叶片保护涂层的体系优化策略

国内风机叶片生产厂家原来普遍采用胶衣来保护玻璃钢叶片，但是胶衣的抗风沙性能很差，且运输过程中抗刮擦能力很差。因此近年来叶片生产商已广泛应用涂层体系保护叶片。目前常见的风机叶片涂层体系包括：溶剂型环氧厚浆底漆+聚氨酯面漆；溶剂型聚氨酯底漆+溶剂型弹性聚氨酯面漆；溶剂型环氧丙烯酸聚氨酯漆；无溶剂聚氨酯底漆+水性聚氨酯面漆等。各种涂层体系的性能对比见表6-6。

表6-6　风机叶片涂层配套体系对比

续表

聚氨酯树脂具备优良的耐油耐磨性、耐化学药品性、较强的附着能力，由其所制备的涂料广泛地应用在风电叶片上。风机叶片涂料耐候性要求极高，在利用聚氨酯配制该涂料时，以脂肪族或脂环族的多异氰酸酯为宜，避免选用易泛黄的芳香族类。

溶剂型聚氨酯底漆+面漆是目前应用最普遍、技术最成熟的风机叶片涂层体系，其性能优异，同时价格适中。脂肪族丙烯酸聚氨酯涂料体系的涂膜具有较好的耐老化性能，但涂膜硬度高、刚性强，经风沙撞击后容易损伤脱落，对底材失去保护作用，所以应选择具有一定弹性的聚酯改性丙烯酸树脂，弹性涂膜受到沙粒的冲击后，漆膜受力形变，冲击力消失后，漆膜又回复，兼有耐老化和优异的抗风沙侵蚀。此外，改性溶剂型和水性丙烯酸树脂面漆、氟碳树脂面漆等产品近年来在风机叶片涂料领域也有应用。

西北永新化工股份有限公司研制出一种以有机氟硅改性弹性聚氨酯脲树脂为基料的高性能风电涂料，主要包含作为多醇的聚酯、聚四氢呋喃二醇，二异氰酸酯以异辅尔酮二异氰酸酯（IPDI）为佳，再用含羟基的硅氧烷、含氟硅氧烷进行改性。将该组分与助剂组分配匀后进行涂装，涂料性能良好。

中海油常州涂料化工研究院的狄志刚等制备了一种高耐候耐磨弹性聚氨酯固化剂，该固化剂使以耐候性脂肪族的共聚酯和含有羟基的氟树脂为主要原料，与IPDI反应，合成得到EPU固化剂，然后与高耐候性羟基组分配漆，可作为风机叶片涂料。该固化剂与传统的HDI三聚体和市售的聚氨酯固化剂相比，在耐候性、耐磨性、对底材的附着力上都有优势。

李华明等用硅醇改性的耐候性良好且具有一定弹性的聚酯树脂为基料，以拜耳聚氨酯N-75为固化剂，配以其他助剂，制备出具有优异耐候性和抗风沙侵蚀性能的保护涂料。

中远关西涂料化工有限公司研制出了一种用于风机叶片面漆的水性聚氨酯涂料，与聚天门冬氨酸酯底漆配套使用。涂料选用纯丙类的羟基丙烯酸分散体，固化剂以聚醚改性的HDI三聚体为主，加入一部分聚酯改性HDI三聚体。(www.xing528.com)

国外Kallesoee等对生成聚氨酯的多元多异氰酸酯的选择进行了分析。多元醇至少含有70%的羟基官能团数量在2～8个之间的羟基组分，推荐使用脂肪族的聚酯，以直链型为宜，不推荐使用过多含有支链或环状结构的聚酯；固化剂以含有聚酯结构、尿丁二酮基团或者脲基甲酸酯结构的多异氰酸酯为主，使用含上述三种结构的多异氰酸酯90%以上，有助于涂料获得较好的弹性和寿命。

德国Evonik Degussa公司混合高、低分子量的多醇，结合多异氰酸酯和光稳定的芳香族胺制备聚酯涂衣，添加经过六甲基而硅氮烷疏水处理和球磨机修饰的热解硅石作为填料，所获得的涂料在环氧树脂上表现出良好的黏附性。

在当前风电市场上，溶剂型涂料占据了主导地位，但低挥发性有机化合物（VOC）、环保的高性能水性聚氨酯涂料显然更加符合风力发电“绿色能源”的概念。

氟原子半径小、电负性大，有机氟聚合物中含有F—C键，键能高达515kJ/mol，两个氟原子的范德华力半径之和为0.27nm，基本上可将C—C键完全包围而不露出一点空隙，从而使得任何基团或原子都无法进入破坏C—C键，这种屏障效果使得有机氟涂料具有良好的化学稳定性、耐候性、耐热耐寒性、耐辐射性，此外含氟聚合物表面能低，具有疏水疏油性、优异的自润滑性能以及低摩擦性能，这些特性与风电叶片涂料的性能要求比较契合。

但有机氟改性过的树脂与底材附着能力欠佳，因此含氟聚合物通常用作风电叶片涂料的面漆。传统的氟树脂以聚偏氟乙烯（PVDF）为代表，PVDF涂料户外使用寿命达20年以上，具有优良的耐候性、耐粉化性，韧性好。但PVDF涂料的涂装需经过高温烘烤，施工过程复杂。日本旭硝子公司1982年推出的三氟乙烯与烷基乙烯基醚交替共聚物是世界首创的可溶常温固化型涂料，可以常温固化，简化施工，可在大型器件上直接喷涂。日本电工株式会社和美国PPG公司将三氟乙烯—烷基乙烯基醚交替的含氟聚合物用于风电叶片涂料。

丙烯酸树脂涂料耐候、耐光、耐腐蚀性能优异，黏接性好，对底材附着力强，但耐水、耐溶剂性较差，且不耐磨，因此一般用作风电叶片涂料的底漆。

日本电工株式会社制备了三层叶片涂料，最外层为含氟涂层，中间层为聚丙烯酸类和氨酯类聚合物组成复合膜，底层是丙烯酸类的压敏黏层。圣戈班公司制备的三层结构涂料中，底层也为丙烯酸类压敏黏层，中间层和最外层为氟化聚合物和丙烯酸类聚合物的混合体系。美国PPG公司在风电叶片涂料中掺入适量丙烯酸类聚合物，如丙烯酸烷基酯及不饱和烯类聚合物。

利用有机氟改性丙烯酸酯，改性后涂料不仅可以保持原有的丙烯酸特性，还提高了涂层的耐候性、抗污性等。

聚天门冬氨酸涂料是近几年新型的高性能双组分涂料，耐黄变，性能稳定。拜耳公司用聚天门冬氨酸酯作为聚脲的面漆或直接作为单一防腐涂层用于风电叶片，涂膜表干3h，具有极佳的防腐耐磨性能。Dow corning将有机硅树脂用于叶片表面涂层，保护性能卓越。

添加纳米二氧化硅颗粒的环氧超疏水涂料，涂层表面接触角可达到152°，具有优良的耐磨、防腐及紫外线耐受力。

溶剂型聚氨酯涂料体系涂膜具有良好的耐老化性能，但涂膜硬度高、刚性强，经风沙撞击后容易损伤脱落，对底材失去保护作用。聚天门冬氨酸酯涂料成本高，涂料均匀性不易控制。水性涂料环保性好，但成本高、涂膜脆，用作面漆时在搬运过程中易出现刮擦问题。