高性能风机叶片涂料的研制与应用

　　风机叶片涂料是风电项目建设中的一个环节，与整个风电产业类似，风机叶片涂料也存在着国产化程度低、相关标准规范缺失，以及对于国内腐蚀环境适应性有待提高等问题。
　　
　　2009年，国家科学技术部“863”计划启动了“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目。该项目明确提出要研发高性能多用途叶片保护涂料体系，提高叶片耐紫外老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、耐盐雾腐蚀能力，适应我国南北方不同极端气候条件下风电场使用需求，保证风轮叶片20年的设计使用寿命。北京红狮漆业有限公司等承担了该项目的研发和生产工作，现就研制的高性能风机叶片涂料体系情况进行介绍。
　　
　　高性能风机叶片涂料研发目标的设定
　　
　　目前，国内风机叶片防腐体系尚没有统一的参考标准，这是由于风机叶片的构成和其特殊的运行状况造成的。风机叶片由玻璃纤维复合材料构成，而耐腐蚀标准ISO 9223、ISO 12944等适用的底材均为金属，不能直接参照。由于风机叶片多处在非常严酷的腐蚀环境下，并且常年高速旋转，叶尖的线速度常超过70m/s，出现的腐蚀状况有别于钢结构，这在各风电场的实际运行中可以清楚看到。一般来说，风机叶片除遭遇失光、粉化之外还有风蚀、污染、磨损、脱落、撕裂等现象。风机叶片的腐蚀环境存在如下特点：紫外线照射强烈，承受强风、风沙、沙尘、冰雹等冲击和磨损，受到-30～50℃温度变化的腐蚀、南方或沿海地区的高湿度及强盐雾腐蚀等。
　　
　　我国风能比较丰富的地区多集中在西北、华北、东北及沿海等地。这些地区的风场与国外风场不同，尤其表现在温差大、风沙多、地理环境复杂，某些地区又多酸雨和工业大气。因此，直接采用国外生产的风电叶片涂料难以满足国内实际风场的需求。由此可见，自主开发适合我国国情的高性能风机叶片涂料势在必行。
　　
　　在“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的项目中，要达到项目要求的叶片性能，相关叶片涂料应达到相应的指标要求：附着力≥5MPa；自然表干8h，40℃烘干3h；耐磨性500g/500转≤20mg；耐盐雾≥2000h，无脱落，附着力保持80%；耐砂尘试验满足GB2423.37-89标准要求。这些指标仅仅是该项目对风机叶片涂料的基本要求，要确保产品质量稳定、施工正常，确保叶片的使用寿命，还需对涂料及配套体系的性能做进一步的细化，将在后文详细说明。
　　
　　高性能风机叶片涂料体系的确定
　　
　　由于现阶段水性体系与溶剂型体系在性能上还存在一定的差距，在应用过程中存在各种不利因素的影响，具有一定的不确定性，因此，风机叶片涂料的选择主要围绕溶剂型体系展开。一般来说，聚氨酯漆以其良好的综合性能以及各国的成功使用经验，可以作为风能叶片涂料的面漆使用；而氟碳涂料以其优异的保光保色性和防腐性能成为防腐蚀面漆上佳选择。因此，项目综合考虑各种因素，确定以下2个研发方向。体系1，采用最为成熟的聚氨酯为面漆，具体的配套为：大缝腻子+针孔腻子+聚氨酯底漆+改性聚氨酯面漆；体系2，氟碳体系：大缝腻子+针孔腻子+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风能叶片涂装，因为风能叶片涂料需要有足够的强度和韧性、优异的耐磨性、耐冲击性、耐介质性、耐盐雾性和耐老化性能。因此，项目在研制过程中通过对丙烯酸聚氨酯面漆进行改性，可有效地提高涂料的韧性、强度、耐磨性能、耐冲击性能和层间附着力。
　　
　　氟碳面漆顾名思义使用了含氟树脂的涂料，氟树脂中具有键能非常高的C-F共价键。一方面，氟原子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，氟原子和碳碳键形成一个螺旋型结构，具有屏蔽作用，保护碳碳键免受紫外线和化学品腐蚀。根据所用含氟单体的不同，常用的常温自干型氟树脂分为三氟树脂和四氟树脂2种，其中，三氟树脂分子中的C-Cl键（键能较小）会使氟碳树脂的各项性能降低，而四氟树脂采用四氟乙烯单体，分子中是全氟链段，比三氟树脂具有更好的抗老化性能。根据与含氟单体共聚的单体不同，氟树脂又分为乙烯基脂类和乙烯基醚类2类。与含氟单体在合成时，由于乙烯基醚类比乙烯基酯类具有更好的交替排列性，因此结构更加规整，耐老化性能也更强。基于上述原因，项目研制时采用四氟醚类树脂，不但避免了C-Cl键的不利影响，还使分子结构更加规整有序，从而大大提高了漆膜的性能。
　　
　　高性能风机叶片涂料产品的研制
　　
　　针对设定的技术方案和指标，项目组进行了大量的实验工作，通过实验确定了产品的最终方案，特别是关键原料的选择和技术路线的制定。
　　
　　①树脂的选择：聚氨酯面漆采用改性的丙烯酸聚氨酯，氟碳树脂采用全氟醚类树脂，使产品的耐候性、抗化性、耐磨性、抗冲击都有非常优异的表现。
　　
　　②固化剂的选择：采用了脂肪族、低粘度、具有良好柔韧性的异氰酸酯树脂作为固化剂，从而保证了与主漆配合获得非常均衡、全面的性能。
　　
　　③颜填料的选择：作为风机叶片涂料的颜填料必须满足良好的耐候性能、耐磨性能、屏蔽作用、吸能作用，而且还应具备良好的润湿分散性。
　　
　　④助剂的选择：为了保证产品具有良好的加工工艺、施工工艺和储存稳定性等需使用分散剂、流平剂、消泡剂和触变剂等，为保证产品优异的耐候性能还添加了光稳定剂、紫外线吸收剂等。
　　
　　在整个风机叶片涂料体系中，面漆的性能起着决定性的作用，但与之配套的腻子和底漆对整个体系完成防护功能也起着十分关键的作用。
　　
　　其中，大缝腻子能够填补叶片上的大缝隙及叶片造型，一般选用无溶剂柔性聚氨酯。在施工性能上，要求大缝腻子有适当的稠度，厚涂施工不流挂，干燥时间适当，可使用时间适当，打磨性适度，涂刮不费力。在涂膜性能方面，要求与底材及中间漆均有良好的附着力，柔韧性良好，涂层收缩小，强度高，低温不开裂。主漆稠度8～10cm，混合腻子稠度10.5～11.5cm，附着力≥5MPa，柔韧性≤50mm。如果腻子稠度太低，不能厚涂，腻子太稠则刮涂费力，容易产生气泡、针孔。采用具有柔韧性的腻子层，能有效缓冲外力的冲击，提高整个涂层的抗石击能力，还可以保证叶片在搬运和运行过程中不出现开裂。
　　
　　针孔腻子能够填补叶片或大缝腻子、底漆后叶片上的细小针孔，一般选用无溶剂柔性聚氨酯。在施工性能上，要求针孔腻子有很好的流动性，不收缩，干燥时间适当，可使用时间适当，打磨性适度，涂刮不费力。在涂膜性能方面，要求与底材及中间漆均有良好的附着力，柔韧性良好，强度高，在低温不开裂。
　　
　　底漆要求与底材或腻子有一定的相连接性能，如良好的附着力，适度的柔韧性，较好的施工性能等。主要指标为：附着力≥5MPa，柔韧性≤1mm，流挂值≥250μm，耐冲击性≥50kg˙cm。
　　
　　高性能风机叶片涂料产品施工质量控制
　　
　　涂料的性能对于叶片的防护寿命固然重要，但是叶片涂料的施工过程对于整个体系的防腐年限也起着非常重要的作用，主要从以下几个方面进行控制：
　　
　　①底材处理：玻璃钢叶片表面比较光滑，且会有在制作过程中产生的脱模剂、油污、杂质等污染，在涂装前应彻底清除，可使用砂布进行打磨或者用喷砂进行处理，然后用空气吹净浮尘，再用清洁剂擦拭；
　　
　　②刮涂腻子：大缝腻子和针孔腻子在使用前应按产品配比精确称量，并彻底搅拌均匀，在可使用时间内涂刮完成，每道刮涂完成后用砂纸进行打磨；
　　
　　③施工底漆和面漆：底漆和面漆可采用无气喷涂、滚涂的方式施工，局部可采用刷涂施工，施工过程中应注意配比精确、搅拌均匀、在规定的时间内涂装完成；
　　
　　④在整个施工过程中应注意施工温度在5～40℃之间，湿度应小于85%；
　　
　　⑤由于存在有机溶剂，需注意施工环境进行通风处理，并注意防火防爆，工人应配备必要的劳保设施；
　　
　　⑥施工完成后需进行漆膜的检查，包括检查漆膜的外观:平整光滑，无流挂、针孔、气泡、漏涂等弊病；膜厚应达到设计要求，且遵循2个“85-15”原则，即所选测点必须有85%以上测点膜厚大于规定膜厚，且最低膜厚不应低于规定膜厚的85%；附着力的检测：涂层应进行拉开法附着力的检测，所有测点的附着力应高于5MPa。
　　
　　目前，风机叶片涂料的国产化工作已经逐步展开。在此过程中，科学合理设计产品体系，并且对产品的性能、施工等制定合适的标准和规范，是行业共同的目标。“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目，采用无溶剂聚氨酯腻子、改性丙烯酸聚氨酯体系、改性全氟醚面漆体系，经过各项性能测试表明，这些材料能够满足风机叶片的性能要求，有望在今后的市场应用中全面铺开。