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浙工大馮杰/涂書畫團隊 Prog. Org. Coat.: 在風電葉片抗雨蝕涂層研究方面取得進展

2025-02-01 來源：高分子科技

近期，浙江工業大學馮杰/涂書畫科研團隊成功制備了具有優異抗雨蝕性、高彈性、牢固的穩定疏水涂層。該彈性疏水涂層在保護海上風電葉片抗雨蝕方面顯示出巨大的應用潛力。論文發表在《Progress in Organic Coatings》雜志上發表了一篇題為“Highly elastic and stable hydrophobic coatings with excellent rain erosion resistance for wind turbine blades”上（2025, 200, 109013）。

風能作為一種清潔且豐富的可再生能源，可以通過風力發電機將風能轉化為電能。風電是一種清潔能源。風電葉片由環氧樹脂加玻纖復合制備而成，為了保護環氧樹脂不受UV破壞，須使用涂層保護，目前涂層一般用聚丙烯酸酯類、聚氨酯類。西北的風電葉片怕風沙磨損，西南高原的怕凍雨結冰，沿海的則怕雨水侵蝕。雨水侵蝕是由反復和高速的液滴撞擊引起的，造成點蝕或剝落形式的損壞。由于葉片表面粗糙度的增加，被侵蝕的葉片導致空氣阻力顯著增加，從而使年發電量減少25%。在風電設備的維護保養中，維修風機葉片是最昂貴、最耗時的，在使用壽命為20年的長期運行中，約占總成本的35%。這對于風力發電產業的可持續發展來說，無疑是一個巨大的阻礙。所以，研發出一種能夠有效抵抗酸雨侵蝕的葉片保護涂層，已經成為風電領域亟待解決的關鍵問題。

雨水侵蝕的核心機理是：一方面，沿海地區的雨水一般呈弱酸性，長期酸雨浸潤導致聚丙烯酸酯的酯鍵水解，導致涂層脫落，另一方面，雨水高速沖擊導致脆性涂層開裂，進一步加速了涂層水解。因此涂層必須具有穩定疏水性和彈性。該論文以低T_g的含氟羥丙乳液（FHA）為基質、水溶性聚醚多元醇（PPG）為彈性成分、水性封閉型多異氰酸酯為交聯劑，通過優化配方和工藝，成功制得了具有高彈性、穩定疏水、優異抗雨蝕性能的涂層。FHA乳液憑借其含氟特性，賦予了涂層良好的疏水性，能有效阻止雨水的侵蝕。PPG則為涂層增添了出色的彈性，使其在面對雨滴的高速沖擊時，能通過彈性變形來緩沖沖擊力，減少損傷。封閉型多異氰酸酯能夠將FHA和PPG以及環氧樹脂基底緊密地交聯在一起，形成一種穩固的結構（圖1）。

圖1. 以含氟羥丙乳液為主體，構建彈性、穩定疏水涂層用于風電葉片抗雨蝕

表1和圖2是FHA彈性體的性能表征結果。隨著PPG用量增加，涂層斷裂伸長率和拉伸強度增加，而彈性模量降低，可以吸收應力變形并抵抗雨滴沖擊。在pH=4模擬酸雨中浸泡48小時后，與羥基丙烯酸乳液（HA）涂層相比，FHA涂層仍然保持更好的柔韌性、抗沖擊性和機械強度。

表1.不同配方HA和FHA涂層的力學性能

圖2.酸雨浸泡前后不同涂層的斷裂伸長率（a）、拉伸強度（b）和抗沖擊性高度（c）；（d）不同涂層圍繞棒彎曲而不失效的最小棒直徑。

對涂層的潤濕性暨水滴接觸角（WCA）進行測量，如圖3a所示，FHA疏水涂層改善了表面性能，具有高疏水性。傳統的羥丙涂層疏水性較差。通過模擬酸雨（pH=4）浸泡的WCA變化來表征疏水穩定性。如圖3b所示，FHA涂層浸泡7天，接觸角保持在105°以上，表現出良好的疏水穩定性。HA涂層則迅速失去疏水性能，難以抵抗酸雨的滲透。圖4a顯示，在酸雨模擬液的沖擊下，與未交聯的FHA涂層相比，交聯的FHA涂層能更好地抵抗雨水沖擊。HA涂層的疏水性在酸雨沖擊下迅速降低，而FHA涂層可以更長時間地保持疏水性。但純凈水沖擊下，接觸角變化情況跟模擬酸雨近似（圖4b），這說明短時間（48 h）內，接觸角下降主要是由羥基等極性基團的向外翻轉導致的，酯鍵尚未受到模擬酸雨影響而斷裂。