关于聚氨酯风电叶片涂料的配方研究

       阐述了目前市场上较通用的聚氨酯叶片涂料的配方开发要点，对比了聚氨酯涂料中使用的聚酯树脂和丙烯酸树脂的性能差异，在实验中验证了选择聚酯改性丙烯酸树脂作为叶片涂料成膜物的必然性。文中还对比了不同耐磨添加剂对耐磨性能的影响，以及不用消光粉对光泽、性能的影响。得出了PTFE蜡和蜡处理的二氧化硅是最佳选择，给出了最优化的聚氨酯叶片涂料配方，同时，列出了基于最优化的配方所得到的聚氨酯叶片涂料的性能结果。 

      石油、煤炭、天然气作为不可再生资源，在世界上总的储量有限，而目前人类的能源消耗结构中对其依赖性很高。这些常规能源的可使用量越来越少，价格越来越高，风能作为可再生清洁能源，今天越来越被重视，据中国风能协会统计，截至2010年，中国风电的总装机容量已达到44733MW，另根据国家“十二五”规划，在今后五年要力争新装机容量超过90000MW，并在2020年力争使中国风电发展不低于1.5亿kW，风电占一次能源的比重约2.2%。以2020年中国风电发展1.5亿kW计算，如年发电小时是2000h，则可发3000亿度电，约1亿t标准煤。因此，风电在中国的前景广阔，相应的叶片涂料也有较大的市场需求。国家863计划也专门有一项支持叶片涂料的国产化。目前，在国内从事叶片涂料研发的企业也比较多，很多涂料企业瞄准了这一新兴领域，欲大有作为，但叶片涂料不同于一般的涂料，性能要求较高，而目前叶片涂料多以进口为主，并主要由几家国外企业垄断。国内涂料企业目前大多处于一种摸索开发阶段，有些涂料企业甚至对叶片涂料所要求的性能还没有深刻认识的情况下就盲目上马研发，导致一些工程技术人员疲于应对研发中出现的各种问题，特别是在传统思维的影响下，一些涂料工程师以一般的防护涂料的概念在做配方，这样很容易导致日后各种问题的发生。因此，探索出一种研发叶片涂料的新思路，优化叶片涂料的配方，实现一种满足叶片涂料性能要求的配方研发途径迫不及待。

通常来讲，叶片涂料的主要性能要求如下:

(1)直升机雨滴测试:高速旋转的螺旋桨下雨点冲击测试，这种测试目前在国内还不能进行，只能在国外测试。

(2)耐候性:环氧叶片直接在太阳光照射下易粉化，达到一定程度时甚至会在高速旋转中断裂，因此叶片涂料作为叶片表面起保护作用的涂层，对耐候的要求自然较高。

 (3)柔韧性:高速旋转的叶片受力变形较大，故涂层需要一定的柔韧性防止漆膜开裂、脱落。

 (4)耐磨性:旋转的叶片受大气、尘埃甚至是砂砾的高速冲击、刮擦，特别是叶片边缘部位，对耐磨的要求更高。

 (5)附着力:底漆要求对玻璃钢叶片附着力较好。

 (6)耐湿热性能:风车通常安装在海洋、草原、高山等潮湿环境。

 (7)施工性能:

①干燥性———叶片涂装有条件的能做到低温烘烤，但有些由于条件限制只能自干;

②活化期———辊涂或者高压无气喷涂要求在涂装过程中涂料黏度不能有很大的上升;

③厚涂性———叶片涂层底漆和面漆的干膜厚通常均在80～120μm;

④打磨性———叶片表面空隙很多，特别是边缘，涂装底漆后通常还打磨、刮腻子填平;

⑤低VOC———由于叶片涂装的环境，低VOC不仅环保，也有助于施工者的健康。

基于上面的性能要求，目前国内的叶片涂料体系主要有聚氨酯涂料、聚脲涂料、硅氟类涂料。其中硅氟类涂料通常也是做成双组分的，借助与异氰酸酯的交联形成聚氨酯结构的涂膜，在这3种涂料体系中，又以聚氨酯涂料的使用最为普遍，最为市场所接受，3种类型的涂料的性能比较如表1。

表1 3种风电叶片涂料的主要性能比较

从表1可见，聚氨酯涂料的性价比最高，这也是目前市场上最流行的叶片涂料是聚氨酯体系的主要原因。

1·实验部分

1.1实验原料

 羟基丙烯酸树脂、特殊改性丙烯酸树脂:荷兰产;异氰酸酯固化剂:柏斯托;二氧化钛:杜邦;沉淀硫酸钡:杭州利澳化工有限公司;轻质碳酸钙:上海一环化工有限公司;炭黑:卡博特;紫外光吸收剂:巴斯夫;分散剂:毕克化学;气相二氧化硅:瓦克化学;玻璃粉:广东南海;尼龙粉:德国产;纳米三氧化二铝:山西;催干剂:气体化工;消泡剂、流平剂:瓦克化学;二甲苯:、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯:工业级市售。

1.2实验仪器

磨耗仪5151:美国TABER公司;QUV测试机:美国Q－LAB公司;刮板细度计:Sheen公司;黏度计(NK－2#)、拉拔附着力测试仪:英国Elcometer公司;铅笔硬度计:Sheen公司;直升机雨滴测试仪:企业自制设备;分散机:德国DISPERMAT公司;锥型弯曲仪:德国ERICHSEN公司312型;高压无气喷涂机:美国GRACO;盐雾试验机:德国ERICHSEN公司;环境测试仪:伟思富奇CA180/40。

1.3配方研究

1.3.1树脂的选择

树脂是涂料的成膜物质，树脂的性能将在最大程度上决定涂料的性能。因此，在设计叶片涂料配方时，首先要想到的是选择合适的主体树脂，双组分聚氨酯涂料常用的树脂就是羟基丙烯酸树脂或饱和聚酯树脂。丙烯酸树脂中，羟基的类型、位置直接决定羟基与异氰酸酯树脂的反应活性，从而决定漆膜的化学干燥性。丙烯酸树脂中所含有的羧基的位置决定其对颜料的润湿分散性能，并对涂膜的耐水性等形成一定的影响。除羟基、羧基官能团之外，合成丙烯酸树脂中的其他单体，则对涂膜的硬度、耐候性、柔韧性等性能形成影响，比如甲基丙烯酸甲酯，由于玻璃化温度较高，通常含量高的树脂硬度偏高，同时耐候性也好，而苯乙烯单体由于耐候性较差，在树脂中的含量偏高时会导致耐候性下降，但苯乙烯对漆膜的物理干燥性却有很大的帮助。通常来讲，单一的丙烯酸结构的树脂需要根据侧重点的不同去调整合成配方，但无论如何调整，却都难以凭借单一的树脂达到叶片涂料所要求的全部高性能，比如，丙烯酸能做到很好的干燥性、耐候、硬度、附着力，但在柔韧性、耐磨性方面通常难以兼顾到。在聚酯树脂中，不同单体、聚合度和结构也造成聚酯树脂的性能不同。

       根据饱和聚酯树脂的微观结构，可以把聚酯树脂分为直线型聚酯、微支化聚酯、支化聚酯和高支化聚酯，4种类型的饱和聚酯性能比较如表2。

表2 4种聚酯性能比较

    从表2可见，考虑到叶片涂料的性能要求，聚酯树脂在干燥性、硬度、耐候等方面通常难以满足叶片涂料的性能要求，因此，单独的聚酯树脂不能用于叶片涂料的制备。而要制得高性能的叶片涂料，普通的丙烯酸树脂或者聚酯树脂都难以达到要求，在这种情况，丙烯酸和聚酯的拼用成为一个方向，这也是目前很多从事叶片涂料配方研发的工程师的选择，但如果仅仅是简单地丙烯酸冷拼聚酯，势必造成有些性能能兼顾到，但有些性能却比单独用聚酯或者丙烯酸还要差。而如果从树脂合成的角度就去思考在丙烯酸树脂的主链结构中引入聚酯结构，兼顾到干燥性、耐候、耐磨、柔韧性、附着力以及其他一些苛刻的要求，就会比单独的冷拼树脂效果有质的改变。因此，在合成时就进行聚酯改性的丙烯酸树脂成为理想的选择。

    1.3.2助剂的选择

    叶片涂料中使用到的助剂主要有分散剂、流平剂、紫外光吸收剂、耐磨添加剂、催干剂等。

    ①分散剂方面———由于叶片涂料主要是实色漆，配方中使用到的颜填料基本上都是无机的，因此比较容易分散，一般的分散剂即能很好地分散，如BYK－110、BYK－161、BYK－163等，而不需要使用一些特殊分散剂，如超分散剂或者协同分散剂等。考虑到配方中使用到一定量的消光粉，因此，在生产过程中必须控制好分散工艺，以达到最好的颜料和消光粉的分散效果。

    ②流平剂方面———一般的有机硅类流平剂可作为叶片涂料面漆的流平剂，但需要测试和主体树脂的相容性，同时，调整到最佳加入量，既不能出现流平不好，又不能出现暗泡、影响重涂的问题。

    ③老化剂方面———树脂、颜料对耐候性起决定性作用，耐老化剂的添加会对耐侯性有一些帮助作用，在耐老化剂的选择方面，需要根据树脂的类型和涂料的颜色，比如是清漆、浅色漆或者深色漆而选择不同的耐老化剂。

    ④催干剂方面———通常有机锡或者有机铋类催干剂可以作为叶片聚氨酯涂料的催干剂，而胺类催干剂由于耐候性等问题不适宜使用。

    1.3.3溶剂的选择

    叶片双组分聚氨酯涂料中溶剂的含量一般不高，主要受高固含量和施工方式的需求。通常配方中应该选择酯类溶剂，如醋酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯作为主溶剂，而芳香烃类的危害性及酮类溶剂的味道限制了其在叶片涂料中的大量使用。

    1.3.4颜料的选择

    由于耐候性和耐磨性等苛刻的要求，面漆使用到的颜料必须是耐候性好的，而底漆使用的颜填料也必须考虑到打磨性和填充性。

    1.3.5固化剂的选择

    在聚氨酯涂料中，考虑到耐候性和漆膜延伸率的需要，适合的固化剂是HDI类型的异氰酸酯，在干燥方面，三聚体的干燥性明显优于缩二脲的，因此，HDI三聚体比较适合做叶片涂料的固化剂。

    1.3.6叶片涂料初始参考配方

    基于目前通用的体系是双组分聚氨酯底漆和双组分聚氨酯面漆组合，涂料配方需考虑到底漆和面漆性能要求的差异，初始配方如表3和表4。

表3 叶片底漆初始参考配方

表4 叶片面漆初始参考配方