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0前言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速、持續(xù)發(fā)展，對能源的需求增長也很快，風(fēng)能作為一種綠色可再生能源在我國得到越來越多的重視，尤其是近幾年，風(fēng)電行業(yè)在我國正以飛快的速度發(fā)展著，并且已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的組成部分之一，而且會(huì)長期暴露在強(qiáng)紫外線、風(fēng)沙、高溫、寒流等惡劣環(huán)境下，葉片在正常工作時(shí)會(huì)面臨沙塵、雨水等物質(zhì)的強(qiáng)烈沖刷及侵蝕。
目前制造風(fēng)機(jī)葉片主要原材料環(huán)氧玻璃鋼長期暴露在室外環(huán)境下，經(jīng)過紫外光的照射材料會(huì)老化，產(chǎn)生粉化現(xiàn)象，用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制造成型的葉片如果不進(jìn)行表面的防護(hù)工作，會(huì)使葉片的使用壽命大大縮短，甚至發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，給風(fēng)電場帶來不必要的麻煩和損失。因此，在風(fēng)機(jī)葉片使用過程中，必須進(jìn)行表面防護(hù)。
本文以改性羥基丙烯酸樹脂以及HDI三聚體為漆基，輔以性能優(yōu)異的顏填料和助劑制得風(fēng)機(jī)葉片涂料，并對其光澤度、附著力、斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度等性能進(jìn)行了測試。
1試驗(yàn)部分
1.1原材料
改性羥基丙烯酸樹脂(進(jìn)口)；HDI三聚體固化劑N3390(拜耳)；鈦白粉R960(杜邦)；分散劑BYK163(畢克化學(xué))；光穩(wěn)定劑(巴斯夫)；聚四氟乙烯微蠟粉(進(jìn)口)；消泡劑BYK066N，消泡劑BYK141(畢克化學(xué))；絹云母粉(國產(chǎn))；催化劑(國產(chǎn))；氣相二氧化硅A380(德固賽)；消光粉OK412(德固賽)；混合溶劑(自配)。
1.2試驗(yàn)配方
改性羥基丙烯酸聚氨酯葉片涂料的配方組成如表1。
表1 改性羥基丙烯酸聚氨酯葉片涂料參考配方
1.3制備工藝
按涂料配方稱取相應(yīng)的組分，加入助劑、填料進(jìn)行研磨至細(xì)度≤30μm，再加入混合溶劑、調(diào)色、加入消光粉分散均勻，即制得風(fēng)電葉片涂料的主漆組分。制備工藝流程如圖1所示。將色漆組分和固化劑按照合適的比例進(jìn)行分包待用。
圖1 風(fēng)電葉片涂料的制備工藝
1.4性能檢測
按照比例配制涂料，加入相應(yīng)的稀釋劑調(diào)節(jié)黏度至合適的噴涂黏度，涂層在常溫下進(jìn)行干燥和養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行性能測試，性能檢測結(jié)果如表2和圖2所示。
表2 性能檢測結(jié)果
圖2 附著力測試結(jié)果[-page-]
2結(jié)果與討論
2.1樹脂的選擇
本試驗(yàn)選用的是改性羥基丙烯酸樹脂作為主要的樹脂成分，該樹脂具有良好的力學(xué)性能和防腐性能，清漆制成的涂膜斷裂伸長率能夠達(dá)到100%以上，且拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到15MPa左右，耐酸堿性能優(yōu)異。
這種樹脂是由傳統(tǒng)的羥基丙烯酸樹脂改性而得到的，在配制涂料過程中的顏填料、助劑等的選擇也比較方便。用這種樹脂配制成的主漆成分和HDI三聚體 (N3390)配制成的涂料具有良好的施工性能，可很好地滿足風(fēng)機(jī)葉片廠施工工藝要求。
2.2顏填料的選擇
顏填料在涂料中除了著色和遮蓋作用外，也起到防腐蝕作用[1]。為了提高涂料的著色力、遮蓋力、耐候性、防腐蝕性能應(yīng)優(yōu)先選擇金紅石型鈦白粉，本試驗(yàn)選用的是杜邦的R960鈦白粉，此鈦白粉不但具有上述幾種優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的分散性能。
作為高耐候面漆，填料應(yīng)盡量少加。填料(體質(zhì)填料)除了降低成本，主要是用來改善涂料的物理性能和機(jī)械性能。本試驗(yàn)選用的絹云母粉不但提高了涂膜的屏蔽性能，也改善涂料的貯存穩(wěn)定性。
2.3助劑的選擇
為了保證在涂料的施工性能、耐老化性、貯存性能等需要在涂料中加入合適的助劑。風(fēng)電葉片涂料在施工過程中一般都是采用兩道施工的施工方式，每道涂膜的厚度要達(dá)到100μm以上，所以在涂料中需要加入適量的觸變劑以加強(qiáng)涂料的抗流掛性能，本試驗(yàn)采用氣相二氧化硅(A380)作為觸變劑，A380 觸變劑不但能夠給涂料帶來良好的抗流掛型，還能夠防止涂料中其他顏填料的沉降，提高了涂料的貯存穩(wěn)定性。
增加涂料觸變性也帶來了施工過程中問題，涂膜中的氣泡不容易溢出。本試驗(yàn)經(jīng)過大量的試驗(yàn)，選用的是消泡能力適中的BYK-066N以及具有良好破泡能力的BYK-141的組合作為此涂料的消泡系統(tǒng)。
這個(gè)消泡系統(tǒng)不但能夠使施工過程中涂膜里面的氣泡迅速溢出并且消除，還不至于給涂膜帶來縮孔等不良影響，大大提高了涂膜干燥后的各種性能。風(fēng)電葉片涂料對涂膜的耐候性要求很高的同時(shí)，對涂膜的耐磨性和疏水性也有比較高的要求，為了提高涂膜的耐磨性和疏水性，本試驗(yàn)在涂料中添加了聚四氟乙烯微蠟粉，降低了涂膜表面的摩擦系數(shù)，減緩了葉片在運(yùn)行過程中風(fēng)沙等對葉片涂料的磨損，并且降低了涂膜表面的表面能，使其具有良好的疏水性和耐沾污性，使涂膜的吸水率保持在比較低的1%左右，盡量減少水汽在葉片表面的凝結(jié)，降低葉片表面結(jié)冰的可能性，提高葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的安全性。
為了保證涂料的干燥時(shí)間提高涂料的施工效率，本試驗(yàn)中還添加了適量的催化劑，以保證涂料的適宜的表干、實(shí)干性能，且保證涂料的適用期在3h以上。
2.4消光粉的選擇
風(fēng)電葉片涂料為啞光涂料，消光粉的添加是必須的。消光粉在涂料中的消光效果主要取決于消光粉的4個(gè)重要特性：平均粒徑及其分布、孔隙率、密度、表面處理。一般來講，平均粒徑越大，涂膜表面粗糙度越大，消光性能越好，但太粗的顆粒會(huì)影響感觀和手感，太細(xì)又會(huì)增加涂料的黏度，因而顆粒選擇要適當(dāng)。光澤度的降低是消光劑粒徑的效應(yīng)，對于選定粒徑的消光劑來說，高孔隙率的消光效果更好，因?yàn)楦呖紫堵实南夥蹎挝毁|(zhì)量所含粒子微孔容積大，其消光性越好，即涂膜光澤越低。用有機(jī)涂覆物(主要是高分子蠟)進(jìn)行表面處理得到容易分散的白炭黑消光劑，可使干膜手感滑爽，抗損傷性好等，在涂料中穩(wěn)定性好。雖然密度和消光劑的消光性能無直接關(guān)系，但密度低，其孔隙率大，比表面積大，吸油量相應(yīng)增大，而吸油量對消光性也有一定的影響，一般消光粉吸油量大，消光性要好些，但吸油量大的消光粉增稠現(xiàn)象明顯，降低了涂料的體積固含量[2]。
在選用消光粉的過程中，考慮到以上幾種影響因素以及該種聚氨酯類涂料難消光的特點(diǎn)，在這種風(fēng)電葉片涂料中選擇的消光粉應(yīng)該具有比較合適的粒徑分布，比較小的吸油值，容易分散。另外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)消光粉添加量對涂膜的柔韌性有顯著影響，如表3所示。
表3 消光粉添加量對涂膜斷裂伸長率、光澤度的影響
注：此數(shù)據(jù)所用的消光粉的型號(hào)為OK412。
經(jīng)過多種型號(hào)消光粉的綜合性能對比試驗(yàn)，考慮消光粉的添加量，對涂膜整體性能的影響等諸多因素，終選定德固賽的OK412作為本文研究的風(fēng)電葉片涂料的消光粉。OK412消光粉的粒徑大約是6.0μm，吸油值為220%，表面經(jīng)過有機(jī)處理，pH值為6，在本文所研制的風(fēng)電葉片涂料中的消光效果比較
明顯，在涂料中的添加量在6%～7%比較適宜，生產(chǎn)過程中攪拌分散15～20min即可(分散時(shí)間過長會(huì)影響消光效果，引起消光粉的用量過大)，且對涂料的貯存穩(wěn)定性和施工性能也不會(huì)帶來不良的影響。
2.5風(fēng)電葉片涂料耐磨性試驗(yàn)
在我國，還沒有關(guān)于風(fēng)電葉片涂料的標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在耐磨性的測試方法方面也是有著很大的不同。本文了解了目前國內(nèi)外常用的一些耐磨性試驗(yàn)方法，具有代表性的有以下幾種，見表4。
表4 常見耐磨性試驗(yàn)
以上所述試驗(yàn)方法具有一個(gè)相同的特點(diǎn)就是不論被測樣品是被主動(dòng)沖擊，還是被動(dòng)磨擦，都是比較單一的磨損方式，而風(fēng)電葉片在運(yùn)行過程中的磨損是多種因素共同作用的結(jié)果，所以用單一的磨損方式去界定、判斷風(fēng)電葉片涂料的耐磨性是有一定的誤差的。
根據(jù)風(fēng)電葉片的運(yùn)行環(huán)境，據(jù)了解在極限情況下，葉片的尖端速度會(huì)達(dá)到70m/s[4]。本文在試驗(yàn)過程中研制開發(fā)了一種耐磨測試設(shè)備，此設(shè)備運(yùn)行時(shí)，尖端速度可以達(dá)到60m/s，甚至更高。設(shè)備如圖3所示。
圖3 耐磨設(shè)備
本文在此選擇了一種風(fēng)電葉片涂料(后文簡稱涂料A)，此涂料在旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法測試結(jié)果和本文研制的風(fēng)電葉片涂料用上述方法測試的耐磨性相近，見表5。
表5 兩種涂料用旋轉(zhuǎn)磨擦橡膠輪法測試結(jié)果
用上述兩種涂料分別制成的樣板同時(shí)放在本文自制的耐磨試驗(yàn)儀器中進(jìn)行測試，耐磨試驗(yàn)前后情況如圖4所示。
圖4 涂料樣板耐磨測試對比圖
從圖4可以看出通過模擬風(fēng)電葉片運(yùn)行環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備測試的結(jié)果是：由涂料A制成的樣板磨損的非常厲害，甚至已經(jīng)露出底材，而由本文研制的涂料只有在尖端部分被輕微磨損，耐磨性更好。
3結(jié)語
風(fēng)電葉片保護(hù)涂料的研究旨在延長風(fēng)電葉片的使用壽命和使用安全性，降低葉片生產(chǎn)費(fèi)用以及運(yùn)行過程中的維修費(fèi)用，本文研制的風(fēng)機(jī)葉片涂料經(jīng)過多種性能的檢測，具有優(yōu)異的附著力、耐磨性、耐候性，兼顧良好的耐鹽霧、耐濕熱、柔韌性等，能夠用于風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)葉片上，并為風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行提供長期有效的防護(hù)。