知识讲堂 | 环氧树脂在风电领域中担任的重要角色

风电叶片形态和材质决定风电转化效率。风力发电设备主要由电机、叶片、变速箱、控制系统、支柱、塔架六个部分组成，其中风电叶片是核心部件之一。
叶片尺寸、形状及选材决定了风能向电能转化的效率。风电叶片具备尺寸大、外形复杂、精度要求高、质量分布合理、耐候性好等特点。

近几年，国内路上风机、海上风机逐渐大型化的趋势，风电叶片的叶轮直径也在不断增长，同时叶片的叶型、结构、材料也在随之不断地进行迭代与更新。从技术上看，风电叶片迟勋越大，可增大风机的扫风面积，从而捕获更多的风能，提升风机机组的发电效率，同时增加机组的扫风面积，降低风电度电成本。风机叶片自问世以来，风机叶片尺寸不断提升，截至2021年末陆上风电主流的叶轮直径已经达到151米，极大地提升了风机机组整体的发电效率。

环氧等复合材料可适应叶片大型化发展趋势。随着叶片尺寸的增加，叶片中心不断向外移动，对于叶片材料的刚性、均匀程度、材料密度，以及叶片的尺寸精度都提出了更高的要求；同时，随着风场建设区域的不断扩大，特别是海上风电装机规模的快速增加，对于风机叶片材料的耐候性和抗腐蚀能力的要求也在不断提升。

目前行业普遍采用聚合物，如环氧树脂、不饱和树脂等，通过与玻璃纤维或碳纤维的复合灌注固化来制造风电机组叶片。相较于木质叶片和金属叶片，复合材料风电叶片具有质量轻、比强度高、刚性好，成型工艺简单，抗震性好、抗疲劳性能好、耐腐蚀性和耐气候性好，易于修补等优势，因此成为当前风电叶片的主流选材。

根据《复合材料结构设计对风电叶片成本的影响》，以1.5MW机组的某一型号叶片为例，增强纤维、结构芯材、基体树脂与结构胶，合计占比超过总成本的85%，增强纤维与基体树脂合计超过60%，粘接胶与芯材各占比都超过10%。随着风电装机容量不断提升，市场对于风机和风电叶片的需求巨大，进而带动了改性环氧灌注树脂系统料、改性环氧树脂手糊系统料等风电叶片用材料需求规模的增长。

在风电叶片用树脂方面，目前市场上主要的叶片制造商均采用环氧树脂作为叶片灌注成型的基体材料，有少数厂商采用乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂。从功能角度来说，环氧树脂、乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂均是作为风电叶片制造的基体材料，与玻璃纤维或碳纤维复合后成为复合材料，用于风电叶片的灌注成型。
 

环氧树脂之所以被广泛应用于叶片生产制造，主要是因为其具有良好的力学性能，耐化学腐蚀性和尺寸稳定性，更有利于叶片在严苛的环境下保证运作效率和使用寿命。具体应用时需由基础环氧树脂与固化剂、助剂、稀释剂等深加工制成，形成风电专用环氧树脂体系。通过在基础环氧树脂配比不同类型和比例的固化剂、稀释剂、助剂等也可应用于电子电气、新型复合材料等用途。

风电叶片的机构及成型的制造过程中环氧复合材料扮演着中重要角色。风电叶片的主要结构包括叶片壳体（迎风面/背风面）、大梁（在风电叶片中起主承力作用）、腹板（起支撑作用）。环氧树脂主要产品在风电叶片中使用的示意图如下：

风电用环氧树脂根据与增强材料复合工艺不同分为灌注树脂、手糊树脂、模具树脂、胶粘剂、风电叶片大梁用预浸料树脂、风电叶片大梁用拉挤碳板树脂等。风机叶片用环氧树脂灌注体系应具备粘度低、适用期长、浸透性好、固化物力学强度高，韧性好等特点，目前多数风电叶片厂家采用真空灌注环氧树脂。在拉挤成型工艺中，环氧树脂因为优异的力学性能、耐腐蚀性能和固化过程稳定等特点仍然是首选的基体树脂，短期内难以替代。
 

风电叶片的主要生产过程为模具内铺层纤维布（一般是玻纤或碳纤）及预制件和新材铺设、改性环氧树脂灌注、预固化、腹板粘接、合模、后固化、涂料等阶段。具体如下：

1. 模具生产，在模具内铺层纤维布；

2. 预制件和芯材的铺设。预制件主要为风电叶片大梁、螺栓套预埋件等。环氧复合材料用树脂中的灌注树脂系列/拉挤树脂系列产品可用于制造大梁，拉挤树脂环氧产品可用于制造螺栓套预埋件；巴沙木、PET结构芯材产品铺设于纤维布之上，作为风电叶片壳体夹层。

3. 纤维布铺层、导流系统铺设、加密封。

4. 灌注、预固化。环氧灌注树脂系列经过混合后，通过真空导流系统在模具中进行灌注，浸润预先铺层的纤维布。

5. 腹板制造及粘接。风电结构胶将腹板粘接于叶片壳体。

6. 合模。环氧手糊树脂产品用于壳体之间、壳体与腹板之间粘接及修补增强。

7. 后固化。在后固化过程中，前序6步的所有热固性树脂都会进一步交联固化以达到更优的机械性能，特别是合模的机构胶。
8. 涂料（底涂、面涂）。
 

△合模

△涂料

在整个生产制作过程中，改性环氧树脂与改性固化剂系列经真空混合后关注于铺设层发生化学反应，与纤维布、大梁等预制件、芯材浸润固化形成叶片壳体；灌注系列环氧树脂还可以用于制造风电叶片大梁，即改性环氧树脂与改性固化剂经真空混合后灌注于大梁模具中，浸润铺设层固化成型；环氧手糊树脂系列经混合后与纤维布浸润，可用于叶片合模处以及腹板粘接处的结构增强。

△环氧树脂系统料

拉挤工艺占比有望不断提升。风电叶片大梁作为叶片竖向荷载的主要支撑部件，其选材和工艺也在不断变化。当前，风电叶片大梁的生产工艺主要有灌注工艺和拉挤工艺；其中，运用拉挤工艺制作的风电叶片大梁，在拉伸、弯曲、层间剪切、压缩性能方面呈现最优的效果。随着风电装机发电效率提升，叶片不断加长，对于大梁力学性能的要求日趋严格，采用拉挤工艺制作的风电叶片大梁占比将逐步提升，进而拉动上游对于拉挤树脂系统料等叶片用材料的需求增长。常规几种工艺简介如下：

真空灌注工艺是指在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透实现对纤维的浸润，利用真空压力制作成型的一种工艺技术。
拉挤工艺指纤维纱在外力牵引下经过浸胶、挤压固化成型的一种工艺。可用于制造风电叶片玻纤/碳纤大梁、风电叶片螺栓套预埋件、碳纤维抽油杆、碳纤维复合电缆芯、碳纤维建筑补强板等复合材料。拉挤成型是制造高纤维含量、高性能、低成本及可以连续加工复合材料的一种重要方法。拉挤板用于大型叶片主梁结构可充分发挥纤维性能。
树脂传递模塑（RTM）工艺是指在闭合模具中预先铺设纤维增强材料和芯材，通过真空辅助（如VARTM技术）将低粘度树脂注入模腔，使树脂充分浸润纤维并排除气泡，随后热固化成型。产品质量稳定，可一次成型整体叶片（如纤维、夹芯等），减少二次粘接。
模压成型工艺通过双瓣模具对预浸纤维材料加热加压固化成型。其特点为高温高压下树脂均匀浸润纤维，制品纤维含量高、孔隙率低，尺寸精度和表面光洁度优异，适用于几何机构简单的部件。
缠绕工艺是指将预浸料树脂系统在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物增强体（如玻纤或碳纤），制成同时包含树脂基体与增强体的预浸料组合物。
手糊工艺是指将树脂系列和纤维制品手工逐层铺放在涂有脱模剂的模具上，充分浸润纤维制品并排除气泡、固化成型的工艺。

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