劉正偉

（麥加芯彩新材料科技（上海）股份有限公司，上海201800）

風(fēng)電機(jī)組一般安裝于偏遠(yuǎn)的地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，葉片作為捕獲風(fēng)能的唯一構(gòu)件，其前緣由于長期受到風(fēng)力的摩擦以及沙粒、鹽霧、雨水的沖擊，是風(fēng)電葉片上最容易出現(xiàn)腐蝕的部位。特別是葉片的葉尖前緣部分，由于比較薄而且葉尖的運(yùn)轉(zhuǎn)線速度相當(dāng)大，該部位的腐蝕是整個(gè)葉片中最為嚴(yán)重的。風(fēng)電葉片前緣出現(xiàn)腐蝕之后，風(fēng)電葉片的氣動(dòng)外形將受到影響，根據(jù)損傷程度的不同，會(huì)增加運(yùn)行阻力約6-500%；阻力每增加80%，發(fā)電量就約下降5%。運(yùn)行4 年以上的葉片發(fā)電量最高可下降20%，個(gè)別嚴(yán)重?fù)p壞葉形甚至可能達(dá)到50%。葉片前緣腐蝕問題如果不及時(shí)解決，隨著時(shí)間的推移，葉片會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的損傷，給風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來隱患。因此，前緣防護(hù)是大型葉片開發(fā)中面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，也具有相當(dāng)大的研究意義。

在眾多影響葉片前緣腐蝕的因素中，雨水是最為主要的，此乃業(yè)內(nèi)共識(shí)。地區(qū)降雨量與葉片前緣和葉尖的受損情況幾乎成正比，降雨量高的地區(qū)自然受損情況更嚴(yán)重。目前普遍使用前緣保護(hù)涂層技術(shù)與貼膜防護(hù)技術(shù)。傳統(tǒng)前緣保護(hù)漆防護(hù)性能較差。而貼膜類產(chǎn)品雖然初始機(jī)械強(qiáng)度高，但機(jī)械強(qiáng)度衰減很快，半衰期短，因此使用壽命并沒有得到明顯提升，且難施工，易脫落，難以二次維護(hù)。故本文旨在開發(fā)一款新型的前緣保護(hù)涂料，除了具備常規(guī)涂料的性能之外，最重要的是擁有更強(qiáng)大的耐雨蝕性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料及主要制漆、檢測(cè)設(shè)備

原材料：聚氨酯多元醇樹脂HTPB 端羥基聚丁二烯（固含＞99%），國產(chǎn)；XP2406 脂肪族聚異氰酸酯固化劑，科思創(chuàng)；金紅石型鈦白粉，國產(chǎn)；防沉降助劑，國產(chǎn)；紫外線吸收劑，國產(chǎn)；有機(jī)鋯，鉍復(fù)合催化劑，自制;BYK163 潤濕分散劑，德國畢克化學(xué)；BYK052 脫泡劑，德國畢克化學(xué)，Tego4100 流平助劑，德國畢克化學(xué)。

主要制漆設(shè)備：LQ-C30002 電子天平，上?，幮码娮涌萍加邢薰荆籊FJ-0.4A 高速分散機(jī)，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司;MHYM-1.1L 籃式研磨機(jī)。

主要檢測(cè)設(shè)備：Positest AT-A 型附著力測(cè)試儀，美國Defelsco；JM-IV 漆膜磨耗儀，上海普申化工機(jī)械有限公司；TCJ彈性沖擊試驗(yàn)器，上海普申化工機(jī)械有限公司；Byes-90B 鹽霧試驗(yàn)箱，邦億精密量?jī)x（上海）有限公司；GS-300 冷凝水試驗(yàn)箱，上海蘇盈試驗(yàn)儀器有限公司；拉力儀，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司；QTX 型漆膜彈性測(cè)定器，天津市材料試驗(yàn)機(jī)廠；雨蝕試驗(yàn)機(jī)。

1.2 設(shè)計(jì)配方

選擇HTPB 端羥基聚丁二烯為主要成膜載體，其通過與固化劑反應(yīng)后具有和固體橡膠相同的性能，理論上具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨損性能以及高彈性和柔韌性，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中可以對(duì)葉片殼體起到良好的緩沖與保護(hù)作用。HTPB 與粉料助劑等一起分散研磨后調(diào)漆制備主劑，固化劑選擇聚氨酯體系中常用的脂肪族聚異氰酸酯，通過其制得的聚氨酯涂層具有良好的老化耐黃變特性，并能提供致密的化學(xué)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使涂層具備超常的耐化學(xué)性。配方（見表1）制樣。

表1 涂料配方

對(duì)其進(jìn)行常規(guī)的性能測(cè)試，與市面常規(guī)的油性體系面漆對(duì)比。并在最重要的耐雨蝕測(cè)試中加入某知名貼膜類產(chǎn)品，研究其綜合性能達(dá)到了怎樣的水平。

1.3 制備工藝

該前緣保護(hù)涂料的制備工藝與現(xiàn)有聚氨酯油漆相同，主要步驟分為以下幾個(gè)工序:

1.3.1 物料1-9 投入反應(yīng)釜中，高速分散均勻。

1.3.2 將分散均勻的物料轉(zhuǎn)至籃式研磨機(jī)研磨至細(xì)度30μm 以下。

1.3.3 細(xì)度達(dá)標(biāo)后真空抽濾包裝。

主劑制備完成后，按照配方中的比例添加固化劑混合配漆。

2 配方驗(yàn)證

2.1 HTPB 端羥基聚丁二烯的分子量對(duì)涂料性能的影響

在選擇原材料中的HTPB 端羥基聚丁二烯時(shí)，有不同分子量的原料可供原則，分別挑選分子量約為1500、3000 和4000 的HTPB 進(jìn)行試驗(yàn)，配方中原材料的添加量不變，采用相同得制備工藝，制得主劑。然后與固化劑混合配漆測(cè)試其機(jī)械性能。

表2 基礎(chǔ)性能測(cè)試對(duì)比總結(jié)

由表2 可以看出使用分子量高的HTPB 原料制得的漆膜拉伸斷裂伸長率顯著提高，這在耐雨蝕實(shí)驗(yàn)中也許可以起到更好的防護(hù)效果。漆膜的強(qiáng)度沒有太大的差異，繼續(xù)提升分子量，性能并沒有提升太多。綜上分析，建議選擇分子量約為3000 的HTPB 原材料更為合適。

2.2 基礎(chǔ)性能測(cè)試

本部分研究了該新型前緣保護(hù)涂料的基礎(chǔ)性能，并與常規(guī)油性面漆對(duì)比，將制備好的主劑與固化劑按配方比例混合，用刮涂的方式涂裝在10 層玻纖布的玻璃鋼板上，每一塊樣板的規(guī)格為7.5mm×15mm×1mm。在刮涂保護(hù)漆前，需先使用膩?zhàn)訉?duì)基材進(jìn)行修型填補(bǔ)。為了測(cè)試其拉伸性能，需制備漆膜，厚度約為200μm，并裁減成符合ISO 527-3 中對(duì)樣品的尺寸要求。

通過表3 中基礎(chǔ)性能測(cè)試中，可以看到該保護(hù)漆在耐鹽霧與耐濕熱測(cè)試中表現(xiàn)良好，在2000h 后均未出現(xiàn)異常。涂層附著力性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，附著力是葉片涂料相當(dāng)重要的一個(gè)指標(biāo)，若涂層的附著力不足，在葉片運(yùn)行過程中會(huì)有大面積剝落的風(fēng)險(xiǎn)，直接造成葉片露出基材，毫無保護(hù)，嚴(yán)重的情況可能會(huì)導(dǎo)致葉片停機(jī)，造成巨大損失。在該項(xiàng)目中可以看到本配方的保護(hù)漆涂層性能與常規(guī)面漆幾乎一致，完全能達(dá)到使用的技術(shù)水準(zhǔn)。

在拉伸測(cè)試中，本配方達(dá)到預(yù)計(jì)效果，延伸率可達(dá)600%，是常規(guī)面漆的15 倍以上。耐沖擊試驗(yàn)中，因其具備的高彈性，也比常規(guī)面漆更出色。1000 克載重的耐磨耗僅損失約8 毫克，有出色的耐磨性能。

2.3 耐雨蝕測(cè)試

在前緣保護(hù)材料中，耐雨蝕性能是最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，本部分對(duì)本配方進(jìn)行了耐雨蝕性能的測(cè)試，并給出某知名貼膜類防護(hù)產(chǎn)品與現(xiàn)有常規(guī)油性面漆的耐雨蝕數(shù)據(jù)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM G73, 測(cè)試參數(shù)控制不變，高速端測(cè)試速度為140m/s，降雨量30-35mm/h。

由表4 可看出，常規(guī)面漆的雨蝕防護(hù)性能十分弱，在20 分鐘時(shí)，表面已出現(xiàn)輕微點(diǎn)狀破損，普通的裝飾型面漆對(duì)于葉片前緣這樣的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重的區(qū)域幾乎沒有長效的保護(hù)作用。市面常規(guī)的聚氨酯保護(hù)漆涂層能在一定程度上起到保護(hù)的作用，在9 小時(shí)涂層表面出現(xiàn)破損。18 小時(shí)已經(jīng)露出基材。本配方前緣保護(hù)漆在耐雨蝕性能上有顯著提升，在18 小時(shí)后，表面也無明顯破損。

3 項(xiàng)目成果

本方案通過選擇具有橡膠性能的端羥基聚丁二烯與脂肪族異氰酸酯，制備出一種新型的聚氨酯體系前緣保護(hù)漆，通過一系列的性能測(cè)試，驗(yàn)證了其在附著力等常規(guī)項(xiàng)目中表現(xiàn)出色，完全符合當(dāng)前風(fēng)電涂料的技術(shù)指標(biāo)，長期耐鹽霧等試驗(yàn)未出現(xiàn)異常，滿足國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的涂裝要求。并且最重要的是耐雨水腐蝕性能達(dá)到目前市面常規(guī)面漆的50 倍以上，是市面常規(guī)聚氨酯保護(hù)漆產(chǎn)品的2 倍以上，這在葉片的長期開機(jī)運(yùn)行中可以對(duì)前緣處有更持久、強(qiáng)大的保護(hù)效果，證實(shí)了這一方案在行業(yè)未來的潛力。

表3 基礎(chǔ)性能測(cè)試對(duì)比總結(jié)

表4 雨蝕性能測(cè)試對(duì)比

4 結(jié)論

隨著風(fēng)電行業(yè)在中國的迅速發(fā)展，越來越多的大型兆瓦級(jí)別風(fēng)電機(jī)組投入使用，葉型不斷增大，從最初只有約40 米長度的葉片，到現(xiàn)在最長達(dá)80 米的葉片。葉尖前緣處的運(yùn)行線速度越來越高，雨水等其他因素對(duì)前緣的損傷也隨之越來越嚴(yán)重，但目前對(duì)前緣防護(hù)的意識(shí)還比較薄弱，這在未來隨著葉片開機(jī)運(yùn)行時(shí)間逐漸上升的情況下，是一個(gè)十分嚴(yán)峻的問題。本文介紹并研制了一款新型的聚氨酯類前緣保護(hù)漆，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其防護(hù)性能與施工性能可以滿足當(dāng)下的風(fēng)電葉片涂料技術(shù)指標(biāo)。