[发明专利]一种风电叶片超疏水自清洁表面及制备方法

说明书

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：