風電葉片涂料拉伸性能的研究

鐘濟清，李 欣，李錦滔，彭金墩

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

目前，我國風電行業在持續發展，風電葉片涂料需求也隨之增長，激發了風電葉片涂料的發展。前幾年，荷蘭的阿克蘇諾貝爾、美國的PPG、丹麥的海虹老人等國際涂料巨頭基本上壟斷了我國風電涂料市場［1］，幾年來，我國風電葉片涂料不斷攻破技術壁壘，技術上得到巨大的突破，逐步在風電葉片涂料市場分一杯羹。不過，我們還需要不斷進行技術更新，使風電成本逐步降低，規模效益日益提高，產業發展迅速擴張。

拉伸性能是高分子材料主要質控指標，涂料產品由于是混合物，標準對普通涂料產品不考察該項目。但對于風電葉片涂料，風機葉片在運行過程中，葉片本身將發生一定的形變，因此要求葉片涂料本身具有一定的彈性，防止漆膜開裂、脫落。因葉片工作時表面低溫極限度為-40℃，因此，會對葉片涂層在常溫和低溫的延伸率進行考量［2］。本文著重研究我國風電涂料企業生產的風電葉片涂料初始狀態下的斷裂伸長率（常溫和低溫-40℃）和人工加速老化試驗后的斷裂伸長率（常溫），引導生產企業提高產品質量，促進我國風電葉片涂料發展。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

收集國內三家知名風電涂料廠家的試驗樣品，由廠家制成涂料薄膜，編號為1 ～3。用沖刀沖切制成ISO 527-3:2018《塑料 拉伸性能的測定 第3 部分: 薄膜和薄板材試驗條件》中規定的2 型試樣，尺寸為：150mm×25mm。每個編號樣品各裁18 條，初始狀態常溫、人工加速老化后和低溫-40℃三種拉伸各6 條。

1.2 試驗設備

UTM4204 電子萬能試驗機：深圳市科比試驗設備有限公司；QUV-Spray 老化試驗機：美國Q-Lab 公司。

1.3 試驗方法

初始狀態下的斷裂伸長率（常溫和低溫-40℃）和人工加速老化試驗后的斷裂伸長率（常溫）三種拉伸試驗依據ISO 527-3:2018，寬度：25mm，拉伸速度：50 mm/min，間距：50mm。拉伸試驗前所有樣品均在溫度(23±2)℃、相對濕度(50±5)%的環境中狀態調節24h。

初始狀態下的斷裂伸長率（常溫）試樣裁剪和狀態調節后，直接在電子萬能試驗機上試驗；初始狀態下的斷裂伸長率（低溫-40℃）試樣裁剪和狀態調節后，樣條先在-40℃的低溫箱中冷凍2h，然后立即上夾具關閉低溫箱門，待箱體溫度再下降到-40℃保持10min 后開始測試［3］。

人工加速老化后拉伸樣條試樣裁剪和狀態調節后；應先根據ISO 16474-3:2013《色漆和清漆 實驗室光源曝露試驗方法 第3 部分: 紫外熒光燈》中 1A 類方法1 進行3000h 熒光紫外老化試驗。待老化試驗結束后，取出樣條狀態調節后，直接在電子萬能試驗機上試驗。人工加速老化試驗條件為：光源UVA-340 型，輻照度0.83W/(m2·nm)，光照60℃/4h，冷凝50℃/4h。

2 結果與討論

2.1 三組試樣拉伸試驗結果

2.1.1 編號1 試樣拉伸試驗結果

圖1、圖2、圖3 分別為編號1 試樣的初始狀態常溫、初始狀態低溫-40℃和人工加速老化試驗3000h 后的拉伸曲線圖。

圖1 初始狀態常溫拉伸曲線Fig.1 Tensile curve at normal temperature in initial state

圖2 初始狀態低溫-40℃拉伸曲線Fig.2 Tensile curve at low temperature - 40℃ in initial state

圖3 人工加速老化試驗3000h 后拉伸曲線Fig.3 Tensile curve after 3000h artificial accelerated aging test

2.1.2 編號2 試樣拉伸試驗結果

圖4、圖5、圖6 分別為編號2 試樣的初始狀態常溫、初始狀態低溫-40℃和人工加速老化試驗3000h 后的拉伸曲線圖。

圖4 初始狀態常溫拉伸曲線Fig.4 Tensile curve at normal temperature in initial state

圖5 初始狀態低溫-40℃拉伸曲線Fig.5 Tensile curve at low temperature - 40℃ in initial state

圖6 人工加速老化試驗3000h 后拉伸曲線Fig.6 Tensile curve after 3000h artificial accelerated aging test

2.1.3 編號3 試樣拉伸試驗結果

圖7、圖8、圖9 分別為編號3 試樣的初始狀態常溫、初始狀態低溫-40℃和人工加速老化試驗3000h 后的拉伸曲線圖。

圖7 初始狀態常溫拉伸曲線Fig.7 Tensile curve at normal temperature in initial state

圖8 初始狀態低溫-40℃拉伸曲線Fig.8 Tensile curve at low temperature - 40℃ in initial state

圖9 人工加速老化試驗3000h 后拉伸曲線Fig.9 Tensile curve after 3000h artificial accelerated aging test

2.1.4 三組試樣拉伸試驗結果匯總

表1 是編號1 ～3 初始狀態常溫、初始狀態低溫-40℃和人工加速老化試驗3000h 后的拉伸試驗結果匯總。圖10、圖11 分別為試樣最大力、斷裂伸長率數值的柱形圖。

表1 三組試樣拉伸試驗結果匯總Table 1 Summary of tensile test results of three groups of specimens

圖10 三組拉伸最大力數值柱形圖Fig.10 Three groups of numerical column chart of maximum tensile force

圖11 三組拉伸斷裂伸長率數值柱形圖Fig.11 Three groups of tensile elongation at break numerical column chart

2.2 結果討論

由表1、圖10、圖11 可知，斷裂伸長率越大的產品，其最大拉力就越低，這也符合高分子產品拉伸的性能特點，初始狀態常溫和低溫比較尤其明顯得出此結論，相同的試樣，也普遍符合此特征；與初始狀態常溫下斷裂伸長率相比，-40℃低溫下斷裂伸長率大幅度下降，DNV?GL 的風電葉片涂料認證要求初始狀態常溫和低溫-40℃斷裂伸長率≥10%，3 組試樣產品常溫下均遠高于指標要求，低溫拉伸斷裂伸長率雖能達到指標值，但是已明顯降低，有兩個產品在臨界值附近，說明風電涂料在低溫-40℃延展性較差；3000h 人工氣候老化試驗后斷裂伸長率下降幅度不大，幅度在16% 左右。這三組風電涂料產品都是聚氨酯膠衣和水性面漆的涂裝體系，具有強耐候性能，分子鏈在老化后長度縮短不大，運動能力保持，延展性無明顯下降，表現為斷裂伸長率下降幅度不大。

3 結語

國內三家風電涂料企業的產品初始狀態下的斷裂伸長率（常溫和低溫）和人工加速老化試驗后的斷裂伸長率（常溫）均能達到DNV?GL 的風電葉片涂料認證要求，不僅能在-40℃低溫下保持一定的延展性，還具有強耐候性能。今后企業可重點研究-40℃低溫下風電葉片涂料的斷裂伸長率，攻破技術壁壘，進一步提高產品質量。