风电叶片的表面防护系统-第2页-北极星风力发电网

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1.2聚合物的性能退化

所谓退化就是聚合物性能发生不期望的改变。改变可以是物理的，也可以是化学的。改变包括聚合物主链结构的退化，侧链基团、横向链接的改变，抑或是部分元素的缺失。填料的退化或缺失也会影响这个体系，导致防护系统性能的退化。

1.2.1老化

在老化的过程中，能量通过辐射从太阳传递到叶片表面。辐射所传递的能量取决于太阳光光线与叶片表面的之间的夹角以及光线的波长。大气层中氧气和湿气的综合作用可以导致化学退化。腐蚀和风沙的磨蚀等因素同样会侵袭防护系统表面引起损伤。

1.2.2太阳光辐射

太阳光是太阳电磁辐射的可见部分，包括多种不同波长的光线。其中一部分光线所蕴含的能量十分强以致于可以打断叶片胶衣或涂层的主键，即共价键。主键被破坏以后，表面涂层就会退化。阳光可以分为UV辐射、可见光和红外线。大部分辐射都是可见光。但是波长越短的光线所包含的辐射能越高。UV辐射还以分为UVA、UVB、UVC三个级别，其中UVA的波长是三者中最长的，因此能量也是三者中最低的；但本文只讨论UUA（波长350——400纳米），因为UVB和UVC在到底地球之前，已经被大气层吸收了。

1.2.3氧气和湿度

聚合物会与氧气和水发生反应，因此氧气和湿度会影响聚合物的表面。材料本身会吸水，如大部分情况聚合物和胶衣/涂层会吸收水分，这是因为聚合物中包含的氧气和氮气分子中存在的亲水键。由于受到UV辐射对叶片表面的影响，聚合物中存在自由原子团。氧气会与这些自由原子团反应，从而形成新的化学分子。如果结构是开放的，水分子会进入其中，如果聚合物的横向链接不多，水分子就会侵袭胶衣/涂层或复合材料结构层。随后退化的风险就会增加，因此复合材料结构层与胶衣或涂层之间的粘合力就会被极大削减。通常把这个过程称之为热氧化退化。这是表面涂层、涂层与结构铺层及其以下结构层化学退化的起点。开放空间的退化通常都是热氧化退化。

1.2.4退化机理

聚合物体系的退化会由聚合物主链接、横向链接的断裂或共价键系统或侧向链接的改变等多种不同原因所导致。但问题的严重程度并不取决于所发生改变的类型，而在于受影响的聚合物类型。

横向链接在大部分热固性材料中都可以见到，因为大部分表面防护层都会选用热固性材料。横向链接是通过官能团的能量形成的。而在热固性材料系统中存在着官能团，且其相互之间会发生反应。在不饱和聚合物体系中，存在不反应的双链，但这个双链会在吸收太阳辐射后产生横向链接。PAI链接能量较低，如果聚合物表面有双链存在，就会引起横向链接的形成。横向链接会让聚合物体系变得更强更刚，但却缺乏韧性，使材料变成脆性。当整个聚合物体积收缩时，聚合物表面就比较容易形成裂纹；如果湿气侵袭聚合物体系，就会发生聚合反应。大部分情况下，聚合反应会导致结构产生空洞，这就进一步加剧了水气的进入，产生恶性循环。

聚合物体体系内的键能通常取决与主链接的共价键。表2给出了一些键能。聚合物的键能越低，被腐蚀发生退化的风险越高。事实上表2所示的键能都不高，都容易受到UV辐射的侵蚀。

氧化率取决于分子结构。双键比脂基更容易被氧化，这是由于其分子结构的不同，脂基在受到UV辐射发生退化后反而会变得更稳定，尤其是当脂基用作侧向链接时。例如MMA(甲基丙烯酸甲酯)用作某胶衣的横向链接就是考虑了这一点。

1.3聚合物体系的退化程度测试

可以采用多种不同的方法来测试聚合物受外界环境影响而产生退化的情况。其中一个方法是通过测量聚合物发生退化时所产生的颜色和光洁度的改变来实现的。大部分风电叶片表面防护色是白色或银灰色（为了防结冰，人们也曾经采用黑色表面防护色）。一旦颜色发生变化就很容易看出来。而颜色变化是其发生退化时首先出现的特征。测量颜色变化虽然并不能知道其内部到底发生了怎样的改变，但是却是产生退化的指针。

采用傅立叶红外光谱仪可以知道聚合物内部退化的情况。如果发生退化，光谱图中的峰值就会发生改变。

层析法和分光光度测定法可用于判定聚合体系在受到辐射影响前后的分子量变化，但这两种方法只能用于可溶解的材料。

另外一种方法是通过测量聚合物表面的物理、力学和化学属性的变化来判断退化的情况。当体系发生退化时，其强度和刚度通常也会发生变化。如果有横向链接产生，测试对象就会变得更脆更强。同时确认力学属性和红外光谱，就可以判断是那种化学物质变化影响了聚合物。

在人造环境下，用于表面防护的聚合物寿命可以通过其表面的物理、力学及化学属性的改变来判定。该方法也可以通过引入一个加速因子来计算评估表面防护材料在自然环境下的的寿命。加速因子的大小取决于引起退化的原因及所引入人造环境的类别。

1.4加速测试

1.4.1 UV测试和疝灯试验

在实验室条件下，有很多不同的方法可用来进行加速测试。采用不同波长的UV或疝气灯测试来进行防护材料寿命的预测就是其中两个加速测试方法。提高温度，反应时间就会减少，两者的关系可以表示为阿亨尼丝方程。

阿亨尼丝方程式中的k是反应的速度常数，Ea是作用能，T为绝对温度，单位为开尔文，R为气体常数，A为碰撞频率因子。

UV测试可以采用不同的波长来进行。UV辐射占据了地表辐射的绝大部分，因此UV测试被广泛使用。

采用疝气灯，可以得到一个类似太阳光的波长分布。疝气灯光线波长可以覆盖UV、可见光和红外光的范围。由于可见光和红外光不会对聚合物分子的共价键造成较大的伤害，因此疝气光源所导致的退化强度比UVA低。

1.4.2臭氧

采用臭氧柜可以测试臭氧、湿气和高温对聚合物的影响。尤其是双键和橡胶对臭氧所引起的退化较为敏感。通常采用50ppm(重量比单位)浓度的臭氧进行72h的退化测试。同时，该测试也会对聚合物产生力学性能的影响；对于叶片表面防护体系采用臭氧测试的不多见，但常采用这种方法进行粘接胶的加速测试。

1.4.3 混合测试

为了考察多个环境因素的综合影响，通常采用UVA测试与氧化测试、湿度测试、升温测试、盐雾测试或冰霜等测试进行混合进行的方式。可以采用试件固定不动而被测因素循环通过的方式，也可以用被测因素不动，试件通过一个预设轨道在各环境因素中往复运动的方式。被测因素的顺序和影响强度可以根据即将应用的自然环境进行模拟设置。混合测试通常可以获得一个较好的结果。

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