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風電葉片涂料耐候性能評價方法的研究

彭軍,楊育農,謝宇芳,李欣

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

摘要： 對國內外三家風電涂料企業的產品進行收集和研究，針對實際使用環境的氣候特征，設計了一系列系統的風電葉片涂料性能評價方法，包括熒光紫外燈老化、中性鹽霧試驗、高低溫冷熱循環試驗和耐磨性測試,提出了風電葉片涂料的耐候性評價技術要求，并對相應的檢測項目和評價方法進行了探討。

關鍵詞：風電葉片涂料，耐候性，評價方法，性能檢測

中圖分類號：TQ630.7+2

Research on evaluation methodology of weather ability for wind turbine blade coating

Peng Jun, Yang Yunong, Xie Yufang, Li Xin

（Guangzhou Synthetic Materials Research Institute Co. Ltd. , Guangzhou，Guangdong 510665，China)

Abstract: Three domestic and foreign wind turbine blade coating enterprise products were collected and studied. According to climatic characteristics of the actual environment, series of systematic performance evaluation methods of were wind turbine blade coating designed, include fluorescent ultraviolet lamp aging test, neutral salt spray test, cold and hot cycle test and wear resistance test. Weathering evaluation technical requirements of wind turbine blade coating were proposed, the corresponding test items and evaluation methods were investigated.

     Keywords: wind turbine blade coating, weather ability, evaluation methodology, performance tests

風能作為一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡用之不竭，日益受到人們的普遍關注。隨著全球石油資源的枯竭和人類對生態環境保護的要求，風能發電已成為可再生能源發展的重要方向之一^[1]。在國家政策的支持下，我國風電場和相關風電設備制造業也飛速發展，這就勢必帶動風電涂料市場的迅速發展。

2016年我國風電葉片涂料用量4500 t左右，總價值約5億元。我國風電葉片企業所用涂料大部分為美國PPG公司、德國巴斯夫和德國美凱威奇等國外知名涂料企業生產的產品。我國風電涂料起步較晚，直至2009年國內才有株洲飛鹿、中山大橋、深圳深賽爾、江蘇普蘭納等涂料企業參與到風電涂料的研發和生產^[2]。目前，我國風電葉片涂料的耐候性數據相對比較匱乏，相關的性能檢測方法和評價標準還未完善，從而無法準確地對風電葉片涂料進行質量控制和技術評價，尤其是應用在我國特定氣候環境下的風電涂料產品更需要耐候性能的研究和老化數據的積累^[3]。因此，通過研究風電葉片涂料耐候性能評價方法，對制定適合我國國情的風電葉片涂料檢測方法和技術評價指標具有重要意義。

1 實驗部分

1.1試驗材料

收集國內外三家知名風電涂料廠家的試驗樣板，其中編號為1和2的試板來自于國內風電涂料廠家，編號3的試板來自于國外風電涂料廠家。三種涂層試板均采用底中面三涂層的涂裝體系，底涂都采用環氧富鋅底漆，中涂都采用環氧云鐵中間漆。三種試板的面漆有所不同，國產涂料的面漆采用聚氨酯面漆，而國外廠家涂料的面漆采用的是氟碳面漆。雖然三種涂層試板的涂裝體系相似，但其涂料組成、樹脂配方和施工工藝存在差異，其涂層性能也會不同。

1.2試驗設備

UV-COM熒光紫外老化試驗箱：美國ATLAS公司；BYK 4520多角度光澤度計：德國BYK-Gardner公司；CR10色差計：日本KONICA MOINLTA公司；Q-FOG鹽霧試驗箱：美國Q-Lab公司；BE-TH-80M8可程式恒溫恒濕試驗箱：東莞貝爾試驗設備有限公司；AG-IC 20KN型電子拉力機：日本島津公司；Positest AT-A附著力測試儀，美國Defelsko公司；落砂耐磨試驗器：上海現代環境工程技術有限公司；JM-IV型磨耗儀：上?，F代環境工程技術有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1熒光紫外燈老化試驗

依據GB/T 23987-2009《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于熒光紫外線和水》進行熒光紫外老化試驗，試驗條件為：使用UVA（340 nm）光源，輻照度為0.83 W/m²，60℃光照4小時，50℃冷凝4小時。測試時間是3000小時，每500小時老化時間為一個考察階段，共分6個階段對風電葉片試板涂層體系的宏觀老化性能進行考察，測試涂層試板老化過程中光澤度和色差變化，并依據 GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》對涂層老化后的失光、變色、起泡、粉化、生銹和剝落等級進行評定。

1.3.2中性鹽霧老化試驗

按GB/T 1771-2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧的測定》進行耐鹽霧試驗，試驗前按照標準對試板進行劃痕處理，試板測試面劃兩條交叉的劃痕，測試時間為2000 h。試驗條件為：試驗溫度為35℃，NaCl溶液的質量濃度為50 g/L，pH值為6.5～7.2，45^o傾斜放置，并依據 GB/T 1766-2008對涂層試驗后的失光、起泡、粉化和開裂等級進行評定，并進行拉開法付著力測試。

1.3.3高低溫冷熱循環試驗

按GB/T 1740-2007《漆膜耐濕熱測定法》進行冷熱循環試驗，試驗條件為：-40℃放置半小時→室溫放置半小時→120℃放置半小時→室溫放置半小時，共15個循環，測試時間為30 h。依據 GB/T 1766-2008對涂層試驗后的失光、起泡、粉化和開裂等級進行評定，并進行拉開法付著力測試。

1.3.4耐磨性試驗

耐磨性試驗方法分為旋轉橡膠砂輪法和落砂法，按GB/T 1768-2006《色漆和清漆 耐磨性的測定 旋轉橡膠砂輪法》進行砂輪法耐磨性測試，砂輪型號為CS10，負載為1000 g ，轉數為2000轉；按GB/T 23988-2009《涂料耐磨性測定 落砂法》進行落砂法耐磨性測試。

2 結果與討論

2.1 耐紫外燈老化性能測評

風電葉片涂料使用在我國內陸地區時，其實際使用場地一般都為地勢較高的西北和東北地區，這些地區的日照強度大，太陽照射時間較長，所以風電葉片涂料需要對風場葉片提供時間足夠長的保護，這就需要風電葉片涂料具有良好的耐候性^[4]。對三種風電葉片涂料樣板熒光紫外老化過程中的光澤和色差進行考察，每500小時取樣測量一次，光澤變化和失光等級如表1所示，色差變化和變色等級如表2所示。

表1 熒光紫外燈老化過程中光澤變化和失光等級（60°）

Table 1 Average gloss change and chalkiness grade after UV lamp test

表2 熒光紫外燈耐候試驗色差變化和失光等級

Table 2 Average color difference and discoloration grade after UV lamp test

從表1和表2可以看出，三種試板在經過3000小時熒光紫外燈老化試驗后，涂層的起泡、粉化、生銹和剝落等級都為0級，三種試板老化過程中涂層的光澤和色差及失光等級和變色等級均有所變化，都出現1或2級的失光，變色等級均為0級或1級。國內廠家生產的風電葉片涂料和國外廠家的產品在耐侯性能方面總體良好，只是在失光變色方面存在一些差距。其中兩款國產廠家的涂料試板失光等級都為2級，變色等級均為1級，而國外廠家的涂料試板失光等級為1級，變色等級均為0級。這說明氟碳涂料相對于聚氨酯涂料，具有更加優異的耐老化性能和耐候性。氟碳面漆中含有鍵能高達487 kJ/mol 的F-C鍵，紫外線無法分解F-C鍵，因此由氟碳面漆組成的風電葉片涂料具有優異的耐候性^[5]。

2.2 耐中性鹽霧性能測評

我國不僅在內陸地區建有風電場，而且大力開發海上風電資源，海面上具有鹽度高、溫度高和濕度高的氣候特征，因此風電葉片涂料需要具有一定的耐鹽霧性能^[6]。葉片涂料耐中性鹽霧2000 h的試驗結果如表3所示。

表3耐中性鹽霧試驗結果

Table 3 Test results of neutral salt spray test

從表3可以看出，三種風電涂料均具有優異的耐鹽霧性能，在經過2000小時的鹽霧試驗后均無開裂，樣品2涂料試板出現1級很輕微的起泡和1級很輕微生銹現象，樣品1涂料試板和國外廠家的涂料試板均無起泡、生銹和開裂出現。鹽霧試驗后進行拉開法附著力試驗，三種試板的付著力分別為10.2 MPa、9.4 MPa和10.6 MPa，鹽霧試驗后的付著力較優異，劃痕處擴蝕寬度分別為0.8 mm、1.2 mm 和1.0 mm，三種試板的腐蝕擴展程度都較輕，這說明我們國內的風電涂料產品在耐鹽霧腐蝕性方面可以和國外產品媲美。

2.3 耐高低溫冷熱循環性能測評

不管是在內陸環境下還是海洋環境下，黑夜和白晝的溫度差都很大，風電葉片表面高溫和低溫極限分別可達50℃和-30℃，所以葉片涂料還需要滿足高低溫冷熱循環多次后不剝落開裂的要求^[7]。葉片涂料耐高低溫交替試驗結果見表4。

表4 高低溫冷熱循環試驗結果

Table 4 Test results of neutral salt spray test

從表4中可以看出，在經冷熱循環試驗后，三種涂層試板均未出現起泡、開裂、生銹和變色現象，試驗后付著力分別為10.8 MPa、10.2 MPa和11.6 MPa，這說明所有涂層體系都就有優異的耐冷熱循環性能。在中性鹽霧試驗進行到1000 h后，所有涂料試板的非劃痕區均未出現任何異常腐蝕現象，那么理論上來說，冷熱循環試驗后，同樣的涂層體系也不應出現異常涂層缺陷。

2.4 耐磨性能評測

我國內陸風電場所處的環境往往會具有風沙氣候，風電葉片在高速運轉時會受到沙石的侵蝕而出現磨損，因此風電葉片涂料的耐磨性也是主機廠和客戶比較關注的性能之一^[8]。測定涂層耐磨性的砂輪法和落砂法均能客觀有效的反映風電葉片涂料的耐磨損性能，表5為三種風電葉片涂料采用兩種耐磨試驗方法測定的結果。

表5耐磨性能評測結果

Table 5 Test results of wear resistance

從表5中可以看出，國產風電葉片涂料耐磨性試驗結果明顯優于國外風電涂料，其中國產1號涂料樣板的耐磨性最好。涂層耐磨性與涂層的工藝配方設計有關，涂層韌性越高，涂料耐磨性就越好^[9]。國外風電場所處的環境與我國風電場不同，國外風電場除了一些濕氣外少有風沙氣候，所以國內風電涂料企業在設計涂料配方時更注重耐磨性的考察和評判。

3結語

我國風力發電場按所處地形來分主要包括陸上風電場和海上風電場，風電場氣候類型眾多，葉片在實際的使用環境長期受到太陽輻射、海水鹽霧腐蝕、晝夜高低溫交變、風沙等的惡劣氣候環境侵蝕，這就需要風電葉片涂料必須具有耐紫外光老化、耐鹽霧、耐冷熱循環和耐磨性能，通過控制風電葉片涂料這些性能的技術指標，可以提高風電葉片的服役壽命、增強風電設備的使用性能，從而降低風電葉片的維護成本。因此在制定適應我國氣候環境的風電葉片涂料性能檢測方法和評價指標時，需綜合考慮各種性能影響因素，以適應不同極端氣候條件下風電場使用要求。

風電涂料在我國作為一種新興產業，從發展初期被國外企業所壟斷，到現在國產涂料逐漸占有一定市場份額，表明風電行業配套產品國產化已成為趨勢，這就更需要制定符合我國國情的風電葉片涂料標準，以適應我國風電涂料市場發展需求。

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參考文獻

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