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风电叶片用保护面漆,本文介绍了风电叶片在生产过程中所使用到的几种保护面漆
2019年08月27日    阅读量:478    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

石油、煤炭、天然气作为不可再生资源,在世界上总的储量有限,而目前人类的能源消耗结构中对其依赖性很高。这些常规能源的可使用量越来越少,价格越来越高,而风能作为可再生清洁能源,今天越来越被重视。


因此,风电在中国的前景广阔,相应的风电叶片涂料也有较大的市场需求中国机械网okmao.com。目前叶片涂料多以进口为主,并主要由几家国外企业垄断。国家863计划专门有一项支持叶片涂料的国产化。目前,在国内从事叶片涂料研发的企业比较多,很多涂料企业瞄准了这一新兴领域,欲大有作为,但叶片涂料不同于一般的涂料,性能要求较高,通常来讲,叶片涂料的主要性能要求如下


(1)直升机雨滴测试:高速旋转的螺旋桨下雨点冲击测试,这种测试目前在国内还不能进行,只能在国外测试。

(2)耐候性:环氧叶片直接在太阳光照射下易粉化,达到一定程度时甚至会在高速旋转中断裂,因此叶片涂料作为叶片表面起保护作用的涂层,对耐候的要求自然较高。

(3)柔韧性:高速旋转的叶片受力变形较大,故涂层需要一定的柔韧性防止漆膜开裂、脱落。

(4)耐磨性:旋转的叶片受大气、尘埃甚至是砂砾的高速冲击、刮擦,特别是叶片边缘部位,对耐磨的要求更高。

(5)附着力:底漆要求对玻璃钢叶片附着力较好。

(6)耐湿热性能:风车通常安装在海洋、草原、高山等潮湿环境。

(7)施工性能:

①干燥性:叶片涂装有条件的能做到低温烘烤,但有些由于条件限制只能自干;

②活化期:辊涂或者高压无气喷涂要求在涂装过程中涂料黏度不能有很大的上升;

③厚涂性:叶片涂层底漆和面漆的干膜厚通常均在80~120μm;

④打磨性:叶片表面空隙很多,特别是边缘,涂装底漆后通常还打磨、刮腻子填平;

⑤低VOC:由于叶片涂装的环境,低VOC 不仅环保,也有助于施工者的健康。

基于上面的性能要求,目前国内的叶片涂料体系主要有聚氨酯涂料、聚脲涂料(聚天门冬氨酸酯涂料)、硅氟类涂料。

 

1 聚氨酯类涂料

聚氨酯弹性材料具有很高的柔韧性、弹性、耐磨性、抗冲击性、附着力强、延伸率高、常温固化、施工方便的特点,其特有弹性对于振动和形变均起到一定的缓冲作用。聚氨酯是双组份反应型材料,由主剂和固化剂组成,主剂由多元醇和填料组成;固化剂一般为异氰酸酯化合物。主剂和固化剂按一定的比例均匀混合后,按照一定的方法涂刮,数小时后,经反应固化得到一种富有弹性的涂料,能经受一定限度内的伸缩。

1.1 主剂

主剂采用多元醇化合物。多元醇化合物主要有聚醚多元醇和聚酯多元醇两种,一般通过改变多元醇化合物的官能度、分子量以及分子结构等可以分别制得不同性能、不同用途的聚氨酯制品。软质聚氨酯制品用多元醇化合物,一般官能度小(2~3),羟值比较低(40~60mgKOH/g),分子量大(2 000~3 000)。硬质聚氨酯制品用多元醇化合物,则要求官能度大(3~8),羟值比较高(400~500mg KOH/g)。

1.2 固化剂

固化剂采用多异氰酸酯预聚物,就是将异氰酸酯与多元醇经化学反应,生成一种末端为异氰酸酯(—NCO)基的聚合物。应用预聚体制备聚氨酯腻子有如下几个优点:

(1)将气味大的异氰酸酯化合物与多元醇反应,使生成的预聚体气味较小。

(2)预聚体在合成时已放出部分反应热,所以在制备腻子和油漆时,温度不会自动升得太高,以避免过度发泡,影响质量。

1.3 催化剂

聚氨酯常用的催化剂有:

(1)胺类,如甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N—甲基吗啉、二甲基环已胺等。

胺类催化剂对NCO—OH 和NCO—H2O 两个反应都有强烈的催化作用。NCO—OH 反应使得聚合物分子量增长得很快;NCO—H2O 反应产生了CO2 气体,聚合物体积迅速膨胀。胺类催化剂能使这两个反应很快发生,聚合物粘度上升很快,它的体积也随之增大,固化物中含有大量气泡。

(2)有机锡类,如二丁基二月桂酸锡、辛酸亚锡等。

有机锡化合物催化NCO—OH 之间的反应比催化NCO—H2O 之间的反应要强得多,也就是固化反应发生时,产生远远少于使用叔胺类催化剂所产生的气体。因此,选用有机锡催化剂用于腻子和油漆,可减少气泡的产生。

1.4 触变剂

腻子和油漆在现场施工时,经常遇到垂直面及仰面涂刮,因此在施工时,要求材料不能垂直下流,必须具有触变性。所以,必须加入触变剂解决腻子和油漆在施工过程中的流挂问题。常用的触变剂有白炭黑、有机膨润土、氢化蓖麻油衍生物等。

1.5 颜填料

填料的作用主要是降低成本,同时选择合适的填料还能使聚氨酯具有更好的机械性能,防酸、防碱性能,遮盖性能、触变性能等,但是颜填料加入过多会影响聚氨酯的弹性。常用的填料有沉淀硫酸钡、超细滑石粉、超细碳酸钙等。

1.6 其他助剂

如稀释剂、润湿分散剂、防沉剂、消泡剂等。

1.7 聚氨酯的几个重要反应

异氰酸酯与醇反应:  异氰酸酯与胺反应:  异氰酸酯与水反应:  异氰酸酯与羧酸反应:  异氰酸酯与脲反应:  异氰酸酯自聚反应:

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2 聚脲涂料——聚天门冬氨酸酯涂料

聚天门冬氨酸酯涂料是近几年来在聚脲工业领域中出现的一种新型脂肪族、慢反应、高性能双组分涂料,被称为第三代聚脲。该材料的A 组分采用HDI 三聚体,B 组分采用聚天门冬氨酸酯,其结构式见图1。

聚天门冬氨酸酯结构式

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聚天门冬氨酸酯是近年来开发的一种新型位阻胺。早期它曾用作双组分高固体分PU 体系的活性稀释剂。由于大多数胺在用于双组分涂料时,体系的反应速度太快以致难以控制(如聚脲材料的快速固化),而聚天门冬氨酸酯是空间位阻型脂肪族仲二胺,它与多异氰酸酯的固化反应的凝胶时间取决于聚天门冬氨酸酯的结构,采用不同结构的取代基X 可以得到不同反应速度的聚天门冬氨酸酯衍生物。

聚天门冬氨酸酯涂料属于脂肪族聚脲的范畴,它利用脂肪族异氰酸酯与聚天门冬氨酸酯反应生成,该反应不同于传统双组分聚氨酯涂料的羟基与异氰酸酯的反应,也不同于常规的喷涂脂肪族聚脲弹性体,而是综合了二者的优点,即反应不需要催化剂,并且在湿度较大的条件下,产品性能稳定,不容易发泡,又具有较长的施工期。聚天门冬氨酸酯聚脲的反应原理见图2。

聚天门冬氨酸酯聚脲的反应原理示意式

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聚天门冬氨酸酯涂料在应用和性能上与双组分脂肪族聚氨酯涂料相近;由于它耐黄变,经常用作面漆。但它们也有明显的差异:聚天门冬氨酸酯涂料比传统的双组分脂肪族聚氨酯涂料有更高的固体分(70%~100%)、更高的膜厚(一次施工可达375 μm)。又由于聚天门冬氨酸酯涂料比传统的脂肪族聚氨酯涂料固化速度快,因此它通常被应用在需要快速固化的场合,从而提高生产效率。

2.1 聚天门冬氨酸酯涂料的开发

(1)原材料的选择

固化剂:Desmodur 3390(BAYER)、Desmodur 3600(BAYER)、Desmodur 3800(BAYER);

树脂:Desmophen NH 1220(BAYER)、Desmophen NH 1420(BAYER)、Desmophen NH1520(BAYER);

颜料:钛白R 930(日本);

填料:高岭土;溶剂:丁酯、MPA(巯基丙胺)等;

助剂:EFKA 2022、EFKA 2722、OK 500 等。

(2)聚天门冬氨酸酯涂料的制备

选用拜耳公司的Desmophen NH 1520 和Desmophen NH 1420 作树脂,用Desmodur 3390、Desmodur 3800 作固化剂。按配方量称取聚天门冬氨酸酯树脂和部分溶剂,加入钛白粉,分散研磨至细度≤ 20 μm,再加入溶剂和助剂,分散均匀,制得漆料。

(3)涂料体系的配方

基料配方

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2.2 聚天门冬氨酸酯涂料技术指标

聚天门冬氨酸酯涂料的技术指标

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3 硅氟类涂料

以FEVE氟碳树脂为成膜树脂制备的涂料称为FEVE氟碳涂料。FEVE氟碳树脂的概念最初来源于日本旭硝子公司,是英文Fluoro-Olefine Vinyl Ether Copolymer的缩写,直译为氟烯烃与乙烯基醚的共聚物。实际上旭硝子公司提供的是三氟氯乙烯与乙烯基醚的共聚物,典型牌号为LF-200。但现在FEVE的概念有所延伸,FEVE指氟烯烃单体(三氟氯乙烯或四氟乙烯)与乙烯基单体(乙烯基醚单体或乙烯基酯单体或其混合单体)的共聚物。

3.1 氟碳涂料的制备

双组分FEVE 氟碳树脂大类上属于聚氨酯体系。FEVE氟碳树脂中除了主单体氟单体和乙烯基醚(或酯)单体外,还含有带羟基的乙烯基单体,分子链上的游离羟基和脂肪族异氰酸酯固化,形成—NH—CO—键。从固化机理上看,FEVE氟碳树脂属于聚氨酯类型。因此FEVE氟碳涂料的制备,可借鉴丙烯酸聚氨酯涂料的制备经验。但在实际的氟碳涂料制备过程中,发现FEVE氟碳涂料的制备要复杂得多,尤其是对颜料的润湿分散性较差,如何防止漆膜浮色发花是要解决的关键问题。由于分子结构特征不同,不同类型FEVE氟碳涂料在助剂选用上差别很大,特别是消泡剂和流平剂的选择,在一种FEVE氟碳涂料中效果很好,但在另一种FEVE氟碳涂料中可能效果一般。总体上,乙烯基酯单体共聚的FEVE氟树脂与传统聚氨酯涂料助剂选择上有较大的通用性,而乙烯基醚类的、四氟乙烯类的FEVE氟树脂在助剂选择上与传统聚氨酯差异性较大。

3.2 氟碳涂料配方设计及制备

氟碳涂料的配方设计及制备与普通乳胶漆基本相似,设备及手段可以相互通用。配方中一般含有:氟碳乳液、成膜助剂、消泡剂、润湿分散剂、增稠流变剂、防冻剂、杀菌剂、颜填料等。

(1)氟碳乳液的选择

水性氟碳乳液各厂家合成单体和合成方法不同,得到的氟碳乳液差异较大。采用氟碳乳液时,要对其性能、价格等做全面完善的评估。对于氟碳乳液自身来讲,除了要了解外观、固含量、pH、黏度、离子类型和玻璃化温度外,还需了解:(1)乳液的最低成膜温度(MFFT或MFT),较低的成膜温度有利于取得较宽的施工温度范围;(2)乳液的表面张力,涂料体系的表面张力关系到它对基材的润湿和展布;(3)乳液的粒径及粒径分布,配制有光漆需要粒径较小,粒径分布较窄的乳液,平光漆则反之,乳液粒径越小,CPVC越大;(4)乳液的残余单体含量,残余单体的剩余不仅使乳液带有单体的气味且对人体有一定的伤害;(5)乳液的机械稳定性、化学稳定性,这两项性能主要是考察制备工艺、涂料添加物对乳液影响。对于水性氟涂料漆膜性能的考察,可制备清漆养护成膜后,考察其耐水、耐酸、耐碱、耐化学品及耐候性能。

(2)颜填料对涂料的影响

通常来讲,为了提高氟碳涂料的耐候性就必须选用能够长期保持原有状态色泽的颜料。它要能抵抗住环境的各种变化,长久不变。同时颜料也要发挥装饰和保护作用,增强涂料的力学性能和耐久性。白色和有色颜料都是我们常用的颜料。白色颜料主要有二氧化钛、锌白、立德粉、锑白等。有色颜料通常是无机颜料、靛青系列、DDP红等。对于有色颜料或它们的色浆,最好做到制板户外曝晒,这样能正确评估其抗色变性。

(3)成膜助剂

目前,大部分市面供应的水性氟碳乳液都是热塑型的,这类乳液成膜过程中首先水分挥发,乳胶粒小球紧密堆积,水和水溶性物质充满在乳胶颗粒的空隙之间;随着水分的不断挥发,分散体颗粒变形融合,逐步聚合物颗粒由球形变为斜方形十二面体,直至颗粒间的界面消失;最后聚合物链端相互扩散,形成连续的乳胶涂膜。乳胶粒变形和分子链段扩散都要求乳胶聚合物体系中有大于2.5%自由体积,由于含氟单体的引入造成了较高的Tg 和MFT,上述成膜过程很难在室温条件下实现,因此要添加适当的成膜助剂达到室温成膜的目的。成膜助剂的助成膜机理就是较低温度下在成膜过程中提供足够的自由体积,以使乳胶粒变形和乳胶分子链段扩散、缠绕、融合成膜。

选择合适的成膜助剂应具备的几个条件:

①高的助成膜性,成膜助剂必须是聚合物的强溶剂,选择成膜助剂的时候通常要检验其对干树脂的溶解性,通常认为溶解性能越好,成膜助剂效率越高。


②较小的分配系数D,D是其在水相中的浓度Cw与聚合物相中浓度Cp之比,即Cw/Cp。D值小说明成膜助剂在乳核的浓度较高,具有较高的助成膜效率。


③适宜的挥发速度,在成膜前,成膜助剂不能挥发掉,因此要比水挥发慢得多。成膜后,就要挥发掉,有人认为成膜助剂存留100h左右是比较适合的。


④成膜助剂添加后不能影响乳液的稳定性。


以大金公司树脂SE310为例,氟含量超过30%,玻璃化温度在40℃左右,目前乳胶漆中较通用的成膜助剂醇酯十二就不能对其溶解,因此不能降低其成膜温度,PMA、杜邦公司的DBE、罗地亚的DEE等对其溶解性能较好,可作为其成膜助剂。


PMA为丙二醇甲醚醋酸酯,D值较大,成膜效率与DBE、DEE相比较低,在相同条件下使用量会比较大,而且PMA有明显刺激性气味,不符合环保要求,沸点低挥发速度快,涂料涂装后前期硬度增强较快,后期随着挥发量越来越大,导致涂料后期成膜较差。


DBE为混合的二元酸二甲酯、DEE为混合的二元酸二乙酯,D值较小,成膜效率高,无刺激性气味,沸点都在200℃以上,挥发速度慢。它们都是混合物,在挥发过程中,有梯度地逐步挥发,这样就保证了漆膜前期有较好硬度,后期成膜性能也较好。


(4)增稠剂

涂料的黏度是影响涂膜外观及施工性能的重要影响因素之一,合适的黏度可以使涂膜具有较好的饱满度、流平性及抗流挂性能。常用的增稠剂有:纤维素醚、碱可溶胀型的聚合物、缔合增稠剂和无机增稠剂等。纤维素醚常用的是羟乙基纤维素,这类增稠剂在水中溶胀,水合了大量的水,体积膨胀,同时减小了“自由活动”的空间,增加了水相的黏度。


碱可溶胀型的聚合物大多是含有多羧基的丙烯酸类聚合物,在pH8~10的水中,羧基离解,呈溶胀状态,使黏度提高。这2类都是对水相增稠,对其他相基本无明显作用,因此对流变性没有调节,而且这2类都有一定的水溶性或亲水性,这也可能导致涂料成膜后耐水性能的下降,纤维素在使用前要预溶,为了加快预溶速度可先将pH调节到10左右。


缔合型增稠剂是线型亲水链,两端接有亲油基的高分子化合物。它除了水合溶胀增稠外还可将亲油端基与乳液颗粒、颜料颗粒相互缔合形成三维网状结构,将水包围其中,提高黏度,施工中在剪切力的破坏下,网状结构破坏黏度降低,剪切消失结构恢复,类似触变剂。这一类型的增稠剂使用方便,即加即可,对酸碱不敏感,不影响涂膜的耐水性,但价格较贵。


(5)消泡剂

乳胶漆中含有众多的表面活性剂,所以很容易产生大量气泡。稳定的气泡会影响生产及漆膜质量,所以消泡是保证乳胶漆质量的重要手段之一。由于表面活性剂的存在,造成泡膜的表面张力差,使泡膜厚度增大,形成稳定的气泡,泡沫互相靠拢,壁与壁之间夹有长链物质,形成胶状层,这样的泡沫非常稳定,很难破裂。消泡剂可以透入胶状层破坏其稳定性,使泡沫破裂。为此,消泡剂必须控制对水相的不混容性。


过分混容,不能有效干扰胶状层,消泡能力较弱,过分不混容,虽消泡效果好但也容易导致其他缺陷,如缩孔等。乳胶漆用的消泡剂分有机硅类型、矿物油类型、聚合物类型。各助剂厂家产品基本相似,在乳液中消泡效果需通过实验得出结论。一般的实验方法是在试管中加入一定的乳液、消泡剂,剧烈震荡后,观察泡沫消退的速度,消退速度快的,消泡效果较好。通常在乳胶漆的制备过程选择2 种以上消泡剂进行混配使用。

 

4 总结

由于风电叶片使用区域的不同,因此在选用其表面保护涂料时,会采用不同类型的涂料。现在市场上主要应用的为聚氨酯类的面漆,但由于聚氨酯面漆在高盐雾、高冰雾或高风沙地区的性能无法满足要求,因此聚脲类以及碳氟类的表面保护涂料在近几年中逐渐被开发及应用。在未来的使用过程中,更多的风电企业将根据不同的地区的实际情况选用不同类型的保护涂料,而且国产涂料也将获得进一步的发展。


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