坏，从而构成的触变环面积减小。表３在不同温度时形成的触变环面积！！０』堂竺２鱼！！竺型堡堕羔竺竺触变环面积／Ｐａ．ｓ～９．９６８×ｌｏｓ８．４５５×ｌｏｓ６．３１４×１０５４．８７６×ｌ０ｓ图７触变环面积随温度的变化曲线Ｆｉｇ．７Ｔｈｅａｒｅａｃｕｌｗｅｏｆｔｈｅｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ３总结采用旋转流变仪可以方便地对风电叶片用结构胶粘剂的粘度和触变性进行定性或定量的分析。从实验结果看，结构胶粘剂的粘度受剪切速率、胶体温度和剪切时间等的影响，随剪切速率升高、温度升高和剪切时间的增加而迅速降低，显现出较好的触变性。采用旋转流变仪的振荡模式测量胶体粘度随温度的变化规律是一个较好的选择，可以认为排除了剪切速率和时间的影响。应用触变指数法和触变环法都可以对结构胶粘剂的触变性进行表征。二者各有特点，触变指数简单明了，测试用时短，但不能定量地体现触变性，无法体现温度对触变性的影响；触变环法耗时较长，受测试参数的影响较大，但当方法确定后，可以定量地表征触变性。参考文献［１］梁爽．结构胶粘剂工艺性能标准的研究与制定［Ｊ］．四川建筑科学研究，２００７，（６）：４５－５０．Ｅ２３刘科．触变性研究新进展［Ｊ］．胶体与聚合物，２００７，（３）：３１＿３３．［３］李平，崔茂荣．聚合物类钻井液触变性评价方法对比试验分析［Ｊ］．西部探矿工程，２００９，（６）：５１－５４．［４］刘延年．建筑结构胶粘剂粘度及触变性试验分析［Ｊ］．四川建筑科学研究，２００８，（６）：７７－８１．［５］ＧｅｂｈａｒｄＳｃｈｒａｍｍ．实用流变测量学［Ｍ］．第一版．北京：石油工业出版社，１９９８．ＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＶＩＳＣＯＳＩＴＹＡＮＤＴＨＩＸＯＴＲＯＰＹＡＢＯＵＴＴＨＥＳＴＲＵＣ：ＴＵＲＡＬＡＤＨＥＳＩＶＥＵＴＩＬＩＺＥＤＩＮＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＳ’—’—’ＴＡＮＪｕａｎ－ｊｕａｎ，ＪＩＡＺｈｉｙｕａｎ，ＳＯＮＧＱｉｕｘｉａｎｇ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｉｓｆｌｏｕｒｉｓｈｉｎｇｉｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅ－ｓｉｖｅｉｓａｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄｐａｒｔｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｔｈｅｗｉｎｄ—ｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ．Ｓｏｉｔｉｓｅｘｔｒｅｍｅｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｂａｓｅｄｏｎａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｓ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙａｒｅｔｈｅｔｗｏｅｘｔｒｅｍｅｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｓｏｆｒｈｅｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｓｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙｈａｓｂｅｅｎｓｕｍｍａ－ｒｉｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｃａｒｒｙｉｎｇｏｕｔａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｗａｙｏｆｅｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙａｂｏｕｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｓｅｒｉｅｓｏｆａｎａｌｙｓｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｃａｎｂｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｅｖａｌｕａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｗａｙｏｆｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃｌｏｏｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅ；ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ；ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ；ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｓ蕊黔多１．ｓ．时ｄ／ｄｏ０一Ｉｄ２苦ｘＩｓ０譬《