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摘 要： 对某种双组分聚氨酯胶黏剂的机械性能和疲劳性能进行实验分析，结果表明聚氨酯胶黏剂粘接环氧基复合材料表现出优异的机械性能，为风机叶片选用聚氨酯胶黏剂提供参考。
关键词： 复合材料；风轮叶片；聚氨酯；胶黏剂；机械性能；疲劳性能；测试
中图分类号：TQ433.432 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220162－02
0 前言
目前，国内大型风机叶片的壳体结构大多是环氧树脂增强玻璃纤维复合材料，一般采用真空吸注法将PS面和SS面分别灌注成型，再经合模工序粘接成型。现阶段，国内外各风电公司在叶片合模时使用的结构胶均为环氧树脂类的胶黏剂。环氧树脂有优异的粘结性能、稳定性、耐候性能、良好的机械性能和加工性能，但是需要加热固化，操作工艺较复杂[1]，且加热效果不好会导致固化不良，易带来质量隐患。
聚氨酯胶黏剂与环氧树脂胶黏剂都属于反应型胶黏剂，粘接强度高。聚氨酯的结构中含有极性高的异氰酸酯基（-NCO）和氨基甲酸酯基（-NHCOO-），与含有活性氢的材料，如聚酰胺、皮革、金属、塑料、橡胶、玻璃等有优良的粘附能力，同时与被粘结材料之间产生氢键作用，使粘结强度进一步增强[2]。聚氨酯胶黏剂可以加热固化，也可以室温固化，粘结工艺简单，操作性能良好，固化时放热量很小不易暴聚，没有副反应，不易带来缺陷。聚氨酯胶黏剂有良好的粘结强度和冲击强度，耐油、耐低温性能尤为突出，在低温下，其前剪切强度、剥离强度及耐疲劳性能大大增强，液氮中测试其剪切强度可达50MPa，液氮中疲劳测试震动次数超过100万次不破坏[3]。有些聚氨酯产品经过改性后，其硬度、伸长率以及各项力学性能与叶片环氧树脂合模胶相当，尤其疲劳性能体现出明显的优越性。这些优良的特性使聚氨酯胶黏剂在叶片制造行业拥有很好的前景。目前国外有些叶片生产厂家已用双组分聚氨酯胶黏剂试制叶片。
1 实验设备与试样制作
1.1 仪器与材料
Zwick/Roell Z010KN万能材料试验机（配置拉伸夹具，弯曲夹具及相应引申计），德国ZWICK公司；SANS 4J塑料摆锤冲击试验机，MTS（中国）有限公司；Instron 8801疲劳试验机（10kN传感器），美国INSTRON公司；SpeedMixer DAC 400 FVZ离心式混合机，德国Hauschild公司；CARVER国际标准化实验室压片机，美国CARVER公司；程序控温铺床模具，国电联合动力技术（保定）公司自主研发；COESFELD数控铣床，德国COESFELD公司；MELABO锯切床，美国MELABO公司；ESPEC电热鼓风干燥箱，日本ESPEC公司；胶黏剂薄板制作用模具，自制。
某种环氧树脂胶黏剂，国内叶片市场评价较好的某公司；真空灌注用环氧树脂，迈图公司；无碱玻璃纤维单向织布（1250g/㎡带毡），宏发纵横公司；聚氨酯树脂胶黏剂，国际市场某家胶黏剂生产公司。
1.2 实验样品制作
1.2.1 FRP基材制作
铺床模具上，对称铺设4层单向玻纤织布；灌注树脂按比例混匀后真空法脱泡，采用真空灌注工艺注胶。灌注结束，开启模具加热，于50℃保温5h进行预固化。再于70℃下保温7h后固化。离模后撕除辅材。
1.2.2 拉伸剪切样品制作
胶黏剂于离心式混合机中按比例混合均匀。用1.2.1中制备的FRP做基材，按EN 1465标准要求制作拉伸剪切实验样品，取纤维的0°方向为样品长度方向。
1.2.3 胶黏剂拉伸、弯曲及冲击样品制作
板材制作：胶黏剂按比例混合均匀后，置于自制的模具中间，模具间用4mm聚四氟乙烯边框定距，压片机压平，于70℃下加热固化7h。
制样：固化后的板材用数控铣床切削，按ISO 527-2要求尺寸制备拉伸实验样品，按80mm*15mm尺寸制备弯曲和冲击实验样品。
1.2.4 T剥离样品制作
T剥离实验样品粘接部位用FRP做基材，实验机夹具夹持部位用T型钢片。按GB/T 2971要求尺寸制作T剥离试验样品。参考GL-T Peel Machine Traslation与GB/T 2971制作。
1.2.5 疲劳试验样品制作
100mm*25mm*2mm钢片，粘接部位经喷砂处理，采用搭接的方式用待测试胶黏剂粘接，于70℃下固化7h。
2 实验标准、结果与分析
2.1 实验标准及内容
本实验按照EN 1465（拉伸剪切实验英国标准）、ISO 527-2（拉伸实验国际标准）、ISO 178（弯曲实验国际标准）、ISO 179-1（冲击实验国际标准）、GB/T 2971（T剥离实验国家标准）和ISO 9664（胶黏剂疲劳实验国际标准）进行。
2.2 静态力学实验结果
按照2.1中的标准分别进行材料的机械性能实验，静态力学测试结果见表1。其中，拉伸剪切、拉伸、T剥离实验数据均为6个测试结果的平均值，弯曲、冲击实验数据均为10个测试结果的平均值。
2.3 拉伸疲劳实验结果
拉伸剪切疲劳实验按照标准ISO 9664进行，实验振动频率为30Hz，循环次数106。
疲劳极限计算按照以下公式计算：
2.3.1 环氧树脂胶黏剂疲劳实验结果如表2。
× 表示断裂的样品； → 表示没有破坏的样品
L=8；A=15；B=35
S=0.29MPa
（106,10.6MPa）=3.08MPa
2.3.2 聚氨酯胶黏剂疲劳实验结果如表3。
× 表示断裂的样品； → 表示没有破坏的样品
L=8；A=12；B=24
S=0.25MPa
（106,9.6MPa）=4.6MPa
2.3.3 两种胶黏剂疲劳实验的S-N曲线见图1，实验结果对比见表4。
聚氨酯胶黏剂； 环氧树脂胶黏剂
2.4 结果分析
1）由表1结果看，该聚氨酯胶黏剂的拉伸强度及模量、弯曲强度、冲击强度几乎与对比的环氧树脂胶黏剂相当，且该聚氨酯胶黏剂的拉伸断裂伸长率和T剥离强度略优于对比环氧树脂胶黏剂。
2）在拉伸剪切实验中，聚氨酯的拉伸剪切实验中，试样破坏形式均表现为本体破坏伴随着基材破坏，见图2。
3）聚氨酯的疲劳实验结果明显优于环氧树脂。
3 结论
通过对实验对比发现：聚氨酯粘接环氧树脂基的增强纤维复合材料有非常优异的静态性能和抗疲劳振动性能，优异的耐低温性，非常适宜于风场环境，在叶片胶黏剂方向有良好的发展前景。
参考文献：
[1]王德中，环氧树脂生产与应用，化学工业出版社，2001.6.
[2]向明、蔡燎原、张季冰，胶黏剂基础与配方设计，化学工业出版社，2001.12.
[3]朱吕民，聚氨酯合成材料，江苏科学技术出版社，2002.2.
关键词： 复合材料；风轮叶片；聚氨酯；胶黏剂；机械性能；疲劳性能；测试
中图分类号：TQ433.432 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220162－02
0 前言
目前，国内大型风机叶片的壳体结构大多是环氧树脂增强玻璃纤维复合材料，一般采用真空吸注法将PS面和SS面分别灌注成型，再经合模工序粘接成型。现阶段，国内外各风电公司在叶片合模时使用的结构胶均为环氧树脂类的胶黏剂。环氧树脂有优异的粘结性能、稳定性、耐候性能、良好的机械性能和加工性能，但是需要加热固化，操作工艺较复杂[1]，且加热效果不好会导致固化不良，易带来质量隐患。
聚氨酯胶黏剂与环氧树脂胶黏剂都属于反应型胶黏剂，粘接强度高。聚氨酯的结构中含有极性高的异氰酸酯基（-NCO）和氨基甲酸酯基（-NHCOO-），与含有活性氢的材料，如聚酰胺、皮革、金属、塑料、橡胶、玻璃等有优良的粘附能力，同时与被粘结材料之间产生氢键作用，使粘结强度进一步增强[2]。聚氨酯胶黏剂可以加热固化，也可以室温固化，粘结工艺简单，操作性能良好，固化时放热量很小不易暴聚，没有副反应，不易带来缺陷。聚氨酯胶黏剂有良好的粘结强度和冲击强度，耐油、耐低温性能尤为突出，在低温下，其前剪切强度、剥离强度及耐疲劳性能大大增强，液氮中测试其剪切强度可达50MPa，液氮中疲劳测试震动次数超过100万次不破坏[3]。有些聚氨酯产品经过改性后，其硬度、伸长率以及各项力学性能与叶片环氧树脂合模胶相当，尤其疲劳性能体现出明显的优越性。这些优良的特性使聚氨酯胶黏剂在叶片制造行业拥有很好的前景。目前国外有些叶片生产厂家已用双组分聚氨酯胶黏剂试制叶片。
1 实验设备与试样制作
1.1 仪器与材料
Zwick/Roell Z010KN万能材料试验机（配置拉伸夹具，弯曲夹具及相应引申计），德国ZWICK公司；SANS 4J塑料摆锤冲击试验机，MTS（中国）有限公司；Instron 8801疲劳试验机（10kN传感器），美国INSTRON公司；SpeedMixer DAC 400 FVZ离心式混合机，德国Hauschild公司；CARVER国际标准化实验室压片机，美国CARVER公司；程序控温铺床模具，国电联合动力技术（保定）公司自主研发；COESFELD数控铣床，德国COESFELD公司；MELABO锯切床，美国MELABO公司；ESPEC电热鼓风干燥箱，日本ESPEC公司；胶黏剂薄板制作用模具，自制。
某种环氧树脂胶黏剂，国内叶片市场评价较好的某公司；真空灌注用环氧树脂，迈图公司；无碱玻璃纤维单向织布（1250g/㎡带毡），宏发纵横公司；聚氨酯树脂胶黏剂，国际市场某家胶黏剂生产公司。
1.2 实验样品制作
1.2.1 FRP基材制作
铺床模具上，对称铺设4层单向玻纤织布；灌注树脂按比例混匀后真空法脱泡，采用真空灌注工艺注胶。灌注结束，开启模具加热，于50℃保温5h进行预固化。再于70℃下保温7h后固化。离模后撕除辅材。
1.2.2 拉伸剪切样品制作
胶黏剂于离心式混合机中按比例混合均匀。用1.2.1中制备的FRP做基材，按EN 1465标准要求制作拉伸剪切实验样品，取纤维的0°方向为样品长度方向。
1.2.3 胶黏剂拉伸、弯曲及冲击样品制作
板材制作：胶黏剂按比例混合均匀后，置于自制的模具中间，模具间用4mm聚四氟乙烯边框定距，压片机压平，于70℃下加热固化7h。
制样：固化后的板材用数控铣床切削，按ISO 527-2要求尺寸制备拉伸实验样品，按80mm*15mm尺寸制备弯曲和冲击实验样品。
1.2.4 T剥离样品制作
T剥离实验样品粘接部位用FRP做基材，实验机夹具夹持部位用T型钢片。按GB/T 2971要求尺寸制作T剥离试验样品。参考GL-T Peel Machine Traslation与GB/T 2971制作。
1.2.5 疲劳试验样品制作
100mm*25mm*2mm钢片，粘接部位经喷砂处理，采用搭接的方式用待测试胶黏剂粘接，于70℃下固化7h。
2 实验标准、结果与分析
2.1 实验标准及内容
本实验按照EN 1465（拉伸剪切实验英国标准）、ISO 527-2（拉伸实验国际标准）、ISO 178（弯曲实验国际标准）、ISO 179-1（冲击实验国际标准）、GB/T 2971（T剥离实验国家标准）和ISO 9664（胶黏剂疲劳实验国际标准）进行。
2.2 静态力学实验结果
按照2.1中的标准分别进行材料的机械性能实验，静态力学测试结果见表1。其中，拉伸剪切、拉伸、T剥离实验数据均为6个测试结果的平均值，弯曲、冲击实验数据均为10个测试结果的平均值。
2.3 拉伸疲劳实验结果
拉伸剪切疲劳实验按照标准ISO 9664进行，实验振动频率为30Hz，循环次数106。
疲劳极限计算按照以下公式计算：
2.3.1 环氧树脂胶黏剂疲劳实验结果如表2。
× 表示断裂的样品； → 表示没有破坏的样品
L=8；A=15；B=35
S=0.29MPa
（106,10.6MPa）=3.08MPa
2.3.2 聚氨酯胶黏剂疲劳实验结果如表3。
× 表示断裂的样品； → 表示没有破坏的样品
L=8；A=12；B=24
S=0.25MPa
（106,9.6MPa）=4.6MPa
2.3.3 两种胶黏剂疲劳实验的S-N曲线见图1，实验结果对比见表4。
聚氨酯胶黏剂； 环氧树脂胶黏剂
2.4 结果分析
1）由表1结果看，该聚氨酯胶黏剂的拉伸强度及模量、弯曲强度、冲击强度几乎与对比的环氧树脂胶黏剂相当，且该聚氨酯胶黏剂的拉伸断裂伸长率和T剥离强度略优于对比环氧树脂胶黏剂。
2）在拉伸剪切实验中，聚氨酯的拉伸剪切实验中，试样破坏形式均表现为本体破坏伴随着基材破坏，见图2。
3）聚氨酯的疲劳实验结果明显优于环氧树脂。
3 结论
通过对实验对比发现：聚氨酯粘接环氧树脂基的增强纤维复合材料有非常优异的静态性能和抗疲劳振动性能，优异的耐低温性，非常适宜于风场环境，在叶片胶黏剂方向有良好的发展前景。
参考文献：
[1]王德中，环氧树脂生产与应用，化学工业出版社，2001.6.
[2]向明、蔡燎原、张季冰，胶黏剂基础与配方设计，化学工业出版社，2001.12.
[3]朱吕民，聚氨酯合成材料，江苏科学技术出版社，2002.2.