0 引言
目前，绿色能源的发展势头正盛，尤其是风力发电近10 年得到了蓬勃发展，为缓解能源危机起到了很大的作用。风能作为一种新型能源，越来越受到世界各国的重视。我国风能储量大、分布广，近年来，风力发电产业发展迅速，成为继欧洲、美国和印度之后全球大的风能产业基地。风力发电设备主要由叶片、塔筒、底座、轮毂和机舱等部件组成，而风电叶片是风力发电机组的关键部件之一，约占其总成本的15%~20% 左右。由于风电叶片的工作环境一般是海边或者多风沙的沙漠地带，会经受大气腐蚀、紫外线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵蚀，因此，对用于保护叶片基材的叶片涂料提出了更高的性能要求。我国的风场通常位于西北多风沙、东北高寒、华东沿海高盐雾等环境恶劣的地区，这就需要对风电设备进行很好的保护，才能使风电设备产生更高的效益。
风电叶片通常是由纤维增强树脂制成的复合材料，叶片本身的耐候性、耐风沙性能很差，目前风电叶片多采用聚氨酯类涂料进行保护。
1 风电叶片防护涂料的研究现状
风电叶片防护涂层的主要作用是为风电叶片提供光滑的空气动力学表面，以防止叶片被紫外线降解、湿气侵蚀和风沙磨蚀等。叶片保护涂层性能的优劣会严重影响风电设备的使用寿命，对确保风电设备的正常运转起着决定性作用。
我国内陆风场叶片通常受到以下两种外界侵蚀：种是来自紫外光的侵蚀；第二种是风沙、浮尘以及雨雾等的侵蚀。种属于化学性侵蚀；第二种属于机械性侵蚀。对于涂料行业来说，第二种侵蚀防护难度较种侵蚀要大得多。另外，风机所处的环境基本上分为陆上和海上两类，因此所用的防腐蚀涂料体系也有所不同。
陆上风机的钢结构主要受到温度、湿度、高海拔、盐雾和结冰等腐蚀作用，其中南方风机的钢结构必须耐高温、高湿的海洋气候腐蚀，而北方风机的钢结构必须耐高海拔所带来的紫外线、风沙、低温结冰等的腐蚀作用，故在塔筒内外壁及其连结处的法兰都要涂上大量的防腐蚀涂料。陆上风机塔筒所用涂料体系以环氧富锌底漆（提供电化学保护）；环氧厚浆漆或环氧云铁漆（提供屏蔽保护）；聚氨酯面漆或氟碳面漆，或聚硅氧烷面漆（提供防腐和装饰效果）三道涂料体系为主。
海上风机的塔架防腐比较复杂，根据其所处部位的环境不同可分为水上部位及水下部位，细分为海洋大气腐蚀、飞溅区腐蚀、潮差区腐蚀、全浸区腐蚀和海泥区腐蚀多种。风电设备制造业是新兴产业，主要依靠国外技术，其中包括涂料，因此目前我国风电涂料主要由国外品牌供应，特别是叶片涂料，几乎全部依赖进口，国内企业加入风电涂料市场的很少。
1.1 国外现状
在国外风电涂料品牌中，丹麦Hempel 的塔架涂料市场占有率高，其他企业有挪威Jotun、荷兰Akzo-Nobel 的全资子公司油漆（IP），以及美国PPG 式玛卡龙（Sigmakalon）。Akzo-Nobel 在中国的风电涂料销售获得80% 以上的增长。在风电叶片涂料市场份额中，德国的Mankiewiez、美国的PPG、德国BASF 的Relius 和德国的Bergolin 等企业占优势。其中PPG 推出了薄膜型风电叶片防护涂层系统，可使涂料用量减少达60%，但性能不变，其附着力、柔韧性还有所增长，且快干，耐腐蚀性和耐候性极强，涂层表面光滑，系由聚氨酯底漆和聚氨酯面漆所组成。
1.2 国内现状
近年来，我国在“863 计划——MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的重点项目中，风电叶片涂料的规模化制备技术已列入其中，并要求突破关键技术、推动其国产化和形成相关行业标准和技术规范。我国科技部“863 计划”新材料领域办公室已经将“高性能多用途叶片保护涂料的研发及规模化生产技术研究”列为“叶片辅料原材料国产化的制备及应用技术研究”课题进行重点科研攻关，并且已经取得了很大的进步。因此，可以预见，风电涂料将成为我国涂料的一个重要研发领域。中远关西涂料公司自2008 年起生产的风电电机涂料和风电塔筒涂料相继在湘电集团和保定天成威等风电企业取得成功应用。为了向风电涂料市场进军，该公司的研发中心不久前研制出一种风机叶片用环保型水性聚氨酯面漆。该产品以丙烯酸分散体作羟基组分，以聚醚亲水改性HDI（六亚甲基二异氰酸酯）三聚体拼用部分聚酯改性HDI 三聚体作为固化剂组分，制备的水性聚氨酯面漆具有高弹性、高耐磨性、高耐候性以及良好的力学性能等，能满足我国内陆风场风沙侵蚀，以及沿海风场盐雾和海水腐蚀的特殊环境要求。
早在2006~2007 年，西北永新涂料集团公司就已经把风电涂料列为重点项目来开发。该公司生产的风电塔架涂料已能针对三北寒旱地区、海洋气候条件下的要求，并形成配套系列产品。近，由西北师大与西北永新涂料集团公司合作研发的新型风电涂料已通过有关部门和专家鉴定，自此打破了国外风电涂料产品一统天下的局面，填补了我国在该领域的空白。这种新型风电涂料在耐磨性、弹性伸长率、附着力、耐冲击性、耐风沙性等防护性能方面均达到甚至优于国外风电涂料产品，其在结构设计和制造工艺上都有创新，对风电设备能够形成有效的防护。
1.3 风电叶片涂料的制备工艺
采用耐候性优异的氟碳树脂、有机硅改性丙烯酸树脂和弹性线性聚酯树脂复配作为基料树脂，采用具有紫外线吸收效应和光催化氧化效应的纳米二氧化钛对漆膜耐候性、耐沾污性和自清洁性能进行改进，并采用合适的颜填料和助剂对涂料性能进行优化，研制出了具有良好的机械性能、耐沾污性、耐候性和防腐性的风电叶片涂料。风电叶片涂料的制备工艺见图1。
1.4 风电设备的防腐蚀技术及其防腐涂料
用于风力发电机组零部件的主要防腐蚀技术有：热浸镀锌及渗锌技术、电镀锌技术、锌铬涂层（达克罗）及锌铝涂层技术、无铬锌铝涂层技术（交美特涂层）、喷锌（铝）技术、阴极保护技术、采用耐蚀性材料、涂覆防锈油脂和采用防腐蚀涂料。
目前风电机组常用的防腐涂料有：作为底漆的环氧富锌涂料、无机富锌涂料等；作为中间层的氯化橡胶系、环氧系的厚浆防腐涂料，以及环氧玻璃鳞片涂料；作为面漆的丙烯酸改性聚氨酯涂料，以及氟碳涂料、聚硅氧烷涂料等。
目前风电机组常用的防腐涂料有：作为底漆的环氧富锌涂料、无机富锌涂料等；作为中间层的氯化橡胶系、环氧系的厚浆防腐涂料，以及环氧玻璃鳞片涂料；作为面漆的丙烯酸改性聚氨酯涂料，以及氟碳涂料、聚硅氧烷涂料等。
2 风电叶片防护涂料的应用
目前，双组分溶剂型聚氨酯涂料、聚天门冬氨酸酯涂料和双组分水性聚氨酯涂料已在风电叶片中获得成功应用。双组分溶剂型聚氨酯叶片涂料基于羟基丙烯酸树脂、羟基聚酯以及六亚甲基二异氰酸酯（HDI）固化剂。该类涂料产品技术成熟，有一定的价格优势，市场份额大。但该类涂料通常含有20%~40% 的溶剂，污染严重，正在逐步被新型涂料所取代。聚天门冬氨酸酯涂料是近几年来出现的一种新型脂肪族、慢反应、高性能双组分涂料，被称为第三代聚脲。以其卓越的附着力、快干性、耐候性、高固体分以及一次施工可成厚膜等优点，迅速被涂料企业及叶片生产商所接受。但相对于传统溶剂型涂料产品，聚天门冬氨酸酯涂料的成本稍高。聚天门冬氨酸酯涂料与传统聚氨酯涂料的比较见表1。
拜耳公司正在主推聚天门冬氨酸酯涂料的原材料。我国的科研单位、生产企业也在进行聚天门冬氨酸酯风电叶片涂料的研究。为了提高聚天门冬氨酸酯涂料的耐紫外老化性、抗风沙磨蚀性、抗覆雪结冰性等性能，中国船舶重工集团公司第七二五研究所、北京虹霞正升涂料有限责任公司等进行了深入研究，目前大都进入了中试阶段。
通过加入适量的有机硅烷，制备成一种新型聚天门冬氨酸酯聚脲涂料，与以往的聚天门冬氨酸酯聚脲涂料相比，其具有更加优异的机械性能、防腐性及耐紫外光性。这种新型涂料对于风电叶片长期高效的防护有着巨大的发展潜力。
双组分水性聚氨酯叶片涂料集高性能与环保性于一身，代表了风电涂料的发展方向。一些国外企业已经推出了新型水性涂料产品，并且在我国取得了一些成功应用，但所占市场比例仍然较少。双组分水性聚氨酯叶片涂料的性能已经达到甚至超过传统溶剂型涂料。它的优点：更环保、混合使用期较长、表干快、耐磨性好、耐候性好等；缺点：对施工环境的温湿度比较敏感，一次施工高成膜厚度仍然十分有限。风电叶片水性涂料的VOC（挥发性有机化合物）含量远低于溶剂型涂料，是符合环保要求的绿色涂料。
基于无溶剂聚天门冬氨酸酯腻子和双组分水性聚氨酯面漆的风电叶片配套体系，可以实现高性能和环保的完美结合，符合风电叶片涂料的发展方向。风电叶片氟碳涂料不但在耐冲击性、柔韧性方面均能达到产品设计要求，而且其耐候性、耐酸碱性、耐磨性及耐盐雾性等好于丙烯酸聚氨酯涂料，是当之无愧的“涂料王”。2010 年，我国新增风电装机容量1 600 万kW，使用兆瓦级风电叶片3 万根，涂料需求量在3 000 t 左右，其中面漆占1 500 t 左右。如果1 500 t 面漆全部采用氟碳面漆替代进口丙烯酸聚氨酯面漆，则不但可降低20% 涂装成本，节约3 000 万元左右，且给叶片增加好几倍的使用寿命，经济及技术意义重大。
3 我国风电叶片防护涂料市场
我国风电叶片涂料的发展方兴未艾，在未来3~5 a，预计聚氨酯叶片涂料的需求量将维持在3 500~5 000 t/a。目前，我国风电叶片涂料市场主要由少数跨国涂料供应商占据，大多数产品来自进口或本地化生产的方式。主要的生产商来自欧美，有德国MANKIEWICZ、美国PPG、德国BASF、德国BERGOLIN 等企业。PPG 的Selemix 底面合一聚氨酯叶片涂层体系省去底漆工艺，在多种材质上都能达到绝佳附着力和色彩需求，延长叶片寿命。BASF 面漆采用氟化聚氨酯树脂，主要用于海上风电场。
国内外整机厂家采用的风电叶片涂料主要有以下几个品牌：意大利Mega 胶衣体系；德国Mankiewicz 胶衣体系；德国Bergolin 胶衣体系；美国PPG-Selemix 无胶衣体系；德国：BASF-Rulis 无胶
衣体系。
我国诸多涂料企业对风电叶片涂料投入了极大的热情，正在大力开发各种类型的风电叶片涂料，但市场占有率十分有限。风电叶片涂料国产化的趋势已经日渐明朗，某些跨国涂料供应商已将一部分产品进行本土化生产。在“863 计划——MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的项目中，要求叶片保护涂料能提高叶片耐紫外线老化、耐风沙侵蚀，以及耐湿热、耐盐雾性，适应我国南、北方不同极端气候条件下风电场的使用需求，保证风电叶片有20 a 的使用寿命。“863 计划”具体指标要求包括：（1）附着力≥ 5 MPa ；（2）自然表干时间8 h，40℃烘干3 h ；（3）耐磨性（500 g/500 r）≤ 20 mg ；（4）耐盐雾性≥ 2 000 h，无脱落，附着力保持80% ；（5）耐沙尘试验满足GB/T 2423.37—1989《电工电子产品基本环境试验规程试验L ：砂尘试验方法》的要求。针对以上情况，我国研制成低表面能耐风蚀叶片涂料。由于我国风电叶片涂料的研究起步较晚，目前参与风电叶片涂料生产的企业还相对较少，主要包括：西北永新集团有限公司、中远关西涂料化工有限公司、湖南湘江涂料集团有限公司、石家庄金鱼涂料集团、常州普兰纳涂料有限公司等。这些企业的创新发展使得我国本土企业在风电领域也取得了一定的成就。目前，我国风电叶片涂料市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS 等，国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。由于我国的风力资源分布在不同的气候带，地区气候差异很大，因此风电叶片涂料的设计开发要多元化，根据不同需求进行相应的调整，以适应不同风场环境的使用要求。随着我国行业关注程度的提高，以及各大涂料公司的积极参与，风电叶片涂料的生产必将会实现国产化、本地化、特性化，为我国低碳经济发展做出积极贡献。
4 结语
随着我国风电产业的快速发展，要求风电叶片保护涂料有良好的产品性能及简便的施工工艺，并能适应中国风电场运行环境，完美保护风电叶片在恶劣环境下长期、高效、低成本地运行，这对风电产业的推动起着至关重要的积极作用。我国需大力开发符合本土化需求的风电叶片涂料，明确风电叶片涂料的技术要求，进而制定出具有普遍指导意义的行业标准，对涂料生产商进行规范和引导。
