CN111607300A - 一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低表面能材料领域，具体涉及一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料及其制备方法。一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于由低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂制备而成，各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5～20％、改性疏水二氧化硅2～6％、聚丙烯酸树脂2～8％、氟碳树脂4～20％、流平剂0.1～1％、分散剂0.01～0.1％、溶剂45～80％。本发明具有超疏水、防覆冰、自清洁、高耐候的特点，用于风电叶片上能长久有效，能抵御强风蚀、沙蚀和雨蚀，具有低表面能自愈特性。

Description

一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于低表面能材料领域，具体涉及一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料及其制备方法。

背景技术

随着二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘等环境问题加剧，同时煤炭、石油、天然气等资源日益短缺，风能作为一种干净的可再生能源已被世界各国关注并大规模加以利用。我国国土辽阔，有广阔的草原、高山和漫长的海岸线，风能资源储备非常丰富。近年来我国大力发展风力发电行业，其装机总量远高于其它国家，排世界第一，风力发电量占比逐年增大，发展十分迅猛。但是风力发电机所处地理位置一般气候较为恶劣，尤其是在云南、贵州、湖南、湖北、江西、辽宁等地，处于冷暖气流交锋气候带，在每年初冬、初春时节，因局部气候造成雨雪天气，尤其是在零下几度形成的过冷水冻雨以及高湿度造成的雾凇，会在风电叶片上造成覆冰。叶片覆冰后，会产生很大的危害。一是由于叶片结冰后，尤其是叶尖，会改变叶片的外形，影响空气动力特征，造成发电效率大幅降低；二是由于叶片负重不均衡，旋转时产生强烈的震动，为避免损坏发电机和叶片，必须强行停止运行，造成发电量的损失；三是叶片覆冰后，融化脱落时对地面设备、人员造成安全威胁。因此，解决风电叶片覆冰的问题十分迫切，并具有重大的现实意义。

目前，大概有两种比较可行的方法能解决或减轻风电叶片覆冰问题。一是在叶片腔体内安装热气回流装置，或者是预埋电热片，利用电能产生热量对叶片进行加热升温，使叶片表面温度维持零度以上。但该方法安装或改造工艺非常复杂，消耗电能非常严重，加热对叶片材质的影响无法评估，因此该方法并不成熟，没有大规模推广。二是在叶片表面涂疏水涂料，使叶片面漆对水接触角大于90°，从而减少水的附着力和粘附量，达到减轻覆冰的目的。该方法实施工艺简单，但对涂料性能要求极高。一般认为水接触角大于150°、滚动角小于10°时为超疏水涂层，在此条件下水滴很难粘附，涂层具有良好的防覆冰性能。但是，用于风电叶片的涂料需要更多考虑其物理性能，比如附着力、耐磨性、弹性、耐候性、绝缘性等，而一般超疏水涂层由低表面能物质和纳米材料组成，其附着力、耐磨性较低，而且提供超疏水的表面微-纳结构容易被破坏，在恶劣条件中持久性有待考验。目前市场上具有防覆冰功能的叶片面漆，为了均衡涂料各方面性能，大部分接触角只做到100°～113°，离超疏水的150°相差甚远，因此防覆冰性能比较弱，加上叶片长时间高速运动，风蚀、雨蚀和大气污染会逐渐将涂层表面的疏水层消耗磨损，最终失去疏水性，失去防覆冰性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料及其制备方法，该材料具有良好的超疏水性能、防覆冰性能、附着力、耐磨性、持久性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于由低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂制备而成，各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5～20％、改性疏水二氧化硅2～6％、聚丙烯酸树脂2～8％、氟碳树脂4～20％、流平剂0.1～1％、分散剂0.01～0.1％、溶剂45～80％。

所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材15～25％、芯材75～85％；壁材为有机硅树脂，芯材为含氟烷基聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、正十二烷、正十四烷中的一种，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

所述含氟烷基聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷的分子量为20000-150000。

所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅84-94.9％、全氟癸基三乙氧基硅烷5-15％、氨水0.1-1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的85-88％(即，无水乙醇的加入量为气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水和无水乙醇总质量的85-88％)。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

所述氟碳树脂由氟烯烃-乙烯基醚共聚物和羟基丙烯酸酯共混交联制成。

所述流平剂为TEGO Glide 410、TEGO Glide 450、BYK-300中的一种。

所述分散剂为OP-10、AEO-9、AEO-5中的一种。

所述溶剂为二甲苯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸异戊酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或几种按任意配比的混合物。

上述一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5～20％、改性疏水二氧化硅2～6％、聚丙烯酸树脂2～8％、氟碳树脂4～20％、流平剂0.1～1％、分散剂0.01～0.1％、溶剂45～80％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，用高速分散机以10-15m/s的中等线速度搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，用高速分散机以10-15m/s中等线速度搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

应用：将用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料涂在风电叶片上，形成涂层。

本发明所述的风电叶片是陆地、海上风力发电机桨叶，本体由玻璃钢、环氧树脂、炭纤维等制成，表面包胶衣，并涂有风电叶片保护漆。

本发明的有益效果在于：

1)本材料施工固化后，具有良好的超疏水性能，接触角大于150°，滚动角小于5°，具有良好的自清洁性能；

2)本材料具有良好的防覆冰性能，在铝板上进行冻雨试验，比空白样品减少覆冰量85％以上；

3)本材料脱冰力矩低，脱冰效率高，在相同条件下，比空白样品脱冰效率高90％以上；

4)本材料有良好的附着力和耐磨性，在叶片面漆上附着力可达0-1级，砂轮法测试耐磨性结果与叶片聚氨酯面漆相当。

5)本材料具有良好的持久性，用800-1000目砂纸打磨掉表层后，其接触角仍达到145°以上，能持续提供防覆冰性能和自清洁性能。

6)本材料制备工艺简单，成本较低，施工简便，可常温固化，具有良好的规模化应用条件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊20％、改性疏水二氧化硅6％、聚丙烯酸树脂8％、氟碳树脂20％、流平剂0.9％、分散剂0.1％、溶剂45％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材15％、芯材85％；壁材为有机硅树脂，芯材为含氟烷基聚硅氧烷，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

所述含氟烷基聚硅氧烷的分子量为20000-150000。

所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅94.9％、全氟癸基三乙氧基硅烷5％、氨水0.1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的85％(即，无水乙醇的加入量为气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水和无水乙醇总质量的85％)。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

所述流平剂为TEGO Glide 410。所述分散剂为OP-10。所述溶剂为二甲苯。

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，用高速分散机以10-15m/s的中等线速度搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，用高速分散机以10-15m/s中等线速度搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

应用：将用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料涂在风电叶片上，形成涂层。

实施例2

一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5％、改性疏水二氧化硅2％、聚丙烯酸树脂2％、氟碳树脂10.89％、流平剂0.1％、分散剂0.01％、溶剂80％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材25％、芯材85％；壁材为有机硅树脂，芯材为聚二甲基硅氧烷，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

所述聚二甲基硅氧烷的分子量为20000-150000。

所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅84％、全氟癸基三乙氧基硅烷15％、氨水1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的88％(即，无水乙醇的加入量为气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水和无水乙醇总质量的88％)。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

所述流平剂为TEGO Glide 450。所述分散剂为AEO-9。所述溶剂为乙酸丁酯。

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，用高速分散机以10-15m/s的中等线速度搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，用高速分散机以10-15m/s中等线速度搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

应用：将用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料涂在风电叶片上，形成涂层。

实施例3

一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊10％、改性疏水二氧化硅4％、聚丙烯酸树脂5％、氟碳树脂4％、流平剂1％、分散剂0.07％、溶剂75.93％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材20％、芯材80％；壁材为有机硅树脂，芯材为正十二烷，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅90％、全氟癸基三乙氧基硅烷9.4％、氨水0.6％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的86％(即，无水乙醇的加入量为气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水和无水乙醇总质量的86％)。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

所述流平剂为BYK-300。所述分散剂为AEO-5。所述溶剂为乙酸乙酯。

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，用高速分散机以10-15m/s的中等线速度搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，用高速分散机以10-15m/s中等线速度搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

应用：将用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料涂在风电叶片上，形成涂层。

实施例4

一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊12％、改性疏水二氧化硅4％、聚丙烯酸树脂6％、氟碳树脂10％、流平剂0.9％、分散剂0.1％、溶剂67％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材21％、芯材79％；壁材为有机硅树脂，芯材为正十四烷，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅89％、全氟癸基三乙氧基硅烷10％、氨水1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的87％(即，无水乙醇的加入量为气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水和无水乙醇总质量的87％)。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

所述流平剂为BYK-300。所述分散剂为OP-10。所述溶剂为乙酸异戊酯、丙二醇甲醚醋酸酯的混合物，乙酸异戊酯、丙二醇甲醚醋酸酯的质量各占1/2。

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，用高速分散机以10-15m/s的中等线速度搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，用高速分散机以10-15m/s中等线速度搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

应用：将用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料涂在风电叶片上，形成涂层。

本发明实施例1-4中提供的用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料性能测试如下：

由上表可知，由本发明制备的用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料具有良好的超疏水性、自洁性、附着力、耐磨性和耐候性，其综合性能可以满足风电叶片的防覆冰涂装应用。并且能在高速气流磨损的环境中，不依赖涂层表面微-纳结构，可利用材料本征低表面能特性，持续提供疏水层，可持久起到防覆冰的作用。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于由低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂制备而成，各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5～20％、改性疏水二氧化硅2～6％、聚丙烯酸树脂2～8％、氟碳树脂4～20％、流平剂0.1～1％、分散剂0.01～0.1％、溶剂45～80％。

2.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于：所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材15～25％、芯材75～85％；壁材为有机硅树脂，芯材为含氟烷基聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、正十二烷、正十四烷中的一种，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

3.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于：所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅84-94.9％、全氟癸基三乙氧基硅烷5-15％、氨水0.1-1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的85-88％。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃左右，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于：所述流平剂为TEGO Glide 410、TEGO Glide 450、BYK-300中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于：所述分散剂为OP-10、AEO-9、AEO-5中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料，其特征在于：所述溶剂为二甲苯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、乙酸异戊酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或几种按任意配比的混合物。

7.如权利要求1所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按各原料所占质量百分数为：低表面能微胶囊5～20％、改性疏水二氧化硅2～6％、聚丙烯酸树脂2～8％、氟碳树脂4～20％、流平剂0.1～1％、分散剂0.01～0.1％、溶剂45～80％，选取低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂、分散剂、溶剂，备用；

2)向溶剂中加入低表面能微胶囊、改性疏水二氧化硅、分散剂，搅拌，然后在常温条件下用超声波进行分散，制得纳米分散液；

3)向步骤2)中制得的纳米分散液中加入聚丙烯酸树脂、氟碳树脂、流平剂，搅拌均匀，然后再次用超声波震荡分散，得到所用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料。

8.根据权利要求7所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，其特征在于：所述低表面能微胶囊由壁材和芯材组成，壁材包裹芯材；壁材、芯材所占质量百分数为：壁材15～25％、芯材75～85％；壁材为有机硅树脂，芯材为含氟烷基聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、正十二烷、正十四烷中的一种，低表面能微胶囊的粒径尺寸为100-1000nm。

9.根据权利要求7所述的一种用于风电叶片的持久型防覆冰低表面能材料的制备方法，其特征在于：所述改性疏水二氧化硅的制备，包括如下步骤：①按各原料所占质量百分数为：气相二氧化硅84-94.9％、全氟癸基三乙氧基硅烷5-15％、氨水0.1-1％，选取气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷和氨水；

②将气相二氧化硅、全氟癸基三乙氧基硅烷、氨水加入到无水乙醇中，搅拌混合均匀，得到混合液；无水乙醇的加入量为混合液总质量的85-88％。

③将混合液倒入蒸汽回流装置中，搅拌加热，保持80℃，持续4h；

④结束加热后，真空抽滤，将液相分离出来，将固相用100℃烘干，即得到改性疏水二氧化硅。