风电叶片材料及其防护涂料的发展与应用
0 引言
风力发电作为一种可再生能源，是区别于传统能源的新能源。与太阳能发电等其他新能源相比，风力发电更具有规模和经济优势，特别是随着煤炭资源的逐渐枯竭、环保呼声的高涨及对气候变化的关注，以及人们对传统能源种种弊端的认识不断深化，世界上发达国家纷纷投入大量的人力、物力和财力去发展环保新能源，这使风电产业发展迅速扩张。我国风电产业起步较晚，但发展迅速，现在已经进入全球累计装机容量前十位国家的行列，仅次于美国和德国。
随着风力发电的迅猛发展，对风力发电设备的需求不断增加，从而带动了风力发电装备用风电叶片材料及其防护涂料的发展。
风电叶片是风力发电机的核心部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风电机组正常稳定运行的决定因素。风电叶片在运行中要经受紫外线、风沙、雨蚀、盐雾、湿热和温差等侵蚀，风电机组承受的磨损应力（磨蚀）主要有两个因素：一是因为风挟带的颗粒（例如砂粒）摩擦钢结构、叶片表面而产生破坏；二是水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。这在戈壁沙漠风电场塔架的迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较常见和明显，特别是在许多情况下，风电叶片的叶尖速度超过80 m/s，磨损会造成结构破坏、效率下降和损失。因此，要求风电叶片材料达到高强度和抗疲劳性，而风电叶片涂料对保护叶片，防止其老化、磨损起到关键性的作用，因此，风电叶片涂料除应具有防腐蚀性外，还必须具有极佳的耐磨性。
1 风电叶片材料的发展
风电叶片材料质量要轻，从而能使叶片更容易旋转，风力转换成电能的效率则大大增加。同时，要求风电叶片材料能承受长期的日晒雨淋、风沙、冰雪等侵蚀，还要具有高强度和抗疲劳特性。
1.1 风电叶片材料的基本种类
风电叶片的选材直接影响其成本和综合性能。从传统型的木质叶片发展到现在主流型的复合材料，人们经历了对高性能、低成本的风电叶片材料的筛选和探索的漫长过程。
1.1.1 金属材料
金属材料的价格低廉、易加工成型，较早时期被认为是风电叶片最理想的材料。风电叶片所用的金属材料主要是合金钢和铝合金。不过，经过长期试验后发现，金属材料的密度普遍较大，质量大，而且抗疲劳特性差，容易被腐蚀，特别不适合扭曲成型，因而逐步被其他材料所替代。
1.1.2 玻璃钢复合材料
玻璃钢复合材料是基体树脂和玻璃纤维通过加工方式结合在一起制成的材料。其中玻璃纤维主要起到补强作用，而基体树脂主要提供粘结力，保护增强作用和传递应力作用。
玻璃钢复合材料的基体树脂主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂。不饱和聚酯树脂的原料来源广，成本较环氧树脂低，且在常温常压下可固化成型，加工方便。环氧树脂同样有良好的加工工艺性，其粘结力好，稳定性好，防腐蚀性能优异；乙烯基酯树脂结构上保留了环氧树脂的基本链段，固化后材料具有优良的性能，在工艺性能方面则具备不饱和聚酯树脂的良好工艺性能。相比较而言，不饱和聚酯树脂具有优异的工艺调控性，可以通过调整引发剂的用量来控制反应时间；而环氧树脂韧性较好；不饱和聚酯树脂脆性较大［1］；乙烯基酯树脂成本和性能介于不饱和树脂和环氧树脂之间，不过其相关应用研究较晚，技术相对不成熟，目前只被少数风电叶片制造商采用。
1.1.3 碳纤维复合材料
随着风电叶片的尺寸逐渐加大，叶片质量也越来越重，但这不符合风电叶片的设计要求。高性能碳纤维材料的引入可以解决这一难题，在很大程度上实现风电叶片的减重。碳纤维材料在满足刚度和强度要求的条件下，比玻璃纤维材料轻30%。在基体树脂方面，环氧树脂的力学性能相对其他树脂好，故碳纤维复合材料的应用多以环氧树脂为基体树脂。不过，碳纤维的应用工艺要求较高，叶片的雷电防护系统情况复杂，其尚有技术性和成本性的问题需要解决［2］。
1.2 风电叶片材料的发展趋势
目前风电叶片材料的使用情况是：我国较小型叶片（如22 m 长）一般选用量大、价廉的E- 玻璃纤维增强塑料，基体树脂以不饱和聚酯树脂为主；而较大型叶片（长度42 m 以上）的结构设计则选用碳纤维复合材料（CFRP）或碳纤维（CF）与玻璃纤维（GF）的混杂复合材料，采用真空导入生产工艺，而基体树脂则以环氧树脂为主［3］。传统的风电叶片材料显然不能满足风力发电叶片的要求，人们对于风电叶片材料正向低成本、高性能、环保方向继续探究。
1.2.1 碳纤维增强乙烯基树脂
风电叶片成本占整个风力发电装置成本的比重较大，可以通过降低叶片成本来降低整个风力发电装置的成本。选择性价比高的材料——乙烯基树脂来替代环氧树脂，可降低风电叶片成本，另外，乙烯基树脂的工艺性好，能满足机械力学性能、抗疲劳性、刚度等各项性能指标的设计要求［4］。碳纤维用来制作风电叶片，具有质轻、强度高的优势，故碳纤维增强乙烯基树脂的复合材料是制作大型风电叶片的趋势。
1.2.2 热塑性复合材料
风电叶片多采用热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等制成，热固性树脂通过化学反应交联，致使树脂相对分子质量增大，分子结构形成网状结构，使得树脂性能稳定，不易分解。故热固性树脂制成的风电叶片在其退役后材料很难被回收利用。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有可回收再利用、密度小、强度高、抗冲击性好等优点。不过，热塑性复合材料制成的叶片成本普遍较高，这也成为了制约其用于风电叶片材料的关键性问题［4］。
1.2.3 生物质材料
玻璃钢作为一种重要的工程材料，广泛用于风电叶片。由于玻璃钢的废旧产品处理困难，既难以燃烧，又不易分解。出于环保考虑，市场上逐渐出现了以木质/ 竹制品等生物质材料制成的风电叶片。此类风电叶片具有如下优点：刚度高、稳定性好、低温阻尼好、材料可再生、成本低，适合于大型叶片。从工艺上看，相比环氧树脂复合材料，由于竹材的用量高达50%——70%，环氧树脂用量少，避免了固化过程的过热反应，材料的收缩小；与玻璃纤维复合材料叶片相比，则减少了加工时间，更具有市场竞争能力［5］。
2 风电叶片涂料
风电叶片材料的发展逐步趋向于高性能、轻量化，但风电叶片长期处在恶劣环境下工作，需要经受不同环境地域的考验，其自身材料不足以防御风、雪、雨等恶劣天气的侵蚀和磨蚀。因此，风电叶片通常会涂覆保护涂料，显然恶劣的环境条件对于风电叶片涂料有更高的性能要求。
2.1 风电叶片涂层的性能
风电叶片正常运转过程中通常可能受到以下几种外界侵蚀：第一种是来自紫外光的侵袭；第二种是风沙、浮尘以及雨雾等对基材的侵蚀。就第一种而言，是属于化学性的侵蚀；第二种侵蚀是属于机械性的侵蚀，对于涂料行业来说防护难度较第一种要大得多。风电叶片正常运转过程中叶尖的线速度可达80 m/s，这个速度约相当于F1 赛车的最高时速。风中含有的沙粒或水滴会对叶片表面产生强烈的冲击力。如果风电叶片涂料的耐沙蚀或雨蚀性能不佳，防护涂层将在几年内发生明显损耗，根本坚持不了20 a 的防护期限。因此，要求涂层必须经受长时间的高速粒子撞击，涂层必须具有一定的弹性；同时，由于沙子表面粗糙，硬度高，更容易划伤涂层，涂层还要具有高机械强度。只要涂层能随时保证这两个特性，再具备足够的厚度，就可以有效抵御风沙、雨雾在叶片运行过程中的侵蚀。
由于涂层耐磨性不佳，导致风电叶片维修成本居高不下，这是大力发展风力发电的绊脚石。风电叶片防护涂层材料不局限于单一的某种材料，几种树脂的配套使用或通过改性可使涂料性能更趋优异，合理配用聚氨酯、丙烯酸类等聚合物，以获得性能全面的风电叶片涂料。风电叶片涂料主要应考虑到以下几点基本性能：
（1） 风电叶片涂层要与风电叶片材料有优异的附着力，不同的风电叶片材料因基体树脂不同，可能会造成风电叶片涂料在底材上的附着力不尽相同。
（2） 风电叶片涂层的耐磨性要优异。风电叶片长期经受风力摩擦，另外，在空气流动过程中，空气中的沙粒、雨水、盐雾，都会不断地冲击风电叶片而造成侵蚀。因此，对风电叶片涂层的耐磨性要求极高。
（3） 风电叶片涂层需具有优异的化学性能。风电叶片长期暴露在自然环境下，受到紫外线、雨淋、霜冻等，更有昼夜温差、四季气候变化的自然条件，造成冷热交替等各种不稳定的因素对风电叶片的侵蚀。而风电叶片涂层作为保护层，需要在不稳定的因素条件下保持涂层的性能稳定，耐性（如耐盐雾性、耐紫外老化性、耐湿热性等）优异，以适应不同的极端气候条件。
2.2 风电叶片涂料的配套体系
现阶段，风电叶片涂料产品已经相对成熟，国内外风电叶片涂料厂商诸多，而不同风电叶片涂料厂商的涂料配套体系各异，常见的配套涂料体系见表1。
由于风电叶片加工工艺因素造成叶片表面不平整有空隙，通常在涂布底漆之前需要用腻子填平空隙［7］。根据表1 大体可以总结出：风电叶片涂料配套体系主要是水性涂料配套体系和溶剂型涂料配套体系。水性涂料配套体系气味小，环保，施工方便，且施工工具易清洗。而溶剂型涂料配套体系气味大，但是已经逐渐向高固体分涂料转型，且漆膜性能稳定，防腐蚀性能相对水性体系出色，因此现阶段的风电叶片实际应用溶剂型涂料的相对较多。
2.3 风电叶片涂料的发展趋势
从2015 年2 月1 日起，国家对涂料在生产、委托加工和进口环节征收4% 的适用税率。征收涂料税也加速推进了风电叶片涂料向环保型涂料方向发展。
近年来，水性风电叶片涂料已经陆续研发成功。水性风电叶片涂料以水为溶剂，VOC 低。不过，水性风电叶片涂料对施工环境的要求相对较高，水性风电叶片涂料中的溶剂为水，水的汽化温度相对溶剂较高，会导致涂料施工后水不易蒸发，水的蒸发受湿度影响大，只能通过环境湿度调整［6］。
显然，现阶段水性风电叶片涂料无法完全取代溶剂型风电叶片涂料。而溶剂型风电叶片涂料的性能方面，特别是耐磨性、防腐蚀性比水性风电叶片涂料更优。针对环保问题，溶剂型风电叶片涂料可在具有优异性能的前提下，进一步转换为高固体分涂料和无溶剂涂料，以便降低VOC 而达到环保的要求。当然，针对水性风电叶片涂料的性能，人们已经开始研发新的材料，尽管突破技术瓶颈的道路艰辛，但是，通过涂料技术人员的不断努力，相信在不久的将来，一定会有收获［7］。
3 结语
风力发电是一种清洁能源，势必会大力发展。这随之对于风电叶片材料及其防护涂料的要求也会更高。当前在考虑高性能材料发展的同时，风电叶片材料及其涂料也必将向可持续、环保的研究方向迈进。