风电叶片涂层性能影响和固化工艺的实验研究
刘魁，陈煌，雷志敏，薛昀新( 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

风力发电作为新兴能源在21 世纪初期得到快速发展，风力发电叶片作为风力发电机的重要部件主要是通过扑捉风能驱动发电机组发电［1］。目前风力发电叶片大多是采用玻璃纤维增强环氧树脂或不饱和聚酯制作的复合材料，这种复合材料被称为“玻璃钢”，其具有优异的机械性能，可以满足叶片的各项力学性能要求。但裸露的玻璃钢不能在户外长时间使用，因此叶片表面需要涂层保护，这种涂层不仅是起到美观的作用，更主要是避免外界因素对叶片基体的破坏和满足一些功能性的要求［2］。风电叶片体积巨大，长度一般为40 ～ 60 m，随着发电机组功率的增加今后叶片还将向更大尺寸发展; 此外，实际生产中烘房数量建设有限且叶片产能要求较大，为适应实际生产需求，所以要求涂装工艺具有较短固化成型时间。本研究主要通过对比研究国外和国内2 种风电叶片涂料以及这2 种涂料在快速和慢速下涂膜固化时性能的变化，通过测试分析来研究2 种风电叶片涂料及不同工艺条件对其性能带来的影响。

1 实验部分
1. 1 实验材料
Planar 双组分聚氨酯风电叶片涂料体系和International 双组分聚氨酯风电叶片涂料体系。2 种涂料体系均包括聚氨酯大缝腻子、聚氨酯针孔腻子、聚氨酯底漆和聚氨酯面漆。
1. 2 样品制备
风电叶片的制作一般采用真空灌注工艺或预浸料工艺在阴模内制作成型，为满足成型后的脱模要求，在成型前会在模具表面涂抹脱模剂，所以在成型后需要对叶片表面进行打磨处理去除表面脱模剂。打磨完成后用擦拭纸清理叶片表面灰尘后对叶片表面刮摸大缝腻子，固化后再对叶片表面打磨，擦拭干净再刮摸针孔腻子，固化完成后再次打磨，清理干净后喷涂底漆和面漆。
本研究模拟叶片施工工艺在玻璃钢平板上进行施工。玻璃钢板制作采用12 层而密度为800 g /m2 双轴向± 45° 纤维布，采用真空灌注工艺制作成玻璃钢平板。按照上述方法进行施工，并对喷涂后的涂料采用快、慢2 种固化工艺。快速固化工艺: 流平后， 60 ℃固化2 h。慢速固化工艺: 室温干燥24 h 后，再60 ℃固化2 h。将制备好待测试的样板分别进行涂膜附着力、耐候性、耐磨性和样板与水的接触角测试。
1. 3 测试设备
附着力测试仪: Positest AT － M Manual，美国Defelsko 公司; 涂料老化箱: HT － 8AUV，东莞市华台测试仪器有限公司;落砂耐磨试验器: 上海申方源仪器有限公司; JY － 82C 视频接触角测定仪: 承德鼎盛试验检测设备公司。

2 结果与讨论
2. 1 附着力测试
叶片表面涂膜的附着力是在涂膜和基体之间的分界面通过涂膜分子和基体分子的相互吸引而产生的化学附着［3］。试验采用附着力测试仪对喷涂在玻璃钢底板的涂料进行测试，测试结果取拉脱后涂膜破坏面积在80% 以上的10 次测量结果的平均值进行判定( 如图1) ，其中， International 1 和Planar 1为慢固化工艺， International 2 和Planar 2 为快固化工艺。

由图1 的测试结果可知，快速固化的涂膜附着力要低于慢速固化时涂膜的附着力。这说明在流平后直接固化会使得涂料内的溶剂无法充分挥发，而当涂料表面形成致密的涂膜后，部分溶剂残留涂膜内部使得涂膜整体的致密度和附着性能没有达到佳状态，从而降低了涂料的附着力。
2. 2 耐候性测试
风力发电叶片正常使用寿命为20 a，叶片需要长时间接受阳光曝晒。阳光中紫外线能量较高，能够破坏环氧和不饱和聚酯内部键能较低的化学键，如苯环中的π 键，在没有涂层的保护下长时间照射紫外线会使得叶片的基体树脂粉化而丧失机械性能，所以需要对叶片表面进行涂层防护以避免对叶片本体的破坏［4］。
本实验根据GB/T 14522—1993 采用波长313 nm 的紫外灯对2 种品牌的涂料在2 种不同条件下制作的样板进行耐候性试验来模拟户外光照老化的效果，试验结果如表1。
表1 人工加速老化测试结果

由表1 的试验结果可知， International 涂料的耐候性明显好于Planar 涂料。通过实际测试和在风场考察风电叶片情况，在313 nm 紫外光照条件下测试超过1 000 h的涂料可以满足叶片户外使用的要求。风电叶片涂料一般会在配方体系内加入紫外线吸收剂，以减少阳光中高能光线对本体结构的破坏，另一方面涂料树脂的本体结构对其耐候性也有重要影响。阳光中的紫外线能量较高，若树脂本体结构中含有能量较低的化学键，在紫外线照射下化学键会出现断裂。从2 种涂料变色和粉化的测试结果看， International 涂料耐候性优异且整个测试的过程中无明显变色，可以推断此涂料树脂的分子为脂肪族异氰酸酯结构，在紫外光照射下不易泛黄且耐候性优异，而Planar 涂料分子中含有芳香族异氰酸酯结构，在紫外光作用下会产生芳胺，其重排后会形成醌式结构的发色基团，故而涂料发黄。
在工艺性对比测试中，Planar 涂料在慢速固化工艺下固化的涂料耐候性要比快速固化工艺下涂料的耐候性好，这说明快速固化的涂料内部会残留微量溶剂。聚氨酯涂料常用酮类、酯类和芳烃等作为溶剂［5］，这种溶剂若出现残留，日后随着溶剂分子迁移到表面附近，在紫外光作用下化学键会出现断裂而产生自由基，这样会加速涂膜老化。从测试结果看，Planar 涂料在耐候性方面受快速固化工艺影响较明显，而International涂料受工艺变化的影响较小。