闡述了目前市場上較通用的聚氨酯葉片涂料的配方開發(fā)要點，對比了聚氨酯涂料中使用的聚酯樹脂和丙烯酸樹脂的性能差異，在實驗中驗證了選擇聚酯改性丙烯酸樹脂作為葉片涂料成膜物的必然性。文中還對比了不同耐磨添加劑對耐磨性能的影響，以及不用消光粉對光澤、性能的影響。得出了PTFE蠟和蠟處理的二氧化硅是最佳選擇，給出了最優(yōu)化的聚氨酯葉片涂料配方，同時，列出了基于最優(yōu)化的配方所得到的聚氨酯葉片涂料的性能結(jié)果。 

      石油、煤炭、天然氣作為不可再生資源，在世界上總的儲量有限，而目前人類的能源消耗結(jié)構(gòu)中對其依賴性很高。這些常規(guī)能源的可使用量越來越少，價格越來越高，風能作為可再生清潔能源，今天越來越被重視，據(jù)中國風能協(xié)會統(tǒng)計，截至2010年，中國風電的總裝機容量已達到44733MW，另根據(jù)國家“十二五”規(guī)劃，在今后五年要力爭新裝機容量超過90000MW，并在2020年力爭使中國風電發(fā)展不低于1.5億kW，風電占一次能源的比重約2.2%。以2020年中國風電發(fā)展1.5億kW計算，如年發(fā)電小時是2000h，則可發(fā)3000億度電，約1億t標準煤。因此，風電在中國的前景廣闊，相應(yīng)的葉片涂料也有較大的市場需求。國家863計劃也專門有一項支持葉片涂料的國產(chǎn)化。目前，在國內(nèi)從事葉片涂料研發(fā)的企業(yè)也比較多，很多涂料企業(yè)瞄準了這一新興領(lǐng)域，欲大有作為，但葉片涂料不同于一般的涂料，性能要求較高，而目前葉片涂料多以進口為主，并主要由幾家國外企業(yè)壟斷。國內(nèi)涂料企業(yè)目前大多處于一種摸索開發(fā)階段，有些涂料企業(yè)甚至對葉片涂料所要求的性能還沒有深刻認識的情況下就盲目上馬研發(fā)，導(dǎo)致一些工程技術(shù)人員疲于應(yīng)對研發(fā)中出現(xiàn)的各種問題，特別是在傳統(tǒng)思維的影響下，一些涂料工程師以一般的防護涂料的概念在做配方，這樣很容易導(dǎo)致日后各種問題的發(fā)生。因此，探索出一種研發(fā)葉片涂料的新思路，優(yōu)化葉片涂料的配方，實現(xiàn)一種滿足葉片涂料性能要求的配方研發(fā)途徑迫不及待。

通常來講，葉片涂料的主要性能要求如下:

(1)直升機雨滴測試:高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳下雨點沖擊測試，這種測試目前在國內(nèi)還不能進行，只能在國外測試。

(2)耐候性:環(huán)氧葉片直接在太陽光照射下易粉化，達到一定程度時甚至會在高速旋轉(zhuǎn)中斷裂，因此葉片涂料作為葉片表面起保護作用的涂層，對耐候的要求自然較高。

 (3)柔韌性:高速旋轉(zhuǎn)的葉片受力變形較大，故涂層需要一定的柔韌性防止漆膜開裂、脫落。

 (4)耐磨性:旋轉(zhuǎn)的葉片受大氣、塵埃甚至是砂礫的高速沖擊、刮擦，特別是葉片邊緣部位，對耐磨的要求更高。

 (5)附著力:底漆要求對玻璃鋼葉片附著力較好。

 (6)耐濕熱性能:風車通常安裝在海洋、草原、高山等潮濕環(huán)境。

 (7)施工性能:

①干燥性———葉片涂裝有條件的能做到低溫烘烤，但有些由于條件限制只能自干;

②活化期———輥涂或者高壓無氣噴涂要求在涂裝過程中涂料黏度不能有很大的上升;

③厚涂性———葉片涂層底漆和面漆的干膜厚通常均在80～120μm;

④打磨性———葉片表面空隙很多，特別是邊緣，涂裝底漆后通常還打磨、刮膩子填平;

⑤低VOC———由于葉片涂裝的環(huán)境，低VOC不僅環(huán)保，也有助于施工者的健康。

基于上面的性能要求，目前國內(nèi)的葉片涂料體系主要有聚氨酯涂料、聚脲涂料、硅氟類涂料。其中硅氟類涂料通常也是做成雙組分的，借助與異氰酸酯的交聯(lián)形成聚氨酯結(jié)構(gòu)的涂膜，在這3種涂料體系中，又以聚氨酯涂料的使用最為普遍，最為市場所接受，3種類型的涂料的性能比較如表1。

表1 3種風電葉片涂料的主要性能比較

從表1可見，聚氨酯涂料的性價比最高，這也是目前市場上最流行的葉片涂料是聚氨酯體系的主要原因。

1·實驗部分

1.1實驗原料

 羥基丙烯酸樹脂、特殊改性丙烯酸樹脂:荷蘭產(chǎn);異氰酸酯固化劑:柏斯托;二氧化鈦:杜邦;沉淀硫酸鋇:杭州利澳化工有限公司;輕質(zhì)碳酸鈣:上海一環(huán)化工有限公司;炭黑:卡博特;紫外光吸收劑:巴斯夫;分散劑:畢克化學;氣相二氧化硅:瓦克化學;玻璃粉:廣東南海;尼龍粉:德國產(chǎn);納米三氧化二鋁:山西;催干劑:氣體化工;消泡劑、流平劑:瓦克化學;二甲苯:、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯:工業(yè)級市售。

1.2實驗儀器

磨耗儀5151:美國TABER公司;QUV測試機:美國Q－LAB公司;刮板細度計:Sheen公司;黏度計(NK－2#)、拉拔附著力測試儀:英國Elcometer公司;鉛筆硬度計:Sheen公司;直升機雨滴測試儀:企業(yè)自制設(shè)備;分散機:德國DISPERMAT公司;錐型彎曲儀:德國ERICHSEN公司312型;高壓無氣噴涂機:美國GRACO;鹽霧試驗機:德國ERICHSEN公司;環(huán)境測試儀:偉思富奇CA180/40。

1.3配方研究

1.3.1樹脂的選擇

樹脂是涂料的成膜物質(zhì)，樹脂的性能將在最大程度上決定涂料的性能。因此，在設(shè)計葉片涂料配方時，首先要想到的是選擇合適的主體樹脂，雙組分聚氨酯涂料常用的樹脂就是羥基丙烯酸樹脂或飽和聚酯樹脂。丙烯酸樹脂中，羥基的類型、位置直接決定羥基與異氰酸酯樹脂的反應(yīng)活性，從而決定漆膜的化學干燥性。丙烯酸樹脂中所含有的羧基的位置決定其對顏料的潤濕分散性能，并對涂膜的耐水性等形成一定的影響。除羥基、羧基官能團之外，合成丙烯酸樹脂中的其他單體，則對涂膜的硬度、耐候性、柔韌性等性能形成影響，比如甲基丙烯酸甲酯，由于玻璃化溫度較高，通常含量高的樹脂硬度偏高，同時耐候性也好，而苯乙烯單體由于耐候性較差，在樹脂中的含量偏高時會導(dǎo)致耐候性下降，但苯乙烯對漆膜的物理干燥性卻有很大的幫助。通常來講，單一的丙烯酸結(jié)構(gòu)的樹脂需要根據(jù)側(cè)重點的不同去調(diào)整合成配方，但無論如何調(diào)整，卻都難以憑借單一的樹脂達到葉片涂料所要求的全部高性能，比如，丙烯酸能做到很好的干燥性、耐候、硬度、附著力，但在柔韌性、耐磨性方面通常難以兼顧到。在聚酯樹脂中，不同單體、聚合度和結(jié)構(gòu)也造成聚酯樹脂的性能不同。

       根據(jù)飽和聚酯樹脂的微觀結(jié)構(gòu)，可以把聚酯樹脂分為直線型聚酯、微支化聚酯、支化聚酯和高支化聚酯，4種類型的飽和聚酯性能比較如表2。

表2 4種聚酯性能比較

    從表2可見，考慮到葉片涂料的性能要求，聚酯樹脂在干燥性、硬度、耐候等方面通常難以滿足葉片涂料的性能要求，因此，單獨的聚酯樹脂不能用于葉片涂料的制備。而要制得高性能的葉片涂料，普通的丙烯酸樹脂或者聚酯樹脂都難以達到要求，在這種情況，丙烯酸和聚酯的拼用成為一個方向，這也是目前很多從事葉片涂料配方研發(fā)的工程師的選擇，但如果僅僅是簡單地丙烯酸冷拼聚酯，勢必造成有些性能能兼顧到，但有些性能卻比單獨用聚酯或者丙烯酸還要差。而如果從樹脂合成的角度就去思考在丙烯酸樹脂的主鏈結(jié)構(gòu)中引入聚酯結(jié)構(gòu)，兼顧到干燥性、耐候、耐磨、柔韌性、附著力以及其他一些苛刻的要求，就會比單獨的冷拼樹脂效果有質(zhì)的改變。因此，在合成時就進行聚酯改性的丙烯酸樹脂成為理想的選擇。

    1.3.2助劑的選擇

    葉片涂料中使用到的助劑主要有分散劑、流平劑、紫外光吸收劑、耐磨添加劑、催干劑等。

    ①分散劑方面———由于葉片涂料主要是實色漆，配方中使用到的顏填料基本上都是無機的，因此比較容易分散，一般的分散劑即能很好地分散，如BYK－110、BYK－161、BYK－163等，而不需要使用一些特殊分散劑，如超分散劑或者協(xié)同分散劑等。考慮到配方中使用到一定量的消光粉，因此，在生產(chǎn)過程中必須控制好分散工藝，以達到最好的顏料和消光粉的分散效果。

    ②流平劑方面———一般的有機硅類流平劑可作為葉片涂料面漆的流平劑，但需要測試和主體樹脂的相容性，同時，調(diào)整到最佳加入量，既不能出現(xiàn)流平不好，又不能出現(xiàn)暗泡、影響重涂的問題。

    ③老化劑方面———樹脂、顏料對耐候性起決定性作用，耐老化劑的添加會對耐侯性有一些幫助作用，在耐老化劑的選擇方面，需要根據(jù)樹脂的類型和涂料的顏色，比如是清漆、淺色漆或者深色漆而選擇不同的耐老化劑。

    ④催干劑方面———通常有機錫或者有機鉍類催干劑可以作為葉片聚氨酯涂料的催干劑，而胺類催干劑由于耐候性等問題不適宜使用。

    1.3.3溶劑的選擇

    葉片雙組分聚氨酯涂料中溶劑的含量一般不高，主要受高固含量和施工方式的需求。通常配方中應(yīng)該選擇酯類溶劑，如醋酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯作為主溶劑，而芳香烴類的危害性及酮類溶劑的味道限制了其在葉片涂料中的大量使用。

    1.3.4顏料的選擇

    由于耐候性和耐磨性等苛刻的要求，面漆使用到的顏料必須是耐候性好的，而底漆使用的顏填料也必須考慮到打磨性和填充性。

    1.3.5固化劑的選擇

    在聚氨酯涂料中，考慮到耐候性和漆膜延伸率的需要，適合的固化劑是HDI類型的異氰酸酯，在干燥方面，三聚體的干燥性明顯優(yōu)于縮二脲的，因此，HDI三聚體比較適合做葉片涂料的固化劑。

    1.3.6葉片涂料初始參考配方

    基于目前通用的體系是雙組分聚氨酯底漆和雙組分聚氨酯面漆組合，涂料配方需考慮到底漆和面漆性能要求的差異，初始配方如表3和表4。

表3 葉片底漆初始參考配方

表4 葉片面漆初始參考配方