浙江工業大學馮杰/涂書畫團隊成功制備了具有優異抗雨蝕性、高彈性、堅固的疏水涂層,在風機葉片防護領域具有巨大的實際應用潛力。
風電涂層的技術難點
中國自20世紀50年代末,對風力發電開始進行探索研究,1994年在新疆達坂城建成了第一個裝機容量達萬千瓦級的風電場。在2012年,中國取代美國成為世界第一風電大國,風電已經成為我國重要的清潔能源之一。
中國的風場主要分為荒原風場、高山風場、海濱風場,在這些地方風電葉片常常要面臨高溫、高濕、高鹽霧和長日照等環境,葉片材料自身會出現泛黃、老化、磨損等跡象。風電葉片保護涂料的性能是決定葉片實際使用壽命的關鍵因素。
高附著力、高致密度、高彈性、高耐候、低溫柔韌性是高性能風電葉片涂料技術的基本要求。
1、高附著力:涂料耐久性的基礎
2、耐鹽霧:耐化學品、海水及大氣污染的腐蝕
3、耐風蝕、砂蝕:要求涂層高彈性、低溫柔韌性、高強度,抗沖擊
4、耐候性:抗紫外線能力強、耐溫差變化,低溫不脆化
其中,雨水侵蝕是風電葉片面臨的一個巨大挑戰,高速液滴的反復沖擊,以點蝕或剝落的形式對葉片造成損壞。由于葉片表面粗糙度的增加,被侵蝕的葉片導致空氣阻力顯著增加,從而使年發電量減少25%。在風電設備的維護保養中,維修風機葉片是最昂貴、最耗時的,在使用壽命為20年的長期運行中,約占總成本的35%。
另外,由于沿海地區的雨水一般呈弱酸性,長期酸雨浸潤導致聚丙烯酸酯的酯鍵水解,導致涂層脫落;雨水高速沖擊導致脆性涂層開裂,進一步加速了涂層水解。因此涂層具有穩定疏水性和彈性十分重要。
風電場的分布遍布全國,圖源《中國國家地理》2013年8月
環氧樹脂和聚丙烯酸脂是現在市面上常見的風電葉片材料,然而這些涂層容易因雨水高速沖擊而破碎失效。聚氨酯等彈性體涂層會因長期雨水侵蝕而形成孔洞。長期抵抗雨水侵蝕需要較低的表面能,這樣可以降低雨滴沖擊造成的阻力,并避免材料被橫向應力撕裂。
想要獲得超疏水表面,有兩種方法:一是在本身具有低表面能的物質表面構建超疏水所需的微納米粗糙結構;二是在微納米粗糙結構表面接枝低表面能物質或基團。目前研究者們通常采用溶膠凝膠法、刻蝕法、自組裝技術、噴涂法等方法制備穩定性好的超疏水材料。
創新疏水涂層
浙江工業大學馮杰/涂書畫團隊成功制備了一種創新疏水涂層。該研究以封端聚異氰酸酯作為交聯劑,將氟化羥基丙烯酸(FHA)乳液與聚醚多元醇(PPG)交聯,制備出一種高彈性、堅固、耐雨蝕性能優異的疏水涂層。
相關研究成果以“Highly elastic and stable hydrophobic coatings with excellent rain erosion resistance for wind turbine blades”為標題發表在《Progress in Organic Coatings》上。
該涂層具有較低的彈性模量和較大的斷裂伸長率。在酸雨中靜態浸泡7天或動態沖擊2天,該涂層的接觸角仍保持在100°以上,具有持久的疏水性,同時還具有優異的柔韌性和抗沖擊性。
當FHA/PPG的摩爾比為0.7~0.3時,該涂層的抗雨蝕性能最佳。因此,本研究制備的涂層在風機葉片防護領域具有巨大的實際應用潛力。
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