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摘要：风机叶片覆冰是影响风电机组安全运行的重要因素之一，叶片防/除冰成为亟待解决的问题。因此，针对风机叶片的工作环境，构筑了纳米有机复合防冰涂层，开展了涂层构筑过程中的成分配比的影响研究和涂覆工艺的影响研究。制备了纳米有机复合防冰涂层，并对润湿性能进行了分析。结果表明，随着氟化过程的进行，接触角从45°升高到了158°，滚动角从21°降低到了3°左右，氟化过程对涂层的表面润湿性改善显著。同时对涂覆工艺对涂层润湿性的影响展开研究，对涂层的附着性、抗冲击性和耐磨性能进行了测试，结果表明涂层与基体的附着力为1级、抗冲击性能为50 kgcm、且0.2 kg下60 r/min 磨损三分钟质量损耗仅为0.085 g，且经300次重复胶带拉扯后超疏水性变化不大，为风机叶片的防覆冰研究提供了新思路。

关键词：风机叶片；防冰涂层；防覆冰机理；涂覆工艺

0 引言

风力机叶片作为风力发电机组中重要的传动部件会直接影响整个风力机组的正常运行。然而高寒高湿的工作环境易导致叶片表面结冰，从而发生叶片气动不平衡、降低发电效率、降低叶片的结构强度和使用寿命，直接威胁机组的运行安全。

近年来，随着纳米仿生技术的不断兴起，利用材料的本征属性设计防冰涂层，通过改变表面微观结构来增强材料的防覆冰性能已成为当今的研究热点。涂层的超疏水性使得水滴难以在涂层表面停留和积聚。极高的接触角和极低的滑动角将减少结冰前在叶片上聚集的水滴；一方面，表面能被认为是影响防冰性能的重要因素之一。

制约超疏水涂层防冰技术发展的主要因素是不同环境条件影响下的复杂结冰机理和水冰复杂因素。超疏水涂层的特殊材料和结构特性对结冰复杂动力学的影响。涂层表面自由能和微纳结构特性对结冰结合力的影响。本文采用新型疏水材料控制涂层表面的自由能，通过添加或减少纳米颗粒控制涂层表面的微纳结构，研究纳米超疏水涂层的表面特性对防冰性能的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料

本论文试验采用原风机叶片切块和载玻片作为基底材料，风机叶片切块尺寸为50mm100mm10mm，载玻片的尺寸为25.4 mm76.2 mm。试验前，将切割好的试样依次使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗10min后，用酒精储存备用。表1.1为实验中所采用的化学药品和试剂。

1.2 涂层制备

将一定量的PFPE（0、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g）加入10 ml去离子水中稀释，再将40g实验室自制的有机涂料加入稀释后的PFPE中，超声分散15 min，再用磁力搅拌器搅拌10 min，得到氟化有机涂料。然后在有机涂层中加入2 g ZnO粉末，超声分散15 min，用磁力搅拌器以1000 rpm搅拌10 min，制得纳米有机复合防冰溶液。将溶液喷在玻璃上，将样品置于温度为80℃的干燥箱中4小时，将干燥后的样品置于醋酸溶液中酸化，然后将样品干燥，得到纳米有机复合防冰涂层。

1.3 涂层表征与测试

选用TESCAN-MIRA型扫描电子显微镜（sc-anning electron microscope，SEM）对GEB/PVDF复合涂层形貌进行观察。选用WDW-300E电子万能试验机对复合涂层进行拉伸测试；在结冰实验平台对复合涂层进行除冰性能测试。

2 结果与讨论

2.1 涂层的微观形貌分析

为进一步探究超疏水涂层形成形貌，本论文采用SEM电子显微镜对新型纳米有机复合涂层进行微观形貌观察。

可以观察到涂层具有多层分布的复合结构，涂层表面不是平整的，凹凸不平的表面给涂层提供了一定的粗糙结构，为本涂层具有良好的超疏水性提供了表面基础，表面的团簇状因为团聚的PTFE颗粒，整个涂层总体呈现出较为工整的均匀分布，如此形貌的呈现和涂覆工艺也有不可分离的关系，均匀的喷涂使得涂料均匀的分布在基体上，使得整个涂层形成了一个复合的整体，如若采用刷涂，涂层表面会出现划痕，而且手持刷具用力不均也会使得涂层表面十分的不平整，影响涂层的超疏水性。另外，能观察到涂层表面的颗粒呈簇的分布，大大小小的颗粒较为整齐的排列在涂层的表面，进一步放大后的照片能够观察到丘疹状的颗粒形貌，此形貌构成的微纳米结构是超疏水性的表面结构原因之一。

2.2 PTFE对涂层表面润湿性能的影响

测得不同的PTFE与环氧树脂比例试样1-8的接触角滚动角折线图，如图1所示。由拟合而成的折线图可知，当PTFE/环氧树脂为5/1时，接触角达到最大，为158°，此时滚动角最小，达到3°左右。整个折线随着PTFE的添加变化明显，由此可见PTFE的添加量对涂层润湿性能起到重要的影响作用。当PTFE添加量不足时，微纳米颗粒不足以在环氧树脂基底上形成微纳米所构筑的Cassie-Baxste模型。

当PTFE/环氧树脂为1/1时，整个涂层肉眼可见的白色PTFE稀疏的分布在环氧树脂上，此时起疏水性的主要是环氧树脂的本身的润湿性能，随着PTFE添加量的不断增加，涂层表面逐渐形成致密的微纳米结构层，使得涂层具有良好的润湿特性。

2.3 涂层的附着性和抗冲击性分析

将新型纳米有机复合涂层涂覆于试样表面，按国标所述方法对试样表面涂层的附着力、抗冲击性和柔韧性进行测试并分析评价。涂层与基体的附着力为1级、抗冲击性能为50 kgcm.

经测试涂层与基体的附着力、抗冲击性能及柔韧性均表现良好，且试样经冲击、摩擦和弯曲后经润湿性能测试，滴加于试样表面的液滴仍呈现出较好的疏水性，经测量疏水角近156°，滚动角近4°。表明涂层经外力冲击、划擦后，仍具有较好的超疏水性能。

在涂层制备过程中，大量PTFE分子往涂层外部迁移，使得大量低表面能-CF3基团富集在涂层表面，使得涂层拥有优秀的基体粘附性，同时全氟聚醚的加入使得涂层的抗冲击性能和柔韧性能得到了较大的提升，从而使涂层的机械性能得到了提升。

2.4 不同涂覆工艺对涂层的影响

为进一步开展新型纳米有机复合防冰涂层的工程应用性能研究，本章对新型纳米有机复合防冰涂层进行了涂覆方式、涂覆标准的优化，并测试了涂层的耐磨性及耐候性。

制备出新型纳米有机复合防冰涂层后，采用刷涂、滚涂、喷涂的方式在载玻片上进行涂层的涂覆工作，润湿性能如表2所示。

3结论

（1）PTFE的添加比例对涂层的接触角和滚动角有重大影响，PTFE/环氧树脂成分比为5/1时，能得到具有较好超疏水性的涂层，接触角为158°，滚动角为3°。PTFE含量过低时，覆盖不完全会导致表面能较高，同时也构筑不了复合微纳米结构；PTFE含量过高时，尽管能保持低的表面能，但是粗糙度会明显下降。

（2）涂层的喷涂工艺会对最终效果有较大的影响，实验表明，应采用喷涂的方式，喷涂气压为0.3 Mpa，喷枪口距离基底为30 cm，并保持单次不重复匀速喷涂时，涂层呈现较好的润湿性能。

（3）涂层具有较好的耐磨损性能，在300次胶带重复磨损后，涂层仍保持着150°的接触角，6°的滚动角，具有较好的超疏水性，其润湿性能下降不大。

参考文献

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作者简介：李渐为（2004-），男，汉，湖南娄底人，本科在读，研究方向：新能源复合材料。

通讯作者：何建军。