疏冰防冰涂料与疏水憎水涂料在风机防冰应用

WaterOff

2022-08-10 09:51:12

我国地大物博风场资源丰富，风能开发潜力巨大，但随着风能资源不断的成熟与开发，风场的位置正在逐渐向着风能更为丰富的北方和沿海地带，由于以上地带可能具有冰雪及潮湿的环境，当风机叶片在低温条件下运行，如温度低于零摄氏度，尤其遇到冰雪、雨水、过冷却水滴时就会使风机叶片产生冻冰现象。轻则影响叶片的气动性对风机产生风能的效果造成严重影响，重则叶片覆冰后对电机组、现场机组人员等都存在巨大的安全隐患。

为此人们针对以上的情况对于风机叶片防覆冰主要采用主动和被动防冰2种方式，主动除冰多为电热除冰不是本次讨论的要点；重点介绍下更为方便快捷的防覆冰涂料方案，理想情况下，防冰材料应该是坚固、耐用、易操作、高效的，在各种结冰条件下都可以稳定的工作，减少风电运维成本。本文通过分析比较国内使用较早的疏水涂料与后者更为坚固耐用的防冰涂料的区别及优缺点分析。

传统疏水憎水涂料“荷叶”效应示意图

咱们先说下传统的疏水憎水涂料

疏水性是根据液体在叶片表面的浸润性，浸润程度以接触角0表示，接触角小反而水滴与表面接触面积增大，则不疏水，反之接触角越大，说明水滴与表面接触面积小，则疏水，通常水的接触角大于90度时，则认为涂层具有一定的疏水能力。

再来说下疏冰防冰涂料

防冰涂料从理论上讲，疏冰表面可以减少冰在基材上的粘附力，防止冰在表面上积累。防冰涂料2003年由国际防结冰材料实验室(AMIL)率先提出粘附力减少因子(ARF)，目前(CAT)离心冰粘附试验普遍受到全球防冰材料机构的认可，所以CAT成为了一种较为认可的测量防冰涂料评价试验与粘附力）降低系数测试，通过计算ARF可以得出更可靠精准的冰粘附值数据。

ARF>1，具有疏冰性，降低冰粘附性，值越高，疏冰性越强

ARF<1，具有亲冰性，增加冰的粘附性

粘附力减少因子(ARF)

接下来对比一下疏水与疏冰的不同：

疏水性材料一般用水接触角来定义疏水性的效果，而超疏水涂料是一种具有特殊表面性质的新型涂料，是指固体涂膜的水接触角大于150°并且常指水接触角滞后小于5°，具有防水、防雾、防雪、防污染、防腐蚀等重要特点。

水接触角来定义疏水性的效果

近年来，人们对荷叶超疏水性能的深入研究，发现荷叶表面的微米乳突上还分布着纳米分支结构，该种双微观结构使得荷叶表面获得了极高的接触角，限制了液滴在其表面的铺展，其围观结构表面是粗糙的，使得液滴呈球状且能以较小的倾角滚落。称其“荷叶效应”是一种简单的制备超疏水涂层的方法，但是此类超疏水产品并无很大的实用价值。而市场上流通的所谓有“荷叶效应”的涂料并不具有超疏水性质，仅具有一定的疏水特性，且接触角都在120°以下，并且由于添加了一些蜡、含氟添加剂等，对于风机所处的环境，在户外恶劣的环境下实际使用寿命仅为1-2年左右。

ARF函数计算公式

当ARF达到100，冰的附着力降低了99%

防冰涂料表面是非常光滑的，能减少冰在表面基材的粘附力，且随着冰厚度的增加，可以达到自行脱落的效果。依据函数公式看出，粘附力与冰的密度成正比，与冰的宽度成反比，得出的曲线图是自行脱落是ARF与冰厚度之间的关系。可以推论出具有较高的ARF涂层在较低的厚度下可以自行脱落，例如：ARF值为100，此时冰的粘附力降低99%，冰增加厚度不会超过83mm，因为达到这个厚度是，冰会自行脱落。

疏水涂料因微观结构间隙中会产生冷凝而丧失一定的疏水性，随时时间的推移防冰效果逐渐减弱，这也是为什么疏水涂料可持续工作的时间较短，因此人们已经开始重点研究ARF防冰涂料，更为光滑的表面，坚固且耐用有利于加速覆冰脱落的时间乃至减少冰在基材表面的堆积和增长，这种稳定的工作性能非常适合风电业主及风机运维单位，减少整体的维护成本，提高风机使用率实现少停机和无停机，目前在欧美已被大范围的认可及使用。

（来源：航空新材料）