制备及疏水性聚吡咯镀层的风电叶片防冰

抽象

本文介绍了在风力机叶片上制备强疏水性聚吡咯（PPy）的方法。强疏水性PPy涂层的水接触角为127.2°。强疏水性PPy涂层具有优异的防冰性能。强疏水PPy涂层叶片的最大覆冰量约为0.10 g，无涂层叶片的最大覆冰量约为26.13 g，强疏水PPy涂层叶片的最大覆冰厚度仅为1.08 mm。目前的研究将为在风力机叶片和其他室外设备上制备防冰涂层提供更好的技术。

1.简介

近年来，风能得到了极大的发展[1个]。此外，在高海拔高寒地区运行风力涡轮机由冰问题[威胁2个]。暴露的表面上的冰的积累可能会导致严重的问题，户外装备的完整性[三]。形成为所述风力涡轮机叶片上的冰不能及时被消除，从而减少显著风力涡轮机的性能[4个,5个]. 初始结冰会改变叶片的原始气动外形；持续的结冰会影响整个转子的结构载荷，从而导致潜在的危险情况。为了避免或减少建筑物上的结冰，过去已经开发了几种防冰和除冰系统，以描述不同的防冰系统[6个]. 为了减少或消除风机叶片结冰造成的经济损失，保证风机叶片的最大可靠性，目前已提出了许多主动和被动的方法[7个]。有源技术，如热和机械的方法，被广泛使用，但具有高能量需求，并且操作昂贵[八,9个]. 然而，诸如防冰涂层这样的被动技术是环境友好和廉价的，不需要任何外部能量来防止结冰[10,11]. 因此，在风力机叶片上开发防冰涂层是最可靠、最经济的防冰技术[12,13]. 防冰涂料的研究取得了可喜的进展[14,15]。

由于莲花效应，具有较大的水接触疏水表面都因为其潜在的生物学和工业应用[中获得了极大的关注16]。较大的接触角可有效地允许所述液滴滚下的物体的表面上，并使其难以冻结。甲粗糙基板经由截留空气的未与介质接触区域液体接触最小化[17]。与此同时，微结构内的气体，能够防止热，延迟落在其上的液滴的冷冻时间。此外，疏水性界面也可以改变液体的结晶过程中，如减少水的冰点，改变结晶的类型。液滴形成疏水性表面上的冰层，其可明显减少它们之间的粘附力，使冰层更容易脱落。因此，疏水性表面或涂层可能是理想的潜在防冰材料用于保护室外设备在低温季节[18,19]. 为了充分发挥憎水涂层在风力机叶片防冰中的作用，憎水涂层的制备至关重要。许多研究[20–22]报告了在不同基材上制作的疏水性或超疏水性表面。然而，有必要开发一种制造风力涡轮机叶片疏水性涂层的更新和容易的方法。

在本文中，一种方法被开发用于编写关于风力涡轮机叶片的PPy疏水涂层。化学组合物是通过傅立叶变换红外光谱法分析，形态和结构是由场致发射电子扫描显微镜分析，并且该润湿特性通过接触角测量仪器进行分析。此外，风洞进行实验来分析表面动态冷冻的粘附和聚吡咯疏水性涂层的冰电阻。应当提及的是，本方法非常适合于疏水性涂层的大规模制备。此外，它具有操作简单，原材料很便宜。此外，在风力涡轮机叶片上的疏水性涂层表现出优异的疏水性和防结冰的效果。

在这项工作中，商业级聚乙烯劳登二氟乙烯（PVDF，来自中国的哈尔滨锂电池厂获得）而未经任何进一步的治疗。风力涡轮机叶片从东北农业大学，中国获得的。分析纯吡咯，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），过二硫酸铵（APS），N-甲基吡咯烷酮（NMP），和盐酸（HCl）从津致远化学试剂有限公司（中国）。First, 1 mL pyrrole monomer, 2.02 g APS, and 1.1 g CTAB were added. During the polymerization process, the temperature was controlled at 0°C and the polymerization time was 12 h. Finally, the products were cleaned repeatedly with water, ethanol and the vacuum drying.

2。测试系统

目前，防冰和除冰的主要方法是冰数值模拟和冰风洞试验[23–27]. 冰数值模拟主要应用于冰形的数值预报和冰形成后的气动特性计算。随着CFD技术在20世纪70年代的迅速发展，国际航空结冰研究机构相继开发出了许多成熟的结冰程序，如LEWICE（美国NASA）、onice（法国ONERA）、trajice（英国DRA）、feap ice（加拿大DTIC）、Canice（加拿大庞巴迪）、ciramil（意大利CIRA）[28,29]其中一些已成为验证车辆结冰适航性的飞行标准工具。

结冰风洞试验是结冰研究的主要手段。它可以通过在模拟真实环境中的各种参数更准确地模拟在寒冷环境下结冰对象的结冰状况。它具有经济性，实用性，先进性和安全性的突出优势，研究冰和抗冰特性[三十]。在某种意义上说，它并不需要这样高的精度和高的成本结冰风洞研究风力涡轮机叶片的除冰和防冰问题，并且在低温环境风洞接近自然的条件更适合.为了研究风力涡轮机的结冰的特点和发展防冰和除冰系统，作者的研究办公室使用中国东北地区唯一的低温环境。水雾喷射系统被安装在传统的开放式风洞的基础上，增加了实验空气通道，提供了结冰环境条件下，控制结冰的各种环境参数，以及使用所述设计的风力涡轮机的结冰风洞实验系统自然低温。

在该实验中，天然的低温风洞系统，场发射扫描电子显微镜，视频光学接触，角度测量仪，电子天平，傅里叶变换红外光谱，并且使用其它仪器。自然低温风洞系统在图中所示1（甲）.实验部分是完全透明的和可观察，其大小为 .该实验模型被安装在叶片旋转试验台上，如图1（b）.自然低温风洞系统可通过调节风速，喷嘴编号，喷嘴直径，水压力的组合来控制水滴的流动和颗粒尺寸。

3.实验模型

在该实验中，三个叶片NACA 0018翼型的由玻璃纤维制成的复合材料中使用，其通常在小型风力涡轮机中使用的。如图2（b）和2（c）弦长125 mm，宽10 mm，采用PVDF涂层，PPY防冰涂层，无涂层。聚偏氟乙烯涂层可以直接在表面形成薄膜。PPy防冰涂料中PPy与PVDF的重量比为1∶8。加工后可得到黑色粘稠的PPy混合物。粘性PPy用刷子涂在风力涡轮机叶片上，并在空气中干燥。之后，将涂有PPy的风机叶片在60°C的真空中干燥12小时，以充分蒸发。然后在风力机叶片上制备疏水性PPy涂层。

4.结果与分析

4.1条。化学成分分析

在这项研究中，通过傅立叶分析的PPy的化学组成变换红外光谱（ALPHA-T，布鲁克德国制造）。数字三显示了PPy的FTIR光谱，并给出了其特征吸收峰。吡咯环N-H峰的三个吸光度特征在3444 cm左右^-1吡咯环的C=C伸缩振动峰在1541 cm左右^-1吡咯环的C-N膨胀振动峰值为1338 cm^-1.与标准的FTIR光谱纯聚吡咯[相比31,32]可见，特征峰的位置基本相同。因此，我们可以初步证实PPy可以成功合成。

4.2。形态和微观结构分析

采用场发射扫描电子显微镜（SU800，HITACHI）对纳米材料的形貌和微观结构进行了分析。数字图4（a）和图4（b）显示原始聚吡咯的微观结构。它被示于图图4（a）所合成的聚吡咯呈现由圆形针形成的多孔形式并均匀地分散。它是从图已知图4（a）和图4（b）原始线性PPy的直径约为60-80 nm，形成的孔洞直径约为100 nm-300 nm。涂有PPy涂层的风机叶片表面还显示出回程针的多孔形状，其扫描电镜如图所示5个在风力机表面涂覆线性聚吡咯的直径约为60-80 nm，形成的孔径约为100-300 nm。分散度仍然很均匀。经过足够的研磨、搅拌和超声波处理，PVDF分散均匀，对PPy的微观结构影响不大。

4.3条。静态接触角分析

为了表征所述样品表面的润湿性，静态接触角通过用静态滴法的视频光学接触角测量仪（OCA20，迪飞公）测量。涂层之前，风力涡轮机叶片的表面是亲水性的具有32.3的水接触角°（在图中所示6个）。当PVDF涂布在表面上是疏水性的，和叶片表面的接触角为93.4°（在图中所示7个). 接触角达到127.2°（如图所示八)PPy涂层后，疏水性大大提高。数字八示出了液滴在此强疏水性涂层的形状。液滴站在涂层如雨荷叶，这是很容易下降，因为它的低粘附性和强疏水性的断开的表面上下降。涂覆到聚吡咯涂覆的风力涡轮机的叶片表面呈多孔性和粗糙。从理论上讲，空气可以被截留在这些孔隙。因此，粗聚吡咯的涂层可以被视为一个复合的空气和聚吡咯截留在孔构成的，其可通过卡西 - 巴克斯特模型来描述[33]。

在此，对水的接触部分和强疏水的PPy涂层表面并在水和空气之间的接触是分数和 ,坯料叶片表面的平衡接触角为 .由接触角方程预测( )聚吡咯的涂层将通过增加 ;此外，接触角（ )聚吡咯的涂层将被降低时增加。基于接触角数据127.2，在平衡接触角是32.3°。所以根据式（1个）， 我们有

因此，计算为约21.4％。这意味着，当粗聚吡咯与水滴接触涂层约78.6空气截取区域的％存在。结果表明，大部分水滴没有渗透到间隙中，但该涂层的表面上，且水滴基本上是彼此接触，从而确保该涂层表面具有大的接触角。因为涂有聚吡咯的表面具有微纳米结构类似于荷叶的表面和从接触角测量获得的数据，我们认为聚吡咯的表面微观结构涂覆的引线其强疏水性。

4.4。结冰重量的变化和最大覆冰厚度的比较

为了研究动态水滴的冰形成过程和涂层的防冰效果，动态结冰实验在自然低温风洞进行了未涂覆的刀片表面上，涂有PVDF涂料叶片表面，和叶片表面涂有聚吡咯的涂层。The test model was installed on the blade rotation test-bed, the working mode of vertical axis wind turbine, and the blade rotation radius was 300 mm.

自然低温风洞系统的测试温度为-6℃。The supercooled water droplets with a temperature of 0°C were sprayed on the sample surfaces through sprinklers with a pore diameter of 1 mm. The supercooled air inhaled by the wind tunnel was mixed with water mist, then ejected from the wind tunnel opening and impacted on the surface of the blade of the wind turbine. The outlet wind speed wind tunnel was 6 m/s with the angle of attack of the blade airfoil of 0 degrees, and the speed was 100 r/min. According to reference [34]，LWC是 ^-3个 g. The MVD was 50 μm、 大气压为101.325 Pa。为了评估样品的防冰性和积冰性，每隔10秒对叶片进行称重。

4.4.1条。结冰重量变化

用精度为0.01的分析天平对三种涂层模型在冻结前后进行称重，然后用重量差得到三种涂层模型的结冰量。重复试验三次，三种覆冰模型覆冰变化的平均结果见表1个.

从桌子上可以找到1个，有在叶片表面上在结冰的质量差异。涂覆到聚吡咯的涂层叶片表面的冰厚度根据在参考冰类型的定义是小[35]；可以看出，产生的冰是雾凇冰。

在三个叶片表面结冰重量的变化的比较显示在图9个. 显然可以用图形来说明9个该亲水性风力涡轮机叶片而不会在测试时间线性任何涂层增大而线性疏水PVDF涂层刀片的重量增加，但增加的范围比未涂覆的刀片的下部。The maximum icing weight of strong hydrophobic PPy coating blade was almost 0.10 g. The maximum icing weight of no coating blade was almost 26.13 g.

4.4.2。最大覆冰厚度的比较

通过三种结冰后涂覆模型的冰图案图像，我们发现这三种刀片和本地结冰的放大对比度图像的整体图像结冰，如图10. 最大冰厚表面上的对3种叶片的前缘最厚结冰的位置进行测定。That is, the no coating blade was 3.60 mm, PVDF coating blade was 2.02 mm, and PPY anti-icing coating blade was 1.08 mm. It can be seen that the maximum icing thickness of PPY coating was the smallest and has a better anti-ice effect.

五，结论

基于表面形态和润湿性能的分析，可以得出结论的是，表面结构具有在本文所述的实验条件下在表面上浇水液滴的冷冻性能的影响很大。强疏水聚吡咯的涂层的水接触角为127.2°。强疏水涂层的聚吡咯具有优良的防结冰性能。The maximum icing weight of a strong hydrophobic PPy coating blade was almost 0.10 g. The maximum icing weight of no coating blade was almost 26.13 g. The maximum icing thickness of strong hydrophobic PPy coating blade was only 1.08 mm.

用于风力涡轮机叶片中制备的强疏水聚吡咯纳米涂层具有优异的防冰性能。这对于防冰涂层的用于风力涡轮机叶片的设计和制备重要的参考意义和实用价值。

数据可用性

我想和大家分享我的背后手稿的发现的数据。用于支持该研究结果的数据包括在项目之内。读者可以访问数据支持研究的结论。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

本研究由飞机防冰与除冰重点实验室开放基金项目（AIADL20180303）和国家自然科学基金项目（51576037）资助。作者感谢他们的支持者。

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