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环氧乙烯基酯树脂在风电叶片行业应用的可行性探讨
王天堂 陆士平 武兵
（上海富晨化工有限公司 200233）
摘要：本文论述了环氧乙烯基酯树脂在风电叶片制造、黏合剂、模具等方面具有的比较优势，讨论了环氧乙烯基酯树脂在风电叶片生产中的工艺性。重点探讨了环氧乙烯基酯树脂在国内风力发电叶片行业中代替或部分替代环氧树脂的应用可能性。
关键词：环氧乙烯基酯树脂、风力发电叶片、真空灌注工艺、可行性。
1、前言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风力发电产业发展迅速，成为继欧洲、美国和印度之后的全球风力发电主要市场之一。从2003年到2008年，中国风电装机容量快速增长：累计装机容量从2003年末的56.7万千瓦增加到了2008年末的1324.22万千瓦，增加了22.3倍，而2010年新增装机有可能突破1600万千瓦。中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。除了风电设备整机需求不断增加之外，叶片等风电设备零部件的供给能力仍不能完全满足需求，市场需求潜力巨大。
但以如此之在的基数水平，2011年很难再现前几年的翻番式增长，预计中国风电在今后相当长的一段时间内保持年均新增1500万千瓦左右的发展规模。装机规模增长率的下降势必带来竞争的加剧和结构的调整，不论是下游的开发商还是上游的设备制造企业都面临着增长的挑战。应对之策唯有实现增长方式的转变：由关注数量和速度转向质量和效率，而对于上游设备制造生产厂家，对于技术的创新和探索尤为重要。
而对于目前风电行业中使用的复合材料而言，材料与工艺是两个最为重要的因素。本文拟就其中的应用领域，探讨一下环氧乙烯基酯树脂在风电行业制造中的应用可行性。
环氧乙烯基酯树脂（又俗称“乙烯基酯树脂”）是继酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂之后于上世纪60年代问世的新型热固性树脂。环氧乙烯基酯树脂是由环氧树脂与甲基丙烯酸通过开环加成化学反应而制得。它保留了环氧树脂的基本链段，又有不饱和聚酯树脂的良好工艺性能，它在适宜条件下固化后，表现出某些特殊的优良性能，又可称之为不饱和环氧树脂。从环氧乙烯基酯树脂的分子结构可以推测它兼具不饱和聚酯树脂和环氧树脂的优点。
环氧乙烯基酯树脂从它面世起就逐步进入了环氧树脂的应用领域，最初作为耐腐蚀树脂，到上世纪末环氧乙烯基酯树脂已成为防腐蚀领域的首选树脂。随着环氧乙烯基酯树脂的性能改善和对其认知水平的提高，环氧乙烯基酯树脂逐渐应用到各个复合材料行业，包括游艇、运动头盔等各种特殊行业，自然而然，随着风电行业的发展，环氧乙烯基酯树脂在风电行业也得到应用或推广。下面就环氧乙烯基酯树脂在风电行业的已应用或可能应用到的几个领域进行可行性探讨。
2、风电叶片制作用基材
风力发电装置最关键、最核心的部分之一是叶片。叶片设计和采用的材料决定了风力发电装置的性能和功率，也决定了风力发电机组的成本。风力发电叶片占风力发电整个装置成本的20%左右，制造叶片的材料和工艺对其成本存在着决定性影响。因此，材料的选择、制备工艺优化对风力发电叶片十分重要，因为目前国内一些叶片生产商均是以成本定价的。
风力发电叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，并局部采用玻纤或碳纤增强环氧树脂作为主承力结构。
目前国内一般较小型的叶片(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯树脂为主；而较大型叶片(长度42m以上)的结构设计则需要使用碳纤维复合材料(CFRP)或碳纤维（CF）与玻璃纤维（GF）的混杂复合材料，采用真空导入生产工艺(VIP)，而树脂基体则以环氧树脂为主，由此使得原材料成本大幅度上升。而投资的增大，又将影响到最终的发电成本。寻找大叶片生产原料成本降低的实现途径，一直是研究人员追求和努力的方向。寻求高性能的环氧乙烯基酯树脂代替或部分代替价格昂贵的环氧树脂则不失为一条新路。尤其是在目前国内叶片制造中占主导地位的真空导入工艺领域。
2．1、可行性
用环氧乙烯基酯树脂替代环氧树脂优势之一是可降低叶片原材料成本。据分析统计，环氧树脂叶片的成本占整个发电装置成本的20%～30%，而采用环氧乙烯基酯树脂代替环氧树脂后，环氧乙烯基酯树脂目前的价格约为30元/千克，环氧树脂约为40元/千克，仅叶片材料的更换就能减少约10%的总成本，叶片主材更换后，胶衣等表面护层配套产品也会相应改变，带来的节约效果同样可观。据亚什兰性能材料公司的研究人员称，环氧乙烯基酯树脂与环氧树脂相比，能提高风叶制造的经济性和速度。亚什兰性能材料公司全球风能技术负责人Kevin Lanbrych最近做出该项研究的报告。成本和速度是该研究强调的两大优点。据 Lanbrych称：“当你把环氧叶片和环氧乙烯基酯叶片在制造中的经济性对比时，就会发现制造商每片叶片可节约25%~30%。
用环氧乙烯基酯树脂替代环氧树脂的另一优势，即工艺性好。环氧乙烯基酯树脂可以在不改变原环氧树脂成型结构设计的基础上，直接替换环氧树脂。与此同时环氧乙烯基酯树脂与另一叶片主要用材的不饱和聚酯树脂相类似，可借鉴现有不饱和聚酯树脂制造叶片的成熟工艺。
用环氧乙烯基酯树脂替代环氧树脂的第三个优势，无需进行后固化等处理，降低能耗。另外，模具成本在叶片生产中所占比例很高，在更换材料后，由于无需进行后固化等处理，将大大提高模具使用效率，相应的模具投资成本将下降。以1.5mw的叶片为例，采用环氧树脂为基材生产一片叶片约耗时两天，而用环氧乙烯基酯树脂只要一天。据Ashland公司报道：其最新开发的Derakane 601-200环氧乙烯基酯树脂经过基本测试，该树脂相比于灌注方式生产风机叶片的环氧树脂，可使循环次数增加25％。
此外，环氧乙烯基酯树脂与环氧树脂的机械力学性能，抗疲劳、刚度等各项性能指标接近，在与纤维增强等材料经合理匹配后的复合材料性能指标并不低于环氧体系的复合材料，可完全满足设计要求。
同时，在一些高纬度地区，一到冬季，要经受近3-4个月的低温恶劣天气，其运作时的温度为-40℃。因此材料的耐低温特性是一个要考虑的重要特性之一，而在低温条件下，环氧乙烯基酯树脂的各项性能发生了变化，表2.1中列出了环氧乙烯基酯树脂的各项性能的变化趋势。
表2.1 环氧乙烯基酯树脂的低温性能变化趋势
性 能 变 化
拉伸强度 增大
压缩强度 增大
弯曲强度 增大
弹性模量 增大
伸长率 下降
收缩率 增大
总之，风能发展到今天，成本上的压力一直是该行业面临的困扰。环氧乙烯基酯树脂虽然在成本，工艺性，生产效率等方面有很大优势，但其应用开发目前还处于初级阶段，国内外企业正在积极开展环氧乙烯基酯树脂在叶片上的应用研究。受各种因素制约，真正大范围的商业化生产尚需时日。不过，丹麦艾尔姆玻璃纤维制品有限公司、中航惠腾公司等多家叶片生产企业已经开始考虑或着手应用环氧乙烯基酯树脂。用性价比更高的环氧乙烯基酯树脂逐步取代目前广泛采用的环氧树脂，将成为未来风力发电叶片的发展趋势。
2．2、叶片真空导入专用环氧乙烯基酯树脂的特点
目前，国内市场上已出现了叶片真空导入专用的环氧乙烯基酯树脂，如Derakane601-200、Atlac2278和FUCHEM8202等，他们的共同特点是：
1） 低粘度：25℃时，在100-200 mPas;
2） 长凝胶时间： 60-180 min;
3） 低放热峰：25℃ 时，固化放热峰可控制在70-120 ℃之间；
4） 好的拉伸、弯曲强度；
5） 热变形温度在100-110 ℃之间；
6） 较低固含量：固体含量基本在60%左右；
这些特性，基本满足了叶片真空导入的工艺要求，但是由于较低的固体含量，使得树脂固化后的收缩率将增大。如果工艺不匹配，将会对成型后的叶片产生比较大的变形和收缩应力，对叶片质量将是个隐患。目前市场上的环氧乙烯基酯树脂，具有低收缩和低苯乙烯含量的特点，但国内一些厂家为了满足真空导入工艺的要求，通过加入大量的苯乙烯来降低树脂粘度，这样的树脂分子架构设计是值得商榷的。FUCHEM8202叶片专用的环氧乙烯基酯树脂（固体含量可达65%）在满足叶片真空导入的工艺要求基础上，将树脂的收缩率下降了2/3，有效弥补了低固含环氧乙烯基酯树脂的不足。同时经检测，其各种性能与国外类似产品相近，FUCHEM 8202的各类增强材料制作成玻璃钢测试性能见下表。
表2.2 单向布（530g/m2，5层，2.7mm 厚）
FUCHE 8202 测 试 方 法
拉伸强度 489 MPa GB/T1447-05
模量 27.09GPa GB/T1447-05
延伸率 2.0 % GB/T1447-05
泊松比 0.34 GB/T3354-05
弯曲强度 924 MPa GB/T1449-05
模量 24.6 GPa GB/T1449-05
树脂含量 41.4% GB/T2577-05
短梁剪切 55.4MPa (层间破坏) JC/T773-82
表2.3 ±45°玻纤布（玻纤布730g/m2，4层，2.8mm厚）
FUCHEM 8202 测 试 方 法
拉伸强度 285 MPa GB/T1447-05
模量 20.0 GPa GB/T1447-05
延伸率 1.9% GB/T1447-05
泊松比 0.27 GB/T3354-05
弯曲强度 457 MPa GB/T1449-05
模量 16.1 GPa GB/T1449-05
树脂含量 42.2% GB/T2577-05
T型层间剪切 30.4 MPa GB/T1450.1
表2.4 0-90°复合毡（复合毡1050/m2，2层，3.0mm厚）
FUCHEM 8202 测 试 方 法
拉伸强度 160 MPa GB/T1447-05
模量 13.1 GPa GB/T1447-05
延伸率 1.5% GB/T1447-05
泊松比 0.38 GB/T3354-05
弯曲强度 567 MPa GB/T1449-05
模量 13.8 GPa GB/T1449-05
树脂含量 50.7% GB/T2577-05
T型层间剪切 37.7 MPa GB/T1450.1
注：上述测试时，样品制作时采用10％MEKP和0.6％Cobalt固化系统,加入量：固化剂1%，促进剂0.2%,室温固化24 hr后，再加热固化：80℃ 2hr;120℃ 2hr;
2、3 RTM用环氧乙烯基树脂
传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺（Hand Lay-up）制造，因此手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大，生产效率低和产品的而且产品质量均匀性波动较大。特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片，还往往需要粘接等二次加工。因此，目前国外的高质量复合材料风机叶片往往采用真空导入工艺、RTM、缠绕及预浸料/热压工艺制造。尤其是RTM工艺适宜中小尺寸风机叶片的中等批量生产（5,000－30,000片/年）；
RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺，对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。RTM工艺特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片（纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型），而无需二次粘接。与手糊工艺相比，不但节约了粘接工艺的各种工装设备，而且节约了工作时间，提高了生产效率，降低了生产成本。
因此采用复合材料RTM树脂传递模塑工艺技术替代风力发电机叶片手糊制造工艺，具有生产效率高、产品质量好、力学性能强等特点。该技术的应用可基本解决目前手工糊制叶片制造工艺中存在的技术和质量问题。目前国内一些厂家采用环氧乙烯基酯树脂成功地批量制作中小型风机叶片或独立机组叶片。
3、叶片的粘接与修补
风机叶片成型可供选择的工艺有：手糊、模压、预浸料铺放、拉挤、缠绕、树脂传递模塑（RTM）和真空导入工艺。目前主要使用两种：即手糊和真空导入。对于大型风机叶片制作比较理想的是采用真空灌注成型工艺。
在手糊工艺中，一般采用不饱和聚酯树脂（UPR）作为基材，在两半叶片制作完毕后再对两半叶片进行拼接或粘接，这样就存在着对叶片间的粘接技术要求。国内在2005年叶片市场刚起步时，国内的一些大型主流叶片制造厂家就成功应用了FUCHEM8811AT环氧乙烯基酯树脂用于0.75MW、1.2MW叶片的粘接，而这些采用FUCHEM8811AT环氧乙烯基酯树脂粘接剂的叶片已历经了多年的应用考验。FUCHEM8811AT粘接剂为以低收缩环氧乙烯基酯树脂为主要成份并加入一些功能性助剂的高触变黏稠混合物，目前市场上也有类似的产品，如6100、FI-184、ENGUARD6200等。当时保定一厂家测试了大量的国内外材料（包括不同厂家的环氧乙烯基酯树脂类或环氧类粘接剂），据该厂家的测试结果显示，8811AT树脂的粘接性能完全不逊色于环氧树脂类粘接剂，但8811AT粘接剂却存在一个明显的优点：在室温固化自然条件下有更好的固化度，多次测试结果表明在室温固化自然条件下经放置14天后，粘接剂的理化特性可达到98%左右的理想值，这也是当时该厂家选用该粘接剂的一个主要原因。而在手糊制作工艺中，厂家一般情况下很难采用加热等方式对大尺寸的叶片进行后固化处理，这样8811AT粘接剂就显示了其较其它粘接剂更好的技术可取性。
这类环氧乙烯基酯树脂可用于粘接不饱和聚酯树脂基材类叶片，具有优良的韧性和热稳定性，在制作过程中具有低放热峰和超低收缩的特性，并具有良好的操作工艺性，可广泛应用于风机叶片等到粘接，一次可成型厚度达15mm，并可适用于机器操作。表3.1是粘合剂的固化典型值：
表3.1 环氧乙烯基酯树脂粘合剂的固化典型值
项 目 数 值 测试方法
拉伸剪切强度 MPa 》4.0(FRP-FRP) GB/T7124-2008
拉伸强度 MPa 40 GB2568－95
拉伸模量 MPa×103 3.2 GB2568－95
延伸率 ％ 2.6 GB2568－95
冲击强度（无缺口）KJ/M2 11 GB2571－95
Barcol硬度 36 GB3854－83
邵氏硬度D（4小时后） 60 GB/T2411-2008
热变形温度 ℃ 80±5 GB1634－89
线膨胀系数℃-1 6.0*10-5 GB/T2572-2005
线性收缩率% 《0.20 GB/T50590
吸水率（7d）mg 30 GB1460—78
注：固化条件：2%的固化剂（Butanox M-50），室温固化24小时，50℃下固化24小时。
在前几年风电行业的高速发展过程中，一些公司或个人也进入了这个高速成长的叶片制作行业，短短几年间，国内出现了大量的叶片制造厂家，而实际叶片制作是一个具有相当高技术含量的工艺。经这几年的叶片运行，国内一些风场均有发现一些叶片出现开裂、表面受损等情况；同时对于大型复合材料部件来说，运输或安装本来就存在着相当大的难度，所以有时难免会出现叶片表面受损等的情况。上述问题的存在均要求对叶片表面或内部进行局部的修补，而环氧乙烯基酯树脂类粘接剂则是一个很好的替代选择。国内已有一些厂家或公司已采用或选用881AT胶粘剂进行叶片的修补。
4、模具制作
作为一个高性能的基体材料，环氧乙烯基酯树脂在风电行业有更多的成功应用场合，包括模具制作等。这几年国内许多知名的叶片厂家采用超低收缩环氧乙烯基酯树脂（如FUCHEM881等）作为模具制作用树脂的首选，据统计至少成功应用了70套玻璃钢模具。超低收缩环氧乙烯基酯树脂以其具有的足够的机械强度和刚度、足够的尺寸稳定性、耐热循环、耐腐蚀等独特性能，更好地满足了高品质FRP产品的要求，其中881树脂的最大特色是超低固化线收缩率，根据标准《环氧浇铸树脂线性收缩率的测定》（HG/T 2625-94）进行了试验，试验结果见表4.1，并选取了富马酸改性的某一环氧乙烯基酯树脂进行对比。同时，美国密歇根州立大学的美国复合材料工程技术中心对该树脂的测试结果（ASTM标准）也表明，该树脂的固化收缩率极低，该中心是选择了一美国著名的乙烯基酯树脂供应商的产品作为对照，具体见表4.2。
表4.1 树脂线收缩率测试结果
固化条件 固化线收缩率
超低收缩树脂 对比树脂
常温固化 0.015% 2.8%
常温固化后，80℃2Hr后固化处理 0.16% 3.6%
表4.2 树脂体收缩率测试结果（美国方面提供）
固化条件 固化体收缩率
超低收缩树脂 对比树脂
CHP固化体系 —— 7.18%
MEKP固化体系 1.73% 8.10%
5、其它可能的应用
随着环氧乙烯基酯树脂性能得到大家的关注和认可，相信环氧乙烯基酯树脂在风电行业的应用会逐渐得到推广，包括这几年随着海上风电的发展，作为环氧乙烯基酯树脂的一个基本特性——防腐蚀特性，以环氧乙烯基酯树脂为基础的涂料等重防腐蚀材料可能会在海上风电等的一些基础设施防腐蚀中得到应用推广，因为毕竟环氧乙烯基酯树脂类涂料在海上石油平台、港口设施等有众多成功的应用案例。
另外，结合我司多年来采用环氧乙烯基酯树脂在土建方面的成功应用经验，包括聚合物混凝土（polymer concrete,简称PC）等在内，可能会在风机机组的桩基等基础工程上得到应用，如裂纹的补强和加强、灌浆等，使环氧乙烯基酯树脂混凝土具有的超强抗震、抗压、快速固化等功能得以充分发挥。这基于我司的产品已成功应用于如三峡水利等的一大批基础设施工程，也相信会在其它如风电行业得到应用。
6、综述
综上所述，环氧乙烯基酯树脂应用在风电叶片行业中是被证明可行或可能的，自然在这方面的应用突破尚需要树脂生产厂家和叶片制造厂家的配合方能成行，这不仅可促进国内复合材料行业的发展，更比较直接的地提高国内叶片制造厂家的市场竞争能力，因为目前国外一些大型叶片生产厂商已经在环氧乙烯基酯树脂的应用方面取得了一定的突破或实质性进展，我们国内的公司只有迎头赶上方能在未来风电市场上具有更强的市场竞争能力。 |
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