一种超疏水风电叶片表面防护涂层材料的制备方法与流程

本发明属于超疏水材料，具体地，涉及一种超疏水风电叶片表面防护涂层材料的制备方法。

背景技术：

1、风电作为最具竞争力的新能源之一，不仅在能源安全和能源供应方面有着显著的优势，也在经济增长、大气污染防治和温室气体减排中发挥重要的作用。在高海拔和高纬度地区，气温比较低下，室外温度处于零下的现象非常普遍，通常风机设备的叶片由于水滴的大量附着而产生覆冰，覆冰会破坏叶片翼型的气动性能、增加风机载荷、破坏风机动态平衡加速部件疲劳等，降低了发电效率。目前为解决结冰问题提出了两种策略，分别是主动除冰和被动防冰。其中，主动式除冰主要是利用电热、光热、机械和化学除冰，被动式防冰是构建超疏水表面降低冰或水(结冰前)与表面的黏附力，从而达到防冰或延迟结冰的效果。为有效提高防/除冰效果，需要主动式除冰和被动式防冰相结合。

2、相变材料是一种储热材料，可以应用于风电叶片的主动除冰，而相变材料在储存过程中容易发生泄漏，导致其储热性能下降，同时，导热性能的高低也影响热能的传递和转换，继而影响除冰效果，所以需要提供一种防相变材料泄漏、热能的传递和转换效率高的涂层。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超疏水风电叶片表面防护涂层材料的制备方法，通过在风电叶片表面依次涂覆胶粘剂底层、具有储热功能的中间层和超疏水外层，得到超疏水风电叶片表面防护涂层材料，该涂层材料具有优异的防冰除冰能力，可长时间使用，达到持久防冰除冰的效果。

2、本发明要解决的技术问题：相变材料是一种储热材料，可以应用于风电叶片的主动除冰，而相变材料在储存过程中容易发生泄漏，导致其储热性能下降，同时，导热性能的高低也影响热能的传递和转换，继而影响除冰效果，所以需要提供一种防相变材料泄漏、热能的传递和转换效率高的涂层。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种超疏水风电叶片表面防护涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

5、a1、在风电叶片表面涂覆胶粘剂作为底层；

6、底层厚度为300-800μm。

7、胶粘剂为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、脲醛树脂或丁苯橡胶。

8、底层作为中间层和风电叶片之间的粘结层，还作为隔热层，减少中间层产生的热量向风电叶片内部传递，节省能量，提高防冰除冰能力。

9、a2、在底层的表面涂覆具有储热功能的涂料，固化，形成中间层；

10、固化温度为90℃，固化时间为20-25h。

11、中间层的厚度为800-2000μm。

12、具有储热功能的涂料的具体制备过程为：

13、a、制备碳化废咖啡渣；

14、将废咖啡渣放入粉碎机中粉碎，过80-100目筛，将筛分后的废咖啡渣放入浓度为0.15-0.3mol/l的hcl溶液中，超声分散30-40min，过滤，用乙醇和去离子水交替洗涤至中性，然后放入50-70℃真空干燥箱中干燥20-26h，将干燥后的废咖啡渣在氮气气氛下放入管式炉中碳化1-3h，碳化温度为800-1000℃，得到碳化废咖啡渣；

15、b、对碳化废咖啡渣进行氧化改性；

16、将碳化废咖啡渣放入10-13%的h2o2溶液中，在60-75℃条件下水浴3-5h，水浴结束后放入烘箱中100-120℃下干燥至恒重，再用去离子水洗涤2-3次，然后放入烘箱中70-90℃下干燥至恒重，得到氧化改性碳化废咖啡渣；其中，碳化废咖啡渣和h2o2溶液的质量体积比为1g：80-100ml；

17、c、将相变材料吸附至氧化改性碳化废咖啡渣的孔隙中，用还原剂还原氧化石墨烯，再混入聚二甲基硅氧烷中，得到具有储热功能的涂料；

18、将氧化改性碳化废咖啡渣浸入相变材料中，搅拌30-50min，然后在80-100℃真空干燥箱中处理9-11h，用滤纸吸取多余的相变材料，得到吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣；然后将吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣浸入氧化石墨烯悬浮液中，磁力搅拌20-25h，向上述分散液中加入l-抗坏血酸，磁力搅拌15-20min，再转移至反应釜中，80-100℃下反应5-7h，取出反应物用去离子水洗涤3次，然后在70-90℃真空干燥箱中干燥至恒重，得到吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣-还原氧化石墨烯；将吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣-还原氧化石墨烯分散至己烷中，然后再将上述混合液放入聚二甲基硅氧烷中，磁力搅拌2-5h，得到具有储热功能的涂料；其中，氧化改性碳化废咖啡渣、氧化石墨烯和l-抗坏血酸的质量比为10：1-3：3-9；吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣-还原氧化石墨烯的质量为聚二甲基硅氧烷的质量的20-50%。

19、相变材料为熔点为0℃的相变材料。

20、相变材料为聚乙二醇或正十二烷、正十四烷和正十六烷的混合物。

21、上述步骤a、b和c制备过程中，本发明首先将废咖啡渣进行碳化、氧化处理，氧化处理后碳化咖啡渣的孔隙会增大，有利于相变材料的吸附，提高负载量；另一方面，氧化处理使碳化废咖啡渣表面产生含氧官能团如羧基、羟基，与氧化石墨烯混合后，氧化石墨烯通过氢键相互作用而吸附在氧化改性碳化废咖啡渣的表面，再经l-抗坏血酸还原成表面褶皱的还原氧化石墨烯。最后，本发明将吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣-还原氧化石墨烯分散在聚二甲基硅氧烷基体中，磁力搅拌后，二维还原氧化石墨烯片层的两端分别粘附在三维的氧化改性碳化废咖啡渣表面作为连接氧化改性碳化废咖啡渣的桥梁，从而形成连通网络，该连通网络可以作为热传导路径，从而提高导热性，促进光热转换能力和能量存储，进而提高涂层防冰除冰的能力。而且，粘附在氧化改性碳化废咖啡渣表面的还原氧化石墨烯片层可以对孔隙进行包封，防止相变材料的泄漏；另一方面，聚二甲基硅氧烷具有粘弹性、化学性能稳定、表面能低等特性，将其作为基底，可以保护氧化改性碳化废咖啡渣免受机械应力，从而防止相变材料的泄漏。

22、a3、在中间层的表面涂覆超疏水涂料，在干燥箱中固化，形成外层，从而在风电叶片表面形成由底层、中间层和外层构成的超疏水防护涂层材料。

23、固化温度为60-80℃，固化时间为1-3h。

24、外层的厚度为200-400μm。

25、超疏水涂料的具体制备过程为：将疏水二氧化硅纳米颗粒分散在甲苯中，形成疏水二氧化硅悬浮液，向上述疏水二氧化硅悬浮液中加入聚二甲基硅氧烷，超声波处理20-40min，得到超疏水涂料。

26、聚二甲基硅氧烷类型为sylgard dc184。

27、疏水二氧化硅纳米颗粒的粒径为30-350nm。

28、疏水二氧化硅纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷质量体积比为50-60g：15-25ml。

29、本发明将具有储热功能的涂料涂覆在底层表面形成中间层，涂覆完成后，在中间层的表面含有突出的氧化改性碳化废咖啡渣和还原氧化石墨烯材料，为了保护中间层涂层表面的载体材料氧化改性碳化废咖啡渣和还原氧化石墨烯，防止载体材料被破坏导致相变材料泄漏，本发明在中间层上面涂覆了一层超疏水涂层。该超疏水涂层由疏水二氧化硅纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷混合制成，疏水二氧化硅纳米颗粒通过聚二甲基硅氧烷的粘结作用，稳定地固定在外层，形成超疏水涂层。该涂层具有超疏水性能，能防止水在叶片上的凝结和结冰，同时保护中间层，防止相变材料泄漏。

30、本发明的有益效果：

31、本发明技术方案中，使用胶粘剂作为底层，作为中间层和风电叶片之间的粘结层，还作为隔热层，减少中间层产生的热量向风电叶片内部传递，节省能量，提高防冰除冰能力。

32、本发明技术方案中，将氧化改性碳化废咖啡渣作为吸附相变材料的载体，氧化处理后碳化咖啡渣的孔隙会增大，有利于相变材料的吸附，提高负载量。

33、本发明技术方案中，将吸附有相变材料的氧化改性碳化废咖啡渣-还原氧化石墨烯分散在聚二甲基硅氧烷基体中，二维还原氧化石墨烯片层的两端分别粘附在三维的氧化改性碳化废咖啡渣表面作为连接氧化改性碳化废咖啡渣的桥梁，从而形成连通网络，该连通网络可以作为热传导路径，从而提高导热性，促进光热转换能力和能量存储，进而提高涂层防冰除冰的能力；而且，粘附在氧化改性碳化废咖啡渣表面的还原氧化石墨烯片层可以对孔隙进行包封，防止相变材料的泄漏。

34、本发明技术方案中，氧化改性碳化废咖啡渣机械性能较差，用具有粘弹性的聚二甲基硅氧烷包覆后，可以保护氧化改性碳化废咖啡渣免受机械应力，从而防止相变材料的泄漏。

35、本发明技术方案中，将具有储热功能的涂料涂覆在底层表面形成中间层，涂覆完成后，在中间层的表面含有突出的氧化改性碳化废咖啡渣和还原氧化石墨烯材料，该粗糙表面具有较强的疏水性能，本发明在中间层上面涂覆了一层超疏水涂层，可以保护中间层涂层表面的载体材料氧化改性碳化废咖啡渣和还原氧化石墨烯，防止载体材料被破坏导致相变材料泄漏。

36、本发明技术方案中，疏水二氧化硅纳米颗粒通过聚二甲基硅氧烷的粘结作用，稳定地固定在外层，形成超疏水涂层，并且与中间层粘结牢固，外层不易脱落。该涂层具有超疏水性能，能防止水在叶片上的凝结和结冰。当该外层被损坏后，中间层被暴露出来仍然具有疏水性能，继续防止水在叶片表面聚集凝结，达到持久防冰除冰的效果。