风电叶片涂料耐候性能评价方法的研究

彭军,杨育农,谢宇芳,李欣

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

摘要： 对国内外三家风电涂料企业的产品进行收集和研究，针对实际使用环境的气候特征，设计了一系列系统的风电叶片涂料性能评价方法，包括荧光紫外灯老化、中性盐雾试验、高低温冷热循环试验和耐磨性测试,提出了风电叶片涂料的耐候性评价技术要求，并对相应的检测项目和评价方法进行了探讨。

关键词：风电叶片涂料，耐候性，评价方法，性能检测

中图分类号：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

风能作为一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽用之不竭，日益受到人们的普遍关注。随着全球石油资源的枯竭和人类对生态环境保护的要求，风能发电已成为可再生能源发展的重要方向之一^[1]。在国家政策的支持下，我国风电场和相关风电设备制造业也飞速发展，这就势必带动风电涂料市场的迅速发展。

2016年我国风电叶片涂料用量4500 t左右，总价值约5亿元。我国风电叶片企业所用涂料大部分为美国PPG公司、德国巴斯夫和德国美凯威奇等国外知名涂料企业生产的产品。我国风电涂料起步较晚，直至2009年国内才有株洲飞鹿、中山大桥、深圳深赛尔、江苏普兰纳等涂料企业参与到风电涂料的研发和生产^[2]。目前，我国风电叶片涂料的耐候性数据相对比较匮乏，相关的性能检测方法和评价标准还未完善，从而无法准确地对风电叶片涂料进行质量控制和技术评价，尤其是应用在我国特定气候环境下的风电涂料产品更需要耐候性能的研究和老化数据的积累^[3]。因此，通过研究风电叶片涂料耐候性能评价方法，对制定适合我国国情的风电叶片涂料检测方法和技术评价指标具有重要意义。

1 实验部分

1.1试验材料

收集国内外三家知名风电涂料厂家的试验样板，其中编号为1和2的试板来自于国内风电涂料厂家，编号3的试板来自于国外风电涂料厂家。三种涂层试板均采用底中面三涂层的涂装体系，底涂都采用环氧富锌底漆，中涂都采用环氧云铁中间漆。三种试板的面漆有所不同，国产涂料的面漆采用聚氨酯面漆，而国外厂家涂料的面漆采用的是氟碳面漆。虽然三种涂层试板的涂装体系相似，但其涂料组成、树脂配方和施工工艺存在差异，其涂层性能也会不同。

1.2试验设备

UV-COM荧光紫外老化试验箱：美国ATLAS公司；BYK 4520多角度光泽度计：德国BYK-Gardner公司；CR10色差计：日本KONICA MOINLTA公司；Q-FOG盐雾试验箱：美国Q-Lab公司；BE-TH-80M8可程式恒温恒湿试验箱：东莞贝尔试验设备有限公司；AG-IC 20KN型电子拉力机：日本岛津公司；Positest AT-A附着力测试仪，美国Defelsko公司；落砂耐磨试验器：上海现代环境工程技术有限公司；JM-IV型磨耗仪：上海现代环境工程技术有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1荧光紫外灯老化试验

依据GB/T 23987-2009《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水》进行荧光紫外老化试验，试验条件为：使用UVA（340 nm）光源，辐照度为0.83 W/m²，60℃光照4小时，50℃冷凝4小时。测试时间是3000小时，每500小时老化时间为一个考察阶段，共分6个阶段对风电叶片试板涂层体系的宏观老化性能进行考察，测试涂层试板老化过程中光泽度和色差变化，并依据 GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》对涂层老化后的失光、变色、起泡、粉化、生锈和剥落等级进行评定。

1.3.2中性盐雾老化试验

按GB/T 1771-2007《色漆和清漆 耐中性盐雾的测定》进行耐盐雾试验，试验前按照标准对试板进行划痕处理，试板测试面划两条交叉的划痕，测试时间为2000 h。试验条件为：试验温度为35℃，NaCl溶液的质量浓度为50 g/L，pH值为6.5～7.2，45^o倾斜放置，并依据 GB/T 1766-2008对涂层试验后的失光、起泡、粉化和开裂等级进行评定，并进行拉开法付着力测试。

1.3.3高低温冷热循环试验

按GB/T 1740-2007《漆膜耐湿热测定法》进行冷热循环试验，试验条件为：-40℃放置半小时→室温放置半小时→120℃放置半小时→室温放置半小时，共15个循环，测试时间为30 h。依据 GB/T 1766-2008对涂层试验后的失光、起泡、粉化和开裂等级进行评定，并进行拉开法付着力测试。

1.3.4耐磨性试验

耐磨性试验方法分为旋转橡胶砂轮法和落砂法，按GB/T 1768-2006《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》进行砂轮法耐磨性测试，砂轮型号为CS10，负载为1000 g ，转数为2000转；按GB/T 23988-2009《涂料耐磨性测定 落砂法》进行落砂法耐磨性测试。

2 结果与讨论

2.1 耐紫外灯老化性能测评

风电叶片涂料使用在我国内陆地区时，其实际使用场地一般都为地势较高的西北和东北地区，这些地区的日照强度大，太阳照射时间较长，所以风电叶片涂料需要对风场叶片提供时间足够长的保护，这就需要风电叶片涂料具有良好的耐候性^[4]。对三种风电叶片涂料样板荧光紫外老化过程中的光泽和色差进行考察，每500小时取样测量一次，光泽变化和失光等级如表1所示，色差变化和变色等级如表2所示。

表1 荧光紫外灯老化过程中光泽变化和失光等级（60°）

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

表2 荧光紫外灯耐候试验色差变化和失光等级

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

从表1和表2可以看出，三种试板在经过3000小时荧光紫外灯老化试验后，涂层的起泡、粉化、生锈和剥落等级都为0级，三种试板老化过程中涂层的光泽和色差及失光等级和变色等级均有所变化，都出现1或2级的失光，变色等级均为0级或1级。国内厂家生产的风电叶片涂料和国外厂家的产品在耐侯性能方面总体良好，只是在失光变色方面存在一些差距。其中两款国产厂家的涂料试板失光等级都为2级，变色等级均为1级，而国外厂家的涂料试板失光等级为1级，变色等级均为0级。这说明氟碳涂料相对于聚氨酯涂料，具有更加优异的耐老化性能和耐候性。氟碳面漆中含有键能高达487 kJ/mol 的F-C键，紫外线无法分解F-C键，因此由氟碳面漆组成的风电叶片涂料具有优异的耐候性^[5]。

2.2 耐中性盐雾性能测评

我国不仅在内陆地区建有风电场，而且大力开发海上风电资源，海面上具有盐度高、温度高和湿度高的气候特征，因此风电叶片涂料需要具有一定的耐盐雾性能^[6]。叶片涂料耐中性盐雾2000 h的试验结果如表3所示。

表3耐中性盐雾试验结果

Table 3 Test results of neutral salt spray test

从表3可以看出，三种风电涂料均具有优异的耐盐雾性能，在经过2000小时的盐雾试验后均无开裂，样品2涂料试板出现1级很轻微的起泡和1级很轻微生锈现象，样品1涂料试板和国外厂家的涂料试板均无起泡、生锈和开裂出现。盐雾试验后进行拉开法附着力试验，三种试板的付着力分别为10.2 MPa、9.4 MPa和10.6 MPa，盐雾试验后的付着力较优异，划痕处扩蚀宽度分别为0.8 mm、1.2 mm 和1.0 mm，三种试板的腐蚀扩展程度都较轻，这说明我们国内的风电涂料产品在耐盐雾腐蚀性方面可以和国外产品媲美。

2.3 耐高低温冷热循环性能测评

不管是在内陆环境下还是海洋环境下，黑夜和白昼的温度差都很大，风电叶片表面高温和低温极限分别可达50℃和-30℃，所以叶片涂料还需要满足高低温冷热循环多次后不剥落开裂的要求^[7]。叶片涂料耐高低温交替试验结果见表4。

表4 高低温冷热循环试验结果

Table 4 Test results of neutral salt spray test

从表4中可以看出，在经冷热循环试验后，三种涂层试板均未出现起泡、开裂、生锈和变色现象，试验后付着力分别为10.8 MPa、10.2 MPa和11.6 MPa，这说明所有涂层体系都就有优异的耐冷热循环性能。在中性盐雾试验进行到1000 h后，所有涂料试板的非划痕区均未出现任何异常腐蚀现象，那么理论上来说，冷热循环试验后，同样的涂层体系也不应出现异常涂层缺陷。

2.4 耐磨性能评测

我国内陆风电场所处的环境往往会具有风沙气候，风电叶片在高速运转时会受到沙石的侵蚀而出现磨损，因此风电叶片涂料的耐磨性也是主机厂和客户比较关注的性能之一^[8]。测定涂层耐磨性的砂轮法和落砂法均能客观有效的反映风电叶片涂料的耐磨损性能，表5为三种风电叶片涂料采用两种耐磨试验方法测定的结果。

表5耐磨性能评测结果

Table 5 Test results of wear resistance

从表5中可以看出，国产风电叶片涂料耐磨性试验结果明显优于国外风电涂料，其中国产1号涂料样板的耐磨性最好。涂层耐磨性与涂层的工艺配方设计有关，涂层韧性越高，涂料耐磨性就越好^[9]。国外风电场所处的环境与我国风电场不同，国外风电场除了一些湿气外少有风沙气候，所以国内风电涂料企业在设计涂料配方时更注重耐磨性的考察和评判。

3结语

我国风力发电场按所处地形来分主要包括陆上风电场和海上风电场，风电场气候类型众多，叶片在实际的使用环境长期受到太阳辐射、海水盐雾腐蚀、昼夜高低温交变、风沙等的恶劣气候环境侵蚀，这就需要风电叶片涂料必须具有耐紫外光老化、耐盐雾、耐冷热循环和耐磨性能，通过控制风电叶片涂料这些性能的技术指标，可以提高风电叶片的服役寿命、增强风电设备的使用性能，从而降低风电叶片的维护成本。因此在制定适应我国气候环境的风电叶片涂料性能检测方法和评价指标时，需综合考虑各种性能影响因素，以适应不同极端气候条件下风电场使用要求。

风电涂料在我国作为一种新兴产业，从发展初期被国外企业所垄断，到现在国产涂料逐渐占有一定市场份额，表明风电行业配套产品国产化已成为趋势，这就更需要制定符合我国国情的风电叶片涂料标准，以适应我国风电涂料市场发展需求。

送检咨询电话：020-32377636 杨工

参考文献

[1] 中国化工学会涂料涂装专业委员会海洋石油工业防腐分会．风电保护涂料市场发展现状[J]．涂料技术与文摘，2010 , 31 (3) :3-9．

[2] 李儒剑, 孟兆荣, 周升, 等．高分子材料的老化与防老化评价体系研究[J]．涂料工业, 2011 , 41 (12) :46-49．

[3] 郑进, 张庆华, 罗振寰, 等．风电叶片防护涂层材料的研究进展[J]．高分子材料科学与工程, 2012 , 28 (11) :182-186．

[4] 沈剑平, 张之涵．高性能水性聚氨酯风电叶片涂料[J]．上海涂料, 2011 , 49 (2) :10-14．

[5] 朱紫棠, 廖有为, 胡春文, 等．5MW海上风力发电电机机座表面防护涂料的研究[J]. 涂料工业 , 2012 , 42 (1) :60-63．

[6] 郭峻嘉, 车汉生, 王志敏, 等．海上风电涂料防腐蚀性能的研究[J]. 环境技术, 2015 (4) :18-22．

[7] 陈川, 黄海军, 王俊, 等．我国湿热海上风电大气区金属重防腐涂料的性能研究[J]. 装备环境工程, 2015 (4) :89-94．

[8] 刘魁, 陈煌, 雷志敏, 等．风电叶片涂层性能影响和固化工艺的实验研究[J]．涂料工业, 2013 , 43 (3) :25-28．

[9] 王玫玫, 张卫群. 风电叶片涂料检测方法的研究[J].上海涂料, 2013, 51 (8) :49-55.