CN107803587A - 一种风电叶片超疏水自清洁表面及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种风电叶片超疏水自清洁表面及制备方法，属于风电设备制造技术领域。本发明的风电叶片表面树脂涂层上密布有柱状微米级结构，每个柱状微米结构的外表面覆盖有大量纳米颗粒，形成微纳二级结构；其制备方法是利用脉冲激光直接在叶片表面树脂涂层上原位烧蚀制备出柱状微米级结构，基于脉冲激光的诱导效应，在每个柱状微米结构的外表面同时诱导生成纳米颗粒，形成微米结构加纳米结构的微纳二级结构。本发明的制备方法简单，工艺相容性好、可设计性强，可以实现大面积制备。超疏水自清洁风电叶片能有效降低叶片经风吹雨淋造成的污染，降低结冰可能性，提高风电机组的年平均工作时间、风能利用效率与叶片寿命，因此具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电叶片,特别涉及一种超疏水自清洁表面及其制备方法，属于风电设备制造技术领域。
背景技术
当水滴落在材料表面时，由于空气-固体-气体三相界面张力以及重力的原因，会在材料表面得到具有一定形状的液滴，三相之间的夹角可以用接触角θ来衡量。通常，若水在某种材料表面的接触角θ>90°，则称这种表面具有疏水性，若θ>150°，则该表面称为超疏水表面。反之，如果接触角θ<90°，则称这种表面具有亲水性。除了接触角外，滚动角φ衡量水滴在固体表面的动态行为，定义为水滴在表面恰好发生滚动时表面的倾角，滚动角越小，说明水滴在表面的黏附力越小。
如果一种材料表面能够同时满足θ>150°与φ<10°的条件，则该表面将体现出独特的自清洁效应，与荷叶表面的“出污泥而不染”的功能一样。这是因为，在超疏水-低黏附状态下，水滴在表面的运动阻力很小，当水滴在表面滚动时，将带走表面的污物一起脱离表面。研究表明，超疏水表面往往具有一定的抗结冰能力，能延迟结冰的时间、减少结冰面积、降低冰与固体表面的结合力。这一抗结冰性质在飞机、风电、室外天线、电网等诸多场合具有重要应用价值。
风能作为一种清洁能源，对人类社会的可持续发展具有重要意义，风力发电的装机容量在全世界范围呈现上升趋势，具有良好发展潜力。目前常用的风电叶片采用的材质为玻璃纤维增强树脂或碳纤维增强树脂，表面涂覆不同类型的树脂作为防护涂层。风电机组会工作在北方低温地区、高海拔地区或高纬度地区，叶片面临结冰的风险。当冬季来临时，叶片表面的覆冰会使叶片增重并失去有利的外形，使得机组发电效率降低甚至完全无法工作，覆冰还会对叶片与转子造成损伤，降低机组的寿命。目前现有的常规油漆涂层材料无法避免结冰问题，同时由于长期的风吹雨淋，叶片表面会沾染各种污物，提高了维护成本。2015年，全球风电行业新增装机容量达6.30×104兆瓦，我国新增装机容量达3.05×104兆瓦，占比为48％，我国风电行业占据很大的全球市场份额。鉴于此，制备具有超疏水自清洁抗结冰功能的风电叶片表面有助于提高风电机组的年平均工作时间、风能利用效率与叶片寿命，具有重要的工业价值与广阔的应用前景。
据文献检索，针对风电叶片的超疏水自清洁相关研究很少。虽然人们开发出了不少超疏水自清洁表面的制备方法，但均存在各种局限性而不适合在风电叶片上应用。现有方法的不足之处在于：第一，许多方法仅适用于金属材料体系，如电化学腐蚀法等，风电叶片的表面是一层树脂涂层，其物理化学性能与金属存在很大的差异；第二，部分方法采用了“自下而上”制备涂层的方式，通过自组装、涂覆的方法，在材料基底上得到一层疏水涂层，此类涂层都会面临疏水涂层与基底结合力不足的问题。专利CN203067190U提出在表面涂覆TiO2来实现自清洁功能，该方法很难保证TiO2粒子与叶片的结合；鉴于此，本发明提出利用脉冲(超短脉冲或短脉冲)激光制备自清洁风电叶片的方法，用脉冲激光在成品叶片表面原位可控制备微纳二级结构，辅以化学修饰，得到自清洁表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电叶片超疏水自清洁表面及其制备方法，即利用脉冲激光在叶片表面制备特殊微纳米结构进而实现超疏水自清洁风电叶片表面，从而提高风能利用效率与叶片寿命；同时使该制备方法具有工艺相容性好、制备方法简单，可适用于风电叶片表面的多种涂层体系。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超疏水自清洁风电叶片表面，该叶片表面含有树脂涂层，其特征在于，所述风电叶片表面树脂涂层上密布有柱状微米级结构，每个柱状微米结构的外表面覆盖有大量纳米颗粒，形成微纳二级结构。
上述技术方案中，所述的微纳二级结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布，柱状微米结构的间距为30-100微米。
优选地，每个柱状微米结构的直径为30-80微米，高度为30-100微米，纳米颗粒的大小为60-1000纳米。
上述技术方案中，所述风电叶片树脂涂层的主要成分为聚丙烯酸酯、聚氨酯或氟碳化合物，风电叶片基体为玻璃纤维增强树脂或碳纤维增强树脂。
本发明提供的一种超疏水自清洁风电叶片表面的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)用脉冲激光直接在叶片表面树脂涂层上烧蚀制备出柱状微米级结构，基于脉冲激光的诱导效应，在每个柱状微米结构的外表面同时诱导生成纳米颗粒，形成微米结构加纳米结构的微纳二级结构；使柱状微米结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布；间距为30-100微米。
2)对上述脉冲激光处理后的密布有微纳二级结构的风电叶片表面进行低表面能物质修饰，即得到超疏水自清洁风电叶片表面。
本发明所述方法中，所述脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
本发明所述的低表面能物质修饰，是将月桂酸或十七氟葵基三甲氧基硅烷配成质量浓度为0.1％-5％的甲醇或乙醇稀溶液，之后将处理后的叶片放置在稀溶液中浸泡1-2个小时，然后再在干燥箱中加热烘干。
所述方法中，优选地，加热烘干温度为60-120℃，加热时间为1-2个小时。
本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点及突出性的技术效果：
①本发明实现了自清洁风电叶片的原位制备，可以适用于风电叶片表面的多种涂层体系，适用范围广。相比于在叶片的基体上用涂覆方法制备新的涂层，本发明的工艺相容性好，厂家无需改变原有的生产线与工艺步骤，无需改变涂料与配比，只需对成品进行后期脉冲激光处理与化学修饰。②本发明利用了脉冲激光直接在风电叶片表面烧蚀微米结构，利用其诱导效应生成纳米结果哦，可控制备出具有周期性的微纳二级结构，相比于纯粹的平面纳米结构，这种复合微纳结构有助于提高超疏水自清洁表面的稳定性与耐久性。同时，微纳米结构参数如形状、深度、间距均可精密调节，具有很好的可设计性与灵活性。可以通过设计结构来调节叶片的超疏水自清洁特性，如实现水滴在叶片表面滚动的各向异性。③相比于现有制备微纳结构的方法，本发明的工艺简单、成本较低，可以大面积制备。本发明不需要化学法较为复杂的工序，不需要光刻法中的模板，整个脉冲激光加工过程在大气环境中进行，利用高速扫描振镜与三维数控机床，可以实现快速、大面积制备。④目前大部分自清洁表面的制备方法均集中在金属、半导体材料上，本发明用脉冲激光直接处理风电表面的树脂涂层，属于一种全新的材料体系。
综上所述，本发明提供了一种利用脉冲激光制备超疏水自清洁风电叶片表面的方法，用激光在成品叶片表面原位可控烧蚀出微米结构、诱导出纳米结构，形成微纳米二级结构，并辅以低表面能物质修饰，使叶片表明具备优异超疏水自清洁功能。本发明适用范围广、工艺相容性好、可设计性强，可以实现大面积叶片表面制备。超疏水自清洁风电叶片能有效降低叶片经风吹雨淋造成的污染，降低结冰的可能性，有助于提高风电机组的年平均工作时间、风能利用效率与叶片寿命，具有重要的工业价值与广阔的应用前景。
附图说明
图1a、图1b分别为本发明实施例1利用飞秒激光在聚丙烯酸酯类涂料上制备得到的周期性微米柱阵列及其上的纳米颗粒扫描电镜照片。
图2是本发明实施例1制备的自清洁表面接触角测试。
图3a和图3b分别是实施例2利用飞秒激光在聚氨酯类涂料上制备得到的微米柱阵列及其上的纳米颗粒的扫描电镜照片。
图4是本发明实施例2制备的自清洁表面接触角测试。
图5a和图5b分别是本发明实施例3利用纳秒激光在聚丙烯酸酯类涂料上制备得到的柱状阵列及其上的纳米颗粒扫描电镜照片。
图6是本发明实施例4制备的自清洁表面接触角测试。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，以使本领域的普通技术人员对本发明更清楚地理解和实施。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明采用的激光制备方法的基本原理是采用脉冲激光，利用激光烧蚀去除原理，在风电叶片表面原位制备出微纳复合二级结构，辅以低表面能物质修饰，得到自清洁风电叶片表面。
本发明提供的一种超疏水自清洁风电叶片表面，该叶片表面含有树脂涂层，所述风电叶片表面树脂涂层上密布有柱状微米级结构，每个柱状微米结构的外表面覆盖有大量纳米颗粒，形成微纳二级结构。所述风电叶片树脂涂层的主要成分通常为聚丙烯酸酯、聚氨酯或氟碳化合物，风电叶片基体为玻璃纤维增强树脂或碳纤维增强树脂。
微纳二级结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布，柱状微米结构的间距为30-100微米。每个柱状微米结构的直径为30-80微米，高度为30-100微米，纳米颗粒的大小为60-1000纳米。
本发明提供的一种超疏水自清洁风电叶片表面的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)用脉冲激光直接在叶片表面树脂涂层上烧蚀制备出柱状微米级结构，基于脉冲激光的诱导效应，在每个柱状微米结构的外表面同时诱导生成纳米颗粒，形成微米结构加纳米结构的微纳二级结构；使柱状微米结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布；间距为30-100微米。所述脉冲激光一般纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
2)对上述脉冲激光处理后的密布有微纳二级结构的风电叶片表面进行低表面能物质修饰，即得到超疏水自清洁风电叶片表面。所述的低表面能物质修饰，是将月桂酸或十七氟葵基三甲氧基硅烷配成质量浓度为0.1％-5％的甲醇或乙醇稀溶液，之后将处理后的叶片放置在稀溶液中浸泡1-2个小时，然后再在干燥箱中加热烘干；加热烘干温度一般为60-120℃，加热时间为1-2个小时。
实施例1：利用飞秒激光制备超疏水自清洁聚丙烯酸酯类树脂风电叶片
本实施例中所处理风电叶片涂层的主要成分为聚丙烯酸酯类树脂，包括以下步骤：
1)、将样品在去离子水中超声5min，去除表面的灰尘、大颗粒等污物，然后用压缩空气吹干。采用飞秒激光，激光波长为1.03μm的近红外，光束为高斯分布、光束质量因子M2<1.3，单脉冲宽度为800fs、重复频率为400kHz、平均功率为7.2W，采用超过烧损阈值的激光能量密度为2.5J/cm2，利用高速扫描振镜在表面进行正交网格扫描，线间距为40μm。扫描后的表面得到周期40μm的沟槽结构，利用激光共聚焦显微镜测得微柱高度为42.0μm。所得结构的扫描电镜照片如图1a所示，微柱上覆盖的纳米粒子如图1b所示。
2)、采用全氟癸基三甲氧基硅烷作为低表面能物质修饰，配置该物质1％的乙醇溶液，将激光处理后的叶片在其中浸泡2小时。
3)、将浸泡后的叶片在干燥箱中烘干30分钟，温度设定为80℃。
利用接触角测量仪测得处理后表面的接触角为154.5°，如图2所示；滚动角为5°。
实施例2：利用飞秒激光制备超疏水自清洁聚氨酯类涂层风电叶片
本实施例中选取与例1不同的材料体系作为处理对象，所加工风电叶片涂层的主要成分为聚氨酯类树脂，包括以下步骤：
1)、将样品在去离子水中超声5min，去除表面的灰尘、大颗粒等污物，然后用压缩空气吹干。采用飞秒激光，激光波长为1.03μm的近红外，光束为高斯分布、光束质量因子M2<1.3，单脉冲宽度为800fs、重复频率为400kHz、平均功率为1.8W，采用激光能量密度为0.6J/cm2，利用高速扫描振镜在表面进行正交网格扫描，线间距为40μm。扫描后的表面得到周期40μm的柱状结构，利用激光共聚焦显微镜测得微柱高度为37.8μm。所得结构的扫描电镜照片如图3a所示，微柱上覆盖的纳米粒子如图3b所示。
2)、采用与实施例1相同的工艺来浸泡风电叶片。
3)、采用与实施例1相同的工艺来加热叶片。
利用接触角测量仪测得处理后改表面的接触角为151.2°，如图6所示；滚动角为9°。
实施例3：利用纳秒激光可控制备聚丙烯酸酯类涂层风电叶片
本实施例中所处理风电叶片涂层的主要成分为聚丙烯酸类树脂，包括以下步骤：
1)、将样品在去离子水中超声5min，去除表面的灰尘、大颗粒等污物，然后用压缩空气吹干。采用纳秒激光，激光波长为532nm的绿光，单脉冲宽度为10ns、重复频率为30kHz、平均功率为0.51W，采用激光能量密度为1.4J/cm2，利用高速扫描振镜在表面进行正交网格扫描，线间距为50μm。扫描后的表面得到周期50μm的柱状结构，利用激光共聚焦显微镜测得微柱高度为7.4μm，所得结构的扫描电镜照片如图5a所示，微柱上覆盖的纳米粒子如图5b所示。
2)、采用与实施例1相同的工艺来浸泡风电叶片。
3)、采用与实施例1相同的工艺来加热叶片。
利用接触角测量仪测得处理后改表面的接触角为158.8°，滚动角为4°，如图6所示。
Claims (8)
1.一种超疏水自清洁风电叶片表面，该叶片表面含有树脂涂层，其特征在于，所述风电叶片表面树脂涂层上密布有柱状微米级结构，每个柱状微米结构的外表面覆盖有大量纳米颗粒，形成微纳二级结构。
2.如权利要求1所述的一种超疏水自清洁风电叶片表面，其特征在于，微纳二级结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布，柱状微米结构的间距为30-100微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种超疏水自清洁风电叶片表面，其特征在于：每个柱状微米结构的直径为30-80微米，高度为30-100微米，纳米颗粒的大小为60-1000纳米。
4.根据权利要求3所述的一种超疏水自清洁风电叶片表面，其特征在于：所述风电叶片树脂涂层的主要成分为聚丙烯酸酯、聚氨酯或氟碳化合物，风电叶片基体为玻璃纤维增强树脂或碳纤维增强树脂。
5.如权利要求1所述的一种超疏水自清洁风电叶片表面的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)用脉冲激光直接在叶片表面树脂涂层上烧蚀制备出柱状微米级结构，基于脉冲激光的诱导效应，在每个柱状微米结构的外表面同时诱导生成纳米颗粒，形成微米结构加纳米结构的微纳二级结构；使柱状微米结构在叶片表面按四边形或六边形密集排布，所述柱状微米结构的间距为30-100微米；
2)对上述脉冲激光处理后的密布有微纳二级结构的风电叶片表面进行低表面能物质修饰，即得到超疏水自清洁风电叶片表面。
6.根据权利要求5所述的一种超疏水自清洁风电叶片表面的制备方法，其特征在于：所述脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
7.根据权利要求5中所述一种超疏水自清洁风电叶片表面的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的低表面能物质修饰，是将月桂酸或十七氟葵基三甲氧基硅烷配成质量浓度为0.1％-5％的甲醇或乙醇稀溶液，之后将处理后的叶片放置在稀溶液中浸泡1-2个小时，然后再在干燥箱中加热烘干。
8.根据权利要求7中所述一种超疏水自清洁风电叶片表面，其特征在于：加热烘干温度为60-120℃，加热时间为1-2个小时。
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