叶片防挂冰涂料的进展——刘正伟/风电涂料总工程师

上海麦加涂料有限公司刘正伟/风电涂料总工程师

　　非常感谢，很高兴代表上海麦家涂料做叶片防挂冰涂料的探讨，第一章 叶片结冰分类及机理；第二章 防冰涂料分类；第三章 （超）疏水型叶片防冰涂层原理、失效机制以及效果；第四章 潜在解决方案。第一章介绍叶片部结冰分类以及机理。

　　首先叶片冰层分为两类，第一类是降水覆冰，第二是凝露覆冰。叶片结冰过程可归纳为三个过程：液态水分子与物体表面相接触（碰撞）；界面热力学条件的改变，触发了水的相变；冰晶附着力使其残留于表面；过冷水滴与冰晶撞击后在冰晶上持续积累，形成结冰

　　我们看一下防挂冰的分类，有一个超疏水型涂料，这款涂料是市面上应用的类型，通过延迟过冷水滴的相变，并在发生相变前，外力扰动驱散过冷水滴，同而实现防冰。第二是电发热型功能涂料，还有牺牲性临时防护涂料，还有其他的类型，时间所限不多做介绍。

　　叶片要疏水要具有一个特点，就是要低于表面能，市面上用了第一个原理，就是低表面能，第二个就是荷叶效应，这个超疏水特有的。防冰涂料在2011年已经在卖了，我们看一下叶片涂料在涂层所面临的一些挑战，这里面有一些物理和化学的，也有其他的因素，比如说物理破坏就是雨蚀，沙蚀，冷热循环，除此之外还有化学腐蚀，最主要是光化学腐蚀，比如说紫外老外，还有一些酸碱分解，以及水解，污染，污染物对叶片疏水性能造成很大的影响。

　　图中红色的标识是指表现最为苛刻三个关键点，其他相对而言，它的影响会弱一些。我们先看一个比较简单的冷热水管，大家可以看，经过10个结冰熔化，十个循环之后，冰层在涂层表面附着力几乎是一个直线上升的态势，但是粉色的线反而不断下降。为何疏水涂层没有良好防冰效果，雨蚀一般具有破坏作用，常规的涂料，尤其是防冰涂料，本身受一些客观因素的制约，不太可能做成专用的材料，具有超强的防腐蚀效果。一般  表面有一个小小的破损不影响叶片使用，但是对防冰材料而言，表面有一个小小的破坏，效果几乎宣布失败。还有一个紫外老化的问题，疏水涂料在100小时测试之后，虽然颜色没有发生变化，一切一切都是完美，但是这个时候疏水性实际衰减跟常规叶片材料同等层次的水平。一百小时的光照测试，也仅仅相当于2到8个月的时间，目前为止，经过一些努力测试，可以把时间延长到24个月，但是仅仅延长到24个月。  最后就是污染，污染是最致死，短则一天可以让图无论涂层丧失效果，到5月份昆虫就产生了虫蚀，最常见PM2.5不断积累，最短一天，最长不超过两个月，如果不清洗的话，疏水效果基本失效。

　　这个是在2012年我们的一个跟踪实验，运行一年以后，近景或多或少还是有一定的效果，一年以后，有疏水状的痕迹，也有片状的大面积结冰的存在。很遗憾局部上仍然有呈片状大面积的结冰。我们做一个小结，局部结冰成颗粒状，大面积结冰情况仍存在。

　　我们在实验室做一个简单的模拟，环境温度负10的条件下，经过10分钟后，翼型前缘结冰严重。在该实验条件下，各种涂料表现无明显差异，测试条件有待改进，实验结果也需另行验证。风场实际防冰效果有限，实验室模拟防冰效果不佳，我们的展望是什么？就是继续搜集超高疏水型防冰涂料在风场的实际数据，建立专用防冰冻实验室，以作全面深入的模拟测试。

　　第四潜在解决方案：石墨烯型吸微波涂料；牺牲性临时防护涂料。依靠微波发射器辐射微波，涂料吸收热量后升温将冰融化；由瑞典能源局赞助的 “Deicing of Wind Turbines using Microwave Technology”项目使用掺杂碳纳米管的涂料吸收微波，除冰实验成功。

　　牺牲性临时防护涂料，借鉴船舶牺牲油漆“自抛光“原理，寿命短暂（3天~30天）冰层附着到一定厚度（约20mm）后依靠叶片离心力甩出。20mm厚度层甩脱所需的等效离心剪切应力。1、理论所需离心剪切应力1.2KPa；2、超疏水型涂层实测值为50-200KPa；3、牺牲性防冰涂层实测值约1.0KPa。初版原型产品同时具有低的接触角滞后特性，优良的疏水性能可以明显延迟结冰。   谢谢大家！