Die Entwicklung von Hochleistungsklebstoffen hat in den letzten Jahren kontinuierlich zur Realisierung von immer effizienteren Windkraftanlagen beigetragen. Der Germanische Lloyd hat jetzt erstmals einen neuen Polyurethan-Klebstoff zertifiziert, der im Vergleich zur Epoxid-Technologie eine deutlich effizientere Herstellung von Rotorblättern ermöglicht.

Windkraftanlagen müssen extremen Belastungen standhalten: Mit Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 300 km/h schnellt die Blattspitze durch die Luft. Dabei gilt: je größer der Rotordurchmesser desto höher ist auch die Energieausbeute. Moderne Rotorblätter sind heute bis zu 61 Meter lang und wiegen bis zu 15 Tonnen. In Anbetracht der außergewöhnlichen haben sich in der Praxis duroplastische Klebstoffe als Schlüsseltechnologie beim Bau von modernen Rotorblättern etabliert. Diese bestehen hauptsächlich aus laminiertem, glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK) und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise hergestellt. Nach dem Abformen werden beide Halbschalen zu einem Flügel miteinander verklebt. Hierbei werden prinzipiell zwei unterschiedliche Konstruktionen verwendet: Zum einen ein Kastenholm der mit einer aerodynamischen Verkleidung in der Flügelform versehen ist (nicht selbsttragende Konstruktion), zum anderen die selbsttragende Konstruktion, bei der die eingeklebten Stege und die Flügelhälften die volle Kraftübertragung übernehmen.

Traditionell wurden für die selbsttragenden Konstruktionen bislang reaktive Epoxidharzklebstoffe verwendet, die über eine entsprechende Zertifizierung des Germanischen Lloyd (GL) verfügen. Nun hat diese Prüfinstitution erstmalig auch einen Polyurethan-Klebstoff (PUR) von Henkel für die Verklebung von selbsttragenden Blattkonstruktionen für Windenergieanlagen zugelassen.

„Die Qualität eines Rotorblattes wird ganz wesentlich durch die Zuverlässigkeit der Klebeverbindungen bestimmt“, sagt Dr. Michael Gansow, Leiter der Entwicklung von PUR Klebstoffen bei Henkel. Insbesondere die strukturelle Verklebung von selbsttragenden Blatt - Konstruktionen stellt hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des einzusetzenden Klebstoffs (Bild 1). „Die Klebefuge ist hier vergleichsweise klein gehalten, während die eingeklebten Strukturen dauerhaft einer direkten Belastung ausgesetzt sind. Versagt die Verklebung, dann hat dies Blattschäden oder -bruch zur Folge“, erläutert Gansow. Die GL-Zulassung der einsetzbaren Klebstoffe erfolgt aus diesem Grund erst nach der Überprüfung zahlreicher Stoffkriterien. Diese sind zwar prinzipell für duromere Klebstoffe ausgelegt, basieren jedoch ursprünglich auf der Epoxidharz-Technologie. „Grund dafür ist, dass die Verbindung von selbsttragenden Rotorblattkonstruktionen bislang ausschließlich eine Domäne von zweikomponentigen Epoxidharzklebstoffen gewesen ist.“

In den letzten Jahren hat jedoch die Nutzung der Windenergie ein bemerkenswertes Wachstum und eine rasante technische Entwicklung hingelegt. Zur Steigerung der Energieausbeute werden Rotorblätter für Windenergieanlagen immer größer und schwerer – Rotorblätter mit einer Länge von 60 Metern sind bereits realisiert. Dabei ist allerdings zu beachten: Größere Windkraftanlagen sind zwar effizienter, die Profitabilität hängt jedoch entscheidend von den Herstellungskosten ab. Gefordert sind immer kürzere Produktionszyklen sowie reduzierte Herstellungskosten insgesamt. „Von dieser Entwicklung ist natürlich auch der Verklebungsprozess betroffen“, sagt Gansow. „Allerdings stößt die über Jahre gereifte Epoxid-Technologie aufgrund ihrer eingeschränkten Formulierungsbreite hier an ihre Grenzen.“ Neue Technologiekonzepte sind gefragt. Eine Lösung präsentiert Henkel mit der Entwicklung des Polyurethan-Klebstoffs Macroplast UK 1340.

Aufgrund ihrer großen Variationsbreite im Polymeraufbau werden Polyurethan-Klebstoffe seit über dreißig Jahren in den verschiedensten Industriebereichen für kraftschlüssige Montageklebungen eingesetzt. Auf der Basis einer vollkommen neuen Formulierung ist es Henkel gelungen einen PUR-Klebstoff zu entwickeln, der die spezifischen mechanischen Anforderungen für den Einsatz in der Windkraftindustrie erfüllt und darüber hinaus eine effizientere Herstellung von Rotorblättern ermöglicht. Primäre Anforderungen des Germanischen Lloyd an den Klebstoff betreffen insbesondere die Zugscherfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, das Kriechverhalten sowie dessen Glasübergang.

Der Klebstoff verhält sich in seinem physikalischen Eigenschaften temperaturabhängig. In einem Temperaturbereich, der als Glassübergang (Tg) bezeichnet wird, ist diese Veränderung der mechanischen Eigenschaften signifikant. Der Glasübergang trennt in den unterhalb liegenden spröden Bereich (Glasbereich) vom oberhalb liegenden weichen Bereich (gummielastischer Bereich). „Für die Windkraft Rotorblätter wird deshalb ein Tg von mindestens 65 ° C verlangt um dem Kriechen der Klebeverbindung (Relativverschiebung der Füge Partner) vorzubeugen und bei höheren Umgebungstemperaturen ein gewisse Steifigkeit zu erzielen“, erläutert Gansow. Je nach gewünschter Elastizität liegt dieser bei Polyurethanklebstoffen üblicherweise jedoch nur zwischen -30°C und 45 °C. Macroplast UK 1340 stellt diesbezüglich ein Novum dar. Als einziger Klebstoff seiner Klasse erfüllt er mit einem Tg von 65 °C und höher die Anforderungen des Germanischen Lloyd. Umfangreiche Prüfungen haben laut Henkel zudem eine Zugscherfestigkeit oberhalb von 20 MPa im Temperaturbereich zwischen -40 und 80 °C nachgewiesen. „Damit erfüllt Macroplast UK 1340 alle durch den G.L. vorgegebenen Spezifikationen“, sagt Gansow.

Der zweikomponentige Polyurethanklebstoff besteht aus Harz und Härter. Nach dem Anmischen liegt die Topfzeit zwischen 60 und 80 Minuten, bei einer optimalen Umgebungstemperatur von 20 °C. „Klebstoffe auf Polyurethanbasis können in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit variabel eingestellt werden und ermöglichen so eine erhebliche Zeiteinsparung in der Produktion von Rotorblättern“, erklärt Gansow. Mit Topfzeiten von 1 bis zu 80 Minuten können sie an den Produktionsprozess beliebig angepasst werden, ohne den Nachteil einer partiellen Überhitzung der Klebefuge. Die Aushärtung des PUR-Klebstoffs findet bei einer deutlich niedrigeren Reaktionstemperatur bis zu maximal 75 °C statt.

Für den Verarbeitungsprozess ist die Senkung der Exothermie aus zweierlei Gründen von großem Vorteil: Beim Verkleben von Kompositmaterialien können durch zu hohe Wärmebelastungen Spannungsrisse entstehen, die das gesamte Rotorblatt schwächen. Dieses Risiko wird durch eine niedrigere Reaktionstemperatur deutlich gemindert. Polymerisationen die bei hohen Temperaturen ablaufen sind immer auch mit Volumenänderungen verbunden. Eine geringe Exothermie und somit geringere Temperaturbelastung bei der chemischen Vernetzung reduziert so den thermisch bedingten Schrumpf. Die Exothermie ist zudem abhängig von der Klebstoffmenge, die abreagiert und Wärme freisetzt. Somit werden Bereiche, in denen viel Klebstoff eingesetzt wird, deutlich heißer als andere mit weniger Klebstoffmenge. Bei einem Rotorblatt kommt es zu erheblichen Unterschieden in der Klebstoffauftragsmenge und dadurch zu erheblichen Spannungsunterschieden. An den Grenzflächen solcher Spannungsfelder treten in der Folge mechanische Defekte auf, falls die Spannungen nicht durch aufwendige Temperatur Nachbehandlung (Tempern) abgefangen werden. Hier haben Polyurethan-Systeme mit niedriger Exothermie deutliche Vorteile, vor allem in großen Schichtstärken.

„Verglichen mit den bisher üblichen Epoxidharz-Systemen führt die Nutzung der PU-Technologie zu zahlreiche Verbesserungen bei der Herstellung von Windkraftanlagen“, bewertet Michael Gansow. Kürzere Zykluszeiten, ohne die damit verbundenen Nachteile erhöhen die Produktivität, während der Klebstoff höchste Qualitätsanforderungen erfüllt.

Quelle: Henkel AG & Co. KGaA – 16.03.2010.