CN113956773B - 一种风电叶片防覆冰涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涂料领域，提供一种风电叶片防覆冰涂料及其制备方法。涂料包括甲组分和乙组分，其中，甲组分包括：树脂基体A、树脂基体B、偶联剂、分散剂、消泡剂、溶剂、颜填料、触变剂；所述树脂基体A由羟基丙烯酸单体、乙烯基离子液体和N‑异丙基丙烯酰胺、含氟丙烯酸酯单体聚合而成，所述树脂基体B为聚酯多元醇，且所述树脂基体A与所述树脂基体B的质量比为5～15:25～40；树脂基体B为聚酯多元醇，且树脂基体A与树脂基体B的质量比为5～15:25～40；乙组分包括：固化剂。本发明提供的涂料有优异的防覆冰性，且制备方法简单，适用于大面积施工。

Description

一种风电叶片防覆冰涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料领域，特别涉及一种风电叶片防覆冰涂料及其制备方法。

背景技术

在湿冷地区，冰、雪、霜等对风电叶片极大影响，容易结冰，负重增加，还有可能导致材料曲线发生变化，降低了风能的转化效率，当结冰严重时，甚至会导致叶片断裂，造成经济损失。除冰方式一般分为被动除冰和主动除冰。被动除冰主要包括，人工器械清除，洒融雪剂，但费时费力，并且应用范围受到限制。主动除冰主要有热力融冰，添加抗凝冰材料，防覆冰表面涂层。其中采用表面涂层防覆冰在适用范围、施工成本等方面具有巨大的优势。采用涂料防覆冰的原理一般通过减小水与底材的接触面积，使得水凝结成冰是释放热量的有效传热面积减少，或者通过降低水，冰与涂层表面的附着力，促使水，冰在外力的作用下易于滑落。

中国专利CN 105111907A公开了一种长效防挂冰风电叶片涂料及其制备方法，其配方包括A组分和B组分，所述A组分包括树脂，分散剂，钛白粉，炭黑，导电材料，消泡剂，流平剂，流变助剂，消光剂，附着力促进剂，引发剂，醋酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯，所述B组分为HDI三聚体及用HDI或IPDI制作的预聚体，形成-NCO含量在5-15％的固化剂组分。在漆膜满足日常使用的优异性能前提下，将涂膜变成导体且也是电阻，解决冬季雨雪天气运行叶片结冰问题的功能。但该发明中，需要利用自身的发电量加热叶片表面，若长期运行，天气寒冷，会带来资源损耗。

中国专利CN102746782A公开了防结冰及防结霜的聚氨酯涂料及其制备方法，以含氟硅聚氨酯树脂的重量份为基准，将20～45重量份的含氟硅聚氨酯树脂，40～50重量份的有机溶剂，0.2～1重量份的消泡剂，0.2～1重量份的防沉剂和0.3～1重量份的流平剂搅拌配置成混合溶液；将3～10重量份的硅烷偶联剂，1～10重量份的纳米无机氧化物颗粒及5～10重量份的钛白粉加入到上述溶液中进行球磨后，得到所述的防结冰及防结霜的聚氨酯涂料。利用具有高热导率的纳米无机氧化物颗粒和钛白粉填充在聚合物基体中，提高了涂层的热导率，在霜层形成后能缓解结霜带来的系统传热效率降低的问题。但是使用的高热导率不利与涂层的耐老化性，且夏天高温时，可能导致叶片变形。纳米无机氧化物颗粒的使用，提高涂层粗糙度，不利于涂层耐雨蚀和抗风砂，且粗糙表面在叶片高速旋转中容易被空气中的杂质磨损，失去其作用。

中国专利CN 107298906A公开了一种高耐候的防结冰防护涂层及其制备方法。所述防护涂层包括负载5～50％(w/w)融雪剂的聚合物基防护涂料形成的厚度0.2～1.5mm的高耐候有机涂层，以及通过特殊工艺成型的厚度为0.1～1μm高疏水纳米涂层。通过高疏水性能和负载的融雪剂使其具有有机的防结冰效果。但是该发明中，使用融雪剂本身会消耗。

发明内容

为解决上述现有技术中的涂料防覆冰能力不佳的不足，本发明提供一种风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：包括甲组分和乙组分，其中，所述甲组分包括：树脂基体A、树脂基体B、偶联剂、分散剂、消泡剂、溶剂、颜填料、触变剂；所述树脂基体A由羟基丙烯酸单体、乙烯基离子液体和N-异丙基丙烯酰胺、含氟丙烯酸酯单体聚合而成，所述树脂基体B为聚酯多元醇，且所述树脂基体A与所述树脂基体B的质量比为5～15:25～40；所述乙组分包括：固化剂。

在一实施例中，所述乙烯基离子液体包括1-乙烯基-3丁基咪唑溴盐，1-乙烯基-3-甲基咪唑碘盐，1-乙烯基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐中的一种或几种。

在一实施例中，所述树脂基体A采用如下方法聚合：在容器中加入二甲苯，丙二醇甲醚醋酸酯，丙酮,氮气保护条件下搅拌并滴加由乙烯基离子液体，N-异丙基丙烯酰胺，羟基丙烯酸单体，丙烯酸三氟乙酯组成的单体溶液和过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温减压蒸馏得所述树脂基体A。

在一较佳的实施例中，所述二甲苯为15份，所述丙二醇甲醚醋酸酯为10份，所述丙酮为5份，所述乙烯基离子液体5份，N-异丙基丙烯酰胺5份，羟基丙烯酸单体30份，丙烯酸三氟乙酯5份，所述过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液为1份，其中所述过氧化二苯甲酰在所述过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液的质量分数为0.05％。

在一较佳的实施例中，当在惰性气氛中搅拌时，所述搅拌温度为80～100℃下，搅拌时间为1～3小时，保温时间为0.5～2h。

在一更佳的实施例中，所述保温时间为1h。

在一实施例中，以质量份数计，所述甲组分中，所述树脂基体A为5～15份；所述树脂基体B为25～40份；所述偶联剂为0.3～0.5份；所述分散剂为0.5～1.0份；所述消泡剂为0.5～1.0份；所述溶剂为10～15份；所述颜填料为40～50份；所述触变剂为0.4～0.6份；所述乙组分中，所述固化剂为100份。

在一更佳的实施例中，以百分比计，所述甲组分中，所述树脂基体A为5％～15％；所述树脂基体B为25％～40％；所述偶联剂为0.3％～0.5％；所述分散剂为0.5％～1.0％；所述消泡剂为0.5％～1.0％；所述溶剂为10％～15％；所述颜填料为40％～50％；所述触变剂为0.4％～0.6％；所述乙组分中，所述固化剂为100％。

在一实施例中，所述树脂基体B固含量为70％～90％，羟基含量为2.0～4.5％。

在一实施例中，所述分散剂为带有带颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚体溶液。

在一较佳的实施例中，所述分散剂固体含量≥50％。

在一较佳的实施例中，所述分散剂包括但不限于BYK163，BYK-164，BYK-185。

在一实施例中，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。

在一较佳的实施例中，所述消泡剂包括但不限于BYK-530，BYK-066N，EFKA-2022，EFKA-2040，优卡化学的272s，优卡化学245s。

在一实施例中，所述偶联剂为KH-550,KH-560，KH792。

在一实施例中，所述触变剂为有机膨润土,ultra,气相二氧化硅。

在一实施例中，所述溶剂为二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或几种。

在一实施例中，所述颜填料为钛白粉、滑石粉、沉淀硫酸钡、重晶石粉、云母粉、高岭土中的一种或几种。

在一较佳的实施例中，所述颜填料的粒径为800～1250目。

在一实施例中，所述固化剂为异氰酸酯固化剂。

本发明还提供一种上述任一技术方案所述的风电叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于：

甲组分的制备方法为：

向分散缸中加入所述树脂基体A、所述树脂基体B、所述偶联剂，所述消泡剂，所述分散剂，所述溶剂，1000rpm下分散20min～40min，得混合物A；

向所述混合物A中加入所述颜填料，15000～3000rpm下分散1～2h，后加入所述触变剂分散10min；即得所述甲组分；

混合所述甲组分和所述乙组分即获得所述风电叶片防覆冰涂料。

在一较佳的制备方法的实施例中，所述甲组分和所述乙组分混合的质量比为6.7:1～7:1。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的风电叶片防覆冰涂料，本将羟基丙烯酸树脂进行改性，在羟基丙烯酸树脂主链上引入温敏型离子液体凝胶，避免了体系中直接加入液体润滑物易损耗，易挥发泄露到环境中形成危害。且所引入的温敏型凝胶，在水滴低落到涂层表面结冰放热时，水凝胶吸热放出自身水分，形成润滑层，降低附着力，所引入的离子液体部分，在水凝胶释放水分时，离子部分干扰液态水向冰水成核过程，从而抑制结冰。

本发明采用的树脂基体A同时含有含氟结构和温敏型离子液体凝胶，含氟结构在成膜过程中向表面迁移，与离子液体共同形成防覆冰表面。含氟结构降低了表面能和增加表面疏水性来减弱表面与水分子之间的原子相互作用；而表面分布的温敏型离子液体凝胶作为屏障，和冰形成了润滑界面液层，避免了冰和基体的直接接触，有利于抑制冰层的形成。

本发明中含氟结构和温敏型离子液体凝胶共同组成防覆冰表面，表面的含氟结构和离子液体带来的界面附着差异，使得冰层在重力或风力作用下易于脱离叶片表面。

本发明中将在羟基丙烯酸树脂主链上引入离子液体，有利于降低粘度，且体系中加入聚酯多元醇保证一定弹性，避免单独加入温敏型离子液体导致柔韧，冲击力学性能下降的问题。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；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。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

本发明提供如下实施例和对比例：

所述实施例和对比例采用如下制备方法制备：

甲组分的制备方法为：

向分散缸中加入所述树脂基体A或所述树脂基体C或所述树脂基体D或所述树脂基体E，并加入所述树脂基体B、所述偶联剂，所述消泡剂，所述分散剂，所述溶剂，1000rpm下分散20min～40min，得混合物A；

向所述混合物A中加入所述颜填料，15000～3000rpm下分散1～2h，后加入所述触变剂分散10min；即得所述甲组分；

混合所述甲组分和所述乙组分即获得所述风电叶片防覆冰涂料，实施例和对比例的计算原则为乙组分异氰酸酯中NCO当量：甲组分树脂基体中羟基当量＝1:1，据此设置甲组分和乙组分的混合质量比。

表1实施例和对比例组分及含量

实施例1至实施例3中。树脂基体B为聚酯多元醇，固含量为80％，羟基含量为2.6％。偶联剂为KH560。分散剂为BYK163。消泡剂为优卡化学245s。溶剂为二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯的混合物。颜填料为钛白粉、滑石粉、沉淀硫酸钡、云母粉，粒径为800目，触变剂为有机膨润土。

实施例4至实施例5中，各组分含量与实施例1中相同。

实施例4中，树脂基体B为聚酯多元醇中，固含量为70％,，羟基含量为2.0％，分散剂为BYK164，偶联剂为KH550，消泡剂为BYK-530，溶剂为二甲苯，颜填料为重晶石粉、云母粉、高岭土，粒径为1250目，触变剂为ultra。

实施例5中，树脂基体B为聚酯多元醇中，固含量为90％,，羟基含量为4.5％，分散剂为BYK-185，偶联剂为KH792，消泡剂为EFKA-2040，溶剂为二甲苯，颜填料为重晶石粉、云母粉、高岭土，粒径为1250目，触变剂为气相二氧化硅。

实施例1至实施例5中，树脂基体A采用如下方法改性：

在带有冷凝回流及氮气保护装置的四口瓶中，加入15g二甲苯，10g丙二醇甲醚醋酸酯，5g丙酮,80～100℃下搅拌，并滴加由5g乙烯基离子液体，5gN-异丙基丙烯酰胺，30g羟基丙烯酸单体，5g丙烯酸三氟乙酯的单体溶液和1g质量分数为0.05％的过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温1h，减压蒸馏得树脂基体A。

对比例1至对比例5中，树脂基体C与树脂基体A的区别为树脂基体C中无乙烯基离子液体，树脂基体D与树脂基体A的区别为树脂基体D中无N-异丙基丙烯酰胺,树脂基体E与树脂基体A的区别是树脂基体A中无N-异丙基丙烯酰胺和乙烯基离子液体，所述树脂基体C、所述树脂基体D和所述树脂基体E的制备方法与实施例2中不同，其余组分与实施例2中的种类相同，组分含量见上表。

对比例2中，树脂基体C的制备方法是：

在带有冷凝回流及氮气保护装置的四口瓶中，加入15g二甲苯，10g丙二醇甲醚醋酸酯，5g丙酮,80～100℃下搅拌，并滴加由5gN-异丙基丙烯酰胺，30g羟基丙烯酸单体，5g丙烯酸三氟乙酯的单体溶液和1g质量分数为0.05％的过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温1h，减压蒸馏得树脂基体C。

对比例4中，树脂基体D的制备方法是：

在带有冷凝回流及氮气保护装置的四口瓶中，加入15g二甲苯，10g丙二醇甲醚醋酸酯，5g丙酮,80～100℃下搅拌，并滴加由5g乙烯基离子液体，30g羟基丙烯酸单体，5g丙烯酸三氟乙酯的单体溶液和1g质量分数为0.05％的过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温1h，减压蒸馏得树脂基体D。

对比例5中，树脂基体E的制备方法是：

在带有冷凝回流及氮气保护装置的四口瓶中，加入15g二甲苯，10g丙二醇甲醚醋酸酯，5g丙酮,80～100℃下搅拌，并滴加30g羟基丙烯酸单体，5g丙烯酸三氟乙酯的单体溶液和1g质量分数为0.05％的过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温1h，减压蒸馏得树脂基体E。

乙组分牌号可以采用N75,N3390，HT-100。制备涂层时根据乙组分异氰酸酯中NCO当量：甲组分树脂基体中羟基当量＝1:1这一原则配制。

上述制备方法，实施例和对比例中采用的原料的牌号和其他所述技术指标可以按照现有技术内自行选择，如本发明规定了技术指标则在本发明规定的范围内选择，不影响本发明技术效果。

本发明的风电叶片防覆冰涂料主要性能指标如表2所示：

表2风电叶片防覆冰涂料的主要技术指标

备注：其中冻融循环试验在温度为-5℃下进行，循环30次后的接触角。

时间结冰状态测试方法为：将涂层置于-20℃环境下，定时用喷雾器喷0℃冰水在涂层表面；12h后，观察结冰状态。

表3实施例及对比例性能数据

对比例1与实施例2相比，无树脂基体A，因此未引入防覆冰组分和含氟链段，防覆冰性能，耐盐雾性，耐老化性等各项性能下降；对比例3与实施例2相比，未引入具有弹性和保证涂料强度的树脂基体B，柔韧性和附着力下降且不抗冻融，对比例2与实施例2相比，未引入防覆冰组分乙烯基离子液体，对比例4与实施例2相比，未引入防覆冰组分N-异丙基丙烯酰胺，防覆冰性能均下降；对比例5与实施例3相比，未引入N-异丙基丙烯酰胺和乙烯基离子液体，防覆冰性能严重下降。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的风电叶片防覆冰涂料，本将羟基丙烯酸树脂进行改性，在羟基丙烯酸树脂主链上引入温敏型离子液体凝胶，避免了体系中直接加入液体润滑物易损耗，易挥发泄露到环境中形成危害。且所引入的温敏型凝胶，在水滴低落到涂层表面结冰放热时，水凝胶吸热放出自身水分，形成润滑层，降低附着力，所引入的离子液体部分，在水凝胶释放水分时，离子部分干扰液态水向冰水成核过程，从而抑制结冰。

本发明采用的树脂基体A同时含有含氟结构和温敏型离子液体凝胶，含氟结构在成膜过程中向表面迁移，与离子液体共同形成防覆冰表面。含氟结构降低了表面能和增加表面疏水性来减弱表面与水分子之间的原子相互作用；而表面分布的温敏型离子液体凝胶作为屏障，和冰形成了润滑界面液层，避免了冰和基体的直接接触，有利于抑制冰层的形成。

本发明中含氟结构和温敏型离子液体凝胶共同组成防覆冰表面，表面的含氟结构和离子液体带来的界面附着差异，使得冰层在重力或风力作用下易于脱离叶片表面。

本发明中将在树脂基体A主链上引入乙烯基离子液体，有利于降低粘度，且体系中加入聚酯多元醇保证一定弹性，避免单独加入温敏型离子液体导致柔韧，冲击力学性能下降的问题。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如树脂基体、树脂基体B、偶联剂、分散剂、消泡剂、溶剂、颜填料、触变剂、固化剂、甲组分、乙组分等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：包括甲组分和乙组分，其中，所述甲组分包括：树脂基体A、树脂基体B、偶联剂、分散剂、消泡剂、溶剂、颜填料、触变剂；

所述树脂基体A由羟基丙烯酸单体、乙烯基离子液体和N-异丙基丙烯酰胺、含氟丙烯酸酯单体聚合而成，所述树脂基体B为聚酯多元醇，且所述树脂基体A与所述树脂基体B的质量比为5～15:25～40；

所述乙组分包括：固化剂；

所述乙烯基离子液体包括1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐，1-乙烯基-3-甲基咪唑碘盐，1-乙烯基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐中的一种或几种；

所述树脂基体A采用如下方法聚合：在容器中加入二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、丙酮，氮气保护条件下搅拌并滴加由乙烯基离子液体、N-异丙基丙烯酰胺、羟基丙烯酸单体、丙烯酸三氟乙酯组成的单体溶液和过氧化二苯甲酰的甲苯的引发剂溶液，滴加完毕，保温减压蒸馏得所述树脂基体A；

以质量份数计，所述甲组分中，所述树脂基体A为5～15份，所述树脂基体B为25～40份，所述偶联剂为0.3～0.5份，所述分散剂为0.5～1.0份，所述消泡剂为0.5～1.0份，所述溶剂为10～15份，所述颜填料为40～50份，所述触变剂为0.4～0.6份；所述乙组分中，所述固化剂为100份；

所述溶剂为二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：所述树脂基体B固含量为70%～90%，羟基含量为2.0～4.5%。

3.根据权利要求1所述的风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：所述分散剂为带颜料亲和基团的高分子量嵌段共聚体溶液，其固体含量≥50%。

4.根据权利要求1所述的风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：所述消泡剂为有机硅类消泡剂。

5.根据权利要求1所述的风电叶片防覆冰涂料，其特征在于：所述颜填料为钛白粉、滑石粉、沉淀硫酸钡、重晶石粉、云母粉、高岭土中的一种或几种，粒径为800～1250目；所述固化剂为异氰酸酯固化剂。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的风电叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于：

所述甲组分的制备方法为：

向分散缸中加入所述树脂基体A、所述树脂基体B、所述偶联剂、所述消泡剂、所述溶剂、所述分散剂，1000rpm下分散20min～40min，得混合物A；

向所述混合物A中加入所述颜填料，3000rpm下分散1～2h，后加入所述触变剂分散10min，即得所述甲组分；

混合所述甲组分和所述乙组分即得所述风电叶片防覆冰涂料。