風力發電機組風機葉片前緣保護涂料的研制

劉正偉

（麥加芯彩新材料科技（上海）股份有限公司，上海201800）

風電機組一般安裝于偏遠的地區，運行環境惡劣，葉片作為捕獲風能的唯一構件，其前緣由于長期受到風力的摩擦以及沙粒、鹽霧、雨水的沖擊，是風電葉片上最容易出現腐蝕的部位。特別是葉片的葉尖前緣部分，由于比較薄而且葉尖的運轉線速度相當大，該部位的腐蝕是整個葉片中最為嚴重的。風電葉片前緣出現腐蝕之后，風電葉片的氣動外形將受到影響，根據損傷程度的不同，會增加運行阻力約6-500%；阻力每增加80%，發電量就約下降5%。運行4 年以上的葉片發電量最高可下降20%，個別嚴重損壞葉形甚至可能達到50%。葉片前緣腐蝕問題如果不及時解決，隨著時間的推移，葉片會發生更為嚴重的損傷，給風電機組的安全運行帶來隱患。因此，前緣防護是大型葉片開發中面臨的一項重要挑戰，也具有相當大的研究意義。

在眾多影響葉片前緣腐蝕的因素中，雨水是最為主要的，此乃業內共識。地區降雨量與葉片前緣和葉尖的受損情況幾乎成正比，降雨量高的地區自然受損情況更嚴重。目前普遍使用前緣保護涂層技術與貼膜防護技術。傳統前緣保護漆防護性能較差。而貼膜類產品雖然初始機械強度高，但機械強度衰減很快，半衰期短，因此使用壽命并沒有得到明顯提升，且難施工，易脫落，難以二次維護。故本文旨在開發一款新型的前緣保護涂料，除了具備常規涂料的性能之外，最重要的是擁有更強大的耐雨蝕性能。

1 試驗部分

1.1 原材料及主要制漆、檢測設備

原材料：聚氨酯多元醇樹脂HTPB 端羥基聚丁二烯（固含＞99%），國產；XP2406 脂肪族聚異氰酸酯固化劑，科思創；金紅石型鈦白粉，國產；防沉降助劑，國產；紫外線吸收劑，國產；有機鋯，鉍復合催化劑，自制;BYK163 潤濕分散劑，德國畢克化學；BYK052 脫泡劑，德國畢克化學，Tego4100 流平助劑，德國畢克化學。

主要制漆設備：LQ-C30002 電子天平，上?，幮码娮涌萍加邢薰?；GFJ-0.4A 高速分散機，上海現代環境工程技術股份有限公司;MHYM-1.1L 籃式研磨機。

主要檢測設備：Positest AT-A 型附著力測試儀，美國Defelsco；JM-IV 漆膜磨耗儀，上海普申化工機械有限公司；TCJ彈性沖擊試驗器，上海普申化工機械有限公司；Byes-90B 鹽霧試驗箱，邦億精密量儀（上海）有限公司；GS-300 冷凝水試驗箱，上海蘇盈試驗儀器有限公司；拉力儀，上海現代環境工程技術股份有限公司；QTX 型漆膜彈性測定器，天津市材料試驗機廠；雨蝕試驗機。

1.2 設計配方

選擇HTPB 端羥基聚丁二烯為主要成膜載體，其通過與固化劑反應后具有和固體橡膠相同的性能，理論上具有優異的力學性能，耐磨損性能以及高彈性和柔韌性，在風機運行中可以對葉片殼體起到良好的緩沖與保護作用。HTPB 與粉料助劑等一起分散研磨后調漆制備主劑，固化劑選擇聚氨酯體系中常用的脂肪族聚異氰酸酯，通過其制得的聚氨酯涂層具有良好的老化耐黃變特性，并能提供致密的化學網狀結構，使涂層具備超常的耐化學性。配方（見表1）制樣。

表1 涂料配方

對其進行常規的性能測試，與市面常規的油性體系面漆對比。并在最重要的耐雨蝕測試中加入某知名貼膜類產品，研究其綜合性能達到了怎樣的水平。

1.3 制備工藝

該前緣保護涂料的制備工藝與現有聚氨酯油漆相同，主要步驟分為以下幾個工序:

1.3.1 物料1-9 投入反應釜中，高速分散均勻。

1.3.2 將分散均勻的物料轉至籃式研磨機研磨至細度30μm 以下。

1.3.3 細度達標后真空抽濾包裝。

主劑制備完成后，按照配方中的比例添加固化劑混合配漆。

2 配方驗證

2.1 HTPB 端羥基聚丁二烯的分子量對涂料性能的影響

在選擇原材料中的HTPB 端羥基聚丁二烯時，有不同分子量的原料可供原則，分別挑選分子量約為1500、3000 和4000 的HTPB 進行試驗，配方中原材料的添加量不變，采用相同得制備工藝，制得主劑。然后與固化劑混合配漆測試其機械性能。

表2 基礎性能測試對比總結

由表2 可以看出使用分子量高的HTPB 原料制得的漆膜拉伸斷裂伸長率顯著提高，這在耐雨蝕實驗中也許可以起到更好的防護效果。漆膜的強度沒有太大的差異，繼續提升分子量，性能并沒有提升太多。綜上分析，建議選擇分子量約為3000 的HTPB 原材料更為合適。

2.2 基礎性能測試

本部分研究了該新型前緣保護涂料的基礎性能，并與常規油性面漆對比，將制備好的主劑與固化劑按配方比例混合，用刮涂的方式涂裝在10 層玻纖布的玻璃鋼板上，每一塊樣板的規格為7.5mm×15mm×1mm。在刮涂保護漆前，需先使用膩子對基材進行修型填補。為了測試其拉伸性能，需制備漆膜，厚度約為200μm，并裁減成符合ISO 527-3 中對樣品的尺寸要求。

通過表3 中基礎性能測試中，可以看到該保護漆在耐鹽霧與耐濕熱測試中表現良好，在2000h 后均未出現異常。涂層附著力性能達到技術指標，附著力是葉片涂料相當重要的一個指標，若涂層的附著力不足，在葉片運行過程中會有大面積剝落的風險，直接造成葉片露出基材，毫無保護，嚴重的情況可能會導致葉片停機，造成巨大損失。在該項目中可以看到本配方的保護漆涂層性能與常規面漆幾乎一致，完全能達到使用的技術水準。

在拉伸測試中，本配方達到預計效果，延伸率可達600%，是常規面漆的15 倍以上。耐沖擊試驗中，因其具備的高彈性，也比常規面漆更出色。1000 克載重的耐磨耗僅損失約8 毫克，有出色的耐磨性能。

2.3 耐雨蝕測試

在前緣保護材料中，耐雨蝕性能是最重要的一項指標，本部分對本配方進行了耐雨蝕性能的測試，并給出某知名貼膜類防護產品與現有常規油性面漆的耐雨蝕數據，測試標準為ASTM G73, 測試參數控制不變，高速端測試速度為140m/s，降雨量30-35mm/h。

由表4 可看出，常規面漆的雨蝕防護性能十分弱，在20 分鐘時，表面已出現輕微點狀破損，普通的裝飾型面漆對于葉片前緣這樣的腐蝕相當嚴重的區域幾乎沒有長效的保護作用。市面常規的聚氨酯保護漆涂層能在一定程度上起到保護的作用，在9 小時涂層表面出現破損。18 小時已經露出基材。本配方前緣保護漆在耐雨蝕性能上有顯著提升，在18 小時后，表面也無明顯破損。

3 項目成果

本方案通過選擇具有橡膠性能的端羥基聚丁二烯與脂肪族異氰酸酯，制備出一種新型的聚氨酯體系前緣保護漆，通過一系列的性能測試，驗證了其在附著力等常規項目中表現出色，完全符合當前風電涂料的技術指標，長期耐鹽霧等試驗未出現異常，滿足國內風力發電機的涂裝要求。并且最重要的是耐雨水腐蝕性能達到目前市面常規面漆的50 倍以上，是市面常規聚氨酯保護漆產品的2 倍以上，這在葉片的長期開機運行中可以對前緣處有更持久、強大的保護效果，證實了這一方案在行業未來的潛力。

表3 基礎性能測試對比總結

表4 雨蝕性能測試對比

4 結論

隨著風電行業在中國的迅速發展，越來越多的大型兆瓦級別風電機組投入使用，葉型不斷增大，從最初只有約40 米長度的葉片，到現在最長達80 米的葉片。葉尖前緣處的運行線速度越來越高，雨水等其他因素對前緣的損傷也隨之越來越嚴重，但目前對前緣防護的意識還比較薄弱，這在未來隨著葉片開機運行時間逐漸上升的情況下，是一個十分嚴峻的問題。本文介紹并研制了一款新型的聚氨酯類前緣保護漆，通過實驗驗證了其防護性能與施工性能可以滿足當下的風電葉片涂料技術指標。