風力發電機葉片防除冰涂層（一）：制備及性能測試

胡 琴 朱茂林,2 舒立春 蔣興良 李 超

風力發電機葉片防除冰涂層（一）：制備及性能測試

胡 琴1朱茂林1,2舒立春1蔣興良1李 超1

（1. 重慶大學雪峰山能源裝備安全國家野外科學觀測研究站 重慶 400044 2. 國網浙江省電力有限公司杭州市余杭區供電公司 杭州 311199）

風力發電機葉片覆冰會對風電場安全運行造成嚴重威脅，使發電量遭受損失。超疏水涂層防除冰由于實施方便、成本較低，受到風電運行部門青睞，但由于涂層的耐磨、耐候性能差，防冰效果有限，制約了其在風力發電機葉片上的應用。該文提出了一種耐磨、耐候性能良好且具備導電能力的超疏水涂層制備方法，可實現“電加熱+超疏水”協同作用，極大地提高了防除冰效果。制備的導電超疏水涂層靜態接觸角達到151°～162°，滾動角為4.3°～7.6°，電導率為0.5～12.5 S/m。耐磨性能測試表明，涂層耐磨性能滿足復雜環境對超疏水涂層的要求；耐紫外老化、耐酸堿等耐候性能測試表明，涂層具有較好的耐候性能；對涂層進行覆冰粘結強度測試發現，其覆冰橫向粘結強度小于38.4 kPa；從覆冰環境涂層耐久性測試發現，覆冰時長的增加和“覆冰-脫冰”循環會使涂層滾動角大幅上升，覆冰對涂層表面微觀結構造成破壞，導致涂層超疏水性能下降。

風力發電機葉片 超疏水 導電 防覆冰 “覆冰-脫冰”循環試驗

0 引言

覆冰地區風力發電機遭遇冰雪災害概率非常高，嚴重危害風力發電機安全運行[1-2]，導致年電量損失達5%～25%[3-5]。

風力發電機葉片的防除冰問題引起了國內外學者的廣泛關注，目前較為有效的防除冰手段為電加熱除冰[6]和超疏水涂料防冰[7-8]。其中超疏水涂料防冰是一種被動防冰方法，相比于電加熱除冰，涂料應用后無需增加額外能耗且不會改變葉片形狀及風動性能[9]，但其耐磨和耐候性能不佳等問題制約了其發展和應用。若制備出既有疏水性能又有電熱性能的涂料，并解決其耐磨、耐候性能不足的問題，也許是一條能夠可靠、高效地解決現有葉片防除冰難題的新思路。

想要獲得超疏水表面，有兩種方法：一是在本身具有低表面能的物質表面構建超疏水所需的微納米粗糙結構；二是在微納米粗糙結構表面接枝低表面能物質或基團。目前研究者們通常采用溶膠凝膠法[10]、刻蝕法[11]、自組裝技術[12]、噴涂法[13]等方法制備穩定性好的超疏水材料。

碳納米管（Carbon Nanotubes, CNT）由于其特殊的小分子結構，容易大量相互連接、纏繞而形成微納米結構[14]，有利于形成超疏水表面，為超疏水涂層的研究提供了新思路。凌菁[15]用噴涂法將多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）噴涂到基底上制得超疏水碳納米管表面，該超疏水表面的接觸角為160°，滾動角為3°。然而CNT最被人熟知的是其優異的導電性能，秦文峰等[16]制備的碳納米管電熱薄膜，通5 V直流電壓能使得20 g冰塊在240 s內發生脫落；G. M. Kim等[17]的試驗結果表明，碳納米管含量越高，水泥基復合材料的發熱性能越好。

綜上可知，目前國內外對超疏水涂層防冰技術和電加熱除冰技術已有大量研究。碳納米管擁有良好的電熱性質和特殊的小分子結構，故制備碳納米管電熱超疏水材料具有可行性。然而，風力發電機葉片實際運行環境對電熱超疏水防除冰涂層的耐候性能、耐磨性能、耐久性能提出了很高要求。由于超疏水涂層表面的微納米粗糙結構導致其力學性能、耐磨性能都不理想，且制備方法大多較為復雜、制備設備較為昂貴[18]，故鮮少見到研究者將碳納米管電熱超疏水涂層應用于風力發電機。

本文提出了一種碳納米管超疏水顆粒制備配方，以沉淀法制備碳納米管電熱超疏水涂層，對涂層的超疏水性能、導電性能進行測試；由于磨損試驗、耐候試驗對涂層導電性能的影響較小，故本文以超疏水性能的變化作為判斷依據，對涂層的耐磨、耐候及覆冰耐久性能進行測試；同時測試了“覆冰-脫冰”循環條件下涂層疏水性能和覆冰粘結強度的變化。本文研究可為覆冰地區電熱超疏水涂層在風力發電機的應用提供技術支持。

1 試驗

1.1 試品及材料

采用與風力發電機葉片玻璃鋼材料相近的玻纖環氧樹脂板作為電熱超疏水涂層基底，尺寸為95 mm×95 mm×2 mm。制備超疏水涂層前，用砂紙打磨，并用乙醇超聲清洗后自然干燥。

試驗中使用材料如下：多壁碳納米管（MWCNTs），純度95%，長度介于10 μm～50 nm之間；超細碳化硅粉，純度99%，直徑為0.4～0.7 μm；氟碳樹脂，型號為JF-2X；拜耳固化劑；硅酸四乙酯，純度98%；十六烷基三甲氧基硅烷，純度≥85%；無水乙醇，純度≥99.7%；濃硫酸（98%）和濃硝酸（68%）均為分析純。

1.2 儀器和設備

試驗中使用到的主要儀器和設備有：超聲波清洗機，JP-020S，深圳市潔盟清洗設備有限公司；數顯控溫磁力攪拌器，85-2，金壇市大地自動化儀器廠；電子天平，10002，杭州友恒稱重設備有限公司；旋片式真空泵，2XZ-6，上海圣科儀器設備有限公司；電熱恒溫干燥箱，202OS，紹興市蘇珀儀器有限公司；ZCF顯微鏡，F210，深圳市卓創富科技有限公司；接觸式測溫儀，HT-L13，深圳市萊訊特科技有限公司；場發射掃描電子顯微鏡，JSM-7800F，日本電子株式會社；表面能測定儀，SDC-100，東莞市晟鼎精密儀器有限公司；紫外線老化試驗箱，QUV，搏仕科技(深圳)有限公司。

1.3 試樣制備

碳納米管電熱超疏水涂層的制備難點主要在于其分散性能和表面改性是否成功，以及制備得到涂層的耐磨、耐候性能是否優異。本文通過氧化碳納米管和增加無機物使其在無水乙醇溶液中具有更好的分散性，良好的分散性以及羧基和羥基的接枝使得低表面能物質更容易改性碳納米管。使用沉淀法，將常規超疏水涂層對耐磨、耐候的需求加到樹脂類材料上。

1.3.1 氧化MWCNTs

稱取一定質量的原始MWCNTs置于體積比為3:1的濃硫酸和濃硝酸混酸中，常溫超聲分散30 min[19]，冷卻后移至燒杯，使用無水乙醇/去離子水交替洗滌濾液直至pH值為7，然后在80℃下真空干燥12 h，得到氧化改性后的MWCNTs[20]。

1.3.2 超疏水涂層的制備

稱取氧化后的MWCNTs 0.32 g和碳化硅0.4 g添加到一定量的無水乙醇中，攪拌形成懸濁液，超聲分散1.5 h，溫度控制在50℃；向混合液中繼續加入交聯劑硅酸四乙酯64 mL、十六烷基三甲氧基硅烷8 mL，并加入適量去離子水，促進水解反應，50℃恒溫磁力攪拌15 min，然后超聲分散30 min，抽濾、干燥，制得MWCNTs/SiC電熱超疏水顆粒。

按5:2:5的比例稱取一定質量的氟碳樹脂、乙酸丁酯和拜耳固化劑于燒杯中磁力攪拌5 min，抽真空2～3 min去除氣泡，再將其均勻涂布于環氧樹脂板上作為底漆；通過沉淀法，用100目標準分樣篩將MWCNTs/SiC電熱超疏水顆粒均勻地篩落在底漆上，改性后的粒子與環氧樹脂親和力增加，并且在自身重力作用下沉淀。固化48 h后，將未與底漆結合的顆粒去除，以此制備得到MWCNTs/SiC電熱超疏水涂層。制備流程如圖1所示。

本文改變加入MWCNTs的質量制備出了MWCNTs質量分數分別為16.8%、13.2%、9.3%、9%、7.7%和7%的電熱超疏水涂層。除電熱超疏水特性外的所有性能都采用MWCNTs質量分數為7%的樣品進行測試。

2 表征與測試

2.1 表面表征

采用EVO LS10型場發射掃描電子顯微鏡對涂層微觀形貌進行觀察；利用Talos F200STalos場發射透射電子顯微鏡（搭載無窗性雙能譜探頭）對碳納米管交聯情況和氧化改性情況進行觀察；采用SDC-100表面能測定儀和數顯傾角儀分別測試樣品的靜態接觸角和滾動角。測量系統的水滴體積取5 μL，測量時在涂層上隨機選取至少3個不同位置，并取平均值。

2.2 電熱性能測試

使用四探針電阻測試儀對涂層進行方阻測量，使用千分尺測量涂層厚度，測量時均在涂層上隨機選取3個不同位置，并取平均值。

在不同環境溫度下測量電加熱涂層的溫升情況。熱電偶布置如圖2所示，將四根熱電偶布置在涂層表面，另一端與測溫儀相連接，接觸良好。試驗電源采用75 V交流電源，銅電極與鱷魚夾之間接觸良好，將樣品放入恒溫箱中，試驗電源與測溫儀放置在恒溫箱外。環境溫度分別設置-10℃、-7.6℃、-5.2℃、-3.8℃和5℃，接通電源后每10 s記錄一次數據，四組數據取平均值。

圖2 熱電偶布置

2.3 耐磨性能測試

參考標準ISO 8251—2018中推薦的往復運動磨耗試驗[21]檢測樣品的耐磨性，將400目砂紙固定作為磨損面，磨損載荷為500 g。測試時，以勻速平行于砂紙方向的力推動樣品移動約20 cm作為一次磨損，磨損后測量靜態接觸角和滾動角。

2.4 紫外老化測試

參考標準GB/T 14522—2008[22]紫外老化試驗箱進行試驗，溫度設置為30℃，紫外光照射8 h，黑暗環境中凝露4 h，12 h為一個老化周期。本試驗按標準使用去離子水作為凝露用水。每兩個老化周期取樣一次，測定其靜態接觸角和滾動角。每一個周期取樣一次，置于-5℃環境覆冰測量覆冰粘結強度。

2.5 耐酸堿性能測試

參照標準GB/T 9274—1988中的酸堿測試標準[23]，將樣品涂層浸泡于酸堿溶液進行測試。本試驗將使用硫酸、去離子水和氨水調配與自然界酸性雨、中性雨和堿性雨相對應酸堿度的酸堿溶液，pH值分別為5、7、9，以模擬酸堿雨對導電超疏水涂層的腐蝕情況。將樣品分別放入3種酸堿溶液中浸泡2天、4天、…、14天，取出干燥后使用接觸角測定儀和數顯傾角儀重復2.1節中測試超疏水性能的測試方法分別測出試品的靜態接觸角和滾動角。

2.6 覆冰粘結強度測試

本試驗在圖3所示低溫低氣壓人工氣候室進行，最低氣溫可達-36℃。雨凇覆冰有粘結強度大、危害大等特點[24]，因此本文控制覆冰溫度在-7～-5℃模擬雨凇覆冰。試驗中采用國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）推薦的噴頭模擬覆冰降水，參考IEEE 1783TM—2009[25]控制水霧流量，進行雨凇覆冰試驗。

圖3 低溫低氣壓人工氣候室

對涂覆電熱超疏水涂層的環氧樹脂板做“覆冰-脫冰”循環試驗，粘結強度測試裝置如圖4所示。

圖4 粘結強度測試裝置

將測試裝置盒放置在涂層表面，在人工氣候室中進行30 min的覆冰，覆冰結束后關閉噴頭降水，冷凍5 min，去除裝置盒外涂層表面覆冰，連接拉力傳感器，固定樣品，緩慢拉動拉力傳感器使得冰面和樣品表面分離。記錄拉力傳感器的數值變化，得到最大和最小值，其差值即為縱向或橫向粘結強度。

2.7 覆冰環境涂層耐久性能測試

由文獻[26]可知，覆冰凍結時間對涂層疏水性能具有極大的影響。將圖4b所示模具放置在涂覆電熱超疏水涂層表面，放入-5℃冰箱中充分冷卻，緩緩將冷卻水倒入模具中，冷藏1～3天，取出后去除覆冰，自然干燥，再使用接觸角測定儀和數顯傾角儀測量其靜態接觸角和滾動角，重復試驗三次取平均值作為覆冰1天、2天和3天后涂層的靜態接觸角和滾動角。

“覆冰-脫冰”對涂層疏水性能破壞也同樣較大。“覆冰-脫冰”循環試驗步驟同2.6節，一次“覆冰-脫冰”后使用接觸角測定儀和數顯傾角儀重復2.1節中測試超疏水性能的方法，測得試品的靜態接觸角和滾動角。

3 試驗結果及分析

3.1 表面表征分析

為了改善MWCNTs與無水乙醇之間的相互作用，將MWCNTs進行酸化處理，以在MWCNTs表面引入羥基和羧基，使得十六烷基三甲氧基硅烷更好地改性并降低MWCNTs表面能。酸化處理過的MWCNTs能譜圖和缺陷圖分別如圖5和圖6所示，元素分布如圖7所示。圖7中紅色為C元素，黃色為O元素，綠色為Si元素。從圖5和圖7c可以看出，MWCNTs/SiC超疏水顆粒中出現了大量氧元素，表明碳納米管表面出現了氧化現象。從圖6a黃圈中缺陷可以看出，由于強酸的強腐蝕性，碳納米管表面出現了缺陷，進一步證實了氧化碳納米管成功枝接了羥基和羧基。

圖5 酸化后的能譜圖

圖6 酸化后的缺陷圖

圖7 氧化及硅烷化后C、O、Si分布

圖5中顯示MWCNTs/SiC超疏水粉末中含有Si元素，從圖7d也可以看出有Si元素分布于碳納米管周圍，兩者都證實了十六烷基三甲氧基硅烷成功改性并接枝在CNT上。

使用JSM-7800F場發射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）觀察制備樣品的表面，不同質量分數碳納米管涂層SEM圖如圖8所示，涂層表面存在大量微納米級的空隙，使得空氣能留存于這些空隙當中，這是涂層具有超疏水特性的原因之一。

水滴形狀如圖9所示。用SDC-100表面能測定儀和數顯傾角儀測量涂層樣品的靜態接觸角（Contact Angle, CA）和滾動角（Sliding Angle, SA），測量結果見表1。

圖8 涂層表面SEM形貌

圖9 水滴形狀

表1 不同質量分數碳納米管涂層樣品疏水性能

由表1可知，樣品在碳納米管質量分數為16.8%時，靜態接觸角小于150°，這是由于碳納米管含量增多、分散不夠均勻，碳納米管相互纏繞產生了一定團聚現象，形成了不夠理想的微納米粗糙結構。其余碳納米管質量分數的樣品由于均形成了較好的粗糙結構以及低表面物質的改性成功，滿足靜態接觸角大于150°，滾動角小于10°，具有較好的超疏水性能。

3.2 導電性能測試結果

樣品涂層的平均厚度為0.4 mm，方阻測量結果見表2。

由式（1）和式（2）計算得到樣品電導率見表3。

式中，為電阻率；s為方阻；為涂層厚度；為電導率。

表3 不同質量分數碳納米管涂層電導率

由表3中樣品碳納米管含量對涂層電導率的影響可知，碳納米管含量較少時，涂層的電導率較為穩定；當碳納米管質量分數大于13.2%時，涂層電導率隨之增加，可用經典統計逾滲理論[27]來解釋這一導電現象。

3.3 耐磨性能分析

表4是超疏水涂層經過不同磨損次數下涂層磨損量和涂層電導率變化情況。可見，涂層經過40、80、120、160次磨損后，磨損量較小，電導率基本保持穩定。

表4 涂層磨損量和電導率變化情況

磨損對涂層疏水性能的影響如圖10所示。由圖10可知，超疏水涂層經過40、80、120、160次磨損后，其接觸角相較于初始狀態無明顯變化，表明涂層具備良好的耐磨性能。通過沉淀法制得的超疏水涂層，當表層被磨損后，內部沉淀的MWCNTs/SiC超疏水顆粒重新裸露，提供了新的低表面能顆粒和粗糙結構，與此同時，SiC顆粒本身的高韌性和耐磨性也增強了涂層的耐磨性能。

圖10 磨損對涂層疏水性能的影響

3.4 紫外老化性能分析

試樣涂層在紫外光照射10個周期下（120 h）超疏水性能的變化曲線如圖11所示。試驗結果表明，紫外老化對涂層樹脂的交聯反應影響不大，其靜態接觸角在光照120 h內基本維持不變。這是由于氟碳樹脂含有C—F鍵，其結合牢固，不易裂解，樹脂結構不易發生改變，難以在紫外光照射下發生涂層粉化、剝離等涂層老化現象。但隨著紫外老化時間的增加，涂層極性基團數逐漸增加[28]，涂層的表面能也增加，導致滾動角緩慢上升。

3.5 耐酸堿性能分析

空氣分子能夠留存在導電超疏水涂層表面的粗糙結構中，即處于Cassie濕潤狀態，使得涂層在溶液浸泡時光線進入溶液到達涂層表面發生反射，出現“鏡面現象”，如圖12所示。同樣地，在酸堿溶液的浸泡過程中也會出現“鏡面現象”，此時溶液與涂層的接觸面積極小，亦會阻止酸堿對涂層的侵蝕。

圖12 涂層“鏡面現象”

測試樣品在pH=5的酸性雨溶液中浸泡后的疏水性能變化情況，如圖13所示。樣品浸泡14天后，靜態接觸角先緩慢下降后趨于穩定，但仍大于150°；滾動角稍有上升但無明顯變化規律，仍小于10°。

圖13 酸性雨溶液對疏水性能的影響

MWCNTs和SiC顆粒在未受到酸腐蝕浸泡時殘留在涂層表面，在一定程度上增強了涂層的粗糙程度，故測得的靜態接觸角偏大；隨著酸性雨溶液的浸泡，碳納米管和碳化硅顆粒逐漸脫離涂層表面，靜態接觸角減小；當碳納米管和碳化硅顆粒基本脫離后，涂層靜態接觸角趨于穩定。滾動角稍有上升可能是由于MWCNTs/SiC超疏水顆粒表面低表面能物質十六烷基三甲氧基硅烷中的甲氧基和硫酸酸性溶液中的羥基發生了反應。

測試樣品在pH=7的中性雨溶液中浸泡后的疏水性能變化情況，如圖14所示。樣品浸泡2天后靜態接觸角有0.8°的下降，后穩定于157.5°附近；滾動角與酸性溶液侵蝕結果相同，稍有上升但無明顯變化規律，仍小于10°。靜態接觸角減小的原因仍然是溶液浸泡去除了多余的MWCNTs和SiC顆粒。靜態接觸角無明顯變化，說明中性雨溶液對涂層幾乎無腐蝕作用。

圖14 中性雨溶液對疏水性能的影響

測試樣品在pH=9的堿性雨溶液中浸泡后的疏水性能變化情況，如圖15所示。涂層樣品浸泡前2天靜態接觸角下降較快，后緩慢下降，從初始的158.2°到14天后的153.0°，降低了5.2°；滾動角與酸性溶液侵蝕結果相同，數值上稍有上升但無明顯規律性變化，仍小于10°。可見，堿性溶液浸泡后靜態接觸角下降較大，表明堿性溶液對于涂層的腐蝕能力更強。

圖15 堿性雨溶液對疏水性能影響

3.6 覆冰粘結強度測試分析

覆冰粘結強度測試過程中，脫冰后涂層表面形貌和剪切粘結強度測量裝置上冰面形貌分別如圖16和圖17所示，涂層無冰渣、液滴殘留，脫冰完全。第一次脫冰后，剪切粘結強度測量裝置的冰面上殘留少許黑色顆粒物質，此黑色顆粒為樣品涂層上未與樹脂結合或結合不穩固的導電疏水碳納米管/碳化硅粉末，但并未發現冰面上沾有脫落的涂層；第二次脫冰后，測量裝置的冰面上幾乎無黑色顆粒物質殘留，表明涂層在基底上具有良好的附著效果。脫冰后電熱超疏水涂層表面無冰渣、液滴殘留，是因為電熱超疏水涂層表面存在μm級粗糙結構，空氣填充在微小的空隙中，覆冰層與電熱超疏水涂層的實際接觸面比表觀接觸面積要小許多，故在脫冰過程中不易殘留冰渣與液滴，也使得覆冰層與電熱超疏水表面的粘結強度遠遠小于非超疏水材料表面的覆冰粘結強度。

圖16 脫冰后涂層表面形貌

圖17 脫冰后裝置上冰面形貌

“覆冰-脫冰”過程對涂層覆冰粘結強度的影響如圖18所示，電熱超疏水涂層的覆冰粘結強度在8次“覆冰-脫冰”過程中變化不大，縱向粘結強度在8 kPa左右波動，橫向剪切粘結強度在經歷第二次“覆冰-脫冰”時從38.4 kPa下降到26 kPa，后經兩次“覆冰-脫冰”上升到44 kPa，而后緩慢下降到29.2 kPa。

圖18 “覆冰-脫冰”對冰層粘結強度的影響

3.7 覆冰環境涂層耐久性能分析

覆冰凍結時間對涂層疏水性能影響結果見表5。由表5可知，覆冰1天時涂層仍然具有超疏水性；覆冰2天，靜態接觸角仍大于150°，但滾動角突增，超過10°，失去超疏水性能；覆冰3天，靜態接觸角從150°以上降至101°，滾動角大于90°，失去超疏水性能。試驗結果可以看出，覆冰在涂層表面的凍結時間對涂層疏水性能影響巨大。由于在“覆冰-脫冰”過程中，表面涂層沒有太多損耗，涂層材料的表面能具有一致性，所以主要原因為“覆冰-脫冰”過程導致材料表面的粗糙結構發生了明顯變化，由Cassie狀態轉變成Wenzel狀態。

表5 不同覆冰凍結時間下涂層的疏水性能

“覆冰-脫冰”循環試驗對涂層疏水性能影響結果見表6。由表6可以看出，隨著“覆冰-脫冰”次數的增加，涂層的靜態接觸角呈緩慢下降趨勢，但對其滾動角影響巨大，兩次覆冰循環后，滾動角大于90°，失去超疏水能力。從其對靜態接觸角的影響可以看出，短期的“覆冰-脫冰”對涂層表面能影響較小，故靜態接觸角緩慢下降；但從對滾動角的影響可以看出，覆冰對涂層的表面形貌影響很大，使得涂層表面粗糙結構破壞，水滴不易滾落。

表6 “覆冰-脫冰”循環后涂層的疏水性能

4 分析與討論

本文使用碳納米管采取沉淀法來制備的風力發電機葉片電熱超疏水涂層，經過測試具有良好的耐候、耐磨性能，多次“覆冰-脫冰”循環試驗后，涂層在超疏水性能破壞的前提下仍然具有較低覆冰粘結強度，具有良好的疏冰性能，為除冰工作提供了便捷的新思路。但覆冰時間較長后，液滴易從Cassie狀態轉變成Wenzel狀態，超疏水性能恢復時間較長，保持液滴的Cassie狀態耐久性或者快速恢復超疏水性能，是一個國際性難題，也是目前限制超疏水涂層發展的技術難題。覆冰對涂層表面微觀形貌的影響很大，除了使用一種化學穩定性好的低表面能改性物質降低表面能外，在涂層表面構建穩定耐磨的微納米粗糙結構是解決超疏水涂層耐久性問題的一條重要路徑。

5 結論

1）本文使用自組裝沉淀超疏水顆粒，將電熱超疏水物質轉移到化學物理性質穩定的樹脂類材料上，消除了其本身耐磨耐候性能不佳的缺陷，使得制備的電熱超疏水涂層能夠滿足風力發電機葉片對超疏水涂層耐磨、耐候性能的要求。耐磨、耐紫外、耐酸堿性能測試結果表明，涂層具有良好的耐磨、耐候性能。

2）本文制備的電熱超疏水涂層，其靜態接觸角達到151°～162°，滾動角為4.3°～7.6°，電導率為0.5～12.5 S/m，覆冰橫向粘結強度小于38.4 kPa。

3）利用低溫低氣壓人工氣候室對超疏水涂層進行了“覆冰-脫冰”循環試驗，同時對覆冰環境超疏水涂層耐久性進行測試分析。此試驗數據彌補了“覆冰-脫冰”循環試驗對超疏水表面影響的一部分測試數據空缺，為后續超疏水涂層用于防覆冰研究提供了數據支持。

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Anti-Icing Coatings for Wind Turbine Blades Part 1: Preparation and Performance Testing

Hu Qin1Zhu Maolin1,2Shu Lichun1Jiang Xingliang1Li Chao1

（1. Xuefeng Mountain Energy Equipment Safety National Observation and Research Station of Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Hangzhou Yuhang District Power Supply Company State Grid Zhejiang Electric Power Co. Ltd Hangzhou 311199 China）

Ice coating on wind turbine blades poses a serious threat to the operation safety of wind farms, resulting in loss of power generation. The super hydrophobic coating is favored by the wind power operation department due to its convenient implementation and low cost, but its application in wind turbine blades is restricted due to its poor wear and weather resistance and limited anti icing effect. This paper proposed a preparation method of superhydrophobic coating with good wear and weather resistance and conductivity, which can realize the synergistic effect of "electric heating+superhydrophobic" and greatly improve the effect of anti icing and deicing.

Carbon nanotubes are oxidized and inorganic substances are added to make them have better dispersibility in anhydrous ethanol solution. Cetyltrimethoxysilane is used to modify nanoparticles with low surface energy. Fluorocarbon resin is the most primer. Electrothermal superhydrophobic coatings are prepared by precipitation method. The hydrophobic property, electrothermal property and durability of the prepared coating were tested, and the test results are as follows:

When the mass fraction of carbon nanotubes is 16.8%, it is because the content of carbon nanotubes increases and the dispersion is not uniform enough, and the static contact angle is 148°. When the mass fraction of carbon nanotubes is 13.2%, 9.3%, 9%, 7.7% and 7%, the static contact angle of the coating is 151°～162°, and the sliding angle is 4.3°～7.6°. The square resistance test results show that the conductivity of the coating is 0.5～12.5 S/m, and the conductivity of the coating decreases with the decrease of the content of carbon nanotubes in the coating. The wear resistance test shows that the wear amount of the coating is very small after 160 times of wear, the conductivity decreases from 0.50 S/m to 0.48 S/m, the value basically remains unchanged, the contact angle is stable at about 158°, and the sliding angle is smaller than 5°. After 120 h UV aging, the static contact angle of the coating basically remained unchanged, and the sliding angle slightly increased, but still smaller than 10°. The acid and alkali resistance test shows that the static contact angle of the coating samples dipped in the acid rain solution with pH=5 for 14 days decreases slowly and then tends to be stable, but still bigger than 150°, and the rolling angle rises slightly but smaller than 10°. The contact angle of the sample dipped in alkaline rain solution with pH=9 decreased by 5.2° after 14 days, and the rolling angle increased slightly as acid solution eroded, but no obvious regular change was smaller than 10°. After soaking in alkaline solution, the static contact angle of the coating decreases greatly, and the corrosion ability of alkaline solution to the coating is stronger.

The coating adhesion and durability under icing environment were tested. The icing bond strength test of the coating revealed that its icing lateral bond strength was less than 38.4 kPa. After 2 days of ice coating, the static contact angle of the coating is still bigger than 150°, but the sliding angle is bigger than 10°, and the superhydrophobic property is lost. After 3 days of icing, the static contact angle decreases from 150° to 101°, and the sliding angle is bigger than 90°. After 5 cycles of "icing - deicing", the static contact of the coating drops to 150.6°, and the sliding angle is still bigger than 90°. The main reason for the significant increase of the sliding angle of the coating is the destruction of the micro nano rough structure of the coating surface by ice coating.

Wind turbine blades, superhydrophobic, conductive, anti-icing, "icing-deicing" cycle test

TM242

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221777

國家自然科學基金（51977016）和重慶市科技局（cstc2021jscx-dxwtB0002）資助項目。

2022-09-19

2022-11-03

胡 琴 男，1981年生，教授，博士生導師，研究方向為電網防冰減災。E-mail：huqin@cqu.edu.cn（通信作者）

朱茂林 男，1994年生，碩士研究生，研究方向為風力發電機電熱超疏水涂層制備及性能。E-mail：1584118777@qq.com

（編輯 李 冰）