风机叶片用水性聚氨酯面漆的设计及性能
0 引言
风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，储量丰富，取之不尽、用之不竭。风能的大规模开发利用，将会有效减少化石能源的使用、减少温室气体排放、保护环境，大力发展风能已经成为世界各国政府的重要选择。我国风电产业发展迅猛，2008 年，中国新装机容量翻倍，增长率位居全球第一，总装机容量超过12 GW。伴随着我国风电产业的蓬勃发展，风机叶片用涂料的需求量自然也越来越大，但是，目前所用涂料多为溶剂型体系，施工过程中释放出大量的溶剂，对环境污染严重，对生态健康更为不利，这与风能本身所具有的环保属性极为不符，更与我国“节能减排”和可持续发展战略相悖。而对于环保型风机叶片涂料，虽然目前国内已有部分厂家开始尝试使用，但由于完全依赖进口，存在产品价格高、供货周期长，尤其是对施工中出现的问题反馈慢等问题，使其应用受到了严重的限制，因此，开发并使用环保型风机叶片涂料对我国来说显得尤为重要并势在必行。
1 风机叶片涂料性能指标的确定
风机叶片的运行环境一般来说是风沙大的沙漠地带或者海边，平均每年要运行约7 000 h，叶片边缘的运转速度大概70~80 km/h，因此接受空气摩擦的量可达一般汽车的5~10 倍，此外，还要长期经受阳光的照射、风沙以及雨雪雷电等自然因素的侵蚀，承受昼夜以及四季温差的变化，可以说其使用的环境相当恶劣；叶片的维修一般要在叶片运行10 a 之后进行，并且维修的费用非常昂贵，因此，对保护叶片涂料的性能要求极高。由于目前国内及国际上关于风机叶片涂料尚无明确标准，因此本研究中风机叶片涂料设计的具体指标主要参考叶片的使用环境及使用年限，同时依据日本关西风机叶片涂料相关技术指标，并参照目前国际上主流风机叶片产品的性能数据以及我国所处的实际地理和自然环境而设定，具体性能参数见表1。其中，我国特殊的地理环境及自然气象成为设计时考虑的重点，主要体现在如下几方面：
(1) 温差大。我国国土幅员辽阔，南方和北方气候差异悬殊，夏季和冬季气温变化明显，尤其是在新疆地区，冬季长、寒冷，夏季短、炎热，春、秋两季气候多变，大部分地区春夏和秋冬之交日温差大，部分地区温差最高可达70~80 ℃，因此对涂膜的弹性伸长率、附着力和基本的物理机械性能要求较高。
(2) 日照时间长。我国的新疆地区，由于地理纬度较高，日照时间长，尤其是在夏季，因此对耐候性的要求更高。
(3) 风沙大。我国是一个多风沙的国家，尤其是在新疆、甘肃、内蒙古等西北部地区环境更为恶劣，这对涂膜的耐风沙侵蚀性提出了更高的要求。
(4) 耐酸碱性。考虑到我国的实际大气环境和有些地区由于环境污染而导致的酸雨问题，以及在海边的盐雾环境，设计时需考虑涂膜的耐酸、碱、盐等介质性能以及耐盐雾性能。
综上所述可以看出，应用于我国风机叶片的水性聚氨酯面漆涂膜需具有高弹性、高耐磨性、高耐候性、良好的附着力以及与其相适应的力学和动态力学性能。
2 风机叶片用水性聚氨酯面漆的设计思路
为使风机叶片用水性聚氨酯面漆涂膜满足前面所述的性能要求，涂料的设计主要从以下几方面考虑，其中树脂的选用和搭配最为关键。水性双组分聚氨酯涂料中目前使用较多的羟基组分主要是分散体型多元醇，分散体型多元醇又可细分为聚酯分散体、丙烯酸酯分散体、聚氨酯分散体和杂合分散体等[1]。考虑到风机叶片使用环境的恶劣和对耐候性极高的要求，以及原料的通用性、价格等因素，本项设计中选用纯丙类的羟基丙烯酸分散体。树脂的羟值对涂膜性能影响很大，羟值过高，交联密度过大，涂膜呈现刚性材料的特征；羟值过低，交联密度过小，涂膜的强度和耐沙蚀性等性能就会较低，影响综合性能。因此，羟值需适中，这样一方面能保证最终涂膜具有一定程度的交联密度，另一方面也起到了调整涂膜弹性的作用。水性聚氨酯涂膜能否具有预期的弹性，一方面和羟基组分的选择有关，另一方面也与异氰酸酯组分关系密切。由于羟基组分选择的是羟基丙烯酸分散体，因此涂膜的弹性主要是通过对异氰酸酯组分的调整来赋予。考虑到风机叶片所处环境的特殊性，选用聚醚改性的HDI 三聚体作为主固化剂，同时，在固化剂体系中拼用一部分聚酯改性HDI 三聚体，使得制备出的涂膜具有一定的弹性，但由于该固化剂不具有亲水的特性，因此，其用量不可过多。此外，颜料选用耐候性钛白粉和沉淀硫酸钡。助溶剂选用丙二醇甲醚醋酸酯，突出其环保属性。各种助剂的搭配也很重要。消泡剂、润湿分散剂、流变助剂及各种表面助剂对改善涂膜的表面状态、增加滑爽性和抗风沙侵蚀性及耐候性均有一定的辅助作用。
3 风机叶片用水性聚氨酯面漆的性能
风机叶片用水性聚氨酯面漆及其与无溶剂聚天门冬氨酸酯底漆配套涂膜的性能测试数据如表1 所示。其中，面漆膜厚为80 μm，与底漆的配套膜厚为280 μm，即总膜厚为（200+80）μm。
4 结语
水性聚氨酯面漆作为一种新兴的环保涂料，通过合理的原料筛选和配方设计，可以制备出具有高弹性、高耐磨性和高耐候性等特点的涂膜，各项性能检测数据表明该涂料可以满足风机叶片用涂料的性能要求，可作为一种环保型产品推广使用。相信伴随我国“节能减排”和可持续发展战略等目标的实施，风机叶片用水性聚氨酯涂料将被市场逐步重视和认可，并在风机叶片涂料未来的发展中占据一席之地。