減輕基材上冰積聚的方法
2023-04-30 03:05:51
減輕基材上冰積聚的方法
【專利摘要】本發明涉及減輕基材例如風力發電機葉片上冰積聚的方法，包括向該基材施塗可固化的成膜組合物，該組合物包含異氰酸酯官能固化劑，具有與該異氰酸酯有反應性的成膜組合物，和聚矽氧烷。該成膜組合物可以直接施塗到基材的表面，或施塗到基材上底漆和/或面漆上。
【專利說明】減羥基材上冰積聚的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年12月2日提交的美國臨時申請序列號61/566，077的權益。發明領域
[0003]本發明涉及減羥基材上冰積聚的方法，特別適用於風力發電機或渦輪葉片和飛機零件，例如機翼和螺旋槳葉片。
[0004]發明背景
[0005]風力是將風能利用風力渦輪機轉化成可用形式，例如電力。截至2007年底，風力發電機世界裝機容量為94.1兆瓦。雖然風力發電機目前僅生產剛過1%的世界範圍使用的電力，但它佔丹麥電力生產的大約19%的電力，西班牙和葡萄牙的9%，以及德國和愛爾蘭的6% (2007數據)。從全球來看，2000年至2007年間風力發電增長了超過五倍。
[0006]風力產生於與電網連接的大規模風力發電機廠，以及用於向偏遠地區提供電力的單獨渦輪。風力渦輪機典型地具有2到4個大型葉片並設計為持續大約20到25年。風力發電機渦輪的葉片的最佳數量取決於渦輪所要做的工作。用於產生電力的渦輪需要在高速運行，但不需要許多的扭矩或旋轉力。這些機器通常具有兩個或三個葉片。相反，風力發電機泵以更大的扭矩但不那麼快的速度運行，引起具有許多葉片。
[0007]風力發電機渦輪葉片持續暴露於許多因素，必須設計成耐受極端溫度、風剪切、沉澱、和其他環境危害但不會失效。冰在葉片基材上的積聚導致降低效率，因為葉片變得較重和較難以旋轉。
[0008]期望提供一種減輕冰積聚的方法，以包括風力發電機和渦輪葉片並最大化葉片在極端天氣下的效率。理想地，可將塗料組合物施塗到葉片基材上。
【發明內容】
[0009]本發明涉及減羥基材上冰積聚的方法，包括向該基材施塗可固化的成膜組合物。所述可固化的成膜組合物包括:
[0010](a)包含異氰酸酯官能團的固化劑；
[0011](b)至少一種包含與(a)中的異氰酸酯基團有反應性的官能團的成膜聚合物；和
[0012](c)聚矽氧烷，其存在於所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易於形成冰的條件時減羥基材上的冰積聚。
[0013]發明詳述
[0014]除了在任何操作實例或另有說明的情況，在本說明書和權利要求書中使用的表達成分、反應條件等的量的數字都理解為在所有情形下用術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，以下說明書和所附權利要求中給出的數量參數都是近似值，它們可根據期望由本發明獲得的性質而變化。最起碼，並且不試圖限制等同原則適用於權利要求的範圍，各數值參數應至少被根據所報告的有效數字並通過常規捨入法來解釋。
[0015] 雖然在本發明的寬範圍給出的數量範圍和參數都是近似值，在具體實例中給出的數值都儘可能精確地報導。然而，任何數值內在地含有某些會從它們各自測試方式中的標準偏差必然產生的誤差。
[0016]而且，應理解的是，本文中引述的任何數值範圍都意圖包括其中涵蓋的所有子範圍。例如，「I到10」的範圍意圖包括所有所引述的最小值I和所引述的最大值10之間的所有子範圍(並包括端點值)，也就是說，最小值等於或大於I且最大值等於或小於10。
[0017]如本說明書和所附權利要求書中所使用的，冠詞「一個」、「一種」和「該」包括多個指代對象，除非明確無誤地限制為一個指代對象。
[0018]本文給出的本發明的各種實施方式和實例均理解為對本發明的範圍是非限制性的。
[0019]在以下說明書和權利要求書中，所使用的以下術語具有如下所示的含義:
[0020]術語「可固化的」，如例如與可固化的組合物結合使用，是指所說明的組合物是通過官能團可聚合的或可交聯的，例如通過是指包括，但不限於，熱(包括環境固化)和/或催化性暴露。
[0021]術語「固化」，「固化的」或類似術語，如例如與固化的或可固化的組合物結合使用，例如一些具體說明的「固化的組合物」，是指至少一部分形成可固化的組合物的該可聚合的和/或可交聯的組分被聚合和/或交聯。另外，可聚合的組合物的固化是指使所述組合物經受固化條件，例如但不限於熱固化，引起該組合物的反應性官能團的反應，產生聚合併形成聚合物。當可聚合的組合物經受固化條件時，在聚合後以及大多數反應性端基的反應發生後，剩餘反應性端基的反應速率逐漸變慢。可聚合的組合物可以經受固化條件直到其被至少部分地固化。術語「至少部分地固化的」是指使可聚合的組合物經受固化條件，其中組合物的反應性基團的至少一部分發生反應，以形成聚合物。可聚合的組合物還可以經受固化條件，使得獲得基本上完全固化，並且其中進一步固化不會在聚合物性質例如硬度上產生顯著的進一步改進。
[0022]術語「反應性」是指能夠與其本身和/或其它官能團自發地或在施加熱或在存在催化劑時或通過本領域技術人員已知的其它方式進行化學反應的官能團。
[0023]「聚合物」是指包括均聚物和共聚物，以及低聚物的聚合物。「複合材料」是指兩種或更多種不同材料的結合。
[0024]在本發明的方法中，基材上的冰積聚通過將可固化的成膜組合物施塗至基材的表面來減輕。在本發明的方法中合適的基材包括剛性金屬基材，例如黑色金屬、鋁、鋁合金、銅以及其它金屬和合金基材。用於本發明的實踐中的黑色金屬基材可包括鐵，鋼，及它們的合金。可用的鋼材料的非限制性實例包括冷軋鋼，鍍鋅(鋅塗覆的)鋼，電鍍鋅鋼，不鏽鋼，酸洗鋼，鋅-鐵合金例如GALVANNEAL，以及它們的組合。還可以使用黑色和有色金屬的組合或複合材料。在本發明的某些實施方式中，基材包括複合材料材料，例如塑料或玻璃纖維複合材料。在特別的實施方式中，基材是風力發電機葉片形式的玻璃纖維和/或碳纖維複合材料。該方法還適於減輕用於渦輪和飛機零件例如螺旋槳葉片和機翼的基材上的冰積聚。
[0025] 在沉積任何塗料組合物在基材的表面上之前，常用的辦法是，但不是必須的，通過完全清潔和脫脂表面從表面除去外來物質。這樣的清潔典型地在將基材形成(壓制，焊接等)為最終使用形狀後進行。基材的表面可以通過物理或化學方式進行，例如機械地研磨表面或用鹼性或酸性清潔試劑來清潔/脫脂，所述鹼性或酸性清潔試劑是本領域技術人員熟知的，例如偏矽酸鈉和氫氧化鈉。清潔試劑的非限制性實例是CHEMKLEEN163，一種基於鹼性的清潔劑，可購自PPG Industries, Inc。
[0026]在清潔步驟後，基材可用去離子水或漂洗試劑的水溶液來漂洗，從而出去任何殘餘物。基材可以風乾，例如，通過使用氣刀，通過將基材短暫暴露於高溫而將水蒸除或通過使基材通過油皮輥之間。
[0027]基材可為裸露的、經清潔的表面；它可為油性的，用一種或多種預處理組合物預處理的，和/或用一種或多種塗料組合物、底漆等預塗覆的，通過任意方法施塗，包括，但不限於，電沉積、噴塗、浸塗、輥塗、幕塗等。
[0028]在本發明的方法中，將可固化的成膜組合物施塗到基材的至少一個表面。基材可具有一個連續的表面，或兩個或更多個表面，例如兩個相對的表面。典型地，經塗覆的表面是期待暴露於易於冰積聚的條件的任何表面。
[0029]在一種實施方式中，本發明的方法中施塗到基材的可固化的成膜組合物包含:
[0030](a)包含多個異氰酸酯官能團的固化劑；
[0031](b)至少一種包含多個與(a)中的異氰酸酯基團有反應性的官能團的成膜聚合物；和
[0032](C)聚矽氧烷，其存在於所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易於形成冰的條件時減羥基材上的冰積聚。
[0033]所述可固化的成膜組合物中使用的固化劑(a)可選自一種或多種多異氰酸酯，例如二異氰酸酯和三異氰酸酯，包括縮二脲和異氰脲酸酯。三異氰酸酯包括甲苯二異氰酸酯，4，4』-亞甲基-雙(環己基異氰酸酯)，異氟爾酮三異氰酸酯，2，2，4-和2，4，4-三甲基六亞甲基二異氰酸酯的異構體混合物，1，6-六亞甲基二異氰酸酯，四甲基亞二甲苯三異氰酸酯和/或4，4』 - 二苯基亞甲基二異氰酸酯。可以使用任何合適的二異氰酸酯包括1，4-四亞甲基二異氰酸酯和1，6-六亞甲基二異氰酸酯的縮二脲。而且，可以使用環脂族二異氰酸酯例如異氟爾酮三異氰酸酯和4，4』-亞甲基-雙(環己基異氰酸酯)的縮二脲。可製備縮二脲的合適的芳烷基三異氰酸酯的實例是間亞二甲苯三異氰酸酯和α，α，α 』，α 四甲基間亞二甲苯三異氰酸酯。
[0034]三官能異氰酸酯也可用作固化劑，例如，異氟爾酮三異氰酸酯的三聚體，三異氰酸酯基壬烷，三苯基甲烷三異氰酸酯，1，3，5-苯三異氰酸酯，2，4，6-甲苯三異氰酸酯，三羥甲基和四甲基二甲苯二異氰酸酯的加合物，以名稱CYTHANE3160由CYTEC Industries出售，和DESMODUR N3300,其為六亞甲基二異氰酸酯的異氰脲酸酯,可購自Bayer Corporat1n。具體使用的多異氰酸酯是二異氰酸酯的三聚體例如六亞甲基二異氰酸酯和異氟爾酮三異氰酸酯。
[0035]多異氰酸酯還可以是以上披露的一種被一種或多種多胺和/或多元醇利用本領域技術人員已知的合適的材料和技術進行擴鏈的。
[0036]存在於成膜組合物中的多異氰酸酯固化劑(a)的量範圍在10至90重量％，例如40至65重量通常為50至60重量基於組合物中樹脂固體的總重量。
[0037]本發明的方法中使用的可固化的成膜組合物進一步包括至少一種成膜聚合物
(b)，其具有多個與(a)中的異氰酸酯基團有反應性的官能團。此類官能團典型地為羥基和/或胺官能團。
[0038]成膜聚合物可包含羥基官能的丙烯酸類聚合物，聚酯聚合物，聚氨酯聚合物，和/或聚醚聚合物。通常，使用具有多個羥基官能團的丙烯酸類聚合物和/或聚酯聚合物。
[0039]合適的丙烯酸類聚合物包括一種或多種丙烯酸或甲基丙烯酸的烷基酯，任選地與一種或多種其它可聚合的烯屬不飽和單體的共聚物。可用的丙烯酸或甲基丙烯酸的烷基酯包括在烷基中含1-30個，優選4-18個碳原子的脂族烷基酯。非限制性實例包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、和丙烯酸酯2-乙基己酯。合適的其它可共聚烯屬不飽和單體包括乙烯基芳族化合物，例如苯乙烯和乙烯基甲苯；腈類例如丙烯腈和甲基丙烯腈；乙烯基和亞乙烯基滷化物例如乙烯基氯和偏二氟乙烯，和乙烯基酯例如乙酸乙烯酯。
[0040]丙烯酸類共聚物可包含羥基官能團，羥基官能團通常通過用於製備共聚物上的反應物中包括一個或多個羥基的官能化單體引入聚合物中。可用的羥基官能化單體包括丙烯酸羥烷基酯和甲基丙烯酸羥烷基酯，典型地在羥烷基中具有2-4個碳原子，例如丙烯酸羥基乙酯，丙烯酸羥基丙酯，丙烯酸4-羥基丁酯，己內酯和丙烯酸羥烷基酯的羥基官能化加合物，和相應的甲基丙烯酸酯，以及下述β -羥基酯官能化單體。
[0041]β -羥基酯官能化單體可以由烯屬不飽和環氧基官能化單體就具有約13-約20個碳原子的羧酸製備，或由烯屬不飽和酸官能化單體和不可與烯屬不飽和酸官能化單體聚合的含至少5個碳原子的環氧基化合物製備。
[0042]用於製備β_羥基酯官能化單體的可用的烯屬不飽和環氧基官能化單體包括，但不限於，丙烯酸縮水甘油酯，甲基丙烯酸縮水甘油酯，烯丙基縮水甘油醚，甲基烯丙基縮水甘油醚，烯屬不飽和單異氰酸酯與羥基官能化單環氧化物例如縮水甘油的1:1(摩爾)加合物，和可聚合的多元羧酸例如馬來酸的縮水甘油酯。丙烯酸縮水甘油酯和甲基丙烯酸縮水甘油酯是優選的。羧酸的實例包括，但不限於，飽和單羧酸例如異硬脂酸和芳族不飽和羧酸。
[0043]用於製備β -羥基酯官能化單體的可用的烯屬不飽和酸官能化單體包括單羧酸，例如丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸；二羧酸，例如衣康酸、馬來酸和富馬酸；和二羧酸的單酯，例如馬來酸單丁酯和衣康酸單丁酯。烯屬不飽和酸官能化單體和環氧基化合物典型地以1:1的當量比反應。環氧基化合物不含會參與自由基引發的與不飽和酸官能化單體聚合的烯屬不飽和度。可用的環氧基化合物包括1，2-環氧戊烷，環氧苯乙烯和縮水甘油酯或醚，優選含8-30個碳原子，例如丁基縮水甘油醚,辛基縮水甘油醚，苯基縮水甘油醚和對(叔丁基)苯基縮水甘油醚。優選的縮水甘油酯包括以下結構的那些:
[0044]
【權利要求】
1.減羥基材上冰積聚的方法，包括向該基材施塗可固化的成膜組合物；所述組合物包含: (a)包含異氰酸酯官能團的固化劑； (b)至少一種包含與(a)中的異氰酸酯基團有反應性的官能團的成膜聚合物；和 (C)至少一種聚矽氧烷，其存在於所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易於形成冰的條件時減羥基材上的冰積聚。
2.權利要求1所述的方法，其中所述固化劑(a)包括六亞甲基二異氰酸酯的三聚體。
3.權利要求1所述的方法，其中(b)聚合物包括丙烯酸類聚合物和/或聚酯聚合物。
4.權利要求1所述的方法，其中所述聚合物包含羥基和/或胺官能團。
5.權利要求1所述的方法，其中所述聚矽氧烷(c)包含至少一個與所述可固化的成膜組合物中的至少一種其它組分上的官能團有反應性的官能團。
6.權利要求5所述的方法，其中所述聚矽氧烷包含至少一個官能團。
7.權利要求6所述的方法，其中所述聚矽氧烷包括聚二甲基矽氧烷並包含至少兩個羥基和/或胺官能團。
8.權利要求1所述的方法，其中所述聚矽氧烷(c)不與所述可固化的成膜組合物中的其它組分上的官能團有反應性。
9.權利要求1所述的方法，其中所述聚矽氧烷(c)包括至少一種包含至少一個與所述可固化的成膜組合物中的至少一種其它組分上的官能團有反應性的官能團的聚矽氧烷，和至少一種不與所述可固化的成膜組合物中的其它組分上的官能團有反應性的聚矽氧烷。
10.權利要求1所述的方法，其中所述聚矽氧烷的數均分子量為200-14，000。
11.權利要求1所述的方法，其中所述聚矽氧烷存在於所述可固化的成膜組合物中的量為0.5至35重量％，基於所述可固化的成膜組合物中樹脂固體的總重量。
12.權利要求11所述的方法，其中所述聚矽氧烷存在於所述可固化的成膜組合物中的量為10至30重量％，基於所述可固化的成膜組合物中樹脂固體的總重量。
13.權利要求1所述的方法，其中所述可固化的成膜組合物在環境溫度下固化。
14.權利要求1所述的方法，其中所述基材包括金屬，塑料，和/或玻璃纖維和/或碳纖維複合材料。
15.權利要求14所述的方法，其中所述基材包括風力發電機葉片。
16.權利要求1所述的方法，其中底漆和/或面漆成膜組合物施塗到所述基材，然後施塗所述可固化的成膜組合物。
【文檔編號】C09D5/00GK104053730SQ201280066049
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月2日
【發明者】S·J·莫拉維克, B·A·康奈利, E·F·拉克維茲, D·J·施沃茨米勒, M·A·扎裡奇 申請人:Ppg工業俄亥俄公司