氟碳涂料在风电叶片涂装应用的研究.doc

上海衡峰氟碳材料有限公司 /氟碳涂料在风电叶片涂装应用的研究上海衡峰氟碳材料有限公司 钱斌 王玮关键字：风电叶片，氟碳涂料，耐候性，耐磨性随着人类社会的不断发展，对能源的需求越来越强烈，面对石油，煤炭等资源日益枯竭等挑战，大规模的利用可再生能源已经在人类社会达成共识。风电作为一种绿色的可再生能源能，在我国乃至世界范围都得到了快速的发展。我国在过去的十年间，风电产业快速发展，目前的装机容量已经超过2500万千瓦，居亚洲第一，世界第三，虽然2010年和2011的风电发展势头略微放缓，风电企业利润有所下降，但是按照国家的风电发展规划，我国到2020年风电装机总容量将达到1.3亿千瓦，新增规模仍十分巨大。叶片的发展现状风电产业的快速发展，直接带动上游产业的发展，包括叶片，发电机组，轴承等的配套开发产业都被带动起来。叶片作为风电设备的重要部件，其性能的好坏直接影响风电机组的风能利用效率和使用寿命，在很大程度上决定机组整体的性能和风电开发利用的经济性。 我国风电叶片行业起步比较晚，最初主要都是起来进口满足市场需求。近年来，依靠行业的快速发展，逐渐形成由外资企业、民营企业、科研院所，上市公司等多元化的经营格局，20092012间，我们实际的风电叶片产量均超过30000片。近年来虽然叶片的总量上升放缓，但是随着装机容量的不断发展，叶片的长度已经由最初的20多米的小型叶片发展到如今至少50米的大型叶片，少数叶片已经超过60米。伴随叶片的发展，叶片的表面涂装技术也快速发展。以前小型叶片一般用不饱和树脂制作，外层覆盖树脂胶衣不在另行涂装，大型的叶片现在一般采用环氧树脂的玻璃钢作为基材，表面会采用聚氨酯涂料进行涂装。但是，叶片在运行过程中会经受十分严峻的考验，大型叶片末端的线速度可以达到300km/h，速度十分惊人，长期暴露在紫外线、风沙，海洋，大气污染等环境下，会对叶片产生很大的侵蚀。因此涂料的好坏对于叶片起到十分关键的作用，可以说风电叶片涂层质量越好，叶片的使用寿命越长，整个风力发电站的综合成本就越低，效益更大。目前所大规模使用的风电叶片涂料不论进口还是国产的品牌，实际的使用效果与设计要求都差距不小，当然原因是多方面的，进口风电叶片涂料由于使用环境的不同，到了中国来使用难免水土不服，国内风电叶片涂料由于发展时间还不长，还处于摸索和模仿阶段，自然存在不少问题。因此开发符合中国实际需要的风电叶片涂料对于国内风电的进一步发展具有十分重要的意义。叶片涂料的技术要求要开发性能优异的风电叶片涂料，首先必须了解这种涂料使用的基材，使用的环境以及其对于性能的要求是怎么样的。1、叶片材料风电叶片目前采用的材料比较单一，主要是有树脂基体和增强材料两部分组成，树脂基体主要为：环氧树脂，不饱和聚酯，乙烯基树脂；增强材料为：玻璃纤维，碳纤维，织物等；简单的说是各种配方略有差异的玻璃钢材料。这类材料一般具有价格便宜、轻质高强，绝缘性好，耐腐蚀性好，设计性强等的特点，但是普遍存在耐老化性能不佳的问题。将其作为风电叶片材料使用必须主要是认识到该材料的有点可以很好的满足风电大量使用的要求，其老化性能的不佳性只能靠外部涂层进行进一步的保护。2、使用环境风电的使用环境，其实在没有外界因素破坏的情况下，叶片使用寿命完全可以达到20年。因此如何最大程度的减少外界侵蚀，将是决定叶片实际使用寿命的关键因素。叶片正常运转过程中通常可能受到以下几种外界侵蚀：第一种是来自紫外光对树脂的侵害；第二种是风砂、浮尘以及雨雾等对基材的侵蚀。就第一种而言是属于化学性的侵蚀；第二种侵蚀是属于机械性的，对于涂料行业来说防护难度较第一种要大的多。叶片正常运转过程中叶尖的线速度可达80米/秒，这个速度相当于F1赛车的最高时速。风中含有的砂粒或水滴会对叶片表面产生强烈的冲击。如果叶片涂料耐砂蚀或雨蚀性能不佳，防护涂层将在几年内发生明显损耗，根本坚持不了20年。某国外著名主机厂2006年安装在内蒙风场的叶片，大部分已出现涂层磨损严重而必须修补的情况。之所以会出现这种情况，是因为采用的涂料防护没有考虑风砂的侵蚀。众所周知，现代化大型风力叶片主要起源于中北欧波罗的海和北海附近的低地国家，那里深受北大西洋暖流影响，以温暖潮湿的温带海洋性季风气候为主，其风源特点是含水量高，含砂量和浮尘量都极低。而我国的风电主要集中在西北，东北地区，以及东南沿海地区。特别是西北、东北地区的风电设施，其所处的环境与国外的风电所处的环境相差极大，隔壁砂磨地区虽然风能大，但是大量的沙粒，浮尘对于风电设施的破坏及其严重。至于耐腐蚀性上我国的海洋工业大气的污染程度也比欧洲国家严重。因此在我国对于风电所处环境的考虑要重点的考察耐候，耐腐蚀以及耐风沙的问题，这样才可以更有针对性的解决风电设施的寿命问题。3、性能要求 对于风电叶片的性能要求其实本身就是环境和材质密切相关的，其实在欧洲风电叶片的涂层体系中对于腻子，底漆，面漆都有相对应的规范和标准，但是这些标准在具体指标上直接套用到中国并不合适，也就是前文出现国外著名厂家在内蒙安装叶片后出现问题的原因。因此对于指标我们必须有所改变，但是对于涂层的要求是一样。经过对环境和材质的分析后我们可以得出这样的结论：风电叶片的涂层首先需要与玻璃钢材料配套性良好，保证其使用性，其次涂层的外表面必须充分考虑适合中国国情的耐候性，耐磨性以及耐雨水冲刷性，只用充分考虑这几点的要求才可以做到在国内可以大规模在风电领域展开应用。氟碳面漆在风电叶片使用风电叶片的涂装和所有涂料一样，是一个多层复合的涂装体系。由腻子，底漆，面漆组成，目前的情况是叶片上的腻子（叶片行业内的大灰，小灰）都可以满足修补叶片上凹凸不平，毛细孔及沙眼的目的，产品相对稳定；底漆一般为对应面漆的配套底漆，能和基材及腻子性能良好的附着，同时可以和面漆进行完美的配套，根据目前已聚氨酯为主的面漆体系，底漆一般使用聚氨酯类型或环氧类型底漆相配套；面漆的选择上，现在来自主要工艺和数据均来自欧洲多年的生产经验，普遍采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，的确在欧洲的众多工艺中，一般选择最优秀的耐候面漆均采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，欧洲桥梁配套涂装体系里也是如此。但是衡峰作为有多年的氟碳涂料的研究经验的厂家，根据以往的经验，任何使用聚氨酯作为耐候面漆的场合，几乎都可以采用性能更佳的氟碳面漆替代，当然对于在风电叶片上使用氟碳面漆的优劣衡峰公司并不是想当然的评判，而是经过了仔细的分析和研究而得出的结论。1、耐候性灰色6000h绿色6000h 传统的风电叶片涂装体系中对于脂肪族聚氨酯面漆有耐候性的规定，采用的是ISO 11341-2004色漆和清漆，模拟气候及模拟辐射曝晒：氙弧灯曝晒，与我国对于涂料老化的标准GB/T 1865-2009是等效标准，欧洲对于风电叶片用涂料的老化标准是通过ISO 11341-2004中2000小时的检测后，不起泡、不开裂、不脱层，失光，粉化，变色都不大于1级，而我们推荐工艺中的氟碳涂料的对应国标是HG/T 3792-2005交联型氟树脂涂料，该标准中采用GB/T 1865规定氟碳涂料的耐老化性能必须达到2500小时检测后，不起泡、不开裂、不脱层，粉化不大于1级，失光，变色不大于2级，因为两者的检测方法是一致的，因此单从标准来看，要求相差不大。而衡峰公司的样品的测试结果远优于国家规范中所要求的。白色3500h 以上这些是衡峰在不同阶段，在不同材质上做的氟碳面漆的加速耐候试验，虽然基材没有采用玻璃钢材料，但是面漆的失光，粉化，变色等老化性能的优劣与基材的使用根本无关。因此单从耐候性来说，通过多次送检的衡峰氟碳涂料的耐候性远优于聚氨酯面漆，这点其实现在也属于公认的一个结果，这里我们只是简单的拿数据做个说明而已，此外衡峰公司大量的超过十年以上的工程实例也证明了氟碳涂料应用是表现出的及其出色的耐候性。中国修订桥梁涂装标准时也明确的把氟碳涂料作为一种比脂肪族聚氨酯更好的材料进行了相关指标的规定。因此，耐候性上氟碳涂料绝对可以替代脂肪族聚氨酯涂料。2、耐磨性 其实相比耐候性来说，目前风电叶片在国内的使用耐磨性上显得更为重要。大量在国内使用的风电叶片在短时间内的迅速磨损，无法继续使用，根本不是耐候性出了问题，而是在中国北方地区大量的风沙对叶片直接的冲击造成的，也就是为什么出现了欧洲运用成熟的工艺直接搬到内蒙古使用时，几年时间就不能继续使用的原因，欧洲的环境与国内有很大的不同，其空气中的沙粒尘埃比我国北部地区少的多，在欧洲标准中采用了Taber方法(也就是我们常说的旋转磨擦橡胶轮法)进行测试，要求达到1000g荷载时，1000圈后，质量损失30mg,其实这个标准已经很严格了,据说国在制定相关标准时拟把该指标继续提高一倍,达到 15mg。针对国内的实际情况提高标准固然是好事，但是其实很明显该方法检测的耐磨性与涂料的耐风沙性完全不是一个概念，虽然被大量采用，但是衡峰认为对于真正了解涂层在风沙下的耐磨性基本没有意义。而相对的说耐磨性能另外几个检测方法可能根据说服力，如落砂冲刷试验法和喷砂冲击试验法。在此衡峰公司对于我司的氟碳涂料与市场上的脂肪族聚氨酯面漆用落砂冲刷试验法进行了比较。落砂冲刷试验法：ASTMD 96893规定用落砂耐磨试验器测定有机涂层的耐磨性，即采用规定产地的天然石英砂作磨料，通过试验器导管从一定高度自由落下，冲刷试样表面，以磨损规定面积的单位厚度涂层所消耗磨料的体积(L)，并通过计算耐磨系数来评价涂层的耐磨性。所选试样为，1、进口专业风电涂料供应商的风电专用脂肪族聚氨酯面漆 2、国内风电叶片制造企业自行开发的一款脂肪族聚氨酯面漆 3、衡峰为风电叶片设计的FEVE氟碳涂料 基材采用不锈钢，膜厚统一为80um，采用连续落砂冲击，直至露出基材，计算每微米的冲砂量。每个样品做三组试验。试验序号样品一二三平均值1、进口聚氨酯0.960.910.860.91L/um2、国内聚氨酯0.780.820.810.80 L/um3、衡峰FEVE1.921.942.001.95 L/um该试验应该说是目前试验室中对于沙粒冲击最好的一个模拟试验，在采用平行试验时能很好的体现不同品种涂层耐磨性的优劣，从试验的数据看重复性很好。通过该试验我们基本可以认为衡峰的氟碳涂料在耐磨性上的至少比聚氨酯要高一倍以上。3、户外曝晒试验 其实对于涂料户外使用的具体情况么任何试验数据都没有户外应用的结果更有说服力，相对的户外曝晒的数据在很大的程度上更能展现涂料的优异性能，衡峰公司有一组在海南曝晒的数据也可以一定程度上表现氟碳涂料在耐候和耐磨性能上的优势。 衡峰在2006年送了一组对比的样品去海南曝晒场进行试验，样品均为白色，一组为我司的FEVE氟碳涂料，一组为当时市场上最贵的聚氨酯涂料，这两个样品并不是为风电叶片设计的。以下为2008送样到2011年的膜厚和失光情况的数据： 表：FEVE和聚氨酯3年内膜厚损耗数据FEVE样板1样板2样板3聚氨酯样板1样板2样板32008年6月4850482008年6月4749482011年6月4649472011年6月424444表：FEVE和聚氨酯3年内光泽保持率（60）数据FEVE样板1样板2样板3聚氨酯样板1样板2样板32008年6月59.160.061.32008年6月61.062.359.72011年6月60.159.5858.52011年6月31.738.133.8保持率%101.799.395.5保持率%52.061.156.6经过三年的试验在海南的环境下：氟碳涂料的平均膜损耗1.3，聚氨酯为4.7，聚氨酯的膜损失率是氟碳漆的3.6倍。光泽保持率氟碳漆基本没有失光，保持率98.8%，聚氨酯失光比较明显的，保持率为58.6% 磨损耗率可以很好的表现漆膜的耐磨性，对于白色涂层而言，光泽保持率是耐候性最佳的表现，因此从海南的曝晒数据看，氟碳涂料的耐磨性和耐候性相比聚氨酯也是极其出色的。当然鉴于目前中国曝晒试验的地点限制，我们企业暂时还没有在西北风沙地区的户外试验数据，但是海南的对比数据的对比上我们可以看出氟碳涂料相比聚酯的巨大优越性。而且海南的户外数据从一定程度上说明了衡峰的氟碳涂料对于海上风电的使用上相比聚酯同样具有优势。结论 上海衡峰氟碳材料目前针对国内风电叶片涂装的研究还在继续，从目前的开