风电叶片用氟碳涂料的老化耐候性能研究
涂料行业：
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，受到人们的广泛关注。随着全球石油资源的枯竭和生态环境保护的需求，风力发电已成为可再生能源发展的重要方向之一。在国家政策的支持下，我国的风电场及相关的风电设备制造行业也在快速发展，势必带动风电涂料市场的快速发展。
2016年我国风电叶片用涂料量约4500吨，总价值约5亿元，我国风电叶片企业所采用的涂料大多为美国PPG、德国巴斯夫、德国美凯威奇等国外知名涂料公司生产的产品。我国风电涂料起步较晚，直到2009年才有株洲飞鹿、中山桥梁、深圳深赛尔、江苏普兰纳等国内涂料企业参与到风电涂料的研发和生产。目前，我国风电叶片涂料的耐候性数据相对匮乏，相关性能测试方法和评价标准也尚未完善，无法准确控制风电叶片涂料的质量和技术评价。特别是在我国特定气候环境下使用的风电涂料产品，更需要加强耐候性研究和老化数据积累。因此，通过研究风电叶片氟碳涂层老化性能评价方法，对制定适合我国国情的风电叶片涂层测试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
收集了国内外3家知名风电涂料厂家的试板，编号1、2的试板来自国内风电涂料厂家，编号3的试板来自国外风电涂料厂家。3个涂层试板均采用底涂、中涂、面涂的涂装体系，底涂为环氧富锌底漆，中涂为环氧云铁中间漆，面涂为氟碳面漆。3个涂层试板的涂装体系虽然相似，但是树脂配方、施工工艺存在差异，涂装性能也会有所不同。
1.2 测试设备
UV-COM荧光紫外老化试验箱：美国ATLAS；BYK-4520多角度光泽度计：德国BYK公司；CR10比色计：日本Q-FOG盐雾试验箱：美国Q-Lab；BE-TH-80M8可程式恒温恒湿试验箱：东莞市贝尔检测设备有限公司；AG-IC 20KN电子拉力机：日本岛津公司；AT-A附着力试验机，美国公司；落砂耐磨试验机：上海现代环境工程技术有限公司；JM-IV耐磨试验机：上海现代环境工程技术有限公司。
1.3 测试方法
1.3.1荧光紫外灯老化试验
依据GB/T 23987-2009《色漆和清漆涂层人工气候老化试验方法荧光紫外光照射和水暴露》进行荧光紫外老化试验，试验条件为：采用UVA（340nm）光源，辐照度0.83W/m2，60℃光照4小时，50℃结露4小时。试验时间为3000小时，每老化500小时为一个检验阶段。分6个阶段对风电叶片试验板涂层体系宏观老化性能进行检验。检测涂层试验板老化过程中的光泽、色差变化情况，依据GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂层老化评级方法》对老化后涂层的失光、变色、起泡、粉化、生锈、剥落等程度进行评定。
1.3.2中性盐雾老化试验
耐盐雾试验依据GB/T 1771-2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》进行。试验前，将试板按标准进行划痕处理，在试板试验面上划两条十字划痕，试验时间为2000h。试验条件为：试验温度为35℃，NaCl溶液质量浓度为50g/L，pH值为6.5～7.2，试板倾斜45°放置。试验后涂层失光、起泡、粉化、开裂程度按GB/T 1766-2008评定，进行拉脱法力试验。
1.3.3高低温热循环试验
按照GB/T 1740-2007《漆膜耐湿热性能的测定》进行冷热循环试验，试验条件为：-40℃半小时→室温半小时→120℃半小时→室温半小时，共15个循环，试验时间为30小时。按照GB/T 1766-2008对试验后涂层的失光、起泡、粉化、开裂程度进行评定，并进行拉脱法应力试验。
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。砂轮法耐磨性试验按照GB/T 1768-2006《色漆和清漆耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》进行，砂轮型号为CS10，荷重为1000g，转数为2000转；落砂法耐磨性试验按照GB/T 23988-2009《涂层耐磨性的测定 落砂法》进行。
2 结果与讨论
2.1 耐紫外光老化性能评价
我国内陆地区使用风电叶片涂料时，其实际使用地点一般在地势较高的西北、东北地区。这些地区日照强度大，太阳暴晒时间长，因此风电叶片涂料需要对风电叶片提供足够的保护，这就要求风电叶片涂料具有良好的耐候性。对3个风电叶片涂料样品在荧光紫外老化过程中的光泽度和色差进行了考察，每隔500小时取样进行测定。光泽度变化和光泽损失水平见表1，色差变化和色差变化水平见表2。
表1 荧光紫外灯老化过程中的光泽变化和光泽损失程度（60°）
表2 荧光紫外灯耐候试验中的色差变化和光泽损失水平
从表1、表2可以看出，经过3000h荧光紫外灯老化试验后，3块试板涂层的起泡、粉化、生锈、剥落程度均为0。3块试板涂层的光泽度和色差，以及失光程度和变色程度在老化过程中都有变化，均表现为失光程度为1或2，变色程度为0或1。国内厂家生产的风电叶片涂层与国外厂家的产品在耐候性方面普遍较好，但在失光和变色方面存在一定的差异。其中，国内2家厂家的涂层试板失光程度为2，变色程度为1，而国外厂家的涂层试板失光程度为1，变色程度为0。这说明氟碳涂料的耐老化和耐候性均优于聚氨酯涂料。氟碳面漆中含有FC键，键能高达487kJ/mol，紫外线无法分解FC键，因此由氟碳面漆构成的风电叶片涂层具有优异的耐候性。
2.2 耐中性盐雾性能评价
我国不仅在内陆地区建设风电场，还大力开发海上风电资源。海面具有高盐度、高温高湿的气候特点，因此风电叶片涂层需具备一定的耐盐雾性能。叶片涂层耐中性盐雾2000h试验结果如表3所示。
表3 耐中性盐雾试验结果
从表3可以看出，3种风电涂料均具有优良的耐盐雾性能，经过2000小时的盐雾试验，没有出现开裂现象，样品2涂层试板有很轻微的起泡和很轻微的1级锈蚀，样品1涂层试板和国外厂家的涂层试板均无起泡、锈蚀和开裂现象。盐雾试验后进行拉开附着力试验，3种试板的附着力分别为10.2MPa、9.4MPa、10.6MPa，盐雾试验后的附着力优良，划痕处的腐蚀扩展宽度分别为0.8mm、1.2mm、1.0mm，3种试板的腐蚀扩展程度都较轻，说明我们国产风电涂料产品在耐盐雾腐蚀性能方面可以和国外产品相媲美。
2.3 耐高低温及热循环性能评价
无论是在内陆还是海洋环境中，昼夜温差都很大。风电叶片表面的高低温极限分别可达50℃和-30℃，因此叶片涂层还必须满足多次高低温循环后不剥落、不开裂的要求。叶片涂层耐高低温交变试验结果如表4所示。
表4 高低温冷热循环试验结果
从表4可以看出，经过冷热循环试验后，三种涂层试板均未出现起泡、开裂、生锈和变色等现象，试验后应力分别为10.8MPa、10.2MPa和11.6MPa，说明各涂层体系均具有优异的耐冷热循环性能。在进行1000h中性盐雾试验后，所有涂层试板的非划痕区域均未出现异常腐蚀现象。从理论上讲，经过冷热循环试验后，同一涂层体系不应出现异常涂层缺陷。
3 结论
我国风电场按地形主要分为陆上风电场和海上风电场，风电场气候类型多样，叶片在实际使用环境中长期受到太阳辐射侵蚀、海水盐雾腐蚀、昼夜高低温交替、风沙等恶劣气候环境的影响。这就要求风电叶片涂层必须具有耐紫外光老化、耐盐雾、耐冷热循环、耐磨损等性能。通过控制风电叶片涂层这些性能的技术指标，可以提高风电叶片的使用寿命，增强风电设备的性能，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层性能测试方法和评价指标时，需要综合考虑各种性能影响因素，以适应风电场在不同极端气候条件下的使用要求。
风电涂料在我国是一个新兴行业，在发展初期被国外企业垄断，如今国产涂料已逐步占据一定的市场份额，说明风电行业配套产品国产化已成为趋势。这就需要制定符合我国国情的风电叶片涂料标准，满足我国风电涂料市场的发展需求。