0 引言
风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛。随着人类对生态环境的要求和能源的需要，风能的开发日益受到人们的重视，作为21 世纪大规模开发的一种清洁能源，风能的利用改变了人类长期依赖石化燃料和核燃料的局面。地球上风能资源非常丰富，开发潜力巨大，全球已有不少于70 个国家在利用风能，风力发电是风能的主要利用形式。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，我国风电设备制造业迅速崛起，已经成为全球风电投资为活跃的领域。风电大开发有力地带动了相关设备市场的蓬勃发展，也带动了风电涂料的迅速发展。
目前制造风机叶片的主要原材料是玻璃纤维增强树脂，未经防护的叶片长期暴露在自然环境中，经过温度、风力和光线的作用，会发生老化并产生粉化现象，甚至发生断裂，缩短了叶片的使用寿命，给风电场的运行带来灾难性后果，所以必须依靠防腐涂料来保证叶片的安全运行和使用寿命的延续。国家能源局于2011 年发布、实施了《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》（NB/T 31006—2011），其中规定了海上风电场钢结构（主要包括风力发电机组及变电站的固定式钢质支撑结构）表面预处理及涂料保护、热喷涂金属保护、阴极保护等常用防腐蚀方法和相关技术要求，适用于海上风电场钢结构的防腐蚀设计、施工和运行维护。但是该标准仅适用于钢结构体系，风电叶片防腐的技术标准依旧处于空白。因此迫切需要研究适合我国风电叶片涂料的检测方法，
为制定风电叶片涂料技术要求提供基础性依据。
1 检测项目及其依据
1 检测项目及其依据
我国东南沿海、山东、辽东、内蒙、甘肃北部及松花江下游是风能丰富区；东北、西北、华北北部及青藏高原中部、北部是风能较丰富区；江苏、浙江、吉林都有运行良好的风力发电站。风场自然环境多有不同，北方地区多寒旱和风沙；南方地区湿热严重；东部沿海一带盐雾较重；西北部地区日照强烈；严寒地区容易使叶片结冰，影响风电机组的运行和发电，不同的风况使叶片有不同的受力状况，对风电叶片涂料的性能要求亦不完全相同。所以需要结合我国风场运作环境来确定合适的风电叶片涂料检测项目及其试验方法。
自2009 年起，上海市涂料研究所与德国劳氏集团（GL Group）合作，开展了风电叶片涂料的GL 认证试验。参照《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 第2 部分：环境分类》（ISO 12944—2）中“大气腐蚀类别”，将风电叶片涂料的使用类别定为CM-5 级——非常高（海洋），对黏度（ISO 2884）、密度（ISO 2811）、不挥发物含量（ISO 3251）、硬度（ISO2815）、弯曲（ISO 1519）、耐磨性（ISO 7784—2）、附着力（ISO 4624）和耐老化性（ISO 11507）等项目提出了要求。
《风力发电机组 风轮叶片》（GB/T 25383—2010）中规定：风力发电机组风轮叶片是一种全天候条件下运行的产品，设计和制造叶片时应考虑环境因素对其设计寿命的影响。
（1） 叶片工作环境温度范围为-10~40℃，生存环境温度范围为-20~50℃ ；高相对湿度一般≤95% ；
（2） 在沿海地区运行的风力发电机组，应考虑盐雾对叶片的腐蚀影响；
（3） 应考虑沙尘对叶片的影响，如沙尘对叶片表面的长期冲蚀，对机械转动部位润滑的影响以及对叶片平衡造成的影响；
（4） 应考虑太阳辐射和紫外线对叶片的老化影响。叶片的外部涂层应具有较好的防紫外线老化性能、抗海洋环境腐蚀性能，并具有良好的附着力、耐磨性和高弹性。
涂料用户一般都很重视对涂层（涂料干膜）的各项质量指标的检测，而忽视对尚未涂装的湿漆质量的检测。涂装前，必须严格控制选用涂料的质量，才能保证产品涂装的高质量。因此对涂料的密度、黏度、细度和不挥发物含量等项目也应进行考量。由此，适合我国风电叶片涂料的检测项目至少应包括力学性能、防腐性能和湿漆性能，其中力学性能的检测项目包括附着力、耐磨性和高弹性；防腐性能的检测项目包括老化、湿热和盐雾试验；湿漆性能的检测项目包括密度、黏度、细度和不挥发物含量。
2 检测项目和检测方法
2.1 力学性能
2.1.1 附着力
作为玻璃纤维增强树脂保护层的涂料，必须与叶片具有良好的附着力，通过《色漆和清漆 拉开法附着力试验》（GB/T 5210—2006，等同采用ISO 4624 ：2002）测定涂层的附着力。该标准规定了3 种试验方法：（1）在坚硬的和易变形的底材上通用的试验方法（使用两个试柱），见图1 ；（2）使用单个试柱从单侧进行试验的方法（仅适合坚硬底材），见图2 ；（3）试柱法（其中一个试柱作为已涂漆底材）。由于实际应用中使用的基材是玻璃纤维增强树脂，因此试柱法不适用于鉴定风电叶片涂层的附着力。ISO 4624中还规定：除拉力试验机外，其它类型的拉开法附着力试验机（机械式、压缩空气式、液压式或手动式）只要能给出相似的结果也可使用，因此引入第3 种试验方法——《用便携式附着性测试仪测定涂覆层扯离强度的试验方法》（ASTM D 4541—2009e1），见图3。
对于4 种不同生产商的样品，分别采用上述3 种方法进行附着力试验，测试结果见表1。
《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护第6 部分：实验室性能试验方法》（ISO 12944—6 ：1998）中规定附着力的技术指标是≥ 5 MPa，对4 种样品分别使用喷砂钢板和玻璃纤维增强树脂作为基材，采用便携式附着力仪进行附着力试验，测试结果见表2。
由表2 可见：在相同的基材厚度下，用玻璃纤维增强树脂作为基材的试验结果低于用喷砂钢板作为基材的试验结果，当玻璃纤维树脂的厚度增加后，两者的试验结果相近。因此，风电叶片涂料的附着力技术指标≥ 5 MPa 是可取的。
2.1.2 耐磨性
涂层耐磨性系指涂层表面抵抗某种机械作用的能力，是使用过程中经常受到机械磨损的涂层的重要指标之一，其与涂层的硬度、附着力、柔韧性等其它物理性能密切相关。其测定方法通常采用旋转橡胶砂轮法和落砂法。
（1） 旋转橡胶砂轮法
《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》（GB/T 1768—2006，等同采用ISO 7784—2）规定了用旋转橡胶砂轮法测定涂层的耐磨性，即在旋转盘转速为（60±2）r/min、加压臂承载一定负荷的规定试验条件下，采用嵌有金刚砂磨料的硬质橡胶磨擦轮磨耗涂层表面。可以用经过规定研磨转数研磨后涂层质量损耗（失重法）的平均值来表示与评价。标准中提到的橡胶砂轮有CS-10F、CS-10 和CS-17，见表3，每个砂轮的大负荷可达1 kg。
（2） 落砂法
《涂料耐磨性测定 落砂法》（GB/T 23988—2009）和《通过撒研磨料测定有机涂层耐磨性的试验方法》［ASTM D 968—2005（2010）］，规定采用落砂耐磨试验器测定有机涂层的耐磨性，即采用规定的磨料，通过试验器导管从一定高度自由落下，冲刷试样表面，以磨损规定面积的单位厚度涂层所消耗磨料的体积（L），并通过计算耐磨系数来评价涂层的耐磨性。GB/T 23988—2009、ASTM D 968—2005（2010）和《水泥 试验方法 强度的测定》（ISO 679—2009）中分别对标准砂砾的粒度作了相关规定，见表4。
各层风沙物中，粗粒（粒径1.0~0.45 mm）的含量很低，同样，中、细粒（粒径0.45~0.1 mm）和粉、粘粒（粒径<0.019 mm）的含量亦较低，而粒径在0.1~0.075 mm之间的极细粒和粒径在0.075~0.019 mm 之间的粉砂粒的含量较高，占输沙量的比例均在30%~60% ；随着高度增加，输沙量中粗粒和中、细粒含量基本呈下降趋势，而粉砂粒和粉、粘粒含量基本呈上升趋势。
GB/T 23988 中规定的标准砂粒度比较符合风蚀物的粒度。
采用旋转橡胶砂轮法和落砂法对3 种不同生产商的样品进行试验。砂轮法的试验条件为CS-17，1 kg。分别使用GB 砂和ISO 砂，记录每100 L 标准砂磨耗的漆膜厚度，试验结果见表5。
由表5 可见：旋转橡胶砂轮法在500 r 时涂层均露底，因无法计算涂层的质量损失，该法不适用于判断风电涂料的耐磨性。落砂法中的标准砂与自然环境中的风蚀物为相似，故较适合于风电叶片涂料的耐磨性测试。但是风电叶片在实际运行过程中的磨损是多种因素共同作用的结果，例如2.5 MW-50.3 m的叶片，叶尖运行速度高达300 km/h，在这种高转速下，风沙和雨滴对风电叶片的侵蚀相当于等离子切割。所以试验时，当增大磨料的粒度时，其冲击能量也相应增大，更接近叶片的运行环境。
2.1.3 高弹性
表6 这些方法中，试板可以是钢板、马口铁板或软铝板，试板厚度有的应不大于1.0 mm，更有甚者应不大于0.3 mm。当以玻璃纤维增强树脂作为基材时，这些方法都是无法操作的，因此弯曲试验不适用于评判以玻璃纤维树脂为基材的风电涂料的弹性。
玻璃纤维增强树脂以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）为增强材料，以合成树脂为基体材料，由增强纤维和基体组成。纤维（或晶须）的直径很小，一般小于10 μm，是脆性材料，易损伤、断裂和受腐蚀。基体具有黏弹性和弹塑性，是韧性材料。玻璃纤维增强塑料的相对密度在1.5~2.0 之间，只有碳素钢的1/4~1/5，但拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，强度可以与高级合金钢媲美。某些环氧玻璃钢的拉伸、弯曲和压缩强度甚至达到400 MPa 以上。因此要求外部涂层也应具有一定弹性。
（1） 弯曲试验
目前国内外具有代表性的常用弯曲性试验方法有圆柱轴法、锥形轴法和芯棒法，见表6。
（2） 拉伸性能试验
众所周知，高弹性是橡胶类聚合物特有的属性。涂料作为一种高分子材料，在拉伸性能的测试上也可以引用《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》（GB/T 528—2009，等同采用ISO 37 ：2005）。制膜可以借鉴《弹性建筑涂料》（JG/T 172—2005）中的方法，保证涂膜表面光滑平整，无明显气泡和裂纹等缺陷。测试时将涂膜裁成GB/T 528 中的Ⅰ型试样，拉伸速度为50 mm/min，通过计算公式得出涂膜的拉伸强度和断裂伸长率。5 种不同生产商的样品的拉伸强度与弯曲试验结果见表7。
由表7 可见：在相同的圆柱轴弯曲试验结果下，涂膜的拉伸强度和断裂伸长率有明显差异。弯曲试验远不能满足对风电叶片弹性的判断，而通过拉伸性能试验得出的结果更为可靠。同样的试验还可以在低温环境下进行，从而考验风电叶片涂料在冬季的防护效果。
2.2 防腐蚀性
由于玻璃纤维增强树脂风电叶片全天候工作在大气环境中，大气中的氧气、湿度、温度变化和污染物等腐蚀成分，使分子链断裂，大分子结构改变，相对分子质量降低，涂层泛黄，透明度下降，变脆粉化。因此风电叶片涂料必须具有超强的抗腐蚀作用，以抵抗大气的腐蚀。无论是海上风电场还是陆上风电场都应该根据其特殊的运作环境设计相关的抗腐蚀性试验。
2.2.1 人工加速老化试验
通过将试板曝晒在经过控制的光源和湿气的交互循环中，并提高温度的方式进行试验，从而再现阳光辐射、雨水和露水所产生的破坏。采用紫外线荧光灯模拟太阳光紫外光谱的破坏作用，因为短波紫外线是造成户外材料老化的主要因素，同时通过冷凝或喷淋的方式模拟湿气影响。通过颜色、光泽、裂纹、起泡等方面的变化来评估涂层的耐老化性。《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水》（GB/T 23987—2009，等同采用ISO11507）对光源、辐照和暴露循环等重要参数都有明确的规定。荧光紫外线灯管通常分为UVA 和UVB 两种。比较图4 和图5 可以发现：在短波处，UVB-313的辐照度强于UVA-340 的辐照度。
实验室常用的试验条件见表8。
分别采用UVA-340 和UVB-313 对3 种不同生产商的样品进行2 000 h 的人工加速老化试验，试验结果分别见图6 和图7。
由图6 和图7 可见：同类样品经过2 000 h 试验后，UVB-313 的光泽变化程度大于UVA-340 的光泽变化程度，光泽变化的主要原因是涂层受到紫外光的破坏，出现了粉化现象，同时受粉化的影响，色差的变化会产生屈服点而变小，因此评判试验结果时必须包含色差、失光率和粉化等主要项目。为了更加真实地反映风电叶片涂料的抗辐射能力，UVB-313的试验条件更为合适。
2.2.2 湿热试验
玻璃纤维增强树脂是多孔性材料，在湿热环境下会因毛细孔效应而出现表面湿气吸附、渗入和凝结等现象，经受湿热作用后会发生性能变化。常见湿度效应有：物理强度的丧失、化学性能的改变、塑性的丧失和加速化学反应等现象。《漆膜耐湿热测定法》（GB/T 1740—2007）是常用的测试涂层耐湿热性的标准，但是《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 第6 部分：实验室性能试验方法》（ISO12944—6 ：1998）中引用的却是ISO 6270 ：1980《色漆和清漆耐湿性的测定 连续冷凝法》，GB/T 13893—2008 则等同采用ISO 6270—1。GB/T 13893 与GB/T1740 的区别见表9。
由表9 可见：虽然前者的试验温度高于后者，但是湿度才是影响玻璃纤维增强树脂性能的关键因素，后者在试板表面会形成凝露，形象地解释就是试板表面出现了露珠现象，前者却规定试板表面不可以有凝露，因此，连续冷凝法才是正确考核风电叶片涂料耐湿热性的有效方法，《色漆和清漆耐湿性的测定 连续冷凝法》（GB/T 13893—2008）是合适的检测标准。
2.2.3 盐雾试验
盐雾腐蚀是一种常见和有破坏性的大气腐蚀。盐雾试验分为两大类，一类为天然环境暴露试验，另一类为人工加速模拟盐雾环境试验。人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备——盐雾试验箱，在其容积空间内用人工的方法，造成盐雾环境来对产品的耐盐雾腐蚀性能进行考核。与天然环境相比，其盐雾环境的氯化物的盐浓度，可以是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍，使腐蚀速度大大提高，得出结果的时间也大大缩短。盐雾试验主要适用于沿海地区的风电场。中性盐雾试验（NSS 试验）是出现早且目前应用领域广的一种加速腐蚀试验方法，喷雾用的溶液采用5% 的氯化钠水溶液，其pH 调在中性范围（6~7）。《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》（GB/T 1771—2007，等同采用ISO 7253）是合适的试验方法。
2.3 湿漆性能
要严格控制涂料的质量，保证其各批次的一致性，测试各组分的密度、黏度、细度和不挥发物含量是快速、有效的方法。《色漆和清漆 密度的测定比重瓶法》（GB/T 6750—2007，等同采用ISO 2811—1 ：1997）、《色漆和清漆 用旋转黏度计测定黏度 第1 部分：以高剪切速率操作的锥板黏度计》（GB/T9751.1—2008，等同采用ISO 2884—1：1999）、《色漆、清漆和印刷油墨 研磨细度的测定》（GB/T 6753.1—2007，等同采用ISO 1524 ：2000）和《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》（GB/T 1725—2007，等同采用ISO 3251 ：2003）均是适用的检测标准。
3 结语
适合我国风电叶片涂料的检测项目至少应包括力学性能、防腐性能和湿漆性能，通过控制风电叶片涂料这些性能的技术指标，可以延长风电叶片的使用寿命、提高风电叶片的保护性能，从而减少风电叶片的维护成本。风电叶片涂料作为新兴产业，由发展初期为进口产品所垄断，到近年来因风电产业爆发式增长，配套涂料的国产化已成为大势所趋，所以，为适应市场发展的需要，尽快制定符合我国国情的风电叶片涂料标准已成为当务之急。
