环氧树脂在风力发电叶片中的应用

一、材料缘起 

风电叶片从早期的木质帆布到金属蒙皮，再到今天百米级的复合材料巨构，每一次迭代都离不开树脂体系的升级。环氧树脂凭借高比强度、低固化收缩、优异耐疲劳与耐盐雾性能，成为玻璃纤维/碳纤维增强体系的首选基体。其交联密度可调控范围宽，既能满足主梁对高刚度的需求，也能兼顾蒙皮对韧性的要求。

二、结构场景 

1. 主承力区域 

叶片主梁和壳体通常采用单向或多轴玻璃纤维/碳纤维织物预成型，通过真空灌注工艺与低粘度环氧树脂复合。树脂在-0.1 MPa真空驱动下充分浸润纤维，固化后形成连续致密的三维网络，使叶片在20年的循环载荷下仍保持稳定的刚度与模量。 

2. 关键连接 

腹板与壳体的二次粘接、叶根金属预埋件与复合材料的界面，均需高韧性环氧结构胶填充。胶层厚度控制在0.5–2 mm之间，既传递剪切力又缓冲冲击，避免剥离破坏。 

3. 模具与辅材 

百米级叶片模具本身也采用环氧模具树脂制造。低放热配方保证厚度150 mm的模具层压板不翘曲；高表面光洁度减少脱模后叶片的打磨工时。 

4. 表面防护 

前缘易受雨滴、冰雹侵蚀，需喷涂弹性环氧涂层。该涂层在-40 ℃仍保持柔韧性，可抵御直径30 mm冰雹以90 m s⁻¹速度的撞击。

三、工艺演进 

真空灌注（VARTM）是当前主流。树脂粘度需低于300 mPa·s以确保纤维浸润，同时凝胶时间需与灌注路径匹配：60 m叶片约需45 min完成树脂流动，90 m叶片则延长至90 min。低温固化体系（60–80 ℃）适应冬季施工，高温后固化（100–120 ℃）进一步提升玻璃化转变温度至110 ℃以上。 

拉挤板材技术正在兴起。连续碳纤维通过环氧拉挤成型后，作为叶片主梁帽，纤维体积分数可达65 %，比传统织物灌注减重10 %，生产节拍缩短至2 m min⁻¹。

四、性能挑战与对策 

1. 大型化导致的裂纹风险 

随着海上20 MW机组叶片长度突破140 m，主梁帽厚度超过100 mm，固化放热梯度可达40 ℃，易引发微裂纹。解决方案包括：引入核壳橡胶增韧粒子，使断裂韧性GIC由600 J m⁻²提升至1200 Jm⁻²；采用分段固化工艺，降低峰值放热。 

2. 可回收需求 

热固性环氧传统上难以降解，退役叶片成为固废。化学回收路径以醇解或水解为主：在乙二醇/催化剂体系中160 ℃、0.3 MPa下反应4 h，纤维回收强度保持率>90 %，降解产物可再合成环氧单体，实现闭环循环。 

3. 生物基替代 

植物来源的环氧氯丙烷与腰果酚衍生物已成功制备出玻璃化温度>90 ℃的树脂体系，碳足迹比石油基降低35 %，已在陆上3 MW叶片小批量应用。

五、海上化趋势 

海上叶片面临高盐雾、高紫外、高湿热三重考验。环氧体系通过引入氟硅改性链段，可在1000 h盐雾试验后仍保持附着力1级；添加受阻胺光稳定剂使紫外加速老化（UVA-340，1000 h）后弯曲强度保持率>85 %。

六、产业链协同 

上游树脂企业正与主机厂、叶片厂共建数据库：将树脂流变曲线、固化动力学、纤维渗透率纳入CAE仿真，实现灌注缺陷预测与工艺窗口优化。国产树脂已从2015年的10 %市场份额提升至2023年的55%，成本下降30 %，交付周期由6周缩短至2周。

结语 

从微观分子交联到宏观百米级结构，环氧树脂在风电叶片中完成了从“配角”到“灵魂”的角色转换。随着可回收技术与生物基路线的成熟，它不仅支撑风能的高效捕获，也在全生命周期碳足迹管理上给出了化工材料的新范式。