风电叶片涂料用树脂研究进展

创作者：李晓,王玉进,赵微,李志士仁人,姜清淮,孙建强 来源于：深海化工研究所有限责任公司,深海建筑涂料我国重点实验室

化石燃料的过多应用造成了现阶段全球范畴内日益不容乐观的气候问题和能源危机，这早已造成世界各国政府部门愈来愈多的高度重视，新能源技术的开发设计已刻不容缓。

    风力是大自然取之不竭、用之不尽的資源，是一种发展潜力极大的绿色能源。近期5 年，全世界风力发电销售市场持续持续增长，总计用户量年复合增长率做到16.9%。2014 年，全世界增加用户量初次提升50 GW，在其中陆地增加用户量做到48.8 GW，水上增加用户量为2.3 GW。据全世界风力董事会预测分析，将来5 年全世界总计用户量将以12.9%的年复合增长率提高。

    伴随着我国经济的迅速发展趋势，日益不容乐观的环境污染问题及电力能源消耗变成政府部门遭遇的一大难点。我国幅员辽阔，海域细长，独特的所在位置有着极其丰富的风力資源。2005 年的十一五规划中提出适用风力发电等新能源技术的发展趋势，自此在我国风力发电产业链迈入了迅速发展趋势。2010 年政府部门下发文档，规定提升风电技术武器装备水准，明确了风力发电产业链的战略影响力。

    2014 年在我国增加用户量做到23 GW，同比增加44.2%。通过近10 年的发展趋势，现阶段在我国已变成世界最大的风力发电销售市场。

    1 风电叶片的安全防护

    现阶段市場上的离心风机叶轮原材料主要是化学纤维提高的环氧树脂胶和不饱和聚酯。小型风力发电运作的时候会遭到众多极端自然环境，如温度差大、阳光照射强、风砂损坏、酸雨的危害浸蚀及其风雪侵蚀，而叶面在高速运行时，叶片速率一般会超出100 m/s，没经安全防护的叶面长期性裸露在地理环境中，会迅速损坏、衰老并造成脱层状况，直到产生破裂。此外，大中型叶面的起重吊装用时且价格昂贵，一般必须其运作10 年以上才开展一次维护保养。现阶段非常简单高效的安全防护方式是选用材料开展维护。不一样自然环境对风电叶片安全防护建筑涂料的需求也不一样，关键有二种：

    1）中部地区用安全防护建筑涂料。现阶段90%以上的风电机组全是在陆地工作中，所在的环境通常阳光照射强，沙尘及温度差大，例如在我国中西部地区。这就规定叶面安全防护建筑涂料务必具备良好的耐老化、抗冲击性、耐磨性能及高低温试验柔韧度。除此之外，这种地区冬天通常较为严寒，雨雪天气较多，叶面覆冰严重影响了发电量高效率，而且会大大缩短叶面的使用期限，因而防覆冰特性也是一个很重要的指标值。

    2）水上用安全防护建筑涂料。深海有着较大的风速資源，欧洲各国在风力发电层面走在全球前端。 2011年，包含法国、芬兰、西班牙、丹麦等以内9 个我国的49 个风力发电场一共1247 架水上风电机组发电量3.294 GW。2014 年，水上总计年发电量已做到8.771 GW。预估到2020 年，风力发电电脑装机总产量将超过40~55 GW，占欧洲地区用电量要求的10%，到2030年将扩大至17%。将来的风力发电可能变成成长更为快速的新能源开发技术。在我国风力发电已经处在迅速进步中，如新建的上海市东海大桥和临港新城水上风力发电场可能助推在我国风力发电的发展趋势。由于遭受海洋资源的危害，风力发电安全防护建筑涂料除需具备良好的耐老化及高低温试验柔韧度外，还必须极好的防锈特性。除此之外，出色的防覆冰性也是不可或缺的。

    不论是中部地区用安全防护建筑涂料，或是水上用安全防护建筑涂料，与板材出色的粘合力、耐溶剂物质及耐雨蚀特性不可或缺。叶面外缘位置是叶面超薄的地区，通常为斜面，最易于遭受沙尘损坏及雨蚀毁坏，大中型叶面的外缘安全防护是一项十分关键的工作中，立即影响了叶面的使用期限及工作效能。传统式上选用在叶面外缘玻璃膜的办法对它进行安全防护，可是在叶面运作中会出现气体渗流及很多噪声，且非常容易遭到紫外光损害，除此之外玻璃膜的二次维护保养也十分困难。海外对于此事位置的安全防护十分重视，现阶段均选用材料开展维护，因而风电叶片的安全防护建筑涂料必须具有众多出色的特性，才可以增加叶面的使用期限并提高工作能力。环氧树脂是危害叶面建筑涂料的最关键要素，针对环氧树脂的科学研究，世界各国早已开展了很多工作中，现阶段可使用于风电叶片的环氧树脂主要有聚氨酯胶粘剂、丙烯酸乳液、氟碳树脂、有机硅树脂及环氧树脂胶。

    2 风电叶片建筑涂料用环氧树脂胶的科学研究

    2.1 聚氨酯胶粘剂

    聚氨酯胶粘剂具备良好的耐磨性能及高低温试验柔韧度，在其中脂环族的聚氨酯材料耐老化能出色，是现阶段风电叶片建筑涂料中应用较多的环氧树脂。现阶段比较完善的叶面安全防护建筑涂料一般为聚氨酯材料管理体系，关键由延展性聚氨酯材料修复腻子粉、聚氨酯材料面漆及聚氨酯漆构成。

    海外早就进行对风电叶片用油漆涂料的科学研究，近些年对叶面外缘用油漆涂料的科学研究较多。叶面外缘修复油漆对耐沙尘损坏及耐雨蚀特性的标准很高，因为世界各国气侯自然环境不一样，海外在叶面建筑涂料耐雨蚀层面进行了许多工作中，现阶段常选用聚氨酯漆。Kuehneweg等制作了一种可使用于风电叶片的组份聚氨酯材料基安全防护建筑涂料，研究发现，甲基成分针对漆层的物理性能具备比较大的危害，高相对分子质量和低相对分子质量丁腈胶混和获得的漆层具备更强的抗拉强度和拉伸强度，通过3 h 耐雨蚀试验，漆层无转变，9 h后仅有很轻度的氧化毁坏，可以对叶面外缘开展合理维护。Connel 等制作了一种双层建筑涂料管理体系用以风电叶片安全防护，由富锌底漆和聚氨酯漆构成，油漆伴随着在其中NCO:OH 占比的扩大，耐雨蚀特性扩大，而且通过比照不一样环氧树脂油漆对叶面外缘耐雨蚀特性的危害后发觉，聚氨酯胶粘剂油漆的耐雨蚀特性要好于氟改性材料丙烯酸乳液及聚脲防水环氧树脂油漆，可达3.5 h。Kallesoee 等觉得，风电叶片外缘安全防护建筑涂料的延展性与耐磨性能同样关键。她们制取了一系列组份聚氨酯漆，由不一样聚合度及相对分子质量的聚醚多元醇及丙烯酸酯构成，发觉聚醚多元醇成分中最少要带有50%的聚酯多元醇，相对分子质量在200~3000g/mol 中间，丙烯酸酯成分聚合度在2~3 中间，相对分子质量在250~2000 中间，获得的聚氨酯漆经4 h 雨蚀试验后无转变，可以合理地对风电叶片外缘开展维护。

    受耐雨蚀检验标准的限定，中国现阶段对丙烯酸涂料在风电叶片上的应用研究关键聚集在延展性及耐磨性能上。中部地区的沙尘对叶面导致损坏是具体的毁坏方法，选用聚氨酯材料，可根据挑选不一样品种的聚醚多元醇获得具备出色延展性及耐磨性的建筑涂料。中昊北方地区涂料工业科学研究规划院有限责任公司选用延展性甲基环氧树脂制取了一种抗腐蚀、抗冲击的丙烯酸涂料。该延展性甲基环氧树脂由己内酯聚醚多元醇、聚碳酸和异氟尔酮丙烯酸酯制取，获得的油漆落砂试验結果为32L/μm，耐潮4 d 后落砂试验結果为29 L/μm，可使用于水上风力发电场等对抗冲击防腐蚀规定较高的高低温自然环境。

    江苏省海晟建筑涂料有限责任公司公布了一种风电机组叶面用建筑涂料，由一种高羟值的聚酯多元醇和丁腈胶制取，抗石击特性可做到7A，粘合力可去9 MPa，可使用于风电机组。张瑞珠等在水轮发电机组叶面上喷漆延展性聚氨酯材料安全防护镀层，该镀层具备良好的綜合物理性能，与水轮发电机组叶面间的物理学结合性做到12.6 MPa，磨损值维持在2~3 mg/min，可以很切实解决水利工程施工及浇灌路面工程中的离心叶轮浸蚀问题。

    现阶段风电叶片涂料品牌大部分全是聚氨酯材料管理体系。例如，PPG 企业的HSP7401 型聚氨酯材料面漆、AUE5000 型聚氨酯漆管理体系及Selemix DTM 系列产品底边合一丙烯酸涂料，已使用于销售市场；3M 企业的W4600 型聚氨酯漆耐雨蚀检测可达10 h，耐砂蚀检测＞30 g/cm3，耐磨性能＜30 mg（CS-10，1000g/1000 r），也已投入市场，适用于叶面外缘的耐砂蚀及耐雨蚀安全防护；麦加企业的WU200 聚氨酯胶衣可根据9 h 的耐雨蚀试验，且经人力加快衰老4000 h 后耐雨蚀時间基本上不会改变，可以非常好地维护叶面外缘。

    在日益高度重视健康的今日，高固态份及水性聚氨酯用以风电叶片镀层的分析也较多。聚天门冬氨酸酯是一种高固低粘的氨基树脂，板绘性不错，与脂环族丙烯酸酯反映做成的涂膜具备良好的耐磨性能及耐老化，可以考虑到用以风电叶片镀层，可是其较贵，柔韧度不太好，一般必须应用延展性环氧固化剂才可以获得延展性镀层，但是在耐磨损及耐老化规定较高的地区可以充分发挥至关重要的功效。水性聚氨酯防水涂料在风电叶片上的运用也是有过报导，可是其在加工工艺及价钱层面与溶液型聚氨酯材料对比还处在比较大的缺点，但是伴随着水性聚氨酯技术性的发展趋势，有希望在风电叶片建筑涂料上充分发挥至关重要的功效。

    2.2 丙烯酸乳液

    甲基丙烯酸乳液具备良好的耐老化及保光保色视，选用脂环族丙烯酸酯为环氧固化剂做成的组份亚克力丙烯酸涂料在车辆、航空公司应用领域普遍，是一种十分出色的室外用建筑涂料。近期20 年，中国也对亚克力丙烯酸涂料干了许多工作中，已逐渐将其用以风电叶片安全防护建筑涂料[27—28]。

    甲基丙烯酸乳液做成的建筑涂料通常具备良好的耐老化及强度，但在柔韧度、耐冲击性及耐磨性能层面不是很理想化[29]，现阶段一般选用聚氨酯树脂对它进行改性材料。周树军应用E-10（叔炭酸出现缩水甘油酯）生成的聚脂预聚体改性材料丙烯酸乳液与纯丙烯酸乳液，并各自制取成油漆，特性比照结果显示，聚脂改性材料丙烯酸乳液做成的油漆柔韧度及耐冲击特性显著扩大，并可以非常好地均衡漆层的软强度。李儒剑等选用丙烯酸乳液和聚脂并且用的方式 制取了一种可使用于风电叶片的建筑涂料，并与某进口的知名品牌试品开展了较为。研究发现，伴随着丙烯酸乳液使用量的提升，涂层的耐老化会变好；而提升聚酯多元醇使用量时，商品的抗冲击特性、粘合力及耐磨性能变优。所研制开发商品的耐腐蚀性和粘合力要好于某进口商品，且耐老化能与某进口商品非常。

    聚脂改性材料的亚克力聚氨酯材料管理体系可以大大提高漆层的柔韧度、抗冲击特性及耐磨性能，可是会减少漆层的耐老化和超低温拉伸强度。孙禹等对丙烯酸酯聚氨酯材料、聚脂改性材料亚克力聚氨酯材料、聚酯多元醇聚氨酯材料及聚碳酸聚氨酯材料制取的油漆的耐石击特性进行了较为，发觉聚脂改性材料亚克力聚氨酯漆的不锈钢最好是，亚克力聚氨酯漆的耐磨性能最烂，可是他们的耐石击特性都很差，而聚碳酸聚氨酯漆和聚酯多元醇聚氨酯漆的耐磨性能尽管比聚脂改性材料亚克力聚氨酯漆差一点，可是这二种油漆的耐石击特性最好是。

    聚脂改性材料亚克力聚氨酯漆的制取简易，工程施工便捷，漆层的全面性能出色，在现在中国风电叶片行业里普遍应用，可是与聚酯多元醇管理体系的聚氨酯材料对比，它尽管具备更强的耐磨性能，但耐石击特性很差，不适宜用以叶面的外缘安全防护，因而应用聚脂改性材料亚克力聚氨酯材料管理体系做为叶面油漆，配搭聚酯多元醇管理体系的聚氨酯材料做为叶面外缘修复油漆，可以为风电叶片产生更佳的安全防护实际效果。

    现阶段中国应用的亚克力丙烯酸涂料关键为溶液型，将来必定会被水性漆所取代。组份水性丙烯酸丙烯酸涂料不但也具备不错的粘合力、超低温柔韧度、耐老化和耐磨性能，并且有较低的VOC，伴随着水性聚氨酯建筑涂料的发展趋势，这会是风电叶片安全防护建筑涂料将来的一个关键发展前景。

    2.3 氟环氧树脂

    现阶段采用的氟环氧树脂主要是由氟烷烃模块和甲基乙烯基醚（或甲基甲基丙烯酸酯酯）更替排序而成的聚合物，与丙烯酸酯或氨基树脂可常温下干固。氟环氧树脂最良好的性能指标是超耐老化。李运德曾将氟环氧树脂和亚克力聚氨酯胶粘剂做成的油漆在中国不一样地域、不一样气候条件下开展全天室外曝晒实验，結果发觉：

    2 年之后，全部亚克力聚氨酯材料样本均发生2 级以上脱层，失光率做到了40%，氟环氧树脂样本均无脱层，仅发生轻度失光；4 年之后，全部亚克力聚氨酯材料样本显著脱层，发生比较严重失光，氟环氧树脂样本均无脱层，仅发生轻度失光。曾凡辉等比照了四氟型、三氟型氟环氧树脂和丙烯酸乳液的耐老化，发觉通过30 个月室外曝晒后，四氟型氟环氧树脂保光率可做到90%，仅有略微的失光，而三氟型氟环氧树脂保光率降低到82%上下，丙烯酸乳液保光率在60%下列。

    除开出色的耐侯性能以外，氟环氧树脂还因为氟原子电负性比较大，通常具备较低的表面，因而应用氟环氧树脂可以获得具备出色防覆冰特性的建筑涂料。

    冬天时叶面非常容易碰到风雪气温，尤其是在欧洲、北美地区及在我国的中国北方地区，假如叶面上的冰沒有立即消除，会产生一系列比较严重的问题。现阶段具体有二种清冰技术性——运用热、电、机械设备及超音波的积极清冰技术性和应用防覆冰建筑涂料的处于被动清冰技术性。积极清冰关键技术普遍，实际效果非常好，可是能耗用时，而应用防覆冰建筑涂料既简易便捷，又环境保护，因而从长远利益而言，防覆冰建筑涂料可能替代传统的的积极清冰技术性，能更合理地维护风电叶片的常规运作。

    Peng 等在风电叶片上制取了一种超疏水PVDF建筑涂料，水表面张力和滚动角可分为做到156°和2°，与无PVDF 建筑涂料防火的叶面表层对比，具备十分优良的防冰特性。

    氟环氧树脂具备良好的耐老化和防覆冰特性，特别适合运用于风电叶片建筑涂料，可是纯氟树脂涂料的粘合力及柔韧度较弱，成本费很高，因而可以考量将其与聚氨酯材料或丙烯酸乳液配搭应用来获得具备出色综合型能的建筑涂料。Alois应用IPDI 和一种带全氟开链的聚醚多元醇制取了氟改性材料聚氨酯材料镀层，该镀层可常温下干固，具备良好的耐老化，与此同时还具备抗油、防潮及防污特性。狄李杰等以脂环族共聚脂和氟环氧树脂为原材料，与IPDI 反映获得了一种延展性聚氨酯材料环氧固化剂，用它做成的涂膜具备良好的耐老化及柔韧度，可用以风电叶片安全防护。株洲市时期新材科技发展有限责任公司选用甲基氟碳树脂和热固性丙烯酸乳液制取了一种风电叶片用油漆，人力加快衰老6000 h 后失光率仅为20%。

    在水溶性氟树脂涂料层面，河北省晨旭物资贸易集团选用甲基苯丙乳液、水溶性氟碳喷涂保湿乳液与水分散型丙烯酸酯反映制取一种风电叶片用水溶性氟碳喷涂油漆，耐侯可达3000 h，粘合力超出10 MPa，耐盐雾试验超出2000 h，耐磨性能（1000 g/1000 r）＜60 mg。上海市应用技术学院制取了一种水溶性含氟量丙烯酸涂料，最先由TMP、IPDI 及五氟丙醇生成获得一种含氟量二异氰酸酯，再与甲基丙烯酸酯二元醇、聚碳酸二醇生成获得水溶性甲基含氟量聚氨酯胶粘剂。该水溶性含氟量丙烯酸涂料涂层后强度可做到3H，与水的表面张力为106°。

    氟环氧树脂出色的耐老化及低表面针对风电叶片建筑涂料而言是一个十分大的优点，根据聚氨酯胶粘剂的改性材料可以合理地处理其存在的不足，与此同时可以授予镀层更出色的耐侯性能及防覆冰特性。这也是现阶段一个受欢迎的研究内容。

    2.4 有机硅树脂

    有机硅树脂最突显的是耐热性，在耐高温涂料层面运用较多。同氟环氧树脂相近，它还具备较低的表面和耐老化，因此在耐污建筑涂料、自修补建筑涂料及耐侯建筑涂料层面也是有科学研究。可是，纯有机硅材料制取的镀层通常粘合力及物理性能较弱，成本费很高，一般同氟环氧树脂一起，必须与聚氨酯胶粘剂或丙烯酸乳液配搭应用，可以获得具备综合型能出色的镀层。如大西北永新化工有限公司选用聚脂、聚四氢呋喃二醇、端甲基（羟基）二甲基硅氧烷、含氟量二甲基硅氧烷及脂环族二异氰酸酯制取了一种有机氟硅聚氨酯胶粘剂，运用于风电叶片安全防护镀层。经干固获得的镀层耐磨性能（1000 g/1000 r）做到0.2 mg，抗拉强度37 MPa，拉伸强度770%，可根据5000 h 人力加快抗老化试验。张乐显等选用氟碳树脂、有机硅材料改性材料丙烯酸乳液、线形聚氨酯树脂制取了一种风电叶片建筑涂料，镀层耐磨性能（1000 g/1000 r）做到16.5 mg，抗拉强度22 MPa，可根据4000 h 人力加快抗老化试验和3000 h 耐耐腐蚀试验。2009 年国际性风力交流会上，道康宁公司展现了一种风电叶片用有机硅树脂镀层，可立即涂覆在叶面表层，安全防护实际效果出色。可是，有机硅树脂由于较贵、镀层制取繁杂，在风电叶片上的科学研究报导很少，伴随着之后对有机硅树脂科学研究的增加，有机硅树脂在耐火保温材料层面有更多的进步室内空间。

    2.5 环氧树脂胶

    环氧树脂胶建筑涂料具备良好的防锈特性及粘合特性，可是柔韧度及耐老化能较弱，这限定了其在风电叶片建筑涂料，尤其是油漆上的运用。水上风电叶片必须镀层具备良好的耐耐腐蚀特性及耐湿冷性，如江苏省普兰纳建筑涂料有限责任公司制取了一种耐湿冷的万千瓦级风电叶片用富锌底漆，获得的漆层与玻璃钢防腐粘合力超出8 MPa，耐潮10 d 后吸水性低于1%，耐潮15 d 后无转变，且具备良好的耐耐腐蚀特性。

    环氧树脂胶面漆与脂环族聚氨酯漆制取的配套设施镀层可以为水上风电叶片给予安全防护，但中部地区用风电叶片镀层必须具备良好的耐沙尘特性，这就规定面漆也需要有出色的柔韧度及抗冲击特性。聚氨酯材料改性环氧树脂面漆不但具备不错的防锈特性及粘合力，还进一步提高了镀层的柔韧度及超低温干固特性，而且与聚氨酯漆具备更杰出的配套设施相溶性。李儒剑制取了一种风力发电叶片用面漆，关键由固态双酚A 环氧树脂胶、液态双酚A 环氧树脂胶及缩二脲型HDI 聚丙烯酸酯构成，干固后的涂膜具备良好的物理性能、柔韧度及耐冲击特性，对玻璃钢防腐的粘合力远高于亚克力丙烯酸涂料，与此同时还具备环氧树脂胶优良的防锈特性，适用风电叶片安全防护面漆。

    除此之外，应用纳米技术无机材料改性环氧树脂做成的镀层，在耐磨性能、耐老化及防腐蚀特性层面均有一定的程度的改进。Karmouch 等应用纳米二氧化硅颗粒物改性环氧树脂获得一种超疏水镀层，镀层表层表面张力可做到152°，且具有出色的耐老化，可运用在风电叶片板材上，可是其制取繁杂，成本费较高，仅处在试验环节。

    3 结果及未来展望

    对风电叶片建筑涂料而言，环氧树脂的挑选尤为重要，聚氨酯胶粘剂（包含亚克力聚氨酯材料）在高低温试验柔韧度、耐磨性能、防沙尘雨蚀层面表层出色，可是在耐老化及防覆冰特性层面比不上有机氟有机硅树脂，而环氧树脂胶则可以带来出色的防锈特性及固层粘合力。因而可以说，独立应用一种环氧树脂能够做到的特性一直比较有限的，对于不一样环氧树脂的优点和缺点，有效配搭应用而制作的配套设施镀层管理体系通常可以做到更出色的安全防护实际效果，这仍是最近的关键基本思路。除此之外，颜填充料改性剂的有效挑选也是必不可少的，弹性腻子、面漆及油漆构成的多镀层管理体系的适用性也是有较大危害，这仍必须很多工作中。

    现阶段，在我国风力发电用建筑涂料绝大多数仍必须进口的，尤其是叶面建筑涂料，基本上全取决于国际品牌。法国Mankiewicz、BASF、Bergolin 及英国PPG 在叶面建筑涂料上具有很大的销售市场。除此之外，麦加、陶氏化学、阿克苏诺贝尔、3M 也已项目投资风电叶片建筑涂料。尽管发展比较晚，中国大西北永新、中远关西、时代新材、常州市普兰纳等企业也一直致力于风电叶片建筑涂料，这种公司的改革创新促使在我国本地公司在风力发电行业得到了一定的造就。

    更强的耐老化、更出色的耐沙尘雨蚀性、更强的耐寒湿耐腐蚀性、更便捷的工程施工、更长的使用期限及更环境保护将是将来风电叶片建筑涂料的发展前景。伴随着对绿色能源的日益高度重视，风力发电产业链可能不断平稳地发展趋势，有关服务设施，包含风电叶片建筑涂料管理体系逐步完善，可能产生较大的经济发展及社会经济效益。

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