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研究高性能水性聚氨酯风电叶片涂料与应用

时间:2011-11-09 11:22:16 来源: 作者:小辉点击:次

作为新型绿色能源，风力发电无疑是近年来全球能源市场中的热点。风力发电在中国发展迅速，由此带动的相关产业也迅速升温。聚焦风电叶片涂料，我们发现：跨国涂料供应商仍然占据国内市场的主导地位，大量的国内涂料企业也已经在开展这方面的研发工作，并且取得了明显的进展，有的国内企业已经在市场上占有一席之地。

近年来，风电叶片涂料技术不断发展，新技术、新产品不断涌现，涂料的各项性能较之传统产品都有了明显提高，虽然目前市场上溶剂型涂料仍占据主导地位，但更为符合风力发电绿色能源概念的高性能双组分水性聚氨酯涂料也在国内外的一些叶片上得到了应用，其必将成为将来的发展趋势。

水性聚氨酯涂料的发展经历了漫长的过程。早在1943年，德国化学家P.Schlack便成功制备出了聚氨酯乳液，但并未工业化生产。直到1972年，拜耳公司成功将聚氨酯水分散体用于纺织涂层，此后水性聚氨酯涂料正式获得商业化应用。早期的水性聚氨酯涂料以单组分为主，在耐水性、硬度等性能上与传统的双组分溶剂型聚氨酯涂料相差甚远。20世纪90年代，Jocobs等人成功开发出一种水可分散型异氰酸酯固化剂，这一关键技术的突破性进展使双组分水性聚氨酯涂料技术进入实际应用研究阶段。特别是含羟基水分散体与低黏度或水可分散型多异氰酸酯配用制得的水性涂料，具有与传统双组分溶剂型聚氨酯涂料相近甚至更好的性能。这种将高性能与环保性集于一身的双组分水性聚氨酯涂料，得到了业内的广泛认可，其应用领域不断拓宽，日渐成为高性能聚氨酯涂料的新标杆。

1高性能水性聚氨酯叶片涂料的配方

1.1成膜物的选择

成膜物是涂料性能的决定因素，合理选择成膜物是配方设计的第一步。结合风电叶片涂料的具体要求，选择成膜物时，首先需要对如下性能进行评估，主要包括：干燥时间、混合使用期、一次施工最高成膜厚度、双组分易混合性、柔韧性、耐磨性。实验中，我们首先对含羟基水分散体进行筛选，实验结果见表1。

表1 含羟基水分散体性能对比

注：（1）本实验选用以上分散体制作清漆，固化剂选用氨基磺酸盐改性的HDI多聚体；

（2）本实验选用的羟基分散体对应如下化学成分：分散体1—水性丙烯酸多元醇二级分散体；分散体2—具有核壳结构的水性丙烯酸多元醇二级分散体，低助溶剂含量；分散体3—聚碳酸酯改性的弹性水性聚氨酯多元醇二级分散体，无助溶剂；分散体4—水性丙烯酸聚氨酯共聚多元醇二级分散体；分散体5—水性丙烯酸多元醇初级分散体，无助溶剂。

根据风场地理环境的不同，风电叶片涂料的性能要求也不尽相同，可以根据实际需要来决定选材。比如，当风场条件并不恶劣，对叶片涂料无特殊要求时，各方面性能比较均衡的分散体1即可胜任，该分散体具有较高的性价比。如果风场位于风蚀情况严重的环境中时，需要高耐磨性的涂层，聚碳酸酯改性的分散体3显然是最佳选择，在聚氨酯中引入碳酸酯基团后，所得的聚碳酸酯型聚氨酯具有比传统的以聚酯多元醇为原料的聚酯型聚氨酯更好的耐水解性、耐候性和耐磨性，但该分散体干燥时间过长，难以满足现场施工需要。将分散体3与快干的分散体2进行混拼是一种行之有效的解决方案。

又如，当需要一次施工能够得到厚膜时，可以选择分散体4或5。双组分水性聚氨酯涂料的厚膜主要受到-NCO与水反应生成的CO2气体的制约。Nabuurs等人研究发现：涂膜中CO2气泡的产生量与合成乳液时所用的羧酸单体类型、-NCO/-OH当量比以及涂膜中水分的含量有关。但对CO2气泡消除和无泡厚膜的形成机理，尚待进一步研究。目前，对于厚膜涂层的选材主要还是通过实验直接判定。

固化剂的选用对漆膜性能也有很大影响。我们对一系列常用的水性聚异氰酸酯固化剂进行筛选试验，结果列于表2。

表2 常用水性聚异氰酸酯固化剂性能对比

注：（1）本实验选用同一水性聚氨酯多元醇分散体制作清漆；

（2）本实验选用的异氰酸酯固化剂对应如下化学成分：固化剂1—聚醚改性的HDI三聚体；固化剂2—聚醚改性的弹性HDI预聚物；固化剂3—聚醚改性的IPDI多聚体；固化剂4—氨基磺酸盐改性的低黏度HDI三聚体；固化剂5—未经亲水改性的低黏度HDI三聚体。

由表2可见：固化剂3，即IPDI固化剂的耐磨性、柔韧性较差，不适宜用于风电叶片涂料。聚醚改性的弹性HDI固化剂2虽然具有优异的耐磨性，但干燥时间过慢，不宜选用。未经亲水改性的低黏度HDI固化剂5，手工分散性差，使用不便，耐磨性不突出，也可以排除在外。聚醚改性的HDI固化剂1，各项性能比较平衡，性价比高，主要缺点是需要用溶剂预先稀释后才便于用手工混合均匀，对整个体系的VOC会有一定影响，但仍不失为一种备选方案。该固化剂的分子结构可用图1来表述。