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            高性能風機葉片涂料的研制與應用

            發布日期:2017-08-18 14:51

            2009年,國家科學技術部“863”計劃啟動了“MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化”項目。該項目明確提出要研發高性能多用途葉片保護涂料體系,提高葉片耐紫外老化、耐風沙侵蝕以及耐濕熱、耐鹽霧腐蝕能力,適應我國南北方不同極端氣候條件下風電場使用需求,保證風輪葉片20年的設計使用壽命。北京紅獅漆業有限公司等承擔了該項目的研發和生產工作,現就研制的高性能風機葉片涂料體系情況進行介紹。
             
            高性能風機葉片涂料的研制與應用
             
            高性能風機葉片涂料的研制與應用
             
            高性能風機葉片涂料研發目標的設定
             
            目前,國內風機葉片防腐體系尚沒有統一的參考標準,這是由于風機葉片的構成和其特殊的運行狀況造成的。風機葉片由玻璃纖維復合材料構成,而耐腐蝕標準ISO9223、ISO12944等適用的底材均為金屬,不能直接參照。由于風機葉片多處在非常嚴酷的腐蝕環境下,并且常年高速旋轉,葉尖的線速度常超過70m/s,出現的腐蝕狀況有別于鋼結構,這在各風電場的實際運行中可以清楚看到。一般來說,風機葉片除遭遇失光、粉化之外還有風蝕、污染、磨損、脫落、撕裂等現象。風機葉片的腐蝕環境存在如下特點:紫外線照射強烈,承受強風、風沙、沙塵、冰雹等沖擊和磨損,受到-30~50℃溫度變化的腐蝕、南方或沿海地區的高濕度及強鹽霧腐蝕等。
             
            我國風能比較豐富的地區多集中在西北、華北、東北及沿海等地。這些地區的風場與國外風場不同,尤其表現在溫差大、風沙多、地理環境復雜,某些地區又多酸雨和工業大氣。因此,直接采用國外生產的風電葉片涂料難以滿足國內實際風場的需求。由此可見,自主開發適合我國國情的高性能風機葉片涂料勢在必行。
             
            在“MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化”的項目中,要達到項目要求的葉片性能,相關葉片涂料應達到相應的指標要求:附著力≥5MPa;自然表干8h,40℃烘干3h;耐磨性500g/500轉≤20mg;耐鹽霧≥2000h,無脫落,附著力保持80%;耐砂塵試驗滿足GB2423.37-89標準要求。這些指標僅僅是該項目對風機葉片涂料的基本要求,要確保產品質量穩定、施工正常,確保葉片的使用壽命,還需對涂料及配套體系的性能做進一步的細化,將在后文詳細說明。
             
            高性能風機葉片涂料體系的確定
             
            由于現階段水性體系與溶劑型體系在性能上還存在一定的差距,在應用過程中存在各種不利因素的影響,具有一定的不確定性,因此,風機葉片涂料的選擇主要圍繞溶劑型體系展開。一般來說,聚氨酯漆以其良好的綜合性能以及各國的成功使用經驗,可以作為風能葉片涂料的面漆使用;而氟碳涂料以其優異的保光保色性和防腐性能成為防腐蝕面漆上佳選擇。因此,項目綜合考慮各種因素,確定以下2個研發方向。體系1,采用最為成熟的聚氨酯為面漆,具體的配套為:大縫膩子+針孔膩子+聚氨酯底漆+改性聚氨酯面漆;體系2,氟碳體系:大縫膩子+針孔膩子+聚氨酯底漆+改性氟碳面漆。
             
            但是,普通的丙烯酸聚氨酯面漆不能用于風能葉片涂裝,因為風能葉片涂料需要有足夠的強度和韌性、優異的耐磨性、耐沖擊性、耐介質性、耐鹽霧性和耐老化性能。因此,項目在研制過程中通過對丙烯酸聚氨酯面漆進行改性,可有效地提高涂料的韌性、強度、耐磨性能、耐沖擊性能和層間附著力。
             
            氟碳面漆顧名思義使用了含氟樹脂的涂料,氟樹脂中具有鍵能非常高的C-F共價鍵。一方面,氟原子屏蔽了與碳鍵間的正電效應,使漆膜具有較小的聚合能和低表面張力;另一方面,氟原子和碳碳鍵形成一個螺旋型結構,具有屏蔽作用,保護碳碳鍵免受紫外線和化學品腐蝕。根據所用含氟單體的不同,常用的常溫自干型氟樹脂分為三氟樹脂和四氟樹脂2種,其中,三氟樹脂分子中的C-Cl鍵(鍵能較小)會使氟碳樹脂的各項性能降低,而四氟樹脂采用四氟乙烯單體,分子中是全氟鏈段,比三氟樹脂具有更好的抗老化性能。根據與含氟單體共聚的單體不同,氟樹脂又分為乙烯基脂類和乙烯基醚類2類。與含氟單體在合成時,由于乙烯基醚類比乙烯基酯類具有更好的交替排列性,因此結構更加規整,耐老化性能也更強?;谏鲜鲈?,項目研制時采用四氟醚類樹脂,不但避免了C-Cl鍵的不利影響,還使分子結構更加規整有序,從而大大提高了漆膜的性能。

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