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作者: 邱小勇
来源: 中国腐蚀与防护网
发布时间: 2016-05-18
关键词: 风机叶片, 涂料, 天冬聚脲, 应用
领域: 腐蚀领域
摘要: 一种高固低黏风机叶片涂料开发及应用
正文: 据国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》显示，到2020年、2030年和2050年，中国风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦风电将成为中国的5大电源之一。风电产业的发展热潮，也带动了风电叶片涂料产业链的发展，据测算，2014-2020年，国内风电涂料总计约需13万吨（2万吨/年），有近70亿元的市场。目前风机叶片涂料主要为溶剂型的聚氨酯或丙烯酸涂料，具有性能好、价格低的优点，也有VOC排放高、污染大气的缺点。如果按风机叶片涂料VOC排放为400g/L计算，风机叶片涂料每年排放VOC0.8万吨，会加剧大气污染、形成雾霾。在国内外日益重视环保的今天，高效环保型风机叶片涂料成为了迫切需求。风机叶片的工作环境一般比较恶劣，运行时间长，叶片边缘线速度高（70～80km/h），而且叶片工作在高空、全天候条件下，经常受到空气、辐射、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，因此叶片的运行条件和运行环境极其严酷；另外大型叶片的吊装费用极其昂贵且费时，一般运转10a以上才进行一次修缮维护。然而，制造叶片的材料本身很难在这样恶劣的环境中长时间保持完好，因此往往需要涂装叶片保护涂料。风电叶片涂料不同于一般的工业防腐涂料，大型叶片用防护涂料对原材料、涂料技术含量要求苛责，加上风电起源于欧洲，国内风电装备厂商基本全套引进欧洲技术，因此，缘于地缘和历史方面的优势，欧系品牌的涂料供应商在风电叶片涂料领域一直占据主导地位。中国的风电涂料主要由国外涂料品牌供应，几乎全部依赖进口，德国的美凯维奇公司（Mankiewicz）、美国的PPG、德国的巴斯夫和德国的博格林公司（Bergolin）等企业占有优势，在一线风电涂料生产企业中始终难觅中国企业的身影，开发自主知识产权的风机叶片涂料，可打破国外企业的垄断，为我国涂料企业创造良好的效益。天冬聚脲是一种新型脂肪族、慢反应、高性能的环保涂层材料[3,4]，天冬聚脲涂料能形成一种高交联密度、耐磨且光泽高、颜色鲜艳的涂膜，其涂膜具有极高的表面硬度又具有良好的弹性、柔韧性、抗弯曲性能和卓越的物理力学性能，包括很好的拉伸强度、撕裂强度和表面硬度；同时具有突出的耐化学品性、耐磨性和耐冲击性。聚天门冬氨酸酯涂料既可以作为单一的防护涂层，直接喷涂在基材表面，也可作为其他芳香族聚脲、聚氨酯和聚氨酯脲的面漆，是一种合成高固低粘风机叶片涂料的理想材料。 1.试验部分 1.1主要原料 F520、F524聚天门冬氨酸酯，珠海飞扬新材；氟碳树脂QK570，大金化工；N3390固化剂，烟台万华；SP103P弹性固化剂，珠海飞扬新材；A3粉浆，珠海飞扬新材；BS-20，巴斯夫；R595，上海浦皓；玻璃粉，深圳汉能。 1.2基本配方 1.3制备工艺 A组分：将树脂、粉料、助剂依次加入调漆缸中，高速分散30min，然后用砂磨机研磨分散至细度15μm以下，加入剩下的溶剂以调整黏度和固体含量，得到A组分； B组分：将各原料混合均匀后，过滤包装。 1.4涂膜制备将A、B组分按质量比2:1的比例混合，喷涂在4mm后的玻璃钢板上，根据检测指标的需要，试验用玻璃钢板基材表面应进行打磨处理，打磨处理的试板在使用前应按GB/T9271—2008中3.3的规定进行清洗处理，玻璃钢板可预先刮腻子，涂膜厚度控制（0.2±0.02）mm，在（25±2）℃条件下固化，养护7天，做性能测试。 1.5性能测试性能测试依据《JB／T10194-2000风力发电机组风轮叶片/机械行业标准》进行。 1.5.1常规性能测试主要检测仪器：AUW320型分析天平、干燥试验箱、ISO刮板细度计、QTJ弯度仪、QCJ冲击仪、HM-1磨耗试验机、PosiTest涂层拉力仪、CTP701可编程式高低温试验箱、HRTR03调温调湿仪。 1.5.2耐紫外线（QUV）测试测试依据：ASTMD4587-2005 测试仪器：QUV加速老化试验箱、SM-4-2色差计算机、UGV-5D型光泽仪。 1.5.3盐雾试验按GB/T1771—2007的规定进行测试，试验到规定时间后，在GB/T9278—2008规定的标准条件下停放24h，按GB/T5210—2006测定附着力。 2.结果与讨论 2.1涂膜性能 *注：1.将试样放置在高温高湿箱内，采用冷热+高温高湿循环试验方法，每一循环试验条件为：80℃/3h→室温/1h→-30℃/3h→室温/1h→40℃/98%RH/3h。试验至规定循环次数后，取出试样至室温，观察漆膜变化。2.以上风机叶片涂料涂层腻子采用珠海飞扬自己开发的的聚天门冬氨酸酯腻子。 2.2性能的影响因素 2.2.1天冬树脂对性能的影响聚天门冬氨酸酯采用脂环族二胺和马来酸酯进行迈克尔加成合成含有仲氨基的天冬聚脲树脂，脂环族二胺含六元环结构，给固化后的涂膜提供硬链段，使涂层具有良好的硬度；另外分子中含有四个大分子的酯基形成“冠状”结构，一方面可以形成空间位阻降低树脂的反应速度；第二方面具有较多的支链，降低树脂的粘度，增强固化后涂层的柔韧性和弹性；第三方面此“冠状”结构可以对固化后的分子链形成保护作用，使紫外线、盐雾、酸碱等破坏涂层的作用力不能轻易达到主链，从而增强涂层的耐候性、耐盐雾、耐酸碱性等各项性能。本配方中使用的F520相当于拜尔的NH1520树脂，具有相容性好，涂膜外观通透丰满，施工活化期长等特点，由于F520分子结构中-NH基团为冠状侧链烷基，加上其邻位环烷链上的甲基位阻效应，妨碍了-NHR基团与异氰酸酯-NCO基团反应后所形成的分子链的自由旋转，导致其涂膜玻璃化温度Tg高，因此需加入柔韧性好的树脂。因此在配方中加入F524树脂，F524树脂为大分子醇与顺酐合成的马来酸酯与PACM反应而得，具有柔韧性好、适用期长、力学性能好的特点，其与F520搭配，可克服涂膜硬脆的缺点。 2.2.2改性氟碳树脂对性能的影响风机叶片所处环境恶劣，经常处于超低温环境下，需要风机叶片涂料具有抗结冰的性能，因此在配方中加入氟碳树脂QK570。氟树脂中具有键能非常高的C-F键，一方面屏蔽了与碳键间的正电效应，使漆膜具有较小的聚合能和低表面张力；另一方面，氟原子与碳碳键形成一个螺旋形结构，具有屏蔽作用，保护碳碳键免受紫外线和化学品腐蚀。氟碳树脂的加入，一方面利用了其本身的高耐候性以不至于影响天冬聚脲风机叶片涂料本身的耐候性，另一房间可增强涂膜的憎水性，雨滴滴落到风机叶片上就会马上掉落而不会附着，可有效提高风机叶片涂层的抗结冰性能。 2.2.3固化剂对性能的影响作为涂料的另一种主要组分固化剂的性能也是影响涂料的重大因素，本课题所需要的固化剂不仅要求粘度低，与氨基反应速度适中，还要求耐候、耐酸碱、耐盐雾等要求，只有用异氰酸酯封端的聚酯型固化剂能满足要求，但是市场上所售的聚酯多为固态和粘度高的产品，不能满足高固低粘的要求。本文献用拜尔公司生产的HDI三聚体N3390和飞扬公司生产的弹性固化剂SP103P作为主体，N3390为三官能度的环状结构，具有硬度高、柔韧性好、耐候性好、交联密度高、慢干等特点。SP103P是飞扬新材料自主开发的弹性固化剂，采用多种二元醇包括己二醇、新戊二醇、聚醚多元醇和多种二元酸包括己二酸、葵二酸、戊二酸进行酯化反应生成聚酯，再和己内酯开环生成更低粘度的聚酯多元醇，此多元醇与异氰酸酯反应所得。此固化剂结构杂乱、支链较多且没有单一重复和对称的结构，不仅具有耐候、耐磨、耐盐雾等特点，而且粘度很低，在零下15℃不结晶，具有很好的低温柔韧性，能满足制备高固低粘环保型天冬聚脲固化剂的要求。 2.2.4紫外吸收剂对性能的影响风机叶片涂料其恶劣的使用环境要求其具有优异的耐候性能，目前的聚氨酯或丙烯酸涂料具有较好的耐候性能，其QUV测试一般为1200-1800小时，虽然达到了测试标准要求，但实际使用时存在寿命不够长需定期翻修造成维护成本高的问题。本项目中采用的天冬聚脲树脂和氟碳树脂均具有优异的耐候性，但固化剂为聚氨酯结构，在一定程度上拉低了风机此风机叶片涂料的耐老化性能，因此需加入一定的紫外吸收剂以提高其耐紫外性能。紫外吸收剂抗紫外线的基本原理是其分子中的特定基团吸收一定波长的紫外光子后，电子从基态被激发到高能级轨道，导致分子重排形成激发态，不稳定的激发态结构重新跃迁回基态，恢复原来的结构，同时释放能量，释放的能量以热能形式放出，如此循环往复，将涂膜吸收的紫外光能不断转化为热能散失掉。关系式ΔE=hc/λ，其中h为普朗克常数，λ为紫外光的波长，ΔE为所释放的热能。 2.2.5除水剂的选择研究表明，含羟基的小分子化合物对天冬聚脲树脂与固化剂反应具有明显的催化效果从而缩短涂料的活化期，可能会将涂料的活化期缩短到30分钟，严重影响涂料的施工便利性，降低涂料的可接受程度，因此需要采取措施克服水或小分子醇的催化作用。本项目从配方上根除了小分子醇的加入，但是物料本身所含有的水分无法避免，因此在配方中加入除水剂或分子筛是一种延长活化期的有效手段，本文中加入A3分子筛作为除水剂，A3分子筛具有3A的孔洞，水分子的直径比3A小，可进入A3分子筛的孔洞中被吸收，而其他有机物直径均比3A大，无法进入孔洞中，故可以吸收体系中物料所带进入的水分，有效延长涂料活化期。 3.结语采用新型结构的聚天门冬氨酸酯作为主体树脂研制而成的风机叶片涂料，具有小于100g/L的低VOC排放，同时耐紫外线、耐磨性、耐酸碱等性能指标均超过GL认证的标准要求，可以打破国外高性能风机叶片涂料的垄断，实现国产化。更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：刘洋《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事投稿联系：编辑部电话：010-62313558-806 邮箱：ecorr_org@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

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