石墨烯对海上风电叶片底漆的性能影响研究
2021-06-24 15:31 浏览:172
姜清淮1，2，芦树平3，李志士1，2，王晓1，2，4，赵薇1，2，王明强1，2，王华进* 1，2
( 1． 海洋涂料国家重点实验室，山东青岛266071; 2． 海洋化工研究院有限公司，山东青岛266071; 3． 中国工程咨询有限公司，北京100048; 4． 山东大学，济南250061)
在内陆或海洋的恶劣环境中使用风力发电机组，需要涂层对其叶片进行保护。我国的海洋环境根据季节不同有所差别，夏季海洋环境湿度大，温度高，易生长各类海生物和霉菌，紫外线辐射较高; 冬季海洋环境昼夜温差较大，湿冷，易结冰，会受到雨蚀、冰雹的侵蚀。因此，应用于海洋环境下的风力发电机组叶片，和内陆环境下有所不同，海洋环境下更注重材料的防腐、耐湿热、耐老化等性能。目前国内研制的风电叶片涂料主要用于内陆，对于海洋环境下使用的风电叶片涂料的研究较少。
海上风电叶片涂料主要为聚氨酯体系，需要有较好的防腐能力以及具备耐高低温、耐盐雾、耐湿热、耐霉菌、耐老化等性能。石墨烯材料是近年来的研究热点，石墨烯材料具有一定的防腐性，在富锌防腐底漆中添加石墨烯提升防腐性能已经被证实并应用。但目前石墨烯材料在防腐底漆中的原理尚未确定。同时，石墨烯对其他防腐涂料性能的影响目前仍有争议。
本文关注石墨烯对海上风电叶片底漆性能的影响。与以往研究不同的是，首先，目前国内外的研究主要关注石墨烯应用于环氧涂层体系的防腐性能，并未扩展到其他的涂层体系; 其次，研究的重点在于涂层的防腐性能，对涂层的其他性能研究较少; 后，国内外对于石墨烯是否可以替代部分原涂料体系中的防锈颜料，在保证现有涂层的防腐性前提下降低成本，以及适宜的替代量并没有开展相关研究。
基于以上背景，鉴于目前我国海洋环境对材料防腐性能的需求，本文以双组分环氧改性聚氨酯体系为基础涂层，分别研究添加一定的石墨烯浆料或用石墨烯替代部分防锈颜料体系这2 种情况下涂层各项性能的变化，分析石墨烯在防锈底漆中的作用，并根据试验结果分析石墨烯的佳用量。
1 实验部分
1. 1 主要原料与仪器
羟基丙烯酸酯、异氰酸酯三聚体: 科思创; 环氧树脂: 江苏三木化工股份有限公司; 钛白粉: 日本石原产业株式会社; 云母氧化铁: 铜陵宏润云母颜料有限公司; 沉淀硫酸钡: 山东振华工业; 二甲苯、醋酸丁酯、PMA: 青岛永安化学品有限公司; 分散剂、消泡剂、流平剂: BYK; 石墨烯浆料: 青岛德通纳米技术有限公司。所有原材料均为工业级。
1. 2 实验方法
海上风电叶片底漆使用双组分环氧改性聚氨酯体系的基础配方见表1。
本文对风电叶片底漆的性能测试分为2 部分:
( 1) 将石墨烯添加至现有的涂层体系中，研究对涂层体系的性能影响; ( 2) 使用石墨烯代替部分涂层体系中的防锈颜料，讨论石墨烯是否会提高涂层体系的防腐性能，节省防锈颜料的使用量。
( 1) 石墨烯添加至涂层体系
配制好A 组分后，分别添加不同含量的石墨烯浆料，使石墨烯在终涂层中的含量分别为0、0. 25%、0. 5%、0. 75%、1%、1. 5%、2%。待样品完全固化后，可用于测试。部分试验中，石墨烯的含量均为终固化后漆膜的含量。
( 2) 用石墨烯浆料替代部分防锈颜料，共6 个样品，具体用量如表2 所示。其中石墨烯和防锈颜料含量均指相对于全部防锈颜料总量的比例。
1. 3 样板的制备
将调配好的石墨烯混合涂料按照底漆m( A 组分) ∶m( 固化剂B 组分) = 1 ∶ 1的比例混合。涂布样板。漆膜颜色和外观测试选用200 mm× 100 mm×( 0. 2～0. 3) mm 马口铁板施涂1 道，漆膜厚度( 30 ～60) μm; 漆膜干燥时间、柔韧性、耐冲击性、耐酸性、耐液压油测试选用120 mm×50 mm×( 0. 2 ～ 0. 3) mm 马口铁板施工1 道。漆膜厚度要求为( 35±5) μm。中性盐雾试验所用底材为200 mm×100 mm×( 3 ～ 5) mm钢板和200 mm×100 mm×5 mm 玻璃钢板，底漆喷涂2道，每道厚度60 μm 左右，总厚度约为120 μm。
1. 4 性能测试
海上风电叶片底漆性能指标及测试方法如表3所示。