CN114106678A - 一种风机叶片表面的防冰涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及防冰材料技术领域，具体涉及一种风机叶片表面的防冰涂层及其制备方法和应用，该涂层含有层叠设置的防冰内层和防冰外层，形成所述防冰内层的材料包括复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物，形成所述防冰外层的材料为含氟基料；所述防冰内层的厚度D1与所述防冰外层的厚度D2之间的比例关系为：D1：D2＝1：0.025‑0.075。本发明提供的风机叶片表面的防冰涂层具有良好的防冰性能，并且具有较强的耐磨性能。

Description

一种风机叶片表面的防冰涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及防冰材料技术领域，具体涉及一种风机叶片表面的防冰涂层及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，我国火力发电受到限制，水力发电已逐渐饱和，风电行业发展迅速，风力发电已成为最具发展潜力的新能源发电方式之一。
然而，我国南方风电场多处于海拔较高的山区地带，这些地区通常湿度较大，在严寒的冬季，风机叶片经常会出现结冰现象，而风机叶片是风电机组的关键部位，叶片结冰将极大地改变叶片气动特性，从而减小机组出力，导致巨大的电量损失。
涂料除冰是一种主动防冰手段，目前研究较多的涂料主要为憎水型材料。憎水型材料虽然可以改善初期覆冰，但在重覆冰下的效果不明显。
除此之外，防冰溶液也有相关研究。防冰溶液是一种添加盐类物质的溶液，喷洒在风机叶片表面可以降低附着水的凝固点实现防冰，但由于防冰溶液容易流失，有效期短，且容易造成叶片表面腐蚀和环境污染，因此难以得到应用。
此外，风机叶片工作时，尖端线速度将近100m/s，表面涂料与空气中的粉尘颗粒、水滴等杂质摩擦剧烈，材料极易磨损，持续使用时间短。
因此，仍需开发性能更好的防冰材料来解决上述现有的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有防冰材料技术存在的防冰效果不佳和耐磨性能较差的缺陷。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种风机叶片表面的防冰涂层，该涂层含有层叠设置的防冰内层和防冰外层，形成所述防冰内层的材料包括复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物，形成所述防冰外层的材料为含氟基料；
所述防冰内层的厚度D1与所述防冰外层的厚度D2之间的比例关系为：D1：D2＝1：0.025-0.075；
相对于100重量份的所述含氟基料，所述复合过渡金属族氧化物的含量为66-550重量份，所述金属酸性盐的含量为16-100重量份，所述液态丁基羟基有机物的含量为10-80重量份，所述纳米金属氧化物的含量为10-100重量份；
所述复合过渡金属族氧化物为重量比为1：5.6-19的颜料和基体的组合，所述颜料选自Co-Al-O、Co-Fe-O、Ni-Fe-O、Co-Mn-O、Cu-Co-Mn-O中的至少一种，所述基体选自聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅中的至少一种；
所述金属酸性盐选自硅酸钙、磷酸铝、铝酸钙中的至少一种；
所述液态丁基羟基有机物选自丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯中的至少一种。
本发明第二方面提供一种制备前述第一方面所述的防冰涂层的方法，该方法包括：
(1)将复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物进行第一混合，得到混合物I；
(2)应用所述混合物I对风机叶片表面进行第一喷涂，得到涂层I；
(3)将所述涂层I进行第一固化；
(4)应用含氟基料对固化后的涂层I的表面进行第二喷涂，得到涂层II；
(5)将所述涂层II进行第二固化，得到所述防冰涂层。
本发明第三方面提供前述第一方面所述的防冰涂层在风机叶片表面防冰材料中的应用。
与现存风机叶片表面防冰材料技术相比，本发明提供的风机叶片表面的防冰涂层至少具有如下优势：
(1)本发明提供的风机叶片表面的防冰涂层能够降低水滴和冰层在涂层表面的附着力，降低表面覆冰速率，提高防冰效果；
(2)本发明提供的风机叶片表面的防冰涂层具有较强的耐磨性能。
本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
需要说明的是，在本发明的各方面中，针对各方面中的相同的组分，本发明仅在其中一方面中描述一次而不重复进行描述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种风机叶片表面的防冰涂层，该涂层含有层叠设置的防冰内层和防冰外层，形成所述防冰内层的材料包括复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物，形成所述防冰外层的材料为含氟基料；
所述防冰内层的厚度D1与所述防冰外层的厚度D2之间的比例关系为：D1：D2＝1：0.025-0.075；
相对于100重量份的所述含氟基料，所述复合过渡金属族氧化物的含量为66-550重量份，所述金属酸性盐的含量为16-100重量份，所述液态丁基羟基有机物的含量为10-80重量份，所述纳米金属氧化物的含量为10-100重量份；
所述复合过渡金属族氧化物为重量比为1：5.6-19的颜料和基体的组合，所述颜料选自Co-Al-O、Co-Fe-O、Ni-Fe-O、Co-Mn-O、Cu-Co-Mn-O中的至少一种，所述基体选自聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅中的至少一种；
所述金属酸性盐选自硅酸钙、磷酸铝、铝酸钙中的至少一种；
所述液态丁基羟基有机物选自丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯中的至少一种。
本发明中，所述Co-Al-O为钴和铝的复合氧化物，其中Co/Al的元素摩尔比为0.5-2：1；所述Co-Fe-O为钴和铁的复合氧化物，其中Co/Fe的元素摩尔比为0.5-2：1；所述Ni-Fe-O为镍和铁的复合氧化物，其中Ni/Fe的元素摩尔比为0.5-2：1；所述Co-Mn-O为钴和锰的复合氧化物，其中Co/Mn的元素摩尔比为0.5-2：1；所述Cu-Co-Mn-O为铜、钴和锰的复合氧化物，其中Cu/Co/Mn的元素摩尔比为0.5-2：0.5-2：1。
本发明中，所述聚氨酯示例性地可以为聚合度为3-6的聚氨酯；所述丙烯酸酯示例性地可以为聚合度为4-8的热固性丙烯酸树脂。
优选地，所述含氟基料选自含氟聚丙烯酸酯、含氟有机硅、含氟聚氨酯中的至少一种。
本发明中，所述含氟聚丙烯酸酯示例性地可以为含氟量为4-8质量％、聚合度为3-8的含氟聚丙烯酸酯；所述含氟聚氨酯示例性地可以为含氟量为6-10质量％、聚合度为4-7的含氟聚氨酯。发明人发现，在该优选的实施方式下，本发明提供的方法能够获得防冰效果更佳、耐磨性能更强的防冰涂层。
优选地，所述纳米金属氧化物选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝中的至少一种。
如前所述，本发明的第二方面提供了一种制备前述第一方面所述的防冰涂层的方法，该方法包括：
(1)将复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物进行第一混合，得到混合物I；
(2)应用所述混合物I对风机叶片表面进行第一喷涂，得到涂层I；
(3)将所述涂层I进行第一固化；
(4)应用含氟基料对固化后的涂层I的表面进行第二喷涂，得到涂层II；
(5)将所述涂层II进行第二固化，得到所述防冰涂层。
优选地，在步骤(1)中，所述第一混合的条件至少满足：温度为15-35℃，时间为2-3h，搅拌转速为1500-2000r/min。
优选地，在步骤(2)中，控制所述第一喷涂的条件，使得所述涂层I的厚度为2-4mm。
优选地，在步骤(3)中，所述第一固化的条件至少满足：温度为25-60℃，时间为72-96h。
优选地，在步骤(4)中，控制所述第二喷涂的条件，使得所述涂层II的厚度为0.1-0.15mm。
优选地，在步骤(5)中，所述第二固化的条件至少满足：温度为25-50℃，时间为72-96h。
根据一种特别优选的实施方式，制备前述第一方面所述的防冰涂层的方法包括以下步骤：
(1)在20-30℃、1500-2000r/min下，将复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物进行搅拌混合2-3h，得到混合物I；
(2)应用所述混合物I对风机叶片表面进行喷涂，得到厚度为2-4mm的涂层I；
(3)在25-40℃下将所述涂层I进行固化72-96h；
(4)应用含氟基料对固化后的涂层I的表面进行喷涂，得到厚度为0.1-0.15mm的涂层II；
(5)在30-45℃下将所述涂层II进行固化72-96h，得到所述防冰涂层。
发明人发现，在该优选的实施方式下，本发明提供的方法能够获得防冰效果更佳、耐磨性能更强的防冰涂层。
如前所述，本发明的第三方面提供了前述第一方面所述的防冰涂层在风机叶片表面防冰材料中的应用。
以下将通过实例对本发明进行详细描述。
以下实例中，在没有特别说明的情况下，涉及到的实验仪器和原料均为市售品。
实验仪器
千分尺：日本三量公司；
落砂耐磨试验仪：Pushen，上海普申检测仪器有限公司。
原料
Co-Fe-O金属复合材料：自制产品，Co/Fe的元素摩尔比为1：1，制备方法参考文献如下：方针等，《溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成CoMn2O4尖晶石型陶瓷颜料用于制备墨绿色太阳能吸光涂层》，材料导报，2018，32(S2)；
Co-Al-O金属复合材料：自制产品，Co/Al的元素摩尔比为1：1，制备方法参考文献如下：方针等，《溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成CoMn2O4尖晶石型陶瓷颜料用于制备墨绿色太阳能吸光涂层》，材料导报，2018，32(S2)；
聚氨酯基体材料：黑色油性，聚合度为5，上海旱龙实业有限公司；
丙烯酸酯基体材料：XW265704892，国药集团化学试剂有限公司；
含氟聚氨酯：自制产品，含氟量为5.6质量％，聚合度为7，制备方法参考文献如下：赵芸等，《含氟聚氨酯的制备及性能研究》，北京理工大学学报，2021，41(09)；
含氟聚丙烯酸酯：Z122281，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
硅酸钙：20012827，国药集团化学试剂有限公司；
铝酸钙：L02264601，国药集团化学试剂有限公司；
二丁基羟基甲苯：SUP4716801，国药集团化学试剂有限公司；
丁基羟基茴香醚：XW250131652，国药集团化学试剂有限公司；
纳米二氧化硅：XW6067686018，国药集团化学试剂有限公司；
纳米氧化铝：A396574，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
以下实例中的组分用量均以重量份表示。在没有特别说明的情况下，每重量份的质量为0.01kg。
以下实例中所用的风机叶片为来自江苏乃尔风电技术开发有限公司的风机叶片，长度为1.2m。
以下实例中，涉及到的性能测试方法如下：
1、防冰性能测试
将待测风机叶片置于同一覆冰环境中(温度为-5℃、湿度为80％)运行，使其正常旋转工作并覆冰，2h后检测风机叶片表面的覆冰厚度。
2、耐磨性能测试
按照GB/T 23988-2009《涂料耐磨性测定落砂法》标准中的技术要求进行耐磨性能测试。
实施例1
原料：Co-Fe-O金属复合材料5.5重量份、聚氨酯基体材料49.5重量份、含氟聚氨酯20重量份、硅酸钙5重量份、二丁基羟基甲苯5重量份、纳米二氧化硅5重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层S1，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、2000r/min下，将Co-Fe-O金属复合材料、聚氨酯基体材料、硅酸钙、二丁基羟基甲苯、纳米二氧化硅搅拌混合3h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为3mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化96h；
(4)将含氟聚氨酯喷涂在固化后的涂层I的表面，得到厚度为0.15mm的涂层II；
(5)在30℃下将所述涂层II固化96h，得到防冰涂层S1。
实施例2
原料：Co-Al-O金属复合材料5.5重量份、丙烯酸酯基体材料49.5重量份、含氟聚丙烯酸酯20重量份、铝酸钙5重量份、丁基羟基茴香醚5重量份、纳米氧化铝5重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层S2，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、2000r/min下，将Co-Al-O金属复合材料、丙烯酸酯基体材料、铝酸钙、丁基羟基茴香醚、纳米氧化铝搅拌混合3h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为3mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化96h；
(4)将含氟聚丙烯酸酯喷涂在固化后的涂层I的表面，得到厚度为0.15mm的涂层II；
(5)在30℃下将所述涂层II固化96h，得到防冰涂层S2。
实施例3
原料：Co-Fe-O金属复合材料6重量份、聚氨酯基体材料54重量份、含氟聚氨酯20重量份、硅酸钙4重量份、二丁基羟基甲苯4重量份、纳米二氧化硅4重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层S3，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、1500r/min下，将Co-Fe-O金属复合材料、聚氨酯基体材料、硅酸钙、二丁基羟基甲苯、纳米二氧化硅搅拌混合2h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为2mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化72h；
(4)将含氟聚氨酯喷涂在固化后的涂层I的表面，得到厚度为0.1mm的涂层II；
(5)在30℃下将所述涂层II固化72h，得到防冰涂层S3。
对比例1
原料：聚氨酯基体材料49.5重量份、含氟聚氨酯20重量份、硅酸钙5重量份、二丁基羟基甲苯5重量份、纳米二氧化硅5重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层DS1，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、2000r/min下，将聚氨酯基体材料、硅酸钙、二丁基羟基甲苯、纳米二氧化硅搅拌混合3h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为3mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化96h；
(4)将含氟聚氨酯喷涂在固化后的涂层I的表面，得到厚度为0.15mm的涂层II；
(5)在30℃下将所述涂层II固化96h，得到防冰涂层DS1。
对比例2
原料：Co-Fe-O金属复合材料5.5重量份、聚氨酯基体材料49.5重量份、硅酸钙5重量份、二丁基羟基甲苯5重量份、纳米二氧化硅5重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层DS2，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、2000r/min下，将Co-Fe-O金属复合材料、聚氨酯基体材料、硅酸钙、二丁基羟基甲苯、纳米二氧化硅搅拌混合3h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为3mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化96h，得到防冰涂层DS2。
对比例3
原料：Co-Fe-O金属复合材料5.5重量份、含氟聚氨酯20重量份、硅酸钙5重量份、二丁基羟基甲苯5重量份、纳米二氧化硅5重量份；
按照如下方法制备风机叶片表面的防冰涂层DS3，该方法包括以下步骤：
(1)在25℃、2000r/min下，将Co-Fe-O金属复合材料、硅酸钙、二丁基羟基甲苯、纳米二氧化硅搅拌混合3h，使其均匀分散，得到混合物I；
(2)将所述混合物I喷涂在风机叶片表面，得到厚度为3mm的涂层I；
(3)在25℃下将所述涂层I固化96h；
(4)将含氟聚氨酯喷涂在固化后的涂层I的表面，得到厚度为0.15mm的涂层II；
(5)在30℃下将所述涂层II固化96h，得到防冰涂层DS3。
采用前述测试方法对各实例中获得的防冰涂层进行性能测定，具体结果见表1。
表1
Figure BDA0003408278570000111
从以上结果可以看出，本发明提供的风机叶片表面的防冰涂层具有良好的防冰性能，并且具有较强的耐磨性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风机叶片表面的防冰涂层，其特征在于，该涂层含有层叠设置的防冰内层和防冰外层，形成所述防冰内层的材料包括复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物，形成所述防冰外层的材料为含氟基料；
所述防冰内层的厚度D1与所述防冰外层的厚度D2之间的比例关系为：D1：D2＝1：0.025-0.075；
相对于100重量份的所述含氟基料，所述复合过渡金属族氧化物的含量为66-550重量份，所述金属酸性盐的含量为16-100重量份，所述液态丁基羟基有机物的含量为10-80重量份，所述纳米金属氧化物的含量为10-100重量份；
所述复合过渡金属族氧化物为重量比为1：5.6-19的颜料和基体的组合，所述颜料选自Co-Al-O、Co-Fe-O、Ni-Fe-O、Co-Mn-O、Cu-Co-Mn-O中的至少一种，所述基体选自聚氨酯、丙烯酸酯、有机硅中的至少一种；
所述金属酸性盐选自硅酸钙、磷酸铝、铝酸钙中的至少一种；
所述液态丁基羟基有机物选自丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的防冰涂层，其中，所述含氟基料选自含氟聚丙烯酸酯、含氟有机硅、含氟聚氨酯中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的防冰涂层，其中，所述纳米金属氧化物选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝中的至少一种。
4.一种制备权利要求1-3中任意一项所述的防冰涂层的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将复合过渡金属族氧化物、金属酸性盐、液态丁基羟基有机物和纳米金属氧化物进行第一混合，得到混合物I；
(2)应用所述混合物I对风机叶片表面进行第一喷涂，得到涂层I；
(3)将所述涂层I进行第一固化；
(4)应用含氟基料对固化后的涂层I的表面进行第二喷涂，得到涂层II；
(5)将所述涂层II进行第二固化，得到所述防冰涂层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述第一混合的条件至少满足：温度为15-35℃，时间为2-3h，搅拌转速为1500-2000r/min。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在步骤(2)中，控制所述第一喷涂的条件，使得所述涂层I的厚度为2-4mm。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述第一固化的条件至少满足：温度为25-60℃，时间为72-96h。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在步骤(4)中，控制所述第二喷涂的条件，使得所述涂层II的厚度为0.1-0.15mm。
9.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在步骤(5)中，所述第二固化的条件至少满足：温度为25-50℃，时间为72-96h。
10.权利要求1-3中任意一项所述的防冰涂层在风机叶片表面防冰材料中的应用。
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