CN115304998A - 一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料及其制备方法 - Google Patents

一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，涉及涂料领域，包括以下重量份数的原料：成膜树脂98‑120份、电磁屏蔽填料5‑20份、纳米二氧化硅颗粒20‑50份以及有机金属化合物溶胶10‑30份。本发明通过在风机叶片上涂覆防覆冰涂料，一方面加入的电磁屏蔽填料，具有电磁屏蔽功能，另一方面加入纳米二氧化硅颗粒和有机金属溶胶，具有疏水性能和融冰作用，能够在雨水天气，减少雨水在风机叶片上的附着和停留，具有防覆冰作用。

Description

一种兼具电磁屏蔽功能的风机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，具体讲是一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料及其制备方法。
背景技术
近年来，风力发电在世界的能源总量中所占的比例逐渐提高，风电已经成为世界上发展最快、最具发展前景的能源开发方式。风能是一种可再生资源，不存在常规能源带来的环境污染问题，已被世界各国普遍关注和优先发展。我国风能资源丰富，开发潜力巨大，然而丰富的风资源基本分布在冰天雪地的北方以及湿气非常大的沿海地带，环境极其恶劣。风机叶片在低温条件下运行时，如温度低于零摄氏度，尤其是遇到雨水、冰雪，过冷却水滴时，就会发生冻冰现象。风机叶片的工作原理是将风能转换成机械能，叶片由两只或多只螺旋桨形的叶轮组成，风吹过时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。由于叶片是风机的重要组成部分，叶片的气动性能直接影响到风机转换风能的效率。风机叶片敷冰后会产生很大的危害，不仅使得叶片原有的翼型改变，大大影响风电机组的载荷和出力，对机组产生非常大的危害，使得风机的发电效率大大折扣，如遇冰块脱落，机组和现场人员也存在安全风险。因此，风机叶片需要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料。
本发明的技术解决方案如下：
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂98-120份、电磁屏蔽填料5-20份、纳米二氧化硅颗粒20-50份以及有机金属化合物溶胶10-30份。
作为本发明的优选方案，所述成膜树脂为端羟基聚硅氧烷。
作为本发明的优选方案，所述电磁屏蔽填料包括质量比10：1-9：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
作为本发明的优选方案，所述镍粉的粒径为10-50nm。
本发明还公开了一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有60-80wt％成膜树脂的溶液，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，加热，然后冷却制得。
作为本发明的优选方案，加热温度为50-110℃。
作为本发明的优选方案，所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应1-3小时后，再滴加三丙二醇，继续反应2-6小时，得到有机金属化合物溶胶。
作为本发明的优选方案，所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的3-5倍。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，通过在风机叶片上涂覆防覆冰涂料，一方面加入的电磁屏蔽填料，具有电磁屏蔽功能，另一方面加入纳米二氧化硅颗粒，具有疏水性能，能够在雨水天气，减少雨水在风机叶片上的附着和停留，具有防覆冰作用。
(2)本发明的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，采用端羟基聚硅氧烷作为成膜剂，其上的结构主链为Si-O构成，分子容易内旋转，使得其内混合的纳米二氧化硅颗粒和有机金属化合物能够进行扩散到表面，成膜树脂具有相翻转的功能，即其上的柔性链可向内运动，其内的极性物质可以向外翻转、迁移。而有机金属化合物，一端为有机基团，与成膜树脂具有较好的相容性，因此，在涂料固化后金属有机化合物包覆在涂料内部，由于涂料具有疏水性，当一般的雨天，雨滴不会长时间停留在涂料表面，故极性的水分子不会对金属有机化合物产生诱导，只有在冻雨天气，涂料表面敷上一层冰膜后，涂料内部的金属有机化合物会受到极性物质的诱导，使得金属有机化合物迁移至表面，与水分子发生反应，释放出能够降低融冰温度的有机小分子，起到融冰的作用，进一步提高涂料的防覆冰作用。
(3)本发明的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，通过采用镀银碳纤维和镍粉作为电磁屏蔽填料，纳米级别的镍粉填充在具有导电功能的镀银碳纤维的空隙之间，使得风机叶片表面具有了连续导电性，在微观上形成良好的导电网络，获得很高的电导率，表面阻抗与自由空间极为不匹配，电磁波在入射界面处很容易发生反射，从而实现电磁屏蔽功能，再者，添加石墨片，与镀银碳纤维形成交错的三维立体型，提升电磁屏蔽功能，同时还能够提高强度。
具体实施方式
以下以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
以下实施例中所用镀银碳纤维是外层镀银的短切碳纤维，其长度为4～6mm，可以自制，也可以市购，以下实施例采用自制的镀银碳纤维，制备方法如下：(份为重量份)
称取2份碳纤维在60wt％浓度的丙酮溶液中浸泡3h，然后超声处理30min，再将碳纤维浸泡在90wt％的乙醇溶液中超声处理；将碳纤维置于马弗炉中进行热氧化处理，然后用去离子水进行超声清洗，之后置于烘箱烘干；将氧化处理后的碳纤维剪裁，在剪裁后的碳纤维的一端绑上银丝固定；5.5份AgNO3和25.5份NaNO3混合于300份去离子水中配制成电镀液。将一对碳纤维置于电镀液中，由恒压电源提供电压，恒压电源的输出电压为2V对碳纤维束进行电镀30min，得到镀银碳纤维。
实施例1
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂120份、电磁屏蔽填料16份、纳米二氧化硅颗粒26份以及有机金属化合物溶胶30份。
所述成膜树脂为端羟基二甲基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：8：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为50nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应6小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的5倍。
实施例2
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂120份、电磁屏蔽填料11份、纳米二氧化硅颗粒47份以及有机金属化合物溶胶22份。
所述成膜树脂为端羟基二甲基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：7：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为45nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在90℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应4小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的3.5倍。
实施例3
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂118份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒39份以及有机金属化合物溶胶19份。
所述成膜树脂为端羟基二甲基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：5：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为46nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有67wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在95℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应3小时后，再滴加三丙二醇，继续反应5小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的4倍。
实施例4
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂110份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒34份以及有机金属化合物溶胶28份。
所述成膜树脂为质量比5:1的端羟基二甲基聚硅氧烷和KH550硅烷偶联剂。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：8：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为40nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有75wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在110℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应3小时后，再滴加三丙二醇，继续反应5小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的5倍
实施例5
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂100份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒30份以及有机金属化合物溶胶20份。
所述成膜树脂为质量比6:1的端羟基二甲基聚硅氧烷和KH550硅烷偶联剂。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：7：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为30nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应4小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的4倍。
对比例1(无有机金属化合物)
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂100份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒30份。
所述成膜树脂为端羟基二甲基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：7：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为30nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
对比例2(采用环氧树脂作为成膜树脂)
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂100份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒30份以及有机金属化合物溶胶20份。
所述成膜树脂为环氧树脂。
所述电磁屏蔽填料包括质量比10：7：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为30nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应4小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总共添加量是异丙醇铝摩尔量的4倍。
对比例3(无镍粉)
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂100份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒30份以及有机金属化合物溶胶20份。
所述成膜树脂为端羟基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料为2:1的石墨片和镀银碳纤维。
所述镍粉的粒径为30nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应4小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的4倍。
对比例3(无石墨片)
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，包括以下重量份数的原料：成膜树脂100份、电磁屏蔽填料17份、纳米二氧化硅颗粒20-50份以及有机金属化合物溶胶20份。
所述成膜树脂为端羟基聚硅氧烷。
所述电磁屏蔽填料为4:1镀银碳纤维和镍粉。
所述镍粉的粒径为30nm。
一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有80wt％成膜树脂的溶液，具体为将成膜树脂加入乙醚溶液中，配制而得，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，在80℃下加热，然后冷却制得。
所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应2小时后，再滴加三丙二醇，继续反应4小时，得到有机金属化合物溶胶。
所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的4倍。
对上述实施例和对比例进行性能测试，测试结果见下表。
(1)电磁屏蔽性能测定
参考GJB6190-2008，在100MHz-10GHz范围内进行屏蔽效能测试。
(2)憎水性能
利用DropMeter TM A-100P接触角测定仪测定涂层表面与4μL水滴的静态接触角，每次测试均重复3次，取平均值。
(3)将涂覆超疏水涂层的载玻片和裸载玻片称量后，以30°倾斜角同时放入冷冻箱内，设定温度为-10℃，放置7天，记录7天后载玻片增加的质量M。
Figure BDA0003789616190000091
Figure BDA0003789616190000101
通过上表可知，实施例的性能优于对比例，可能的原因如下，对比例1的分析可知，实施例中加入了有机金属化合物，其一端为有机基团，与成膜树脂具有较好的相容性，因此，在涂料固化后金属有机化合物包覆在涂料内部，由于涂料具有疏水性，当一般的雨天，雨滴不会长时间停留在涂料表面，故极性的水分子不会对金属有机化合物产生诱导，只有在冻雨天气，涂料表面敷上一层冰膜后，涂料内部的金属有机化合物会受到极性物质的诱导，使得金属有机化合物迁移至表面，与水分子发生反应，释放出降低融冰温度的有机小分子，起到融冰的作用，进一步提高涂料的防覆冰作用，因此结冰增长较少；对比例2的分析可知，由于实施例中加入的端羟基聚硅氧烷作为成膜剂，其上的结构主链为Si-O构成，分子容易内旋转，使得其内混合的纳米二氧化硅颗粒和有机金属化合物能够进行扩散到表面，成膜树脂具有相翻转的功能，即其上的柔性链可向内运动，其内的极性物质可以向外翻转、迁移。即更利于极性物质的诱导其相转变；对比例3的分析可知，实施例中采用纳米级别的镍粉填充在具有导电功能的镀银碳纤维的空隙之间，使得风机叶片表面具有了连续导电性，在微观上形成良好的导电网络，获得很高的电导率，表面阻抗与自由空间极为不匹配，电磁波在入射界面处很容易发生反射，从而实现更优异电磁屏蔽功能，对比例4的分析可知，石墨片的加入，与镀银碳纤维形成交错的立体结构，提升电磁屏蔽功能，同时还能够提高强度。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：成膜树脂98-120份、电磁屏蔽填料5-20份、纳米二氧化硅颗粒20-50份以及有机金属化合物溶胶10-30份。
2.根据权利要求1所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，其特征在于，所述成膜树脂为端羟基聚硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，其特征在于，所述电磁屏蔽填料包括质量比10：1-9：3的石墨片、镀银碳纤维和镍粉。
4.根据权利要求3所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料，其特征在于，所述镍粉的粒径为10-50nm。
5.一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于，将纳米二氧化硅和有机金属化合物溶胶混合均匀，然后加入含有60-80wt％成膜树脂的溶液，超声分散，继续加入电磁屏蔽填料，混合均匀，加热，然后冷却制得。
6.根据权利要求5所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于，加热温度为50-110℃。
7.根据权利要求5所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于，所述有机金属化合物的制备方法：在通氮气的条件下，往异丙醇铝加入丙三醇，反应1-3小时后，再滴加三丙二醇，继续反应2-6小时，得到有机金属化合物溶胶。
8.根据权利要求6所述的一种兼具电磁屏蔽功能的风机叶片防覆冰涂料的制备方法，其特征在于，所述丙三醇和三丙二醇的总添加量是异丙醇铝摩尔量的3-5倍。
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