風電葉片作為發電風機的重要組成部分,是確保其在惡劣的環境下長期、穩定運轉的關鍵所在。風電葉片的長度可達60m,葉片防雷擊的工作已有多篇文獻報道[2~4],但另一方面,由于風電葉片的制造材料如環氧樹脂玻璃鋼在常年經受沙塵、紫外線、暴雨的侵襲后很難保持完好,故需要對葉片表面進行涂裝保護涂層以提高葉片的使用壽命,減少甚至實現葉片在20年以上的零維護。

本文主要介紹作為風電葉片防護涂層材料的幾種聚合物樹脂———聚氨酯、氟樹脂、丙烯酸樹脂等,并對其研究方向和發展進行了展望。

1·風電葉片涂層材料的性能要求

風電葉片涂料需要經受陽光暴曬,晝夜冬夏的高低溫變化,在高速運轉中,會受到風沙雨雪的劇烈沖刷,此外,大量沙石、水滴的粘附會嚴重影響其空氣動力學性能以及降低發電機組的輸出功率[5]。作為風電葉片的涂料,需要具備的性能主要有:耐候性、耐磨性、優異的附著力、耐化學品性等,具體的技術指標如附著力需大于5MPa,自然表干時間應短于8h,500轉的耐磨性測試后,質量損失少于20mg/500g等。

目前,國際上使用的風電葉片防護涂層材料以聚氨酯為主,主要是以溶劑型的聚氨酯底漆配以溶劑型的聚氨酯面漆,性能較好,同時價格適中。2010年,美國PPG公司推出高級薄膜型HSP-7401抗蝕耐候高性能聚氨酯底漆和AUE-5000聚氨酯面漆系統,進一步推廣了聚氨酯在葉片涂料上的應用。為使得涂料具備更高的綜合性能,近幾年,也出現了利用氟化聚合物、丙烯酸樹脂等配套制備風電葉片涂料。

2·聚氨酯材料

聚氨酯樹脂具備優良的耐油耐磨性、耐化學藥品性、較強的附著能力,故由其所制的涂料已最廣泛地應用在風電葉片上。風電葉片涂料耐候性能要求極高,在利用聚氨酯配制該涂料時,以脂肪族或脂環族的多異氰酸酯為宜,避免選用易泛黃的芳香族類。

西北永新化工股份有限公司[6]研制出一種以有機氟硅改性彈性聚氨酯脲樹脂為基料的高性能風電涂料,主要包含作為多醇的聚酯、聚四氫呋喃二醇,二異氰酸酯以異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)為佳,再用含羥基的硅氧烷、含氟硅氧烷進行改性。將該組分與助劑組分配勻后進行涂裝,涂料性能良好,具有一定推廣價值。

中海油常州涂料化工研究院的狄志剛[7]等制備了一種高耐候耐磨彈性聚氨酯固化劑,該固化劑是以耐候性脂肪族的共聚酯和含有羥基的氟樹脂為主要原料,與IPDI反應,合成得到EPU固化劑,按照n(-NCO)∶n(-OH)=1·2∶1與高耐候性羥基組分配漆,可運用到風電葉片涂料上。該固化劑與傳統的HDI三聚體和市售的聚氨酯固化劑相比,在耐候性、耐磨性、對底材的附著力上都有優勢。李華明[8]等用硅醇改性的耐候性良好并且具有一定彈性的聚酯樹脂為基料,以拜耳聚氨酯N-75為固化劑,配以其他助劑,制得既有優異的耐候性,又有良好的抗風沙蝕性能的保護涂料。

中遠關西涂料化工有限公司[9]研制出一種作為風機葉片面漆的水性聚氨酯涂料,與聚天門冬氨酸酯底漆配套使用。涂料選用純丙類的羥基丙烯酸分散體,固化劑以聚醚改性的HDI三聚體為主,拼用一部分聚酯改性HDI三聚體。同樣是利用水性聚氨酯作為風電葉片涂料,沈劍平[10]通過實驗比較后發現氨基磺酸鹽改性的低黏度HDI固化劑綜合性能最優,且可在不經稀釋的情況下與含羥基的水分散體組分混合均勻。

國外,Kallesoee[11]等對生成聚氨酯的多元醇、多異氰酸酯的選擇進行了分析。多元醇至少含有70%的羥基官能團數量在2~8個之間的羥基組分,推薦使用脂肪族的聚酯,以直鏈型為宜,不推薦使用過多含有支鏈或環狀結構的聚酯;固化劑以含有聚酯結構、尿丁二酮基團或者脲基甲酸酯結構的多異氰酸酯為主,使用含上述三種結構的多異氰酸酯90%以上,有助于涂料獲得較好的彈性和壽命。

德國Evonik Degussa公司[12]混合高、低分子量的多醇,結合多異氰酸酯和光穩定的芳香族胺制備聚氨酯涂衣,添加經過六甲基二硅氮烷疏水處理和球磨機修飾的熱解硅石作為填料。涂料涂抹在環氧樹脂上表現出很好的粘附性。

構成聚氨酯的聚酯和固化劑一定程度上決定了涂料在風電葉片上的表現和性能,選擇一種或幾種具備較強耐候能力的聚酯或固化劑對于提高聚氨酯涂料的耐久性及完善其綜合性能至關重要。

在當前風電市場上,溶劑型涂料占據了主導地位,但低揮發性有機化合物(VOC)、環保的高性能水性聚氨酯涂料顯然更加符合風力發電“綠色能源”這一概念。水性聚氨酯涂料將成為風電葉片涂料的一個重要的發展方向和研究熱點。隨著風電葉片涂料技術的不斷發展,工藝技術的不斷推陳出新,水性聚氨酯涂料勢必將在風電葉片涂料上占據一席之地。

3·氟聚合物材料

風電葉片普遍面臨三個問題:冰粘附和沖擊、昆蟲的累積、沙和水滴的侵蝕。Parent[13],Olsen[14]均建立了一種葉片動態加熱的除冰系統從而防止冰的粘附,但這種方法僅能“治標”,而且添加熱力系統增加能源消耗。由于親水的涂料會增強冰的粘附,Dalili[15]等建議應當選擇一種低表面能、疏水的涂料從根本上解決上述難題。

氟原子半徑小、電負性大,有機氟聚合物中含有F-C鍵,鍵能高達515kJ/mol,兩個氟原子的范德華半徑之和為0·27nm,基本上可將C-C鍵完全包圍而不露出一點空隙,從而使得任何基團或者原子都無法進入破壞C-C鍵[16],這種屏障的效果使得有機氟涂料擁有許多特異的性能,如良好的化學穩定性、耐候性、耐熱耐寒性、耐輻射性,另外含氟聚合物表面能低,具有疏水疏油的特點,優異的自潤滑性能與低摩擦性能,這些特性與風電葉片涂料的性能要求不謀而合。鑒于有機氟改性過的樹脂與底材的附著能力欠佳,故含氟聚合物作為風電葉片涂料的面漆較為合適。

傳統氟樹脂以聚偏氟乙烯(PVDF)為代表,PVDF涂料戶外的使用壽命可達20年以上。盡管具備優良的耐候性、韌性好、耐粉化等特點,但由于PVDF涂料的涂敷需要經過高溫烘烤,加工過程稍顯繁瑣。日本旭硝子公司[17]1982年推出的Lumiflon產品,即三氟乙烯與烷基乙烯基醚交替共聚物,是世界首創的可溶型常溫固化型涂料用氟樹脂,除擁有氟涂料的防護效果好、防護壽命長等優點外,還可以常溫固化簡化施工,可在大型器件上直接噴涂。FEVE的成功研發,使氟樹脂及涂料由傳統的熱塑性進入了熱固性時代,加速了氟涂料的發展,拓寬了氟樹脂涂料的應用領域。

日本電工株式會社[18]和美國PPG公司[19]均將三氟乙烯-烷基乙烯基醚交替的含氟共聚物用于風電葉片涂料,并將其用在耐候性要求最高的最外層。在Lumiflon分子結構中,R1作為烷基基團,提供聚合物的溶解能力,影響涂料的光澤與硬度;-OH作為常溫固化的交聯點,可用異氰酸酯作為固化劑;乙烯基醚-O-R3賦予樹脂的被乳化能力,有助于涂料的柔韌性及穩定性;含氟鏈段則提供涂層超強的耐候性和耐久性[20]。部分PFEVE分子結構中還含有酸性的羧基基團,可促進樹脂和顏料、固化劑的相容性。

氟化樹脂的引入有助于提高涂料的耐候性,但是Levine[21]在研究了Lumiflon結合水性聚氨酯涂料的作用和效果后發現,增加Lumiflon的含量卻導致了涂料的耐候性、強度的降低,主要的原因可能是含氟添加劑中的氧乙烯基被用于生成水性含氟聚合物乳液。

由于氟碳涂料價格昂貴,且以PVDF為代表的傳統型氟碳涂料需要高溫固化,限制了其在風電葉片上的應用。利用有機氟改性聚氨酯或其它樹脂既提高性能、降低成本又能解決氟樹脂附著能力差、不能常溫固化的缺陷。Alois[22]僅利用少量的含氟組分改性聚氨酯,所得涂料既能常溫固化,且表面性能較原先聚氨酯有很大提高。研究一種性能更為優異且成本低廉,又能如Lumiflon可常溫固化的含氟涂料勢在必行,可以預見,這類涂料的誕生將推動風電葉片涂料的發展乃至整個風電行業的大步前進。

4·聚丙烯酸酯材料

丙烯酸樹脂涂料因其耐候、耐光、耐腐蝕性能優異,粘接性好,對底材的附著能力強,已在各個領域得到廣泛應用。但該樹脂耐水、耐溶劑性能相對較差,且不耐磨,所以一般將丙烯酸樹脂作為風電葉片涂料的底漆使用。

日本電工株式會社[18]制備的葉片涂料總共三層,除最外層為上述所說的含氟涂層外,中間層為丙烯酸類和氨酯類聚合物組成的復合膜,底層則是丙烯酸類的壓敏粘層。中間層的丙烯酸類聚合物主要是丙烯酸及其同系物單體、均聚物的玻璃化轉變溫度Tg低于0℃的丙烯酸類單體(如丙烯酸丁酯)和均聚物Tg不低于0℃的丙烯酸類單體(如異冰片基丙烯酸酯)這三類單體的共聚物。壓敏粘層采用丙烯酸酯為主要組分,共聚混合含有羥基或羧基的單體,在底層的制備過程中,通過通入氣體、加入發泡劑或空心微球材料使得壓敏粘層獲得氣泡,而這種含氣泡的結構其作用表現在對于葉片彎曲或者不平坦的表面仍能具有很好的附著能力。圣戈班公司[23]制備的3層結構的涂料中,底層同樣為丙烯酸類的壓敏粘層,而中間層和最外層則推薦使用氟化聚合物和丙烯酸類聚合物的混合體系。Paul[24]提出一種使得外層具有很好的耐候耐磨性能而又能使得內層具有很好的粘附性能的方法:兩者均由PVDF和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成,其中外層的PVDF含量要高于PMMA,而內層PMM的含量要高于PVDF。

美國PPG公司[19]在風電葉片涂料中摻入適量丙烯酸類聚合物,合適的丙烯酸聚合物可以是丙烯酸的烷基酯和不飽和烯類的聚合物,如甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈,而丙烯酸的共聚物也可以含有羥基組分,以方便涂料進行交聯,特別是直鏈上含有2~4個碳原子的烷基羥基結構。利用有機氟改性丙烯酸酯,改性后的涂料不僅保持了原有的丙烯酸酯的特性,還提高了涂層的耐候性、抗污性等[25]。在國外,氟代丙烯酸酯聚合物已經成功地用作橋梁、建筑、汽車等耐候性要求較高的外用涂料[26],能否將該類聚合物引入到風電葉片涂料上是一個值得探討和研究的問題。

5·其它材料

聚天門冬氨酸涂料是近幾年新興的高性能雙組份涂料,耐黃變,性能穩定。拜耳公司[27]用聚天門冬氨酸酯作為聚脲的面漆或以單一的防腐涂層形式應用在風電葉片上,涂膜表干3h,具有極佳的防腐耐磨性能。

有機硅涂料具備優良的耐候性、耐高低溫性、抗水性、耐沾污等性能,已廣泛應用于建筑、航天等領域。在2009年10月北京舉辦的中國國際風能大會上Dowcorning公司[28]展示了一種硅樹脂涂層產品,該產品可直接敷在葉片表面,形成一層性能卓越的保護層。

環氧樹脂涂料具備較高的粘接力,耐候性較強,防腐性能卓越,通過添加納米無機材料對環氧樹脂涂料進行改性,可以提高涂層的耐磨及防腐能力[29,30]。Karmouch[31]等在環氧涂料中添加納米級二氧化硅顆粒得到超疏水涂料,將該涂料應用在風電葉片基材上結果發現涂層表面接觸角可達到152°,且具備較強的紫外線耐受力。

除添加無機納米材料外,直接涂抹無機薄膜作為防護涂層也能對葉片起到保護作用。Ni-P薄膜作為應用甚廣的無機涂層,具備良好的耐磨和耐腐蝕性[32]。Lee[33]將Ni-P薄膜涂布在風電葉片上,在較高的P含量(P>7%)和較小的微空隙下,當底材玻璃纖維增強塑料(GFRP)的表面粗糙度超過0·3μm后涂料的防腐和耐磨性能將有所提高,此外,膜厚和拋光條件對涂膜性能也有影響。

6·結束語

現如今,居高不下的維修成本,是大力發展風力發電的絆腳石。研究一種經濟高效的葉片涂料已成為推廣風電產業發展的一個亟待解決的問題。風電葉片防護涂層材料的研發不局限于單一的某種材料,幾種樹脂的配套使用或通過改性可使涂料性能更趨優異,合理搭配聚氨酯、有機氟、丙烯酸類等聚合物,特別是利用有機氟改性有助于獲得性能全面的葉片涂料。當前,我國的風電葉片涂料大部分還依賴進口,但相信隨著研究的不斷深入,綜合性能優異的國產風電葉片涂料的問世指日可待,這對于促進風電的產業發展,提高國產風力機組在國際市場的競爭能力,實現我國風電設備制造的國產化意義重大。