突破!抗雨蚀性、高弹性、坚固疏水涂层,专为风机叶片研制!
2025-03-07 14:26:53 作者:冯杰/涂书画团队 来源:浙江工业大学 分享至:

 

 

浙江工业大学冯杰/涂书画团队成功制备了具有优异抗雨蚀性、高弹性、坚固的疏水涂层,在风机叶片防护领域具有巨大的实际应用潜力。

 

 

 

风电涂层的技术难点

 

中国自20世纪50年代末,对风力发电开始进行探索研究,1994年在新疆达坂城建成了第一个装机容量达万千瓦级的风电场。在2012年,中国取代美国成为世界第一风电大国,风电已经成为我国重要的清洁能源之一。

 

中国的风场主要分为荒原风场、高山风场、海滨风场,在这些地方风电叶片常常要面临高温、高湿、高盐雾和长日照等环境,叶片材料自身会出现泛黄、老化、磨损等迹象。风电叶片保护涂料的性能是决定叶片实际使用寿命的关键因素。

 

高附着力、高致密度、高弹性、高耐候、低温柔韧性是高性能风电叶片涂料技术的基本要求。

1、高附着力:涂料耐久性的基础

2、耐盐雾:耐化学品、海水及大气污染的腐蚀

3、耐风蚀、砂蚀:要求涂层高弹性、低温柔韧性、高强度,抗冲击

4、耐候性:抗紫外线能力强、耐温差变化,低温不脆化

 

其中,雨水侵蚀是风电叶片面临的一个巨大挑战,高速液滴的反复冲击,以点蚀或剥落的形式对叶片造成损坏。由于叶片表面粗糙度的增加,被侵蚀的叶片导致空气阻力显著增加,从而使年发电量减少25%。在风电设备的维护保养中,维修风机叶片是最昂贵、最耗时的,在使用寿命为20年的长期运行中,约占总成本的35%。

 

另外,由于沿海地区的雨水一般呈弱酸性,长期酸雨浸润导致聚丙烯酸酯的酯键水解,导致涂层脱落;雨水高速冲击导致脆性涂层开裂,进一步加速了涂层水解。因此涂层具有稳定疏水性和弹性十分重要。

 

风电场的分布遍布全国,图源《中国国家地理》2013年8月

 

环氧树脂和聚丙烯酸脂是现在市面上常见的风电叶片材料,然而这些涂层容易因雨水高速冲击而破碎失效。聚氨酯等弹性体涂层会因长期雨水侵蚀而形成孔洞。长期抵抗雨水侵蚀需要较低的表面能,这样可以降低雨滴冲击造成的阻力,并避免材料被横向应力撕裂。


想要获得超疏水表面,有两种方法:一是在本身具有低表面能的物质表面构建超疏水所需的微纳米粗糙结构;二是在微纳米粗糙结构表面接枝低表面能物质或基团。目前研究者们通常采用溶胶凝胶法、刻蚀法、自组装技术、喷涂法等方法制备稳定性好的超疏水材料。

 

创新疏水涂层


浙江工业大学冯杰/涂书画团队成功制备了一种创新疏水涂层。该研究以封端聚异氰酸酯作为交联剂,将氟化羟基丙烯酸(FHA)乳液与聚醚多元醇(PPG)交联,制备出一种高弹性、坚固、耐雨蚀性能优异的疏水涂层。

 

相关研究成果以“Highly elastic and stable hydrophobic coatings with excellent rain erosion resistance for wind turbine blades”为标题发表在《Progress in Organic Coatings》上。

 

 

该涂层具有较低的弹性模量和较大的断裂伸长率。在酸雨中静态浸泡7天或动态冲击2天,该涂层的接触角仍保持在100°以上,具有持久的疏水性,同时还具有优异的柔韧性和抗冲击性。

 

当FHA/PPG的摩尔比为0.7~0.3时,该涂层的抗雨蚀性能最佳。因此,本研究制备的涂层在风机叶片防护领域具有巨大的实际应用潜力。

 

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