CN114085609B - 一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法，通过向风电叶片表面涂覆该材料，协同微波去除风电叶片表面冰层。本发明提出的涂层采用环保化学成分，可大面积喷洒在风电叶片上，具有自清洁、耐湿热、耐冷冻等优点，且不会腐蚀风电叶片。本发明协同微波除冰，能更好的吸收微波能量，转变成热能，快速融化界面处的冰，使冰面松动脱离。具有微波吸收强，频带宽，涂层耐磨性高、附着力强、热稳定性好等优势。

Description

一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法。
背景技术
风能是一种含量巨大并且十分清洁安全的可再生能源。风力机是目前风能转换的最主要设备。风能作为可再生清洁能源，今天越来越被重视，风电在中国的前景广阔，因而相应的风电叶片涂料也有较大的市场需求。
风力发电机组的工作环境在风力资源较为丰富的室外，而在一些环境湿度大、降水量大、温度低的风场，当气温降到零摄氏度以下时，风力发电机叶片上可能就会结冰，冰附着在叶片上，改变了叶片翼型，不仅影响了叶片的气动性能，降低了风力发电机装置的发电效率，还增加了整个风力发电机装置的动静载荷，对整机强度和稳定性产生更为不利的影响。而现有的涂层只能防止雾凇结冰，并不能阻止雨凇的凝结。因此，防止和及时去除风机叶片上的结冰，对于保证风力发电机装置的正常高效运行有着极为重要的意义。
目前的主要防冰技术有：防冻液防冰、机械除冰、热能防冰和涂层防冰等。以上除冰方式要么效率低下，不能主动除冰，要么成本较高并且破坏叶片表面流线。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法，以解决现有技术中效率低下，不能主动除冰，除冰成本较高并且破坏叶片表面流线。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以质量份数计，将20～40份甲基苯基硅树脂、25～40份环氧改性有机硅、10～15份钛白粉和8～15份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；
步骤2，以质量份数计，将60～80份二酚基环氧树脂和16～22份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将12～14份二酚基环氧树脂、3～4份稀释剂、0.5～1份填料、3～8份铈铁合金纳米粉末和8～12份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入3～6份的碳化硅颗粒和0.2～0.4份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中进行加热，获得面层。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，通过胶体研磨至混合物的粒径≤40μm。
优选的，步骤2中，刮涂过程中加热的温度为60～70℃。
优选的，步骤2中，二酚基环氧树脂为E-51或E44。
优选的，步骤2中，稀释剂为环氧丙烷丁基醚；填料为玻璃粉。
优选的，步骤2中，以质量份数计，固化剂由4～6份乙二胺、2～3份酚醛胺和1～1.5份二甲胺基乙醇混合制得
优选的，步骤2中使用的铈铁合金纳米粉末的制备方法为：按照质量比15:85混合铈粉和铁粉，获得铈铁粉；将铈铁粉进行高能球磨后，获得50～100nm的纳米粉末；将纳米粉末在真空热处理炉中热处理后，获得铈铁合金纳米粉末。
优选的，热处理温度为300～500℃，热处理时间为2～5h。
一种通过上述任意一项制备方法制得的用于风电叶片融冰的吸波生热涂层，包括底层和面层，所述底层设置在基板外，所述面层在底层外。
优选的，所述底层的厚度为200～350um，面层的厚度为800um～1500um。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层及其制备方法，通过向风电叶片表面涂覆该材料，协同微波去除风电叶片表面冰层。本发明提出的涂层采用环保化学成分，可大面积喷洒在风电叶片上，具有自清洁、耐湿热、耐冷冻等优点，且不会腐蚀风电叶片。该涂层协同微波除冰，能更好的吸收微波能量，转变成热能，快速融化界面处的冰，使冰面松动脱离。具有微波吸收强，频带宽，涂层耐磨性高、附着力强、热稳定性好等优势。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明公开了一种用于风电叶片的涂层制备方法，该涂层包括涂装底层和涂装面层两层，涂装底层包括涂装底层和涂装面层，涂装底层和预处理后的基体直接接触，涂装底层环氧改性有机硅涂料涂层，该涂层为双组份，包括A组分和B组分，以质量份数计，其中A组分包括20～40份甲基苯基硅树脂、25～40份环氧改性有机硅为成膜物质、10～15钛白粉、8～15膨润土为颜填料；B组分为650#聚酰胺树脂，B组分的原料作为固化剂。
以质量份数计，涂装面层包括72～94份二酚基环氧树脂、16～22份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体、3～4份稀释剂、填料0.5～1份，3～8份铈铁合金纳米粉末、8～12份固化剂、3～6份的50μm碳化硅颗粒和0.2～0.4份分散剂。
优选的，二酚基环氧树脂为二酚基环氧树脂E-51或二酚基环氧树脂E44，稀释剂为环氧丙烷丁基醚，填料为粒径为50um的玻璃粉，固化剂由4～6份乙二胺、2～3份酚醛胺固化剂和1～1.5份二甲胺基乙醇混合制得。
优选的，多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
优选的，涂装底层的厚度为200～350um，涂装面层的厚度为800um～1500um。
上述面层涂料的制备方法为：
涂装底层的制备方法为将甲基苯基硅树脂、环氧改性有机硅树脂、钛白粉和膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和B组分固化剂混合搅拌后，获得底层的涂料，即可使用，使用时将涂装底层的涂料喷涂到预处理好的基体上，固化后修补打磨平整。
涂装面层的制备方法为将60～80份二酚基环氧树脂和16～22份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将12～14份二酚基环氧树脂、3～4份稀释剂、填料0.5～1份，3～8份铈铁合金纳米粉末和8～12份固化剂混合均匀后加入聚氨酯改性环氧树脂，再加入3～6份的50μm碳化硅颗粒和0.2～0.4份分散剂，搅拌均匀后加热，刮涂于底层上；
优选地，面层涂装过程中，加热的温度为60～70℃。
优选的，铈铁合金纳米粉末制备方法包括以下步骤：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气3～5次，然后按升温速率10～17℃/min升温到300～500℃，保温2～5h，再随炉冷却。
本发明使用的原料具有以下的特性：
底层涂料：与叶片具有较高的粘接性，且该涂料配方具有很好的耐热、隔热性能，能保护叶片，阻止面层内材料吸收热量后对叶片的热腐蚀。
钛白粉：由于钛白粉的熔点高达1830℃，热稳定性良好,遮盖力强,用以提高涂层的耐热性。
膨润土：膨润土主要对环氧改性有机硅起补强作用
650#聚酰胺树脂：650低分子聚酰胺是一种化学物质，用作环氧树脂胶黏剂的韧性固化剂，参考用量50～100份，固化条件室温/2～5d或65℃/4h。
面层涂料：与底层环氧涂层均含有环氧类材料，两层之间具有很好的配套相容性，使涂层体系不仅具有较高的防腐性能及附着力，而且具有良好的耐磨特性、热稳定性与吸收微波生热的能力。
玻璃粉：可增加面漆的硬度、韧度，提高漆膜的抗刮伤性能，具有消光作用，可提高漆膜的耐候性
铈铁合金：增强吸收微波的频率，加大吸收范围，吸波生热。
下面结合具体的实施例进一步的描述：
实施例1
步骤1，以质量份数计，将30份甲基苯基硅树脂、30份环氧改性有机硅、12份钛白粉和13份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；底层的厚度为300μm。
步骤2，以质量份数计，将72份E-51和20份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将13份E-51、3份环氧丙烷丁基醚、0.8份玻璃粉、6份铈铁合金纳米粉末和10份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入4份的碳化硅颗粒和0.3份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中以65℃进行加热，获得面层，面层的厚度为1000μm。
其中，固化剂由5份乙二胺、2份酚醛胺固化剂和1.2份二甲胺基乙醇混合制得。多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
其中铈铁合金纳米粉末的制备过程为：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气4次，然后按升温速率15℃/min升温到400℃，保温3h，再随炉冷却。
实施例2
步骤1，以质量份数计，将25份甲基苯基硅树脂、28份环氧改性有机硅、11份钛白粉和8份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；底层的厚度为200μm。
步骤2，以质量份数计，将94份E44和19份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将12份E-51、4份环氧丙烷丁基醚、0.9份玻璃粉、3份铈铁合金纳米粉末和8份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入5份的碳化硅颗粒和0.2份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中以60℃进行加热，获得面层，面层的厚度为800μm。
其中，固化剂由4份乙二胺、2份酚醛胺固化剂和1份二甲胺基乙醇混合制得。多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
其中铈铁合金纳米粉末的制备过程为：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气3次，然后按升温速率10℃/min升温到350℃，保温2h，再随炉冷却。
实施例3
步骤1，以质量份数计，将35份甲基苯基硅树脂、32份环氧改性有机硅、10份钛白粉和15份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；底层的厚度为350μm。
步骤2，以质量份数计，将80份E-51和18份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将14份E-51、3份环氧丙烷丁基醚、1份玻璃粉、8份铈铁合金纳米粉末和12份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入6份的碳化硅颗粒和0.4份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中以70℃进行加热，获得面层，面层的厚度为1500μm。
其中，固化剂由4份乙二胺、2份酚醛胺固化剂和1.4份二甲胺基乙醇混合制得。多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
其中铈铁合金纳米粉末的制备过程为：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气5次，然后按升温速率17℃/min升温到500℃，保温5h，再随炉冷却。
二、除冰剂效果评价
为了测试本发明制备的微波吸热涂层融雪除冰能力，设计了模拟试验。具体操作为：分别将市售2种防冰涂层以及本发明实施例1-3的防冰涂层涂覆在5cm直径叶片材料1。在15个烧杯中分别加入50g去离子水，将放入后在-10℃冻结12小时，处理后制成底面直径为5cm的圆柱形。在有无微波影响下，温度为5℃的环境中每隔15min称量一次剩余冰块质量，冰块初始质量减去剩余质量即为该材料的累积融冰量。每种材料进行三次平行试验，取平均值作为最终的累积融冰量，试验结果如表1所示。
表1每种样品累积融冰量
Figure BDA0003367554630000081
Figure BDA0003367554630000091
从上述表1可以看出，在5min后开始对冰块增加微波，发现微波对市售涂层有一定的增效，但对自制除冰剂有显著增效。在相同时间内，本发明制备的涂层量明显高于市售两种除冰剂。市售两种除冰剂25min后，可剥落冰层，本发明制备的除冰剂可在15分钟内可达冰层剥落，去冰效率明显提升。
实施例4
步骤1，以质量份数计，将20份甲基苯基硅树脂、35份环氧改性有机硅、13份钛白粉和10份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；底层的厚度为250μm。
步骤2，以质量份数计，将85份E-44和21份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将13份E-51、4份环氧丙烷丁基醚、0.5份玻璃粉、5份铈铁合金纳米粉末和9份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入3份的碳化硅颗粒和0.3份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中以62℃进行加热，获得面层，面层的厚度为900μm。
其中，固化剂由6份乙二胺、3份酚醛胺固化剂和1.5份二甲胺基乙醇混合制得。多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
其中铈铁合金纳米粉末的制备过程为：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气4次，然后按升温速率12℃/min升温到300℃，保温4h，再随炉冷却。
实施例5
步骤1，以质量份数计，将40份甲基苯基硅树脂、40份环氧改性有机硅、15份钛白粉和14份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，研磨至粒径≤40μm，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；底层的厚度为320μm。
步骤2，以质量份数计，将90份E-51和20份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将14份E-51、3份环氧丙烷丁基醚、0.6份玻璃粉、7份铈铁合金纳米粉末和11份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入5份的碳化硅颗粒和0.2份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中以68℃进行加热，获得面层，面层的厚度为1200μm。
其中，固化剂由6份乙二胺、3份酚醛胺固化剂和1.3份二甲胺基乙醇混合制得。多异氰酸酯基聚氨酯预聚体由质量分数80％的甲苯-2,4-二异氰酸酯和质量分数20％的甲苯-2,6-二异氰酸酯制得。
其中铈铁合金纳米粉末的制备过程为：
(1)称量配料：以纯度≥99.9％的Ce、Fe金属粉末为原料，按质量百分比Ce:Fe＝15:85配料得铈铁粉；
(2)高能球磨：采用高能球磨将铈铁粉制备稀土铈铁合金粉末；将氧化锆球和与纯铈铁粉按质量比8:1放入不锈钢罐中，在石蜡做助磨剂的情况下，球磨40h，球磨机转速为200r/min，得到50～100nm的纳米粉末；
(3)真空热处理：将稀土铈铁合金粉末进行真空热处理，获得铈铁合金纳米粉末；真空热处理的主要过程为:将稀铈铁合金粉末放入真空热处理炉中，抽真空，氩气洗气3次，然后按升温速率10℃/min升温到450℃，保温3h，再随炉冷却。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以质量份数计，将20～40份甲基苯基硅树脂、25～40份环氧改性有机硅、10～15份钛白粉和8～15份膨润土混合搅拌后，使用胶体研磨，获得A组分；将A组分和650#聚酰胺树脂混合后获得底层的涂料，将底层的涂料喷涂到基体上，固化后修补打磨平整，获得底层；
步骤2，以质量份数计，将60～80份二酚基环氧树脂和16～22份多异氰酸酯基聚氨酯预聚体混合加热制得聚氨酯改性环氧树脂；将12～14份二酚基环氧树脂、3～4份稀释剂、0.5～1份填料、3～8份铈铁合金纳米粉末和8～12份固化剂混合均匀后加入到聚氨酯改性环氧树脂中，再加入3～6份的碳化硅颗粒和0.2～0.4份分散剂，搅拌均匀后，获得面层的涂料，将面层的涂料刮涂于底层上，刮涂过程中进行加热，获得面层。
2.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，通过胶体研磨至混合物的粒径≤40μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，刮涂过程中加热的温度为60～70℃。
4.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，二酚基环氧树脂为E-51或E44。
5.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，稀释剂为环氧丙烷丁基醚；填料为玻璃粉。
6.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，以质量份数计，固化剂由4～6份乙二胺、2～3份酚醛胺和1～1.5份二甲胺基乙醇混合制得。
7.根据权利要求1所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中使用的铈铁合金纳米粉末的制备方法为：按照质量比15:85混合铈粉和铁粉，获得铈铁粉；将铈铁粉进行高能球磨后，获得50～100nm的纳米粉末；将纳米粉末在真空热处理炉中热处理后，获得铈铁合金纳米粉末。
8.根据权利要求7所述的一种用于风电叶片融冰的吸波生热涂层的制备方法，其特征在于，热处理温度为300～500℃，热处理时间为2～5h。
9.一种通过权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的用于风电叶片融冰的吸波生热涂层，其特征在于，包括底层和面层，所述底层设置在基板外，所述面层在底层外。
10.根据权利要求9所述的用于风电叶片融冰的吸波生热涂层，其特征在于，所述底层的厚度为200～350μm，面层的厚度为800μm～1500μm。
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