隨著風力發(fā)電的迅猛發(fā)展，對風力發(fā)電設備的需求不斷增加，從而帶動了風力發(fā)電裝備用風電葉片材料及其防護涂料的發(fā)展。

 

　　風電葉片是風力發(fā)電機的核心部件之一，其良好的設計、可靠的質量和優(yōu)越的性能是保證風電機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。風電葉片在運行中要經受紫外線、風沙、雨蝕、鹽霧、濕熱和溫差等侵蝕，風電機組承受的磨損應力（磨蝕）主要有兩個因素：一是因為風挾帶的顆粒（例如砂粒）摩擦鋼結構、葉片表面而產生破壞；二是水滴、冰雹、沙塵暴甚至飛鳥等較大物的撞擊破壞。這在戈壁沙漠風電場塔架的迎風面及底部、風電葉片表面、箱式落地變壓器迎風側面比較常見和明顯，特別是在許多情況下，風電葉片的葉尖速度超過80 m/s，磨損會造成結構破壞、效率下降和損失。因此，要求風電葉片材料達到高強度和抗疲勞性，而風電葉片涂料對保護葉片，防止其老化、磨損起到關鍵性的作用，因此，風電葉片涂料除應具有防腐蝕性外，還必須具有極佳的耐磨性。

 

　　1 風電葉片材料的發(fā)展

 

　　風電葉片材料質量要輕，從而能使葉片更容易旋轉，風力轉換成電能的效率則大大增加。同時，要求風電葉片材料能承受長期的日曬雨淋、風沙、冰雪等侵蝕，還要具有高強度和抗疲勞特性。

 

　　1.1 風電葉片材料的基本種類

 

　　風電葉片的選材直接影響其成本和綜合性能。從傳統型的木質葉片發(fā)展到現在主流型的復合材料，人們經歷了對高性能、低成本的風電葉片材料的篩選和探索的漫長過程。

 

　　1.1.1 金屬材料

 

　　金屬材料的價格低廉、易加工成型，較早時期被認為是風電葉片最理想的材料。風電葉片所用的金屬材料主要是合金鋼和鋁合金。不過，經過長期試驗后發(fā)現，金屬材料的密度普遍較大，質量大，而且抗疲勞特性差，容易被腐蝕，特別不適合扭曲成型，因而逐步被其他材料所替代。

 

　　1.1.2 玻璃鋼復合材料

 

　　玻璃鋼復合材料是基體樹脂和玻璃纖維通過加工方式結合在一起制成的材料。其中玻璃纖維主要起到補強作用，而基體樹脂主要提供粘結力，保護增強作用和傳遞應力作用。

 

　　玻璃鋼復合材料的基體樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂。不飽和聚酯樹脂的原料來源廣，成本較環(huán)氧樹脂低，且在常溫常壓下可固化成型，加工方便。環(huán)氧樹脂同樣有良好的加工工藝性，其粘結力好，穩(wěn)定性好，防腐蝕性能優(yōu)異；乙烯基酯樹脂結構上保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，固化后材料具有優(yōu)良的性能，在工藝性能方面則具備不飽和聚酯樹脂的良好工藝性能。相比較而言，不飽和聚酯樹脂具有優(yōu)異的工藝調控性，可以通過調整引發(fā)劑的用量來控制反應時間；而環(huán)氧樹脂韌性較好；不飽和聚酯樹脂脆性較大［1］；乙烯基酯樹脂成本和性能介于不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂之間，不過其相關應用研究較晚，技術相對不成熟，目前只被少數風電葉片制造商采用。

 

　　1.1.3 碳纖維復合材料

 

　　隨著風電葉片的尺寸逐漸加大，葉片質量也越來越重，但這不符合風電葉片的設計要求。高性能碳纖維材料的引入可以解決這一難題，在很大程度上實現風電葉片的減重。碳纖維材料在滿足剛度和強度要求的條件下，比玻璃纖維材料輕30%。在基體樹脂方面，環(huán)氧樹脂的力學性能相對其他樹脂好，故碳纖維復合材料的應用多以環(huán)氧樹脂為基體樹脂。不過，碳纖維的應用工藝要求較高，葉片的雷電防護系統情況復雜，其尚有技術性和成本性的問題需要解決［2］。

 

　　1.2 風電葉片材料的發(fā)展趨勢

 

　　目前風電葉片材料的使用情況是：我國較小型葉片（如22 m 長）一般選用量大、價廉的E- 玻璃纖維增強塑料，基體樹脂以不飽和聚酯樹脂為主；而較大型葉片（長度42 m 以上）的結構設計則選用碳纖維復合材料（CFRP）或碳纖維（CF）與玻璃纖維（GF）的混雜復合材料，采用真空導入生產工藝，而基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主［3］。傳統的風電葉片材料顯然不能滿足風力發(fā)電葉片的要求，人們對于風電葉片材料正向低成本、高性能、環(huán)保方向繼續(xù)探究。

 

　　1.2.1 碳纖維增強乙烯基樹脂

 

　　風電葉片成本占整個風力發(fā)電裝置成本的比重較大，可以通過降低葉片成本來降低整個風力發(fā)電裝置的成本。選擇性價比高的材料——乙烯基樹脂來替代環(huán)氧樹脂，可降低風電葉片成本，另外，乙烯基樹脂的工藝性好，能滿足機械力學性能、抗疲勞性、剛度等各項性能指標的設計要求［4］。碳纖維用來制作風電葉片，具有質輕、強度高的優(yōu)勢，故碳纖維增強乙烯基樹脂的復合材料是制作大型風電葉片的趨勢。

 

　　1.2.2 熱塑性復合材料

 

　　風電葉片多采用熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等制成，熱固性樹脂通過化學反應交聯，致使樹脂相對分子質量增大，分子結構形成網狀結構，使得樹脂性能穩(wěn)定，不易分解。故熱固性樹脂制成的風電葉片在其退役后材料很難被回收利用。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有可回收再利用、密度小、強度高、抗沖擊性好等優(yōu)點。不過，熱塑性復合材料制成的葉片成本普遍較高，這也成為了制約其用于風電葉片材料的關鍵性問題［4］。

 

　　1.2.3 生物質材料

 

　　玻璃鋼作為一種重要的工程材料，廣泛用于風電葉片。由于玻璃鋼的廢舊產品處理困難，既難以燃燒，又不易分解。出于環(huán)保考慮，市場上逐漸出現了以木質/ 竹制品等生物質材料制成的風電葉片。此類風電葉片具有如下優(yōu)點：剛度高、穩(wěn)定性好、低溫阻尼好、材料可再生、成本低，適合于大型葉片。從工藝上看，相比環(huán)氧樹脂復合材料，由于竹材的用量高達50%——70%，環(huán)氧樹脂用量少，避免了固化過程的過熱反應，材料的收縮小；與玻璃纖維復合材料葉片相比，則減少了加工時間，更具有市場競爭能力［5］。

 

　　2 風電葉片涂料

 

　　風電葉片材料的發(fā)展逐步趨向于高性能、輕量化，但風電葉片長期處在惡劣環(huán)境下工作，需要經受不同環(huán)境地域的考驗，其自身材料不足以防御風、雪、雨等惡劣天氣的侵蝕和磨蝕。因此，風電葉片通常會涂覆保護涂料，顯然惡劣的環(huán)境條件對于風電葉片涂料有更高的性能要求。

 

　　2.1 風電葉片涂層的性能

 

　　風電葉片正常運轉過程中通常可能受到以下幾種外界侵蝕：第一種是來自紫外光的侵襲；第二種是風沙、浮塵以及雨霧等對基材的侵蝕。就第一種而言，是屬于化學性的侵蝕；第二種侵蝕是屬于機械性的侵蝕，對于涂料行業(yè)來說防護難度較第一種要大得多。風電葉片正常運轉過程中葉尖的線速度可達80 m/s，這個速度約相當于F1 賽車的最高時速。風中含有的沙粒或水滴會對葉片表面產生強烈的沖擊力。如果風電葉片涂料的耐沙蝕或雨蝕性能不佳，防護涂層將在幾年內發(fā)生明顯損耗，根本堅持不了20 a 的防護期限。因此，要求涂層必須經受長時間的高速粒子撞擊，涂層必須具有一定的彈性；同時，由于沙子表面粗糙，硬度高，更容易劃傷涂層，涂層還要具有高機械強度。只要涂層能隨時保證這兩個特性，再具備足夠的厚度，就可以有效抵御風沙、雨霧在葉片運行過程中的侵蝕。

 

　　由于涂層耐磨性不佳，導致風電葉片維修成本居高不下，這是大力發(fā)展風力發(fā)電的絆腳石。風電葉片防護涂層材料不局限于單一的某種材料，幾種樹脂的配套使用或通過改性可使涂料性能更趨優(yōu)異，合理配用聚氨酯、丙烯酸類等聚合物，以獲得性能全面的風電葉片涂料。風電葉片涂料主要應考慮到以

 

　　下幾點基本性能：

 

　　（1） 風電葉片涂層要與風電葉片材料有優(yōu)異的附著力，不同的風電葉片材料因基體樹脂不同，可能會造成風電葉片涂料在底材上的附著力不盡相同。

 

　　（2） 風電葉片涂層的耐磨性要優(yōu)異。風電葉片長期經受風力摩擦，另外，在空氣流動過程中，空氣中的沙粒、雨水、鹽霧，都會不斷地沖擊風電葉片而造成侵蝕。因此，對風電葉片涂層的耐磨性要求極高。

 

　　（3） 風電葉片涂層需具有優(yōu)異的化學性能。風電葉片長期暴露在自然環(huán)境下，受到紫外線、雨淋、霜凍等，更有晝夜溫差、四季氣候變化的自然條件，造成冷熱交替等各種不穩(wěn)定的因素對風電葉片的侵蝕。而風電葉片涂層作為保護層，需要在不穩(wěn)定的因素條件下保持涂層的性能穩(wěn)定，耐性（如耐鹽霧性、耐紫外老化性、耐濕熱性等）優(yōu)異，以適應不同的極端氣候條件。

 

　　2.2 風電葉片涂料的配套體系

 

　　現階段，風電葉片涂料產品已經相對成熟，國內外風電葉片涂料廠商諸多，而不同風電葉片涂料廠商的涂料配套體系各異，常見的配套涂料體系見表1。

 

　　圖片

 

　　由于風電葉片加工工藝因素造成葉片表面不平整有空隙，通常在涂布底漆之前需要用膩子填平空隙［7］。根據表1 大體可以總結出：風電葉片涂料配套體系主要是水性涂料配套體系和溶劑型涂料配套體系。水性涂料配套體系氣味小，環(huán)保，施工方便，且施工工具易清洗。而溶劑型涂料配套體系氣味大，但是已經逐漸向高固體分涂料轉型，且漆膜性能穩(wěn)定，防腐蝕性能相對水性體系出色，因此現階段的風電葉片實際應用溶劑型涂料的相對較多。

 

　　2.3 風電葉片涂料的發(fā)展趨勢

 

　　從2015 年2 月1 日起，國家對涂料在生產、委托加工和進口環(huán)節(jié)征收4% 的適用稅率。征收涂料稅也加速推進了風電葉片涂料向環(huán)保型涂料方向發(fā)展。

 

　　近年來，水性風電葉片涂料已經陸續(xù)研發(fā)成功。水性風電葉片涂料以水為溶劑，VOC 低。不過，水性風電葉片涂料對施工環(huán)境的要求相對較高，水性風電葉片涂料中的溶劑為水，水的汽化溫度相對溶劑較高，會導致涂料施工后水不易蒸發(fā)，水的蒸發(fā)受濕度影響大，只能通過環(huán)境濕度調整［6］。

 

　　顯然，現階段水性風電葉片涂料無法完全取代溶劑型風電葉片涂料。而溶劑型風電葉片涂料的性能方面，特別是耐磨性、防腐蝕性比水性風電葉片涂料更優(yōu)。針對環(huán)保問題，溶劑型風電葉片涂料可在具有優(yōu)異性能的前提下，進一步轉換為高固體分涂料和無溶劑涂料，以便降低VOC 而達到環(huán)保的要求。當然，針對水性風電葉片涂料的性能，人們已經開始研發(fā)新的材料，盡管突破技術瓶頸的道路艱辛，但是，通過涂料技術人員的不斷努力，相信在不久的將來，一定會有收獲［7］。

 

　　3 結語

 

　　風力發(fā)電是一種清潔能源，勢必會大力發(fā)展。這隨之對于風電葉片材料及其防護涂料的要求也會更高。當前在考慮高性能材料發(fā)展的同時，風電葉片材料及其涂料也必將向可持續(xù)、環(huán)保的研究方向邁進。