风机叶片用耐雨蚀涂料性能研究

风电叶片是风力发电机组的一个关键部件，叶片前缘是叶片的主要切风部位，叶片需要在不同的环境下工作，其性能直接关系到整个系统的发电效率。海上风电场处于严酷的自然环境中，风机叶片在运行过程中长期受到强烈的日光照射、处于高浓度的盐雾环境、高温高湿条件中，高速旋转条件下的雨水侵蚀会破坏叶片前缘表面，影响叶片的气动外形，导致发电量下降[1-4]。

叶片切风部位最主要的是前缘，雨滴撞击在表面时能产生很大的压力，长度约56 m叶片的正常转速可达到80 m/s，在这样的转速下，直径1～3 mm的雨滴撞击的压力可达到120 MPa，冲击动能达到0.043 J。在叶片的前缘区域需要有前缘保护材料吸收雨滴撞击产生的动能，否则容易造成内应力集中，出现宏观缺陷。因此，对叶片前缘需要进行重点保护[3-4]。

涂覆传统涂料的叶片在运行一段时间后，其前缘一般会出现损伤，无法实现对叶片前缘的可靠防护。国内的叶片厂商大多采用在叶片前缘表面贴敷聚氨酯膜的方法，用于吸收雨滴的动能，保护叶片表面免遭雨蚀侵蚀。在叶片前缘贴附聚氨酯膜对叶片表面平整度等施工要求较高，容易产生微小气泡； 聚氨酯膜在叶片运输、吊装等过程中容易损伤，在叶片运行时长期暴露户外过程中经常出现起泡、卷边、移位等缺陷，运行一段时间后聚氨酯膜自然老化失效，需要重新更换。鉴于贴膜的诸多不足，阿克苏、美凯维奇、3M等公司陆续推出用于叶片前缘的耐雨蚀叶片涂料。本文主要对比研究业内最新推出的几款典型耐雨蚀叶片涂料，通过测试分析来研究耐雨蚀涂料对叶片前缘防护的可行性。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚氨酯前缘保护膜、3种聚氨酯前缘保护涂料：市售。

1.2 测试设备

耐雨蚀测试设备：美凯威奇实验室；色差仪(BYK-6801)：德国毕克公司；电子万能试验机(C43)：MTS Criterion信标公司；QUV紫外老化箱：美国Q-LAB公司；Q-FOG循环腐蚀盐雾箱：美国Q-LAB公司；高低温湿热试验箱(EW0220)：广州爱斯佩克环境仪器有限公司；附着力测试仪(Positest AT-M Manual)：美国Defelsko 公司。

1.3 性能测试

由于前缘耐雨蚀涂料应用于叶片的最外层，不仅需要有良好的耐雨蚀性能，还要满足叶片涂料的常规性能要求。目前多数材料供应商对材料的测试局限于材料本身，未考虑应用环境对材料的影响。本实验在测试过程中，考虑了环境对涂膜的影响，对材料进行老化后再进行雨蚀性能测试，考察材料在应用过程中的最终性能，测试项目见表1和表2。

实验选取了聚氨酯前缘保护膜与3种聚氨酯前缘保护涂料进行对比测试，验证材料的各项性能。

2 结果与讨论

对聚氨酯膜及3种聚氨酯涂膜的性能测试结果见表3和表4。对比样在雨蚀老化前后的结果见图1。

表3表明，几种材料的耐酸性和耐碱性均能满足使用要求。聚氨酯膜、聚氨酯涂膜1#及3#在盐雾试验前后性能均能满足要求，聚氨酯涂膜2#由于粘弹性较大，导致破坏均发生在涂膜与胶粘剂之间。根据耐雨蚀设计原理的不同，材料的韧性和强度有一定的差异。

表1常规性能测试项目Table1Generalperformancetest项目测试标准附着力ASTM D4541—2009耐燃油性(柴油)GB/T 9274—1988耐液压油性GB/T 9274—1988耐酸性(5%H2SO4溶液)GB/T 9274—1988耐碱性(5%NaOH溶液)GB/T 9274—1988耐水性GB/T 9274—1988耐盐雾性(完成试验后测试附着力)GB/T 1771—2007耐冷热循环(30次,-40 ℃/6 h+60 ℃/6 h为1个循环)GB 1740—2007, ASTM D4541—2009拉伸强度ISO 527-3∶2003断裂伸长率ISO 527-3∶2003

表2功能性测试项目Table2Functionalperformancetest项目测试标准紫外老化(2 000 h)GB/T —2008紫外老化后的附着力ASTM D4541—2009紫外老化后的拉伸性能ISO 527-3∶2003紫外老化后的雨蚀(1)ASTM G73—2010冷凝水气候测试(1 000 h)ISO 6270-2∶2005冷凝水气候测试后的附着力ASTM D4541—2009冷凝水气候测试后的拉伸性能ISO 527-3∶2003

聚氨酯膜经过冷热循环后附着力下降，低于要求值(5 MPa)，在日气温波动较大的区域长期使用存在风险。从图1可以看出，进行常规耐雨蚀测试时聚氨酯膜性能表现优异，但经过紫外老化后，贴膜表面出现变色，耐雨蚀性能严重下降，而老化前的雨蚀测试有些试样在膜尚未破坏时，封边胶已经破坏，保护膜出现大面积剥离现象。

聚氨酯涂膜2#和3#在老化前的耐雨蚀性能明显优于聚氨酯涂膜1#。1#涂料的主要成分为聚天门冬氨酸酯聚脲树脂，以多元醇类交联剂进行交联，形成一种高交联密度的涂膜，涂膜有很好的拉伸强度，但不能较好地吸收雨滴撞击产生的动能。2#和3#涂料的主要成分为IPDI、HDI低聚物、聚酯多元醇以及改性异佛尔酮二胺形成的涂膜结构，化学交联密度较低，涂膜强度较1#样品低，在受到雨滴冲击时，漆膜能较好地吸收和消散雨滴撞击产生的动能，减轻雨蚀对涂膜的破坏。

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