PVC热收缩膜超疏水改性及其在风力发电机叶片防覆冰方面的应用研究

发布时间：2020-06-18 22:33

【摘要】：风能是一种丰富且可再生的清洁能源,利用风力发电生产清洁电能,可以显著缓解因燃烧石油、煤炭、天然气等不可再生资源发电而造成的能源紧缺的压力。虽然我国是风力发电大国,但由于严寒气候下风力发电机叶片极易覆冰,大大降低了风力发电机的工作效率,严重制约着我国风力发电行业的发展。目前,针对风力发电机叶片除冰的方法有很多,如机械除冰、热能除冰、涂层除冰等,但都存在一定的弊端。为此本研究提出了一种高效除冰的新方法。通过对热收缩膜表面改性,得到一种具有超疏水防冰、防紫外线功能的热收缩膜,再将改性膜加热紧紧包裹叶片,以缓解或消除其覆冰现象。具体内容如下:(1)调研市场上常见的热收缩膜,测试其各项性能,最终选择聚氯乙烯(PVC)热收缩膜作为改性基底;(2)PVC热收缩膜表面刻蚀研究。分别使用Ar、CF_4等离子清洗PVC热收缩膜,刻蚀PVC表面,产生活性位点,改善PVC热收缩膜的表面性能,提高下一步沉积的PTFE纳米颗粒与基底的结合牢度。与未经等离子体清洗的试样作对比,Ar与CF_4等离子体的预处理均可刻蚀基底表面,使膜的粗糙度增加;Ar等离子体清洗后,膜的表面引入亲水基团,接触角由原始的76.7°降至22.5°,表面能增加至51.8mN/m。CF_4等离子体预处理引入的F元素与活性点重新键合,使得PVC热收缩膜表面氟化,接触角增加至93.4°,表面能降至32.7 mN/m;(3)PVC热收缩膜表面超疏水改性研究。利用高真空电阻蒸发技术将PTFE以纳米颗粒的形态沉积于PVC热收缩膜上,制备PTFE/PVC热收缩复合膜。经CF_4等离子体前处理后沉积的PTFE涂层疏水效果最好,涂层厚度约3.9μm,获得接触角超过150°、滚动角约为4°的超疏水表面。结果表明,该复合膜在1000 W紫外灯下照射5 min,强力损失由原膜的58.70%减小至3.47%,极大的改善了PVC的防紫外线性能。此外,与原始PVC膜相比,该PTFE/PVC热收缩复合膜在10次结冰-除冰循环中,仍保持优异的防冰性能;(4)热收缩膜在风力发电机叶片上的安装工艺研究。利用Solidworks软件建立风力发电机叶片及其表面装配PTFE/PVC热收缩复合膜的模型。通过分析建模过程,提出新的装配工艺,并为此工艺设计了一款加热装置。通过该安装工艺将具有良好结合牢度、防紫外线与防冰性能的PTFE/PVC热收缩复合膜包装在风力发电机叶片上,使本研究具有重要的生态价值和经济价值。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315;TQ325.3
【图文】：

覆冰,风力发电机,武隆,寺院

能源短缺或交通不便的草原、高原及沿海地区，利。现今，我国的风力发电事业已进入高速发展阶段[2]。应用节约了石油、煤炭、天然气等不可再生资源，染。但它的大规模应用也存在一些限制，防止覆冰的难题[3]。在霜冻天气下，风力发电机叶片表面易结南方的冻雨天气下，其叶片也极易结冰。覆冰的产变，不能正常转动，转速降低直至停止，发电效率且叶片上的冰霜增加了叶片的重量，打破了风力发电外，当温度升高时，叶片上的冰块受离心力作用脱2008 年，贵州长时间出现冻雨天气，水滴凝固，叶年 2 月份，由于长时间降雪，浙江茶山的风力发电机出的大块冰块伤及行人。2018 年初，重庆武隆寺院盖一层厚冰，为保证机器及人员安全，关闭所有发电的风力发电机叶片的覆冰灾害情况。

水接触角,表面能,疏水,超疏水

图 1.4 PTFE 的螺旋构象的表面能较低，约为 20 mN/m，水接触角约 120°，是典型且用于改善其他材料的表面性能。已有很多的文章报道了将 P水性。Kim 等人[40]通过射频磁控溅射 PTFE 靶材在玻璃衬底上氟碳膜，该氟碳膜的接触角为 122.3°，具有疏水效果。为了进膜对玻璃基板的附着力，继续在射频溅射的氟碳膜上使用 Ca作为缓冲层，从而获得了 153±1°的高透明度的超疏水表面。激光沉积技术将 PTFE 沉积在基底上，构造了一种纳米级粗糙度随激光脉冲的数量的增加而增加，其水接触角与涂层粗该涂层的水接触角高达 170°，呈现出明显的超疏水状态。缩膜处于高弹态条件下时，将其以一定速度定向（单向或双向）向取向，而后不进行热定型，使分子链产生“冻结”，这样解冻”温度时将产生收缩，并能紧密包覆物体。这种膜称为定型过程中生产的热收缩膜在受热下将单向收缩，双向拉伸

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