CN104530974A - 一种防覆冰涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防覆冰涂料，由A组分和B组分组成，A组分和B组分的质量比为(4-7):1，A组分的质量百分比组成包括：固含量为20-70%的氟硅树脂20-80%，消泡剂0.05-2%，流平剂0.05-2%，流变助剂0.05-2%，光稳定剂0.05-5%，消光剂0.05-2%，催干剂0.05-2%，金红石钛白粉10-60%，分散剂0.1-20%，A溶剂20-70%；B组分的质量百分比组成包括：多异氰酸酯固化剂20-80%，B溶剂20-80%。本发明的防覆冰涂料形成的防覆冰涂层表面能低，疏水性好，能够有效降低基材的冰黏附强度，且具有优越的耐候性和耐磨性，硬度高，对基材附着力强，应用于风电叶片、电线电缆等需要防覆冰的冷表面，能够有效缓解冷表面的覆冰现象，能够保证风电叶片、电线电缆等的高效工作并延长其使用寿命。

Description

一种防覆冰涂料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及涂料化工技术领域，具体涉及一种防覆冰涂料及其制备方法与应用。

背景技术

风电、通信、电力、航空和运输等设备的覆冰现象给人们的生产、生活带来诸多不便，严重时会造成重大经济损失，因此如何解决关键部件表面结冰问题一直是国内外的研究热点。

例如，风能作为一种绿色无污染、可持续发展的新能源，已成为人类能源的重要组成部分。风电叶片表面在冬季极易结冰，影响风机的动力平衡，而风电叶片转速较高，离心力较大，在严重失衡情况下，叶片将发生断裂，造成较大损失，甚至危及人身安全，后果不堪设想。近年来出来了以下几种解决方案：一种方法是利用叶轮旋转时产生的离心力将冰甩掉，但会加重机体载荷，导致加速元件老化；二是把风电叶片涂成黑色，但是夏天风电叶片易产生高温变形，影响风电效率。专利CN102562479A通过一种叶片除冰系统监测叶片温度，若叶片温度过低，内部热循环给叶片加热，但这种方法能耗大，在严寒地区会因加热不足而导致覆冰现象难以有效消除。风电叶片涂料可一定程度上缓解风电叶片的覆冰问题。我国风电技术起步较晚，风电叶片涂料技术最初完全由国外引进，发展速度缓慢，但是随着我国风电产业的蓬勃发展，风电叶片涂料也得到了快速发展；专利CN103992707A公开了一种高性能风电叶片防护涂料及其制备方法，使用羟基丙烯酸树脂作为主要成膜物质，但是仍然无法满足风电行业对于风电叶片等防覆冰的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种疏水性好、能够降低基材表面的冰黏附强度的防覆冰涂料及其制备方法与应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种防覆冰涂料，由A组分和B组分组成，所述的A组分和所述的B组分的质量比为(4-7):1，所述的A组分的质量百分比组成包括：固含量为30-70％的氟硅树脂20-80％，消泡剂0.05-2％，流平剂0.05-2％，流变助剂0.05-2％， 光稳定剂0.05-5％，消光剂1-8％，催干剂0.05-2％，金红石钛白粉10-60％，分散剂0.1-20％，A溶剂20-70％；所述的B组分的质量百分比组成包括：多异氰酸酯固化剂20-80％，B溶剂20-80％。

由于风电叶片、电线电缆等的工作环境大多较为恶劣，要求较长的使用寿命，因此对涂层的要求非常高。使用本发明以氟硅树脂为主成分的涂料涂覆于基材表面后固化成膜，形成的防覆冰涂层具有优越的耐候性、硬度和耐磨性，另外本发明的防覆冰涂料以氟硅树脂为主成分，氟硅树脂综合了氟碳树脂和有机硅树脂的特性，涂料成膜后表面能低，疏水性好，能够有效降低基材表面的冰黏附强度，应用于风电叶片、电线电缆等部件表面后，能够缓解表面覆冰现象。

金红石钛白粉具有极佳的耐候性，能够有效提高涂层的遮盖力和耐候性，优选杜邦R960型金红石钛白粉。

一种上述防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)A组分的制备，包括：

原料的准备：按照A组分的质量百分比组成准备好各种原料，并将A溶剂分为两份，将氟硅树脂分为两份；

色浆的制备：将金红石钛白粉、分散剂和第一份氟硅树脂加入到第一份A溶剂中，砂磨分散得到固含量为20-80％的色浆；

将上述色浆、第二份氟硅树脂和第二份A溶剂混合，然后通过机械搅拌、砂磨分散、高速振荡、球磨分散中一种或几种方式进行分散，再加入消泡剂、流平剂、流变助剂、光稳定剂、消光剂和催干剂并混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80％的A组分；

2)B组分的制备：按照B组分的质量百分比组成准备好多异氰酸酯固化剂和B溶剂，将两者混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80％的B组分；

3)配漆：将A组分和B组分按照(4-7):1的质量比进行配漆，搅拌均匀后即得到防覆冰涂料。

所述的A组分的质量百分比组成中还包括1-20％的纳米粒子。添加纳米粒子能够进一步提高涂层硬度、耐磨性及耐候性。

一种含有纳米粒子的上述防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)A组分的制备，包括：

原料的准备：按照A组分的质量百分比组成准备好各种原料，并将分散剂分为两份，将A溶剂分为两份，将氟硅树脂分为两份；

分散液的制备：先将纳米粒子和第一份分散剂加入到第一份A溶剂中，再通过机械搅拌、砂磨分散、超声分散、球磨分散和高速振荡中的一种或几种方式进行分散，得到固含量为5-40％的分散液；

色浆的制备：将金红石钛白粉、第二份分散剂和第一份氟硅树脂加入到第二份A溶剂中，砂磨分散得到固含量为20-80％的色浆；

将上述分散液、色浆和第二份氟硅树脂混合，然后通过机械搅拌、砂磨分散、高速振荡、球磨分散中一种或几种方式进行分散，再加入消泡剂、流平剂、流变助剂、光稳定剂、消光剂和催干剂并混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80％的A组分；

2)B组分的制备：按照B组分的质量百分比组成准备好多异氰酸酯固化剂和B溶剂，将两者混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80％的B组分；

3)配漆：将A组分和B组分按照(4-7):1的质量比进行配漆，搅拌均匀后即得到防覆冰涂料。

所述的纳米粒子为纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米氧化锆中的一种或几种。纳米氧化铝、纳米二氧化硅和纳米氧化锆为高硬度刚性颗粒，在改善涂层的硬度、耐磨性和耐候性方面效果较好。

所述的氟硅树脂为台湾长兴材料工业股份有限公司生产的型号为ETERFLON 4263的产品，ETERFLON 4263为高硬度抗污氟硅高分子树脂，该树脂成膜后具有低表面能抗污、耐磨抗划伤、高耐候、高硬度及柔韧性等特点。

所述的多异氰酸酯固化剂优选德国拜耳公司生产的型号为N3390的产品，选用HDI三聚体作固化剂，可以给涂层提供较高的耐候性、耐磨性及化学稳定性。

所述的消泡剂为德国毕克公司生产的型号为BYK070和BYK088的产品中一种或两种，这些消泡剂可有效消除生产和涂装过程中产生的不利气泡，并消除涂层的表观缺陷，改善涂层质量；所述的流平剂为德国毕克公司生产的型号为BYK300、BYK310和BYK399的产品中一种或几种，这些流平剂通过长波效应和短波效应的调节，能够改进涂膜的流平性和光泽；所述的流变助剂为德国毕克公司生产的型号为BYK405、BYK410和BYK411的产品中一种或几种，一方面流变助剂能够赋予涂料触变性能，有助于涂料施工，另一方面流变助剂的存在能够对颜填料起到防沉降的作用，提高涂料储存稳定性；所述的光稳定剂为德国巴斯夫公司生产的型号为Tinuvin123、Tinuvin292、Tinuvin5050和Tinuvin5060的产品中的一种或几种，在涂料中添加上述受阻胺类光稳定剂，能够降低涂层中的树脂在紫外光辐射下的降解，与紫外光吸收剂配合使用，得到的涂层具有更加优异抗紫外效果；所述的消光剂为赢创德固赛公 司生产的型号为OK412、OK500和OK520的产品中一种或几种，消光剂用于调整涂层的光泽，使涂层符合对风电叶片等基材的低光泽度的要求；所述的催干剂为二丁基二月桂酸锡或辛酸亚锡，催干剂能够催化固化反应，缩短固化时间，提高施工效率；所述的分散剂为德国毕克公司生产的型号为BYK170的产品和赢创德固赛公司生产的型号为TEGO Dispers 610的产品中的一种或两种，这些分散剂具有颜填料亲和基团，改善颜料润湿，缩短涂料制备过程中的研磨所需时间，还能通过空间位阻稳定作用使颜填料分散体稳定分散；所述的A溶剂或所述的B溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯、尼龙酸甲酯、丙酮、丁酮、甲苯和二甲苯中的一种或几种。

上述防覆冰涂料在风电叶片、输配电线路以及电信线缆的防覆冰中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：传统的氟碳树脂具有优异的耐化学品性和低表面能的特点，但是存在对颜填料润湿性差等问题；有机硅树脂兼具有机物和无机物的双重特性，具有优良的耐候性、防污性和化学稳定性，但是有机硅树脂的Si-O键极性大，在亲电或亲核试剂的攻击下容易发生Si-O键的断裂，因此有机硅树脂成膜性较差，对基材附着力不足。而本发明的防覆冰涂料以氟硅树脂为主成分，氟硅树脂则综合了氟碳树脂和有机硅树脂的优异性能，可弥补二者的不足之处，形成的涂层与聚酯、聚氨酯、氟碳等树脂形成的涂层相比，具有表面能低，疏水性好，冰黏附强度低等优点，应用于冷表面可以有效缓解冷表面在寒冷潮湿环境下的覆冰现象；另外，本发明的氟硅树脂防覆冰涂料形成的防覆冰涂层还具有卓越的耐候性，硬度高，对基材附着力强，而且氟硅树脂形成的涂层在低温下仍然能保有这些优异的性能。本发明防覆冰涂料可应用于风电叶片、架空输电导线、电厂高压线等输电线路、电信线缆以及各种需要防覆冰的场合，确保设备在寒冷恶劣环境下的正常工作，保证风电叶片、电线电缆等的高效工作并延长其使用寿命，减少财产损失，降低安全事故的发生。

附图说明

图1为空白玻璃钢板、具有四氟树脂涂料固化涂层的玻璃钢板和实施例1-3的具有防覆冰涂层的冰黏附强度的测试结果。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1的防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)取25g金红石钛白粉和20g氟硅树脂ETERFLON 4263(55±1％固含量，羟值110±5)和1.5g分散剂BYK170加入到13g醋酸丁酯溶剂中，球磨分散30min得到研磨色浆，往色浆 中加入30g氟硅树脂ETERFLON 4263、12g醋酸丁酯溶剂、0.1g消泡剂BYK088、0.1g流平剂BYK399、0.2g流变助剂BYK411、1g光稳定剂Tinuvin123、5g消光剂OK500和0.1g催干剂二月桂酸二丁基锡，混合均匀过滤包装得到A组分；

2)取N3390固化剂10g，用10g醋酸丁酯稀释剂稀释过滤包装得B组分；

3)将上述A组分和B组分进行配漆，机械搅拌均匀得到实施例1的防覆冰涂料。

实施例2的防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)取5g纳米二氧化硅、20g金红石钛白粉和20g氟硅树脂ETERFLON 4263(55±1％固含量，羟值110±5)和2g分散剂TEGO Dispers 610加入到18g醋酸丁酯溶剂中，砂磨分散30min得到研磨色浆，往色浆中加入30g氟硅树脂ETERFLON 4263、7g醋酸丁酯溶剂、0.1g消泡剂BYK070、0.1g流平剂BYK310、0.1g光稳定剂Tinuvin292、0.2g流变助剂BYK405、5g消光剂OK412和0.1g催干剂二月桂酸二丁基锡，混合均匀过滤包装得到A组分；

2)取N3390固化剂10g，用10g醋酸丁酯稀释剂稀释过滤包装得B组分；

3)将上述A组分和B组分进行配漆，机械搅拌均匀得到实施例2的防覆冰涂料。

实施例3的防覆冰涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)取2g纳米氧化铝和0.1g分散剂TEGO Dispers 610加入到10g醋酸丁酯中，通过超声进行分散30min，得到纳米氧化铝分散液，取23g金红石钛白粉、1g分散剂TEGO Dispers 610、20g氟硅树脂ETERFLON 4263(55±1％固含量，羟值110±5)加入到15g溶剂醋酸丁酯中，砂磨分散15min得到研磨色浆，将上述纳米氧化锌分散液、研磨色浆、30g氟硅树脂ETERFLON 4263、0.1g消泡剂BYK070、0.3g流平剂BYK300、0.2g流变助剂BYK410、0.1g光稳定剂Tinuvin5050、5g消光剂OK520和0.1g催干剂辛酸亚锡，混合均匀过滤包装得到A组分；

2)取N3390固化剂10g，用10g醋酸丁酯稀释剂稀释过滤包装得B组分；

3)将上述A组分和B组分进行配漆，机械搅拌均匀得到实施例3的防覆冰涂料。

首先测试没有防覆冰涂层的空白玻璃钢板表面的冰黏附强度，作为对比，还测试了具有四氟树脂涂料固化涂层的玻璃钢板的冰黏附强度；然后将实施例1-3的防覆冰涂料分别涂覆在玻璃钢板表面，然后分别将玻璃钢板置于100℃的烘箱中加热固化1h成膜，得到具有防覆冰涂层的玻璃钢板，最后测试其冰黏附强度。

上述空白玻璃钢板、具有四氟树脂涂料(以四氟树脂为主成分的涂料)固化涂层的玻璃钢板和具有实施例1-3的防覆冰涂料固化涂层的玻璃钢板的冰黏附强度的测试条件和测试方法相同，测试条件为：基材温度-15℃，空气相对湿度40％；测试方法为：将玻璃钢板样片 固定安装于冷台上，使样片下表面与冷台表面充分接触，再将9个圆柱形无底容器间隔放置于样片上表面，保持一定距离，每个容器的内截面积为1cm²，将冷台降温至-15℃，然后向9个容器中分别注入1mL纯净水，水面高度为1cm，9个容器内的水结成冰后在-15℃下平衡5h，得到9个结冰样片，然后使用自动控制的推力计紧贴基材表面沿水平方向以18mm/min的速度分别推动9个结冰样品，根据测得的推力与容器内截面积分别计算，得到9个样品冰黏附强度数据，最后将9个样品测试得到的数据取平均值，得到最终冰黏附强度。空白玻璃钢板、具有四氟树脂涂料固化涂层的玻璃钢板和实施例1-3的具有防覆冰涂层的冰黏附强度的测试结果见图1，无涂层玻璃钢表面冰黏附强度为571.6±113.7kPa，具有四氟树脂样品的涂层的玻璃钢板表面冰黏附强度为223.6±59.1kPa，具有实施例1防覆冰涂层的玻璃钢板表面冰黏附强度为159.8±41.9kPa，具有实施例2防覆冰涂层的玻璃钢板表面冰黏附强度为142.3±53.6kPa，具有实施例3防覆冰涂层的玻璃钢板表面冰黏附强度为140.1±43.5kPa，由此可见，涂覆本发明的防覆冰涂料形成防覆冰涂层后，玻璃钢板表面的冰黏附强度显著降低。

另外，实施例1-3的防覆冰涂料形成的防覆冰涂层与传统以四氟树脂为主成分的涂料形成的涂层的基本性能对比见表1，由表1可见，与四氟树脂涂料涂层相比，本发明防覆冰涂料具有更加优异的综合性能。

表1四氟树脂涂料固化涂层与本发明防覆冰涂料固化涂层基本性能对比

以上实施例中，部分所用原料介绍如下：ETERFLON 4263：透明、无杂质、均匀液体，固含量：55±1％，密度1.05-1.20g/ml，羟值(mgKOH/g固体)：110±5，酸值：<3mgKOH/g； BYK170：含颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚物溶液，酸值：11mg KOH/g，20℃密度：1.02g/ml，闪点＞26℃，20分钟/150℃下不挥发份30％；TEGO Dispers 610：高分子量不饱和聚羧酸溶液，酸值约140mg KOH/g，20℃密度：0.94-0.96g/ml，闪点＞26℃，20分钟/150℃下不挥发份49.0-51.0％；BYK088：破泡聚合物和聚硅氧烷溶液，不挥发份3.3％；BYK070：破泡聚合物和聚硅氧烷溶液，不挥发份9％；BYK399：不含有机硅的聚合物型流平剂，20℃密度：1.07g/ml，有效物质＞98％，闪点＞100℃；BYK310：聚酯改性聚二甲基硅氧烷溶液，20℃密度：1.07g/ml，闪点25℃，10分钟/150℃下不挥发份25％；BYK300：聚醚改性聚二甲基硅氧烷溶液，20℃密度：0.94g/ml，闪点23℃，10分钟/150℃下不挥发份52％；BYK411：改性脲溶液，20℃密度：1.05g/ml，闪点91℃，不挥发份27％；BYK405：聚羟基羟酸酰胺溶液，20℃密度：0.93g/ml，不挥发份52％，闪点29℃；BYK410：改性脲溶液，20℃密度：1.13g/ml，闪点91℃，不挥发份52％；Tinuvin123：受阻胺稳定剂，外观为浅黄色液体，低碱性，不与酸性组分反应；Tinuvin292：受阻胺稳定剂，液体，能有效防止开裂、失光，室温下不会结晶析出，易液化；Tinuvin5050：受阻胺稳定剂，琥珀色粘稠液体，是紫外线吸收剂和受阻胺稳定剂的复合型产品；除Tinuvin123、Tinuvin292和Tinuvin5050外，光稳定剂还可以采用Tinuvin5060：与Tinuvin5050类似，为琥珀色粘稠液体，是紫外线吸收剂和受阻胺稳定剂的复合型产品；OK500：白色粉末，pH值(水中5％含量)：6，硫酸盐含量：1％，粒径：6.3um，压实密度：130g/L，密度：1.9g/cm³，吸油量220g/100g，SiO₂含量98％；OK412：白色粉末，pH值(水中5％含量)：6，硫酸盐含量：1％，粒径：6.3um，压实密度：130g/L，密度：1.9g/cm³，吸油量220g/100g，SiO₂含量98％；OK520：白色粉末，pH值(水中5％含量)：6，硫酸盐含量：1％，粒径：6.5um，压实密度：80g/L，密度：1.9g/cm³，吸油量270g/100g，SiO₂含量98％；N3390：脂肪族聚异氰酸酯(六亚甲基二异氰酸酯三聚体)，20℃密度：1.13g/ml，NCO含量：1.3％，不挥发组分：1％，23℃粘度150mPa.s，HDI单体＜0.15％，闪点：50℃。

Claims (9)

1.一种防覆冰涂料，其特征在于由A组分和B组分组成，所述的A组分和所述的B组分的质量比为(4-7):1，所述的A组分的质量百分比组成包括：固含量为20-70%的氟硅树脂20-80%，消泡剂0.05-2%，流平剂0.05-2%，流变助剂0.05-2%，光稳定剂0.05-5%，消光剂1-8%，催干剂0.05-2%，金红石钛白粉10-60%，分散剂0.1-20%，A溶剂20-70%；所述的B组分的质量百分比组成包括：多异氰酸酯固化剂20-80%，B溶剂20-80%。

2.根据权利要求1所述的一种防覆冰涂料，其特征在于所述的A组分的质量百分比组成中还包括1-20%的纳米粒子。

3.根据权利要求2所述的一种防覆冰涂料，其特征在于所述的纳米粒子为纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米氧化锆中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种防覆冰涂料，其特征在于所述的氟硅树脂为台湾长兴材料工业股份有限公司生产的型号为ETERFLON 4263的产品。

5.根据权利要求1所述的一种防覆冰涂料，其特征在于所述的多异氰酸酯固化剂为德国拜耳公司生产的型号为N3390的产品。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种防覆冰涂料，其特征在于所述的消泡剂为德国毕克公司生产的型号为BYK070和BYK088的产品中一种或两种；所述的流平剂为德国毕克公司生产的型号为BYK300、BYK310和BYK399的产品中一种或几种；所述的流变助剂为德国毕克公司生产的型号为BYK405、BYK410和BYK411的产品中一种或几种；所述的光稳定剂为德国巴斯夫公司生产的型号为Tinuvin123、Tinuvin292、Tinuvin5050和Tinuvin5060的产品中的一种或几种；所述的消光剂为赢创德固赛公司生产的型号为OK412、OK500和OK520的产品中一种或几种；所述的催干剂为二丁基二月桂酸锡或辛酸亚锡；所述的分散剂为德国毕克公司生产的型号为BYK170的产品或赢创德固赛公司生产的型号为TEGO Dispers 610的产品中的一种或两种；所述的A溶剂或所述的B溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯、尼龙酸甲酯、丙酮、丁酮、甲苯和二甲苯中的一种或几种。

7.一种权利要求1所述的防覆冰涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）A组分的制备，包括：

原料的准备：按照A组分的质量百分比组成准备好各种原料，并将A溶剂分为两份，将氟硅树脂分为两份；

色浆的制备：将金红石钛白粉、分散剂和第一份氟硅树脂加入到第一份A溶剂中，砂磨分散得到固含量为20-80%的色浆；

将上述色浆、第二份氟硅树脂和第二份A溶剂混合，然后通过机械搅拌、砂磨分散、高速振荡、球磨分散中一种或几种方式进行分散，再加入消泡剂、流平剂、流变助剂、光稳定剂、消光剂和催干剂并混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80%的A组分；

2）B组分的制备：按照B组分的质量百分比组成准备好多异氰酸酯固化剂和B溶剂，将两者混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80%的B组分；

3）配漆：将A组分和B组分按照(4-7):1的质量比进行配漆，搅拌均匀后即得到防覆冰涂料。

8.一种权利要求2所述的防覆冰涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）A组分的制备，包括：

原料的准备：按照A组分的质量百分比组成准备好各种原料，并将分散剂分为两份，将A溶剂分为两份，将氟硅树脂分为两份；

分散液的制备：先将纳米粒子和第一份分散剂加入到第一份A溶剂中，再通过机械搅拌、砂磨分散、超声分散、球磨分散和高速振荡中的一种或几种方式进行分散，得到固含量为5-40%的分散液；

色浆的制备：将金红石钛白粉、第二份分散剂和第一份氟硅树脂加入到第二份A溶剂中，砂磨分散得到固含量为20-80%的色浆；

将上述分散液、色浆和第二份氟硅树脂混合，然后通过机械搅拌、砂磨分散、高速振荡、球磨分散中一种或几种方式进行分散，再加入消泡剂、流平剂、流变助剂、光稳定剂、消光剂和催干剂并混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80%的A组分；

2）B组分的制备：按照B组分的质量百分比组成准备好多异氰酸酯固化剂和B溶剂，将两者混合均匀后过滤包装即得到固含量为20-80%的B组分；

3）配漆：将A组分和B组分按照(4-7):1的质量比进行配漆，搅拌均匀后即得到防覆冰涂料。

9.权利要求1-5中任一项所述的一种防覆冰涂料在风电叶片、输配电线路以及电信线缆的防覆冰中的应用。