CN116875172A - 一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料，由100质量份异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物、5~10质量份改性浆料、0.5~1质量份催化剂、0.5~1质量份开孔剂、0.2~0.5质量份稳定剂、0.5~1质量份流平剂和0.5~1质量份消泡剂复配而成。与传统的溶剂型风电叶片防冰涂料相比，本发明的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料不含有机溶剂，具有无毒、使用安全、不污染环境等优点；相较于市场上的水性风电防冰涂料，具有耐水、表面能低、自清洁、耐黄变的优异特性，使涂层达到超疏水效果，能够较好地满足风电叶片表面的低温防冰需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料表面防护涂料，具体涉及一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料及其制备方法；属于新型功能材料技术领域。
背景技术
利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。作为一种清洁无公害的可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的显著优势，风力发电不仅是我国常规电力的一种补充，更是未来电力的发展趋势。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组，包括风轮(包括尾舵)、发电机和塔筒三部分。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由若干只叶片组成。风电场往往修建在寒冷的高山上，随着风力发电行业的规模化发展，风力发电风机叶片面临的覆冰问题也愈加突出，已成为制约结冰地区风电市场开发建设的重要因素，防冰、除冰问题也成为了风电领域亟待解决的技术难题。寒冷地区风机叶片的防冰、除冰技术对于风场及大型风力机的安全、经济、高效运行具有重要的意义。
申请号为201711427367.1的发明专利公布了一种风机叶片防冰除冰系统，包括气热防冰装置、膨胀管除冰装置、电加热除冰装置、层除冰装置及监测控制装置。气热防冰装置包括冷凝器、送风管道及引风管道；送风管道与冷凝器连接，用于将冷凝器的热风排气送至风机轮毂及机舱内部；引风管道设于风机轮毂处，用于将风机轮毂处的热空气引入风机叶片内部。膨胀管除冰装置包括多个布设在风机叶片上的相互并联的膨胀管。电加热除冰装置包括多个布设在风机叶片上的相互并联的电阻丝。层除冰装置包括设置在风机叶片上的疏水涂层。监测控制装置包括防冰除冰控制模块以及与防冰除冰控制模块电性连接的加速度传感器、温度传感器和光纤传感器；该系统能量利用率高，积冰去除效果理想。
但是，该除冰系统是一个额外的大型装置，属于机械除冰，具有使用不便、受现场条件限制等劣势，会增加额外成本和人力的投入。随着社会的发展和科技的进步，开发了新型的涂料除冰技术，但总体而言具有有效期短、容易失效等缺陷，鉴于上述原因，开发具有长效性的防冰效果的风电叶片防冰涂料，具有迫切的必要性。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片防冰涂料；
目的之二在于提供该单组份聚氨酯基超疏水风电叶片防冰涂料的制备方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明首先公开了一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料，由100质量份异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物、5~10质量份改性浆料、0.5~1质量份催化剂、0.5~1质量份开孔剂、0.2~0.5质量份稳定剂、0.5~1质量份流平剂和0.5~1质量份消泡剂复配而成。
优选地，前述改性浆料为含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料，其制备方法为：在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米粒子、100质量份乙醇和1~3质量份含硅氟硅烷偶联剂的混合溶液，加热至70~90℃，回流8~12h；冷却至室温后，将产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入10~30质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1~2h，制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料。
本发明还公布了如前所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份含硅氟聚醚多元醇，再按-NCO/-OH物质的量之比为1.8~2.0加入多异氰酸酯，加热至75~95℃，反应2~4h，冷却至室温；再向反应体系中加入1~3质量份异氰酸酯稳定剂，搅拌均匀得到异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物；
S2、制备含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米粒子、100质量份乙醇和1~3质量份含硅氟硅烷偶联剂的混合溶液，加热至70~90℃，回流8~12h；冷却至室温后，将产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入10~30质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1~2h，制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料；
S3、单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备
将步骤S1制得的异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物10质量份、步骤S2制得的含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料5~10质量份混合均匀，、含氟活性稀释剂1~5质量份，混合均匀，再向其中加入0.5~1质量份催化剂、0.5~1质量份开孔剂、0.2~0.5质量份稳定剂、0.5~2质量份流平剂和0.5~1质量份消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散1~3h，即制得单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料。
优选地，前述含硅氟聚醚多元醇分子量为500~6000，更优选地筛选分子量为1000~2000的含硅氟聚醚多元醇；所述多异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种；所述异氰酸酯稳定剂为磷酸三苯酯、甲苯磺酰异氰酸酯、碳酰异氰酸酯化合物中的一种。
更优选地，前述催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、N-乙基吗啉、N-甲基吗啉、N,N'-二乙基哌嗪中的一种。
再优选地，前述开孔剂选自聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物中的一种。
再优选地，前述稳定剂为4-苯甲酸基-2,2,6,6-四甲基哌啶、癸二酸（2,2,6,6-四甲基哌啶基）酯、三（1,2,2,6,6-五甲基哌啶基）亚磷酸酯、3,5-二叔丁基-4-羟苄基磷酸单乙酯镍、2,2-硫代双（4-叔辛基苯酚）镍-正丁基氨、二丁基二硫代氨基甲酸镍、水杨酸酯、苯并三唑中的一种。
更优选地，前述流平剂为聚有机硅氧烷、聚醚改性的聚有机硅氧烷、含氟表面活性剂中的一种；所述消泡剂为有机硅消泡剂。
进一步优选地，前述微纳米粒子为微纳米二氧化钛（TiO2）、微纳米二氧化硅（SiO2）、微纳米高岭土中的一种。
再进一步优选地，前述含硅氟硅烷偶联剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的一种。
本发明的有益之处在于：
（1）与传统的溶剂型风电叶片防冰涂料相比，本发明的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料不含有机溶剂，具有无毒、使用安全、不污染环境等优点；
（2）本发明制得的涂料产品相较于市场上的水性风电防冰涂料，具有耐水、表面能低、自清洁、耐黄变的优异特性，使涂层达到超疏水效果，能够较好地满足风电叶片表面的低温防冰需求；
（3）本发明通过含硅氟硅烷偶联剂改性微纳米粒子，改善了微纳米粒子的分散性与稳定性；加入流平剂、消泡剂，则改善了单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的施工性能；异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物、含硅氟聚醚多元醇、含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料的引入降低了固化后涂料涂膜的表面能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1
本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法如下：
S1、异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份含硅氟聚醚多元醇，再加入22质量份六亚甲基二异氰酸酯，加热到75℃，反应4 h，冷却至室温；再加入1质量份磷酸三苯酯，搅拌均匀得到异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物。
S2、含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米TiO2粒子，100质量份乙醇和1质量份十七氟癸基三甲氧基硅烷的混合溶液，加热到70℃，回流12h；冷却到室温后，产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入10质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1h即制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料。
S3、单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备
将步骤S1制得的异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物100质量份、步骤S2制得的含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料10质量份，混合均匀，加入0.5质量份二月桂酸二丁基锡、0.5质量份聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、0.2质量份癸二酸（2,2,6,6-四甲基哌啶基）酯、0.5质量份聚有机硅氧烷流平剂和0.5质量份有机硅消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散1h，即制得本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料。
实施例2
本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法如下：
S1、异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份含硅氟聚醚多元醇，再加入28质量份异佛尔酮二异氰酸酯，加热到85℃，反应3h，冷却至室温；再加入2质量份甲苯磺酰异氰酸酯，搅拌均匀得到异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物。
S2、含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米二氧化硅粒子，100质量份乙醇和2质量份十三氟辛基三乙氧基硅烷的混合溶液，加热到80℃，回流10h；冷却到室温后，产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入20质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1.5h即制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料。
S3、单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备
将步骤S1制得的异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物100质量份、步骤S2制得的含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料10质量份，混合均匀，加入0.8质量份N,N-二甲基环己胺、0.7质量份聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物、0.4质量份三（1，2，2，6，6-五甲基哌啶基）亚磷酸酯、1质量份聚醚改性的聚有机硅氧烷流平剂和0.7质量份有机硅消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散1h，即制得本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料。
实施例3
本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法如下：
S1、异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份含硅氟聚醚多元醇，再加入32份赖氨酸二异氰酸酯，加热到95℃，反应2h，冷却至室温；再加入3质量份碳酰异氰酸酯，搅拌均匀得到异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物。
S2、含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米高岭土粒子，100质量份乙醇和3质量份十七氟癸基三甲氧基硅烷的混合溶液，加热到90℃，回流8h；冷却到室温后，产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入30质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散2h即制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料。
S3、单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备
将步骤S1制得的异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物100质量份、步骤S2制得的含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料10质量份，混合均匀，加入1质量份N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、1质量份聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、0.5质量份3，5-二叔丁基-4-羟苄基磷酸单乙酯镍、2质量份含硅氟表面活性剂和1质量份有机硅消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散3h，即制得本实施例的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料。
对比例1
本对比例的表面防护涂料的制备方法如下：
S1、异氰酸根封端的聚氨酯低聚物的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份聚醚多元醇，再加入22质量份六亚甲基二异氰酸酯，加热到75℃，反应4h，冷却至室温，再加入1份磷酸三苯酯，搅拌均匀得到异氰酸根封端的聚氨酯低聚物。
S2、硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料的制备
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米二氧化钛粒子，100质量份乙醇和1质量份γ-氨丙基三乙氧基硅烷的混合溶液，加热到70℃，回流12 h。冷却到室温后，产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇。加入10质量份聚醚多元醇，超声分散1h即制得微纳米粒子/硅烷偶联剂改性浆料。
S3、制备涂料
将步骤S1制得的异氰酸根封端的聚氨酯低聚物100质量份、步骤S2制得的微纳米粒子/硅烷偶联剂改性浆料10质量份、混合均匀，加入0.5质量份二月桂酸二丁基锡、0.5质量份聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、0.2质量份癸二酸（2,2,6,6-四甲基哌啶基）酯、0.5质量份聚有机硅氧烷流平剂和0.5质量份有机硅消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散1h，即制得单组份聚氨酯基风电叶片表面防护涂料。
性能测试
将实施例1~3及对比例1的涂料首先在空气的湿气作用下完成湿固化，然后进行性能测试，得到的测试结果如下：
由上表可见，所制得的涂料经过湿气固化后，涂料的机械性能得到显著加强，且实施例1~3的耐老化、耐腐蚀、防冰性能及接触角相比对比例1均得到显著提升，体系的相容性好；另外，体系中异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物、含硅氟聚醚多元醇的加入，以及在开孔剂与含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子的共同作用下使涂层表面的接触角提高至150°以上，使得风电叶片与冰的附着力大幅度减小，满足需要风电叶片防冰的需要。
综上，本发明所制得的单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料是一种环境友好型的无毒无害新材料，具有固化速度快，生产效率高，易于工业化推广，应用前景广阔等优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料，其特征在于，由100质量份异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物、5~10质量份改性浆料、0.5~1质量份催化剂、0.5~1质量份开孔剂、0.2~0.5质量份稳定剂、0.5~1质量份流平剂和0.5~1质量份消泡剂复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料，其特征在于，所述改性浆料为含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料，其制备方法为：在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米粒子、100质量份乙醇和1~3质量份含硅氟硅烷偶联剂的混合溶液，加热至70~90℃，回流8~12h；冷却至室温后，将产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入10~30质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1~2h，制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料。
3.如权利要求1或2所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份含硅氟聚醚多元醇，再按-NCO/-OH物质的量之比为1.8~2.0加入多异氰酸酯，加热至75~95℃，反应2~4h，冷却至室温；再向反应体系中加入1~3质量份异氰酸酯稳定剂，搅拌均匀得到异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物；
S2、制备含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料
在装有搅拌装置、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入10质量份微纳米粒子、100质量份乙醇和1~3质量份含硅氟硅烷偶联剂的混合溶液，加热至70~90℃，回流8~12h；冷却至室温后，将产物转移至旋转蒸发器，通过加热蒸馏除去乙醇；再加入10~30质量份含硅氟聚醚多元醇，超声分散1~2h，制得含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料；
S3、单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备
将步骤S1制得的异氰酸根封端的含硅氟聚氨酯低聚物10质量份、步骤S2制得的含硅氟硅烷偶联剂改性的微纳米粒子浆料5~10质量份混合均匀，、含氟活性稀释剂1~5质量份，混合均匀，再向其中加入0.5~1质量份催化剂、0.5~1质量份开孔剂、0.2~0.5质量份稳定剂、0.5~2质量份流平剂和0.5~1质量份消泡剂，搅拌，使各种助剂混合均匀，再超声分散1~3h，即制得单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料。
4.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述含硅氟聚醚多元醇分子量为1000~2000；所述多异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种；所述异氰酸酯稳定剂为磷酸三苯酯、甲苯磺酰异氰酸酯、碳酰异氰酸酯化合物中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、N-乙基吗啉、N-甲基吗啉、N,N'-二乙基哌嗪中的一种。
6.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述开孔剂选自聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物中的一种。
7.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述稳定剂为4-苯甲酸基-2,2,6,6-四甲基哌啶、癸二酸（2,2,6,6-四甲基哌啶基）酯、三（1,2,2,6,6-五甲基哌啶基）亚磷酸酯、3,5-二叔丁基-4-羟苄基磷酸单乙酯镍、2,2-硫代双（4-叔辛基苯酚）镍-正丁基氨、二丁基二硫代氨基甲酸镍、水杨酸酯、苯并三唑中的一种。
8.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述流平剂为聚有机硅氧烷、聚醚改性的聚有机硅氧烷、含氟表面活性剂中的一种；所述消泡剂为有机硅消泡剂。
9.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述微纳米粒子为微纳米二氧化钛、微纳米二氧化硅、微纳米高岭土中的一种。
10.根据权利要求3所述的一种单组份聚氨酯基超疏水风电叶片表面防护涂料的制备方法，其特征在于，所述含硅氟硅烷偶联剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的一种。
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