CN114605903A - 一种厚浆型水性风电叶片面漆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化工材料涂料技术领域，特别涉及一种厚浆型水性风电叶片面漆及其制备方法。其中，厚浆型水性风电叶片面漆包括甲组份和乙组分，其中，甲组份包括了水、水性羟基丙烯酸分散体、成膜助剂、改性二氧化硅消光粉、水性聚氨酯分散体和聚四氟乙烯蜡乳液；所述乙组分包括了水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯。本发明提供的厚浆型水性风电叶片面漆，该涂料可进行厚膜化施工，其制备工艺简便，具有很好的施工性能，一次成膜厚度其一次成膜厚度大于100μm，甚至可达160μm，涂层表面无明显的缺陷，且具有优异的断裂延长率、附着力、强度、柔韧性和耐磨性。用于风电叶片的防护时，可提高涂料的施工效率、提高构件的使用寿命，减少维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及化工材料涂料技术领域，特别涉及一种厚浆型水性风电叶片面漆及其制备方法。
背景技术
风能作为可再生清洁能源，成为我国能源行业未来的重点发展方向。而在风力发电机组中，风电叶片是重要的结构部件。风力发电机组通常运行于风力资源丰富的场所，如海洋、沙漠或高原山区，这些场所环境状况通常极为恶劣。环境中的阳光、沙尘、暴雨等对叶片产生了严重的破坏和侵蚀作用。风机叶片主体材料为玻璃纤维、碳纤维增强的复合材料，难以长时间耐受恶劣自然环境的破坏和侵蚀作用，需要涂装高性能叶片保护涂料，延长风机叶片维修周期，提高投资效益。叶片保护涂料通常由腻子、胶衣和面漆构成。由于风机叶片工作于自然环境极为恶劣的场所，因此不仅要求叶片面漆有很好的耐老化性能，而且要求其具备很好的弹性、耐磨性和附着力，以抵御风沙冲击和雨水冲蚀，此外，为防止对周围环境产生光污染，叶片面漆应有较低的光泽。
传统的风电叶片面漆多为溶剂型涂料，CN106243981A公开的一种高耐风沙侵蚀风电叶片涂料及其制备方法，公开日为2016年12月21日，其原材料组成涉及二甲苯、醋酸丁酯、二乙二醇丁醚醋酸酯及二乙二醇单丁醚等多种溶剂，根据其公开的实施例，溶剂占配方含量约30％。CN113122120A公开的一种风电叶片涂料及其制备方法，公开日为2021年07月16日，其原材料组成包括醋酸丁酯等溶剂，配方固含量为70％，即其溶剂重量比约30％。随着各地政府对挥发性有机物(VOCs)排放的限制进一步加强，含大量VOCs的溶剂型风电叶片面漆已不能满足应用要求。
为减少配方VOCs，提高风电叶片涂料的环保性，叶片面漆水性化成为叶片面漆发展的重要方向。刘成楼等以水性羟基丙烯酸分散体和水分散型异氰酸酯为主要成膜物质，制备出风电叶片用双组分水性聚氨酯面漆。
CN113025132A以带羟基的水性有机硅改性氟碳树脂及活性硅氧烷为主要成膜物质，水分散型HDI和IPDI为固化剂，构建了一种两种网络结构交叉的互穿型风电叶片面漆，具有优异的综合性能。然而，以异氰酸酯为固化剂的水性面漆，其固化过程均不可避免的存在异氰酸酯水解的副反应，该副反应将产生二氧化碳气体，当膜厚较高时，二氧化碳的排出将受到限制，并将最终产生漆膜内部缺陷及力学性能下降。因此，以异氰酸酯为固化剂的水性叶片面漆的一次成膜厚度均较低。而根据本领域技术人员的认知，通常水性聚氨酯面漆的一次成膜厚度为80μm以下。
而《风电叶片用双组分水性聚氨酯涂料的研制》刘成楼等的风电叶片用双组分水性聚氨酯面漆抗流挂性150μm，一次成膜最大厚度为80μm。而在施工现场，一次成膜厚度为80μm时，水性叶片面漆往往需要经过多道涂装方可达到规定的干膜厚度，这意味着水性叶片面漆的施工效率较差。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的水性面漆存在的一次成膜厚度较低的问题，本发明提供一种厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，包括甲组份和乙组分，其中，甲组份包括了水、水性羟基丙烯酸分散体、成膜助剂、改性二氧化硅消光粉、水性聚氨酯分散体和聚四氟乙烯蜡乳液；
所述乙组分包括了水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯；
其中，所述水性羟基丙烯酸分散体、水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液及水性异氰酸酯的重量比为25～45：8～28：2～5：50～90。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述甲组份还包括水性分散剂、水性消泡剂、改性膨润土、钛白粉、耐磨填料、水性工业色浆。
在该优选的方案中，通过改性膨润土和改性二氧化硅消光粉的协同作用提高配方的抗流挂性，以提高一次成膜厚度。选用在水中分散性较好的改性膨润土，如LT、DE或SHV，其可在高速分散下快速形成卡屋状结构，而改性二氧化硅消光粉除可降低漆膜光泽外，也可通过氢键形成硅氧网络结构，与膨润土的卡屋结构相协同，可进一步提高涂料的抗流挂性。
在上述技术方案的基础上，进一步的，按照重量份数比，所述甲组份包括了水8～15份,水性羟基丙烯酸分散体25～45份,成膜助剂1～6份,水性分散剂0.1～0.5份,水性消泡剂0.1～0.5份,改性膨润土0.4～0.8份,钛白粉5～25份,耐磨填料5～15份,改性二氧化硅消光粉1～5份,水性聚氨酯分散体8～28份,聚四氟乙烯蜡乳液2～5份,水性工业色浆0～0.6份；
所述乙组分水性异氰酸酯固化剂50～90份，丙二醇二乙酸酯10～50份。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述改性二氧化硅消光粉为孔隙率1.8mL/g、吸油值260～300g(以100g样品计)、粒径4.5～5.5μm、pH 6.0～7.0且表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述水性羟基丙烯酸分散体为固含量为40％～60％，羟基含量为3.3％～4.2％的水性羟基丙烯酸分散体。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述成膜助剂为二丙二醇丁醚、二乙二醇单丁醚或其混合物。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述水性分散剂为BYK-180、BYK-190、优卡690w、SN5040或X-405；所述水性消泡剂为BYK-024、Tego810、Tego910w、优卡290w或优卡295w；所述改性膨润土为LT、DE或SHV；所述钛白粉为金红石型钛白粉，包括R706、R996或R5566；所述耐磨填料包括长石粉、明耐粉、硅灰石粉、石英粉及石英砂的一种或多种。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述水性聚氨酯分散体为线性聚碳酸酯-聚醚聚氨酯水性分散体。
在上述技术方案的基础上，进一步的，所述水性异氰酸酯固化剂为聚醚改性的HDI三聚体，结构式为：
本发明提供一种如上任意所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法所制备得到的厚浆型水性风电叶片面漆。
本发明实施例提供的厚浆型水性风电叶片面漆主要成膜物质由水性羟基丙烯酸分散体、水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液及水性异氰酸酯固化剂组成其中，水性羟基丙烯酸分散体和水性异氰酸酯固化剂可在漆膜固化过程中进行交联反应，形成三维网络结构，而水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液均为单组分固化的分子链。与传统双组分聚氨酯涂料成膜过程不同，本发明涂料成膜过程中，将形成一种半交联互穿网络结构，即在水性羟基丙烯酸分散体和水性异氰酸酯固化剂的网络结构中，单组分的水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯分子链穿插其中。这种结构可使成膜物质的强度、伸长率得到显著的提高，并提高漆膜的附着力和耐磨性。
选用的水性聚氨酯分散体为含硬段聚碳酸酯结构和软段聚醚结构的嵌段线性结构，这种类似串珠型的嵌段结构本身具有较好的强度和韧性。此外，水性聚氨酯分散体与羟基丙烯酸分散体及异氰酸酯亲和性较好，可使其在成膜过程中均匀的穿插在羟丙树脂-异氰酸酯固化剂网络结构内部，保证半交联互穿网络结构的形成。选用的聚四氟乙烯蜡乳液可降低表面的摩擦系数从而提高漆膜的耐磨性，此外，其分子链中的C-F键可提高涂层的耐老化性。聚四氟乙烯蜡乳液经表面活性剂改性后与有机质相容性较好，可使其在成膜过程中均匀穿插在羟丙树脂-异氰酸酯固化剂网络结构内部，保证半交联互穿网络结构的形成。
此外，由于加入大量的单组分物质(水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液)，因此本发明中水性异氰酸酯固化剂的用量相对较少，可有效减少漆膜固化时因异氰酸酯水解副反应产生的二氧化碳气体，减少厚膜施工时的涂层内部缺陷，从而在保证满足风电叶片面漆性能要求的前提下提高漆膜的一次成膜厚度。
本发明实施例中的挥发分包括水、成膜助剂及丙二醇二乙酸酯，其中，水的沸点为100℃、成膜助剂的沸点约230℃、丙二醇二乙酸酯的沸点约190℃，三者不同的沸点差可使涂料成膜时，水挥发完后，仍存在一段开放时间，在此期间，未反应完的—OH和—NCO仍存在一定的分子运动能力，从而可进行进一步反应，而提高涂层的整体交联密度。更重要的是，在此期间，异氰酸酯水解副反应产生的气体可在消泡剂的协同作用下实现充分释放，从而减少成膜缺陷，并使配方在满足风电叶片面漆性能要求的前提下提高漆膜的一次成膜厚度。
本发明提供的厚浆型水性风电叶片面漆，该涂料可进行厚膜化施工，其一次成膜厚度其一次成膜厚度大于100μm，甚至可达160μm，涂层表面无明显的缺陷，且具有优异的断裂延长率、附着力、强度、柔韧性和耐磨性。用于风电叶片的防护时，可大大提高涂料的施工效率、提高构件的使用寿命，减少维护成本。
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的面漆涂装测试效果图；
图2为对比例2提供的面漆涂装测试效果图。
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，下面将结合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。
本发明提供如下表所示有机硅季铵盐改性环氧防腐涂料的原料配比和选择的实施例(单位：重量份)：
表1
| 甲组分原材料名称 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 水 | 15 | 12 | 8 |
| 水性羟基丙烯酸分散体 | 45 | 33 | 25 |
| 成膜助剂 | 1 | 6 | 4 |
| 水性分散剂 | 0.1 | 0.3 | 0.5 |
| 水性消泡剂 | 0.1 | 0.3 | 0.5 |
| 改性膨润土 | 0.8 | 0.6 | 0.4 |
| 钛白粉 | 5 | 19 | 25 |
| 耐磨填料 | 15 | 12 | 5 |
| 改性二氧化硅消光粉 | 5 | 2 | 1 |
| 水性聚氨酯分散体 | 8 | 11 | 28 |
| 聚四氟乙烯蜡乳液 | 5 | 3.5 | 2 |
| 水性工业色浆 | 0 | 0.3 | 0.6 |
| 合计 | 100 | 100 | 100 |
| 乙组分原材料名称 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 水性异氰酸酯固化剂 | 90 | 70 | 50 |
| 丙二醇二乙酸酯 | 10 | 30 | 50 |
| 合计 | 100 | 100 | 100 |
其中，上述实施例中具体的：
水性羟基丙烯酸分散体为固含量为(40～60)％，羟基含量为(3.3～4.2)％；
所述成膜助剂中，实施例1为：二丙二醇丁醚；实施例2为：二乙二醇单丁醚；实施例3为：二丙二醇丁醚与二乙二醇单丁醚混合物，重量比为1:1；
所述水性分散剂中，实施例1为：BYK-180；实施例2为：BYK-190；实施例3为：优卡690w；
所述水性消泡剂中，实施例1为：BYK-024；实施例2为：Tego810和Tego910w混合物，重量比为1：5；实施例3为：优卡290w；
所述改性膨润土中，实施例1为：DE；实施例2为：SHV；实施例3为：LT；
所述钛白粉中，实施例1为：R706；实施例2为：R5566；实施例3为：R996；
所述耐磨填料中，实施例1为：硅灰石粉；实施例2为：明耐粉；实施例3为：长石粉；
所述改性二氧化硅消光粉中，各实施例均为孔隙率1.8mL/g、吸油值260～300g(以100g样品计)、粒径4.5～5.5μm、pH 6.0～7.0且表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉；具体采用生产厂家包括清远鑫辉化工生产。当然，也可以采用德谦海明斯生产的改性二氧化硅消光粉进行替代。
所述水性聚氨酯分散体均为根据专利CN107903377A连续式无溶剂磺酸盐水性聚氨酯分散体及其制备方法中，实施例9制备而成，为一种线性聚碳酸酯-聚醚聚氨酯水性分散体。
所述聚四氟乙烯蜡乳液型号均为DF-301。
所述水性工业色浆根据CN110016259A水性工业涂料功能性色浆及其制备方法制备而得，当然也可以选用其他现有技术中已知的水性工业色浆。
所述水性异氰酸酯固化剂为聚醚改性的HDI三聚体，具体结构式为：
对于本发明所提供的实施例，本发明还提供一种制备方法作为参考，具体如下：
甲组分的制备方法为：
(1)将水、部分水性羟基丙烯酸分散体(占水性羟基丙烯酸分散体总量的60％)、成膜助剂、水性分散剂及水性消泡剂在500r/min的转速下分散约5分钟；
(2)在500r/min的分散速度下，向料缸中加入改性膨润土，再在4000r/min的转速下分散约20分钟；
(3)调节转速至500r/min，向料缸中加入钛白粉、耐磨填料和改性二氧化硅消光粉，再在3500r/min分散约60分钟；
(4)调节转速至500r/min，向料缸中加入水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液及水性工业色浆，再在800r/min转速下分散15分钟。
乙组分的制备方法为：
(1)将水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯在500r/min的转速下分散15分钟即可得到乙组分。
甲乙组分制备完成后，使用时将甲乙组分按甲：乙＝(5～9)：1的重量比混合均匀，即可进行涂料的使用。
本领域根据实际生产情况，可以选择相应的参数。
将本发明中，实施例1的甲乙组分按甲：乙＝5：1(质量比)、实施例2 的甲乙组分按甲：乙＝6：1(质量比)和实施例3的甲乙组分按甲：乙＝9：1(质量比)进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2实施例性能数据
本发明还提供如下表所示对比例的测试性能数据：
表3
其中，对比例1中的高性能水性聚氨酯风电叶片涂料具体为：水性丙烯酸多元醇二级分散体和氨基磺酸盐改性的HDI固化剂为主剂，缔合型聚氨酯增稠剂、10％有机硅表面助剂及3％经表面处理的消光剂为改性剂。
对比例2中的风电叶片用双组分水性聚氨酯涂料原料包括了水性羟基丙烯酸树脂、水分散型异氰酸酯固化剂，进口；金红石型钛白粉，杜邦；硅铝基空心微珠，北京世先英华；绢云母，滁州；片状石墨，青岛；消光粉TS一100，德固赛；纳米SiO水浆，首创；分散剂BYK一182、消泡剂BYK一024、基材润湿剂BYK一346，毕克公司；杀菌剂LXE，陶氏；增稠剂PW25，拜耳；流变助剂RM一8W、RM一2020，陶氏；氟硅疏水剂，北京赛德利；丙二醇甲醚醋酸酯，江苏华伦。其配方和制备方法采用了“风电叶片用双组分水性聚氨酯涂料的研制”(刘成楼隗功祥(北京虹霞正升涂料有限公司，102400)中的方法制备得到。
将对比例2和本发明实施例1提供的面漆进行实际涂装测试，在相同的材料环氧玻璃钢，相同的条件下，分别涂敷。基材处理工艺为：用适当清洁剂去除油污、油脂等污染物，用新鲜淡水冲洗，或用适当溶剂/脱脂剂进行彻底清洁，待干燥后，用P80～P120等级的砂纸进行打磨，打磨方式宜用打圈式打磨，尽量是砂纸平面与环氧玻璃钢平面保持基本平行，不要打磨出半月型，也不要打磨到纤维层；打磨后除尘，除尘可采用真空吸尘机，或用清洁的压缩空气吹扫，或用水冲洗后干燥；逆光观察，表面呈现无光/亚光状态表明打磨符合要求。随后，采用有气喷涂的工艺进行施工，施工时，保持样板水平放置，将实施例和对比例2进行施工，控制干膜厚度为160μm。将二者同时放在(23±2)℃的环境中7天，观察测试结果，本发明实施例1的结果如图1所述，对比例2的结果图2所示。由二者的对比可以看出，在相同的干膜厚度条件下，传统双组分水性聚氨酯涂料干膜厚度160μm时的表面状态具有较多的气泡，而实施例1涂料干膜厚度160μm时的表面光滑无气泡。
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 (10)
1.一种厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，包括甲组份和乙组分，其中，甲组份包括了水、水性羟基丙烯酸分散体、成膜助剂、改性二氧化硅消光粉、水性聚氨酯分散体和聚四氟乙烯蜡乳液；
所述乙组分包括了水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯；
其中，所述水性羟基丙烯酸分散体、水性聚氨酯分散体、聚四氟乙烯蜡乳液及水性异氰酸酯的重量比为25～45：8～28：2～5：50～90。
2.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述甲组份还包括水性分散剂、水性消泡剂、改性膨润土、钛白粉、耐磨填料、水性工业色浆。
3.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，按照重量份数比，所述甲组份包括了水8～15份,水性羟基丙烯酸分散体25～45份,成膜助剂1～6份,水性分散剂0.1～0.5份,水性消泡剂0.1～0.5份,改性膨润土0.4～0.8份,钛白粉5～25份,耐磨填料5～15份,改性二氧化硅消光粉1～5份,水性聚氨酯分散体8～28份,聚四氟乙烯蜡乳液2～5份,水性工业色浆0～0.6份；
所述乙组分水性异氰酸酯固化剂50～90份，丙二醇二乙酸酯10～50份。
4.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述改性二氧化硅消光粉为孔隙率1.8mL/g、吸油值260～300g(以100g样品计)、粒径4.5～5.5μm、pH6.0～7.0且表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉。
5.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述水性羟基丙烯酸分散体为固含量为40％～60％，羟基含量为3.3％～4.2％的水性羟基丙烯酸分散体。
6.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述成膜助剂为二丙二醇丁醚、二乙二醇单丁醚或其混合物。
7.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述水性分散剂为BYK-180、BYK-190、优卡690w、SN5040或X-405；所述水性消泡剂为BYK-024、Tego810、Tego910w、优卡290w或优卡295w；所述改性膨润土为LT、DE或SHV；所述钛白粉为金红石型钛白粉，包括R706、R996或R5566；所述耐磨填料包括长石粉、明耐粉、硅灰石粉、石英粉及石英砂的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述水性聚氨酯分散体为线性聚碳酸酯-聚醚聚氨酯水性分散体。
9.根据权利要求1所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，所述水性异氰酸酯固化剂为聚醚改性的HDI三聚体，结构式为：
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的厚浆型水性风电叶片面漆的制备方法所制备得到的厚浆型水性风电叶片面漆,其特征在于，其一次成膜厚度大于100μm。
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