高性能风电叶片防护涂料的研制
张乐显1，张光1，刘翰锋1，王建顺2，王清惠2
（1.洛阳七维防腐工程材料有限公司，河南洛阳471000；2.中油管道物资装备总公司，河北廊坊065000）
1 试验部分
0 引言
我国的风电场环境一般比较恶劣，叶片会受到强烈曝晒，风沙、雨水、冰雹的冲蚀，水汽、盐雾、冰霜的侵袭，以及其自身高速运转的磨蚀，高低温变化的影响，空气中粉尘、细菌等污染物的黏附等，因此须对叶片进行涂装保护，以提高其抗侵蚀能力。风电产业在我国属于新兴产业，其配套涂料特别是叶片涂料几乎依赖进口。然而，不同的环境对叶片涂料要求也不一样，比如国外有风的地方不一定有沙，而我国内陆有风的地方就有沙，对叶片磨损非常厉害，因此，沿用国外经验并不能完全解决国内实际问题。另外，随着风电机组单机容量的不断扩大，叶片也由初的20 m 发展到现在50 m 左右，甚至更大型的叶片，叶片末端速度会越来越高，相对应也对叶片涂料提出了更高的要求。因此，需对我国风场环境进行具体分析，开发高性能本土化的风电叶片防护涂料。目前，风电叶片的涂装多采用脂肪族聚氨酯（聚脲）体系，虽然机械性能良好，但耐候性和耐污染性能一般，防结冰性和自清洁性不佳。本文采用耐候性优异的氟碳树脂、有机硅改性丙烯酸树脂和弹性线性聚酯树脂复配作为基体树脂，采用具有紫外线吸收效应和光催化氧化效应的纳米二氧化钛对漆膜耐候性、耐污染和自清洁性能进行改进，采用合适的颜填料和助剂对涂料性能进行优化，研制出了具有良好的机械性能、抗沾污性能、优异耐候性和防腐性能的风电叶片涂料。
1 试验部分
1.1 主要原料
氟碳树脂，国产；有机硅改性丙烯酸树脂，进口；线性聚酯树脂，进口；脂肪族异氰酸酯三聚体N3390，拜耳；硅烷偶联剂KH560，国产；纳米二氧化钛，进口；金红石型钛白粉R706，杜邦；晶须硅，上海汇精亚产品；消光剂，德固赛；紫外线吸收剂、光稳定剂，汽巴；醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯，氨酯级；高分子型润湿分散剂、消泡剂、触变剂，进口。
1.2 涂料基本配方
高性能风电叶片防护涂料配方见表1。
1.3 制备工艺
甲组分制备工艺：1）取所需量氟碳树脂、有机硅改性丙烯酸树脂及线性聚酯树脂加入分散罐中，将部分混合溶剂、所需量的润湿分散剂、消泡剂、KH560、触变剂加入其中，高速分散15 min，加入纳米二氧化钛，高速分散30 min，然后球磨6 h，得到混合物Ι；2）低速搅拌下，逐步将所需量的金红石型钛白粉、晶须硅、消光剂、光稳定剂、紫外线吸收剂和部分混合溶剂等原料加入混合物Ι 中，高速分散30 min，再进入砂磨机进行研磨至细度≤35 μm，用混合溶剂调节黏度后得到甲组分，按比例分装。
乙组分为N3390，按比例分装。
按NCO/OH=1.25 的比例进行甲、乙组分的配制，混合均匀，熟化5 min，即可进行涂装。
1.4 涂料的主要性能
结合国内外相关标准及研究资料，对涂料进行了性能测试，结果见表2。
2 结果与讨论
2.1 基体树脂的选择
由于叶片长期暴露在太阳光下，一年中大部分时间都在高速运转，因此，叶片涂料要具备优异的抵抗紫外线辐射的能力以延长其使用寿命，还需具备高的机械强度以抵抗高速运转的磨损。C—F 键与Si—O 键的键能高，惰性强，因此，氟碳树脂与有机硅改性树脂具有较为优异耐紫外线辐射性能。氟碳树脂耐紫外线性能突出，但其羟基含量一般较低，形成漆膜的交联密度较低，不利于漆膜机械强度的提高。在有机硅改性树脂中，有机硅改性丙烯酸树脂耐紫外线性能为优异，稍次于氟碳树脂，具有较高的羟基含量，可形成交联密度高的漆膜，有利于漆膜机械强度的提高。因此我们选择氟碳树脂与有机硅改性丙烯酸树脂，以保证漆膜具有优异的耐紫外线性能和较高的机械强度。
叶片高速运转的过程会发生一定形变，还会受到温度变化的影响，有时还会受到外界高速粒子（风沙、雨水和冰雹）的撞击，因此，我们选择具有一定弹性且Tg 较低的线性聚酯树脂，使漆膜“刚中带柔”，可以抵抗叶片自身发生的形变，在低温时具有良好的韧性，受到撞击时缓冲撞击能量，降低损害程度。我们对不同树脂比例的涂料机械性能进行研究，结果见表3。
可以看出，不同树脂比例的涂料附着力差别不大，随着线性聚酯树脂用量的增加，涂膜的断裂伸长率增大，耐磨性和落砂耐磨性增强，但干燥性能下降；随着有机硅改性丙烯酸树脂用量的增加，涂膜的扯断强度增加，但干燥性能下降。当氟碳树脂、有机硅改性丙烯酸树脂和线性聚酯树脂的质量比为2∶1∶3 时，综合机械性能优异。
2.2 纳米改性材料的选择
纳米材料特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性。通过有效的途径在传统的涂层中添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，为提高涂料性能和赋予其特殊功能开辟了一条新途径。纳米二氧化钛是20 世纪80 年代末发展起来的主要纳米材料之一，具有吸收紫外线的效应、光催化氧化效应，在阳光下可分解黏附于叶片其表面的一些污染物。但是，纳米粒子的表面极性大，表面能高，粒径小，极易发生团聚而成为微米级粒子，使纳米粒子不能有效发挥作用。因此我们采用经有机表面处理过的纳米二氧化钛，使漆膜的耐紫外线性能提高，赋予漆膜一定的自清洁性。
2.3 溶剂的选择
溶剂的选择是多种树脂复配涂料体系的重要环节，在本试验中，选择对3 种树脂均具有良好溶解能力且挥发速率适宜的醋酸丁酯及丙二醇甲醚醋酸酯进行复配，通过对不同比例的溶剂对3 种树脂相容性试验，结果表明，按照二者比例1∶1 混合，可以得到佳的相容性。
3 结语
本文根据我国风场环境特征及叶片运行条件，并通过配方设计，研制出一种高性能风电叶片防护涂料。并结合国内外相关标准及研究资料，进行性能测试，结果证明，该涂料具备良好的附着力、较高的强度和柔韧性，能够抵抗叶片自身产生的形变和高低温变化影响，具备优异的耐磨、抗高速粒子撞击性、耐紫外线和耐盐雾性能，还具备一定的防沾污、防结冰性和自清洁性，各项指标均达到了设计要求，能够满足我国风场风电叶片防护需求。
