风力发电机组风机叶片前缘保护涂料的研制

刘正伟

（麦加芯彩新材料科技（上海）股份有限公司，上海201800）

风电机组一般安装于偏远的地区，运行环境恶劣，叶片作为捕获风能的唯一构件，其前缘由于长期受到风力的摩擦以及沙粒、盐雾、雨水的冲击，是风电叶片上最容易出现腐蚀的部位。特别是叶片的叶尖前缘部分，由于比较薄而且叶尖的运转线速度相当大，该部位的腐蚀是整个叶片中最为严重的。风电叶片前缘出现腐蚀之后，风电叶片的气动外形将受到影响，根据损伤程度的不同，会增加运行阻力约6-500%；阻力每增加80%，发电量就约下降5%。运行4 年以上的叶片发电量最高可下降20%，个别严重损坏叶形甚至可能达到50%。叶片前缘腐蚀问题如果不及时解决，随着时间的推移，叶片会发生更为严重的损伤，给风电机组的安全运行带来隐患。因此，前缘防护是大型叶片开发中面临的一项重要挑战，也具有相当大的研究意义。

在众多影响叶片前缘腐蚀的因素中，雨水是最为主要的，此乃业内共识。地区降雨量与叶片前缘和叶尖的受损情况几乎成正比，降雨量高的地区自然受损情况更严重。目前普遍使用前缘保护涂层技术与贴膜防护技术。传统前缘保护漆防护性能较差。而贴膜类产品虽然初始机械强度高，但机械强度衰减很快，半衰期短，因此使用寿命并没有得到明显提升，且难施工，易脱落，难以二次维护。故本文旨在开发一款新型的前缘保护涂料，除了具备常规涂料的性能之外，最重要的是拥有更强大的耐雨蚀性能。

1 试验部分

1.1 原材料及主要制漆、检测设备

原材料：聚氨酯多元醇树脂HTPB 端羟基聚丁二烯（固含＞99%），国产；XP2406 脂肪族聚异氰酸酯固化剂，科思创；金红石型钛白粉，国产；防沉降助剂，国产；紫外线吸收剂，国产；有机锆，铋复合催化剂，自制;BYK163 润湿分散剂，德国毕克化学；BYK052 脱泡剂，德国毕克化学，Tego4100 流平助剂，德国毕克化学。

主要制漆设备：LQ-C30002 电子天平，上海瑶新电子科技有限公司；GFJ-0.4A 高速分散机，上海现代环境工程技术股份有限公司;MHYM-1.1L 篮式研磨机。

主要检测设备：Positest AT-A 型附着力测试仪，美国Defelsco；JM-IV 漆膜磨耗仪，上海普申化工机械有限公司；TCJ弹性冲击试验器，上海普申化工机械有限公司；Byes-90B 盐雾试验箱，邦亿精密量仪（上海）有限公司；GS-300 冷凝水试验箱，上海苏盈试验仪器有限公司；拉力仪，上海现代环境工程技术股份有限公司；QTX 型漆膜弹性测定器，天津市材料试验机厂；雨蚀试验机。

1.2 设计配方

选择HTPB 端羟基聚丁二烯为主要成膜载体，其通过与固化剂反应后具有和固体橡胶相同的性能，理论上具有优异的力学性能，耐磨损性能以及高弹性和柔韧性，在风机运行中可以对叶片壳体起到良好的缓冲与保护作用。HTPB 与粉料助剂等一起分散研磨后调漆制备主剂，固化剂选择聚氨酯体系中常用的脂肪族聚异氰酸酯，通过其制得的聚氨酯涂层具有良好的老化耐黄变特性，并能提供致密的化学网状结构，使涂层具备超常的耐化学性。配方（见表1）制样。

表1 涂料配方

对其进行常规的性能测试，与市面常规的油性体系面漆对比。并在最重要的耐雨蚀测试中加入某知名贴膜类产品，研究其综合性能达到了怎样的水平。

1.3 制备工艺

该前缘保护涂料的制备工艺与现有聚氨酯油漆相同，主要步骤分为以下几个工序:

1.3.1 物料1-9 投入反应釜中，高速分散均匀。

1.3.2 将分散均匀的物料转至篮式研磨机研磨至细度30μm 以下。

1.3.3 细度达标后真空抽滤包装。

主剂制备完成后，按照配方中的比例添加固化剂混合配漆。

2 配方验证

2.1 HTPB 端羟基聚丁二烯的分子量对涂料性能的影响

在选择原材料中的HTPB 端羟基聚丁二烯时，有不同分子量的原料可供原则，分别挑选分子量约为1500、3000 和4000 的HTPB 进行试验，配方中原材料的添加量不变，采用相同得制备工艺，制得主剂。然后与固化剂混合配漆测试其机械性能。

表2 基础性能测试对比总结

由表2 可以看出使用分子量高的HTPB 原料制得的漆膜拉伸断裂伸长率显著提高，这在耐雨蚀实验中也许可以起到更好的防护效果。漆膜的强度没有太大的差异，继续提升分子量，性能并没有提升太多。综上分析，建议选择分子量约为3000 的HTPB 原材料更为合适。

2.2 基础性能测试

本部分研究了该新型前缘保护涂料的基础性能，并与常规油性面漆对比，将制备好的主剂与固化剂按配方比例混合，用刮涂的方式涂装在10 层玻纤布的玻璃钢板上，每一块样板的规格为7.5mm×15mm×1mm。在刮涂保护漆前，需先使用腻子对基材进行修型填补。为了测试其拉伸性能，需制备漆膜，厚度约为200μm，并裁减成符合ISO 527-3 中对样品的尺寸要求。

通过表3 中基础性能测试中，可以看到该保护漆在耐盐雾与耐湿热测试中表现良好，在2000h 后均未出现异常。涂层附着力性能达到技术指标，附着力是叶片涂料相当重要的一个指标，若涂层的附着力不足，在叶片运行过程中会有大面积剥落的风险，直接造成叶片露出基材，毫无保护，严重的情况可能会导致叶片停机，造成巨大损失。在该项目中可以看到本配方的保护漆涂层性能与常规面漆几乎一致，完全能达到使用的技术水准。

在拉伸测试中，本配方达到预计效果，延伸率可达600%，是常规面漆的15 倍以上。耐冲击试验中，因其具备的高弹性，也比常规面漆更出色。1000 克载重的耐磨耗仅损失约8 毫克，有出色的耐磨性能。

2.3 耐雨蚀测试

在前缘保护材料中，耐雨蚀性能是最重要的一项指标，本部分对本配方进行了耐雨蚀性能的测试，并给出某知名贴膜类防护产品与现有常规油性面漆的耐雨蚀数据，测试标准为ASTM G73, 测试参数控制不变，高速端测试速度为140m/s，降雨量30-35mm/h。

由表4 可看出，常规面漆的雨蚀防护性能十分弱，在20 分钟时，表面已出现轻微点状破损，普通的装饰型面漆对于叶片前缘这样的腐蚀相当严重的区域几乎没有长效的保护作用。市面常规的聚氨酯保护漆涂层能在一定程度上起到保护的作用，在9 小时涂层表面出现破损。18 小时已经露出基材。本配方前缘保护漆在耐雨蚀性能上有显著提升，在18 小时后，表面也无明显破损。

3 项目成果

本方案通过选择具有橡胶性能的端羟基聚丁二烯与脂肪族异氰酸酯，制备出一种新型的聚氨酯体系前缘保护漆，通过一系列的性能测试，验证了其在附着力等常规项目中表现出色，完全符合当前风电涂料的技术指标，长期耐盐雾等试验未出现异常，满足国内风力发电机的涂装要求。并且最重要的是耐雨水腐蚀性能达到目前市面常规面漆的50 倍以上，是市面常规聚氨酯保护漆产品的2 倍以上，这在叶片的长期开机运行中可以对前缘处有更持久、强大的保护效果，证实了这一方案在行业未来的潜力。

表3 基础性能测试对比总结

表4 雨蚀性能测试对比

4 结论

随着风电行业在中国的迅速发展，越来越多的大型兆瓦级别风电机组投入使用，叶型不断增大，从最初只有约40 米长度的叶片，到现在最长达80 米的叶片。叶尖前缘处的运行线速度越来越高，雨水等其他因素对前缘的损伤也随之越来越严重，但目前对前缘防护的意识还比较薄弱，这在未来随着叶片开机运行时间逐渐上升的情况下，是一个十分严峻的问题。本文介绍并研制了一款新型的聚氨酯类前缘保护漆，通过实验验证了其防护性能与施工性能可以满足当下的风电叶片涂料技术指标。