CN101984751B - 用于复合元件的再生性表面性能 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造复合元件的方法，在这里将包括至少一个凝胶涂料(gelcoat)层的多个不同的材料层施用到模具中，和在这里施用树脂来连接所述的层。该方法的新颖之处在于将粒子加入到凝胶涂料中，由此使得包含这样的粒子的凝胶涂料在所制造复合元件的至少一部分上形成最外层。由此获得了具有疏水性的和类似荷叶的表面的复合元件，其产生了良好的自洁性能和其在同时产生了自再生性。本发明此外涉及包含这样的具有粒子的凝胶涂料层的复合元件和涉及使用包含粒子的凝胶涂料来产生再生性自洁性能。

Description

用于复合元件的再生性表面性能
发明领域
本发明涉及一种制造复合元件的方法，在这里将包括至少一个凝胶涂料(gelcoat)层的多个不同的材料层施用到模具中，和其中施用树脂来连接所述的层，并且目的是获得复合元件的自再生性自洁性能。
发明背景
由复合材料制成的部件在日常生活中起到越来越多的作用，并且越来越多的用于结构件，这里获得具有高硬度和强度性能，并且仍然是低重量的部件的可能性是重要的或者有利的。因此，复合结构越来越多的用于不同工业的部件和最终商品的制造中，例如风力涡轮，汽车，货车，航空器，船舶，铁轨，器具，容器，建筑物，防腐蚀，电力和医药工业以及运动装置，野营旅游车等等。
对于大部分部件来说，表面性能起着重要的作用例如诸如高抗UV光性能，硬度，在特定区域上的低摩擦系数，易于维护而不削弱视觉效果的表面，和低的或者高的反射系数等等，这取决于所讨论的部件的具体需要和用途。
疏水性是非常有利的，特别是在许多户外应用中，这产生了自洁和排斥脏物效应，如小颗粒，污染物和昆虫等等更容易用水洗掉，而从该疏水性的表面上除去，这归因于它的低表面能。类似的自洁效应是在具有所谓的荷叶效应的表面上获得的，其特征在于小的凹凸，或者在微米-和/或纳米-尺寸含有截留空气的非常多孔性表面结构。这样的表面在下面的方面中同样是有利的：在降低噪音方面例如由于风力涡轮的叶片所产生的噪音，在使用中和在降低由于包围的流体所产生的流动阻力方面。这样的表面以及它们的制造方法描述在EP1141543，EP0772514，DE102004037812和US7258731等中。但是，带有所述的自洁表面的一个主要的缺点是自洁和排斥脏物效应在相当短的时间之后倾向于失去，这取决于所述部件是如何使用的。该表面性能因此将必须例如通过喷涂，刷涂或者以另外的方式施用新的涂层来更新。这在许多应用中是非常不切实际的或者甚至是不可能进行的程序，并且在全部的情况中都是非常耗时和成本高昂的。
EP1283076描述了一种获得疏水性的表面结构(其是至少部分自再生性的)的方法。该表面是通过将粒子置于载体层之上和之中来形成的。当载体层和其表面上的粒子用旧时，新的粒子逐渐暴露，这再生了该表面性能。所述涂层是通过喷涂，刷涂，喷射等等来施用的，但是，其对于许多应用来说是不利的，因为通过这些方法仅仅会获得相当薄的层厚，这样该层倾向于起皱和不平坦，并且该层的强度将会受到限制。可选择的，为了获得更高强度的较厚表面层，涂料必须通过多个薄层施涂来施用，这因此给该制造方法带来了耗时和不经济的效果。
发明内容
本发明的目标因此是提供一种可选择的方法，用于生产具有再生性自洁表面的复合部件，解决或者至少部分克服上述问题。
根据一方面，本发明涉及一种制造复合元件的方法，其中该方法包含将包括至少一个凝胶涂料(gelcoat)层的不同的材料层施用到模具中，和其中施用树脂来连接所述的层，并且在这里将粒子加入到凝胶涂料中，由此使得包含所述粒子的凝胶涂料在所制造复合元件的至少一部分上形成最外层。
由于凝胶涂料中的粒子，其中的一些将从最终的凝胶涂料化复合表面上突出，由此获得了一种具有疏水性表面和荷叶效应性能的复合元件。该表面由此变成自洁性的，水滴将从该表面上滑落，非常容易的将脏物粒子，有机杂质等与它们一起滑掉。根据该效应，类似荷叶的表面同样在降低由于复合部件例如风力发电机的旋转叶片等所发出的噪音方面也是有利的。此外，具有荷叶效应性能的表面在降低流体阻力(流动阻力)方面也是有利的。
本发明的方法此外在形成自洁表面性能(其是自再生性的)方面是有利的，因为如果该表面由于某些原因而用旧，磨损或者损坏，则新的粒子将自然和自动地暴露出来。该有利的表面性能还可以如下来简单的和容易的更新：将该表面或者部分表面研磨或者抛光到暴露新的粒子所需的程度。
与现有技术的喷涂或者刷涂疏水性涂层的方法相比，所提出的方法的有利之处在于非常节约时间，因为完全避免了喷涂或者刷涂的加工步骤。该方法因此代表了材料大的节约，并且是非常廉价的。同样，在制造和生产中没有增加额外的或者新的加工步骤或者时间，其因此是直线执行的和高度成本有效的。此外，将粒子加入到凝胶涂料中是有利的，因为与喷涂或者刷涂到脱模部件上的涂料或者油漆层相比(在这里一次仅仅能够施涂一个薄层)，据此获得了更厚的层。这依次意味着本发明所制造的凝胶涂料化复合部件的用旧或者磨损时间更长(因为表面层更厚)和该部件的寿命相应变长。
在一种实施方案中，所述的制造方法进一步包含摩擦该复合元件的至少一部分，由此至少部分地暴露一些所述的粒子。这样作的有利之处在于以一种非常简单和快速的方式提高了表面的疏水性能和荷叶效应。该摩擦可以例如通过抛光，喷砂，研磨等等来进行。
在另外一种实施方案中，粒子的加入是在将凝胶涂料施用到模具中之后和/或之前进行的。
在一种实施方案中，该制造方法进一步包含施用薄层，例如通过用含氟化合物喷涂所述表面的至少一部分来施用，因此以一种简单的方式进一步提高了表面的疏水性能。
在另外一种实施方案中，该部件的至少一个材料层是纤维增强材料和/或塑料泡沫材料。
在仍然的另外一种实施方案中，上述方法是一种真空成形方法，其是用于生产不同种类的复合部件的一种非常普通和有效的方法。
在仍然的另外一种实施方案中，根据上述任何一个方法所制造的复合元件是风力发电机的部件例如诸如叶片或者机舱。
根据另外一种方面，本发明涉及一种复合元件，其包含凝胶涂料最外层，这里该最外层包含多个至少部分暴露的粒子。这样的复合元件由于前述的与制造方法有关的原因而是有利的。
在一种实施方案中，上述复合元件中的粒子选自TiO2，Al2O3，SiO2和ZrO2中的一种或多种材料。这些材料全部有利于形成具有前述疏水性和类似荷叶性能的表面。TiO2粒子是更有利的，因为当TiO2粒子受到来自例如太阳的UV光时，其会分解或者破坏有机杂质，脏物和油脂。由此脏物可以更容易的用流体例如诸如雨水清洗掉或者清扫掉。
在一种另外的实施方案中，上述复合元件包含具有和不具有至少部分地暴露的粒子二者的表面区域。因此获得了这样的结果，即，粒子可以加入到其中自洁性能是有利的区域中。此外，据此获得了具有排斥冰性能的表面，因为暴露的粒子充当了种子，在这里将会引发和生长雪片和冰晶，但是然后在覆盖性冰片形成之前，由于无包围性粒子区域而最终会脱落。
在另外一种实施方案中，所述的表面区域是以图案排列的。
根据其他方面，本发明涉及风力发电机部件例如诸如叶片或者机舱或者涉及船用部件例如诸如船体，其特征在于包含了前述的复合元件。优点如上所述。
本发明最后涉及包含粒子例如TiO2，Al2O3，SiO2和/或ZrO2的凝胶涂料的用途，其用于产生再生性自洁性能。基于与前述的方法和复合元件所具有的同样的理由，这同样是有利的
附图说明
在下面，将参考附图来描述本发明优选的实施方案，在这里
图1表示了本领域已知的复合元件的制造，
图2表示了根据本发明的一种实施方案，使用包含粒子的凝胶涂料来制造复合元件，并且具有放大显示的该凝胶涂料层，
图3表示了复合元件的具有自洁性能的再生性表面，
图4表示了根据本发明的一种实施方案所制造的用于风力发电机的叶片，并且具有放大显示的表面，和
图5表示了一种复合元件和它的放大显示的表面，具有部分暴露的和图案排列的表面。
具体实施方式
图1表示了复合元件或者层合体101的制造，在这种情况中是通过树脂注射或者注入或者通过本领域已知的树脂转移模制来进行的。在该层合体中的材料层102在这里完全的或者部分的依靠真空用树脂填充的。该生产方法经常例如用于风力涡轮叶片、船舶、车辆等的部件生产中。
成形件或者模具103可以首先用蜡状物质109在其面上涂覆，来防止模制产品与模具之间的粘接。这种蜡化表面在它需要重新应用之前，可以重新用于大于一个的模制方法。其后，将凝胶涂料104的层施用到该表面上，并且该凝胶涂料能够凝胶。这为最终的高抛光产品带来了某些硬的表面。许多材料层102布置在模具103中，并且在一些区域中，核心材料(例如巴沙轻木(balsawood))也可以布置在纤维层之间，形成夹层构造。材料层102可以例如包含纤维材料例如玻璃纤维或者碳纤维的层或者垫，并且可以是织造的和/或非织造的或者是短切纤维和/或塑料泡沫材料。树脂是经由许多入口105和所谓的树脂分配单元或者隔离器(未示出)(其最经常是如图1所示布置在层102上)来分配和灌注的。真空袋或者箔106覆盖着所述的层和密封着所述的模具，真空袋或者箔106可以以几种方式沿着成形件的边缘附着(未示出)，以使得在该真空箔和模具之间的模具腔被密封。模腔中的负压是在注射之前形成的，所述的注射例如是沿着模具边缘或者成形件的管道。其后树脂是从入口105分配，并且向外和向下穿过树脂分配元件，通过真空和/或注射引起的灌注来填充层102，在这里该树脂是真空供给的。
当生产复合元件101时，除去至少部分固化的真空箔106，并且经常还除去树脂入口和树脂分配元件，或者可以任选的留下来变成最终层合体的整体部件。
作为此处使用的，术语“凝胶涂料(gelcoat)”104是本领域技术人员公知的。它代表一种坚韧的树脂保护层，其是在任选的包含增强纤维的材料层布置之前，喷涂或者刷涂到模具中的。材料层是当该涂层一旦“凝胶化”时布置的，因此得名。凝胶涂料还保护下面的层合体抗UV光，磨损和水解。凝胶涂料经常颜料化来提供着色的光泽表面，其改善了制品的美学外观。该凝胶涂料此外有利于在需要时提供良好的维修部件外表面的可能性，而没有严重的视觉效果削弱或者损害它的材料性能。凝胶涂料材料还可以包括颜料来获得着色产品。这样的产品因此在模制加工之后不需要涂漆。
如所述的，凝胶涂料104通常是如下来施用到模具103中的：以单层或者任选的非常低的相对厚的层进行喷涂，刷涂或者滚涂，这产生了0.4-0.8mm量级的最终厚度。如所述的，该凝胶涂料可以以单层或者稍厚的层施用到模具中。如果油漆或者涂料被施用到另外的完成部件的外部(这里该油漆因此必须以多个薄层施用，目的是获得与通过凝胶涂料所获得的相同强度和附着力的层和高的抛光)，则这是不可能的。
用于复合制品的凝胶涂料通常是多组分配方，其组成为基础树脂系统，该系统具有混入其中的不同的填料，颜料和其他添加剂。虽然这些成分的选择对于确定凝胶涂料的最终性能以及它对于给定应用的适用性具有重要的作用，但是基础树脂系统的选择指示了作为整体的凝胶涂料的整体最终使用性能。公知的是不饱和酯基聚合物通常用作复合凝胶涂料系统的基本主链，这具体的归因于对于耐久性和美观的要求。其他常规的凝胶涂料是基于环氧化物，乙烯基酯，或者聚氨酯基树脂。
根据现有技术，复合部件可以如下来获得具有疏水性和/或荷叶效应的外表面：通过施涂不同的专用涂料，油漆或者薄膜或者通过特定的表面处理例如刻蚀来获得类似荷叶的凹凸表面。
根据本发明的一种实施方案，疏水性的自洁表面是如图2的概述来获得的，图2表示了复合元件101的制造。放大显示部分表示了复合元件的部件，最靠近模具103的几个材料层102和凝胶涂料层104表示在该图右边。该制造方法是没有变化的，并且如图1所示，仅仅在这里凝胶涂料层104包含了另外一种材料的粒子201。在将凝胶涂料施加到模具103之前或者之后，将粒子201加入到凝胶涂料104中，并且由此或多或少的分布到凝胶涂料的整个厚度上。该粒子可以例如如下来加入到凝胶涂料中：通过将它们简单的混合到该凝胶涂料中，通过将该粒子喷涂或者分布到模具中的凝胶涂料层上或者通过本领域技术人员已知的其他方法。当复合部件101完成并且从模具103中除去时，包含粒子201的凝胶涂料层104然后构成所述部件的最外层，如图3，4和5所示。一些粒子201然后将暴露在表面301上，在微米和纳米尺寸上形成凸起302。这些粒子201为该复合表面提供了许多的小凸起，赋予该复合部件的表面以疏水性，导致快速的小滴形成。当该小滴从所述表面滑落时，它们吸收了脏物粒子，因此清洁了所述表面。
粒子201可以例如是选自下面的一种或多种：硅酸盐，掺杂的硅酸盐，矿物质，金属氧化物，二氧化硅，和聚合物，例如诸如TiO2，Al2O3，SiO2，ZrO2，矿物质例如magadit，二氧化硅例如Aerosil，或者喷雾干燥的聚四氟乙烯(PTFE)。在一种实施方案中使用金红石TiO2的粒子。
粒子201(其可以有利的是有角的或者有边缘的)的尺寸是200-800nm量级的。例如已经观察到尺寸为大约400nm的金红石TiO2粒子能够起到良好的作用。该粒子在凝胶涂料中的加入量可以对应于包含该粒子的整个凝胶涂料层体积的一半左右。为了提高该粒子的效应，重要的是该粒子不聚集在一起或者在整个凝胶涂料层中处处完全密封填充。粒子间的最小空间可以通过加入不同尺寸的粒子来保证，例如通过使用尺寸大约为400nm的较大粒子和另外量的尺寸为所述的40nm量级的较小的粒子。该较小的粒子因此将它们作为填充材料置于较大的粒子之间。该较小的粒子可以是不同于较大粒子的另一种材料，但是也可以是相同的材料。
为了进一步暴露植入凝胶涂料中的最外面的粒子来提高复合表面的荷叶效应，所述复合部件可以进行摩擦或者以其他方式人工磨旧。
在本发明另外一种实施方案中，复合表面的疏水性是如下来进一步提高的：用例如含氟物质或者化合物喷涂或者以类似的方式处理所述的表面。
因此粒子201不仅存在于凝胶涂料化的复合部件的表面处，而且进一步深入到凝胶涂料层中，因此该自洁表面是再生性的，如图3所示。在这里，在横截面图中，可以在左边的图3A中看到处于初始阶段的一部分的复合部件，和在右边(图3B)看到在一定阶段中的一部分复合部件，这里该复合部件已经经历了某些量的自然的或者人工的磨损和降解。从该图可见，如果该复合部件被磨损，并且凝胶涂料层厚度304降低，则新的粒子303变成暴露的，并且从该复合表面上突出来。该复合表面层的降解会由于自然磨损，环境气氛中的盐，灰尘粒子，昆虫，其他部件的摩擦等等引起，但是，该表面的疏水性和自洁性在一种实施方案中还可以简单的通过摩擦该复合部件来更新，例如通过抛光，研磨，喷砂等等。
所述的具有自洁性的再生性表面可以制造，并且在不同种类的凝胶涂料化复合部件上是有利的，例如风力发电机的叶片，如图4的横截面图所示。详细表示了该表面的放大显示部分，在这里可以看到复合部件101的最外面的凝胶涂料层104具有从表面301上突出的多个粒子201，这赋予了该表面自洁性。如上所述，粒子201还存在于凝胶涂料104的内部(未示出)，由此有利的疏水性表面性能变成可自再生性的，因为当旧表面被磨掉时，新的粒子开始暴露，并且从该表面上突出。
在本发明的一种实施方案中，所述的包含粒子的凝胶涂料层仅仅施用到复合部件的特定区域，在该区域中自洁性是最有利的。这可以例如处于风力涡轮叶片401的螺旋桨前缘404周围的区域中，在这里在使用过程中经常会观察到叶片最容易磨损和损坏，这归因于灰尘粒子，小昆虫和风中的盐。
本发明的包含粒子的凝胶涂料还能够有利的用于复合部件例如船舶部件(例如诸如船体)，风力发电机用的塔，机舱等等，车辆部件，高压线用的绝缘体等。
图5表示了复合元件101，401(在该情况中是风力发电机的叶片)和它的表面301的放大显示部分501，该表面具有部分暴露，并且植入复合元件的凝胶涂料层中的粒子201。在该实施方案中，将粒子201以这样的方式加入到凝胶涂料中，以使得它们是以图案排列的，具有包含粒子的区域502和不含粒子的其他区域503。由此获得了能够充当种子的粒子，这里在某些天气条件中，该种子通过冰和雪花开始生长。但是，因为包含暴露粒子的区域502被不含粒子的区域503所限定和包围，因此积累的冰和/或雪最后将从该表面掉落，由此防止了冰片完全覆盖该复合部件。在用于风力涡轮的叶片的情况中，该效应将是在叶片表面上产生的雪花接下来在旋转的叶片后面落下。如果将该暴露的粒子201置于相当大的间距中，则将会获得相同的作用。
应当指出上述实施方案说明而非限制本发明，和本领域技术人员能够设计许多可选择的实施方案，而不脱离附加的权利要求的范围。在权利要求中，置于括号中的任何参考标记不应当解释为对权利要求的限制。措词“包含”不排除不同于权利要求中所列出的这些的其他元件或者步骤的存在。

Claims (19)

1.一种制造复合元件的方法，其中该方法包含将包括至少一个凝胶涂料层的不同的材料层施用到模具中，和其中施用树脂来连接所述的层，特征在于将粒子加入到所述凝胶涂料中，由此使得包含所述粒子的凝胶涂料在所制造复合元件的至少一部分上形成具有至少部分暴露的粒子的最外层，所述粒子的尺寸是200-800nm量级，其中所述复合元件包含具有和不具有所述至少部分暴露的粒子的表面区域，所述表面区域以图案排列。
2.根据权利要求1的方法，其进一步包含摩擦该复合元件的至少一部分，由此至少部分地暴露一些所述的粒子。
3.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中所述的粒子的加入是在所述的凝胶涂料施用到模具之后进行的。
4.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中所述的粒子的加入是在所述的凝胶涂料施用到模具之前进行的。
5.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其进一步包含施用薄层。
6.根据权利要求5的方法，其中所述薄层通过用含氟化合物喷涂所述复合元件的表面的至少一部分来施用。
7.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中至少一个材料层是纤维增强材料。
8.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中至少一个材料层是塑料泡沫材料。
9.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中该方法是真空成形方法。
10.根据权利要求1或者权利要求2的方法，其中该复合元件是风力发电机的部件。
11.根据权利要求10的方法，其中所述风力发电机的部件是叶片或者机舱。
12.一种复合元件，其包含凝胶涂料最外层，特征在于该最外层包含多个至少部分暴露的粒子，所述粒子的尺寸是200-800nm量级，其中所述复合元件包含具有和不具有所述至少部分暴露的粒子的表面区域，所述表面区域以图案排列。
13.根据权利要求12的复合元件，特征在于所述的粒子是选自TiO2，Al2O3，SiO2和ZrO2的一种或多种材料。
14.一种用于风力发电机的部件，特征在于其包含根据权利要求12的复合元件。
15.根据权利要求14所述的用于风力发电机的部件，其为叶片或者机舱。
16.一种船用部件，特征在于其包含根据权利要求12的复合元件。
17.根据权利要求16所述的船用部件，其为船体。
18.包含至少部分暴露的粒子的凝胶涂料用于提供再生性自洁性能的用途，所述粒子的尺寸是200-800nm量级，其中所述凝胶涂层包含具有和不具有所述至少部分暴露的粒子的表面区域，所述表面区域以图案排列。
19.根据权利要求18所述的用途，其中所述粒子为TiO2，Al2O3，SiO2和/或ZrO2。
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