干货丨风电叶片的防护涂层材料解析
发布日期：2018/6/4
为实现风电叶片长期稳定运转，需要在叶片上涂装防护涂层使得叶片具备优良的耐候、耐磨、防污等性能。文中介绍了各种合成高分子树脂材料在风电叶片保护领域的研究进展，包括应用最普遍、性能全面的聚氨酯，耐候性极佳、表面能较低的氟聚合物以及粘接性好、附着能力强的丙烯酸树脂等。这些聚合物以单一组分或几种材料复合的形式制备成单层或多层的防护涂层，以期使得叶片涂料具备优异的防护性能。
风能作为一种清洁的可再生能源，已越来越受到世界各国的关注，对风能的有效利用有助于实现能源结构多元化，减少环境污染。截止2009年底，我国风电实现并网达到1613万kW,同比增长92%。风力发电市场的迅猛拓宽，势必带动相关装置设备需求的快速增长，保证这些设备的质量对于促进风电发展尤为重要。
风电叶片作为发电风机的重要组成部分，是确保其在恶劣的环境下长期、稳定运转的关键所在。风电叶片的长度可达60m,叶片防雷击的工作已有多篇文献报道，但另一方面，由于风电叶片的制造材料如环氧树脂玻璃钢在常年经受沙尘、紫外线、暴雨的侵袭后很难保持完好，故需要对叶片表面进行涂装保护涂层以提高叶片的使用寿命，减少甚至实现叶片在20年以上的零维护。
本文主要介绍作为风电叶片防护涂层材料的几种聚合物树脂———聚氨酯、氟树脂、丙烯酸树脂等，并对其研究方向和发展进行了展望。
风电叶片涂层材料的性能要求
风电叶片涂料需要经受阳光暴晒，昼夜冬夏的高低温变化，在高速运转中，会受到风沙雨雪的剧烈冲刷，此外，大量沙石、水滴的粘附会严重影响其空气动力学性能以及降低发电机组的输出功率[5。作为风电叶片的涂料，需要具备的性能主要有：耐候性、耐磨性、优异的附着力、耐化学品性等，具体的技术指标如附着力需大于5MPa,自然表干时间应短于8h,500转的耐磨性测试后，质量损失少于20mg/500g等。
目前，国际上使用的风电叶片防护涂层材料以聚氨酯为主，主要是以溶剂型的聚氨酯底漆配以溶剂型的聚氨酯面漆，性能较好，同时价格适中。2010年，美国PPG公司推出高级薄膜型HSP-7401抗蚀耐候高性能聚氨酯底漆和AUE-5000聚氨酯面漆系统，进一步推广了聚氨酯在叶片涂料上的应用。为使得涂料具备更高的综合性能，近几年，也出现了利用氟化聚合物、丙烯酸树脂等配套制备风电叶片涂料。
聚氨酯材料
聚氨酯树脂具备优良的耐油耐磨性、耐化学药品性、较强的附着能力，故由其所制的涂料已最广泛地应用在风电叶片上。风电叶片涂料耐候性能要求极高，在利用聚氨酯配制该涂料时，以脂肪族或脂环族的多异氰酸酯为宜，避免选用易泛黄的芳香族类。
西北永新化工股份有限公司研制出一种以有机氟硅改性弹性聚氨酯脲树脂为基料的高性能风电涂料，主要包含作为多醇的聚酯、聚四氢呋喃二醇，二异氰酸酯以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为佳，再用含羟基的硅氧烷、含氟硅氧烷进行改性。将该组分与助剂组分配匀后进行涂装，涂料性能良好，具有一定推广价值。
中海油常州涂料化工研究院的狄志刚等制备了一种高耐候耐磨弹性聚氨酯固化剂，该固化剂是以耐候性脂肪族的共聚酯和含有羟基的氟树脂为主要原料，与IPDI反应，合成得到EPU固化剂，按照n(-NCO)∶n(-OH)=1˙2∶1与高耐候性羟基组分配漆，可运用到风电叶片涂料上。
该固化剂与传统的HDI三聚体和市售的聚氨酯固化剂相比，在耐候性、耐磨性、对底材的附着力上都有优势。李华明等用硅醇改性的耐候性良好并且具有一定弹性的聚酯树脂为基料，以拜耳聚氨酯N-75为固化剂，配以其他助剂，制得既有优异的耐候性，又有良好的抗风沙蚀性能的保护涂料。
中远关西涂料化工有限公司研制出一种作为风机叶片面漆的水性聚氨酯涂料，与聚天门冬氨酸酯底漆配套使用。涂料选用纯丙类的羟基丙烯酸分散体，固化剂以聚醚改性的HDI三聚体为主，拼用一部分聚酯改性HDI三聚体。同样是利用水性聚氨酯作为风电叶片涂料，沈剑平通过实验比较后发现氨基磺酸盐改性的低黏度HDI固化剂综合性能最优，且可在不经稀释的情况下与含羟基的水分散体组分混合均匀。
国外，Kallesoee等对生成聚氨酯的多元醇、多异氰酸酯的选择进行了分析。多元醇至少含有70%的羟基官能团数量在2~8个之间的羟基组分，推荐使用脂肪族的聚酯，以直链型为宜，不推荐使用过多含有支链或环状结构的聚酯;固化剂以含有聚酯结构、尿丁二酮基团或者脲基甲酸酯结构的多异氰酸酯为主，使用含上述三种结构的多异氰酸酯90%以上，有助于涂料获得较好的弹性和寿命。
德国Evonik Degussa公司混合高、低分子量的多醇，结合多异氰酸酯和光稳定的芳香族胺制备聚氨酯涂衣，添加经过六甲基二硅氮烷疏水处理和球磨机修饰的热解硅石作为填料。涂料涂抹在环氧树脂上表现出很好的粘附性。构成聚氨酯的聚酯和固化剂一定程度上决定了涂料在风电叶片上的表现和性能，选择一种或几种具备较强耐候能力的聚酯或固化剂对于提高聚氨酯涂料的耐久性及完善其综合性能至关重要。
在当前风电市场上，溶剂型涂料占据了主导地位，但低挥发性有机化合物(VOC)、环保的高性能水性聚氨酯涂料显然更加符合风力发电“绿色能源”这一概念。水性聚氨酯涂料将成为风电叶片涂料的一个重要的发展方向和研究热点。随着风电叶片涂料技术的不断发展，工艺技术的不断推陈出新，水性聚氨酯涂料势必将在风电叶片涂料上占据一席之地。
来源： 高分子材料科学与工程
