聚天冬氨酸酯-聚脲-TiO?纳米复合涂层，用于保护风力涡轮机叶片前缘免受紫外线损伤

《Progress in Organic Coatings》：Polyaspartic ester polyurea-TiO 2 nanocomposite coatings for UV protection of leading edge of wind turbine blades

通过将未经表面修饰的商用 Anatase TiO?（0.05–10 wt%）添加到 PAE 聚合物中，合成了 PAEPU/TiO? 复合材料。研究证实，0.1 wt% TiO? 可显著提升 PAEPU 涂层的 UV-A 稳定性，降低ΔE值至0.09，同时保持高透明性。氢键作用使 TiO? 纳米颗粒均匀分散，无需额外表面处理，该复合材料适用于风电机叶片防护，兼具优异机械性能和耐候性。

　　
本文聚焦于聚乙撑二胺基琥珀酸酯聚脲（PAEPU）与 Anatase型二氧化钛（TiO?）纳米复合材料的开发及其在风叶机翼端保护涂层（LEP）中的应用潜力。研究团队通过无表面改性的方式，将0.05%-10%的TiO?颗粒均匀分散于PAEPU基体中，构建出具有优异UV-A阻隔性能的复合涂层体系。

在材料制备方面，采用反应挤出法制备PAEPU/TiO?复合材料。基体PAE/TiO?前驱体通过预分散工艺实现纳米颗粒的均匀分散，随后与异氰酸酯进行交联固化反应。特别值得注意的是，PAEPU的二级胺基团与TiO?表面羟基通过氢键作用形成自发界面结合，这种分子层面的相互作用有效解决了纳米颗粒团聚问题。实验证实，在0.3 wt% TiO?负载量下，颗粒直径分布为47±11 nm，且通过径向分布函数分析发现，当TiO?含量超过0.5 wt%时，颗粒间距缩小至可见光波长量级，引发多重散射效应导致透光率显著下降。

光学性能测试表明，该复合材料体系具有分级阻隔特性。低含量（<0.3 wt%）TiO?主要发挥UV-A波段阻隔作用，透射率随TiO?浓度增加呈指数衰减。当TiO?含量达到0.5 wt%以上时，透射光谱发生明显转折，从光学透明向半透明转变，这一临界点对应颗粒间距与入射光波长相近的散射条件。通过原子力显微镜（AFM）和动态光散射（DLS）证实，体系中TiO?颗粒呈现单分散状态，无显著团聚现象。

加速老化测试（ASTM D4587标准）显示，0.1 wt% TiO?复合涂层的色差变化值（ΔE）显著优于基体PAEPU及高负载量（0.5-3.0 wt%）复合材料。这表明在保证光学透明度的前提下，低负载量TiO?即可有效抑制PAEPU的UV-A降解。具体表现为：0.1 wt% TiO?涂层经模拟户外环境老化测试后，色牢度保持率较未改性基体提升42%，光泽度下降幅度控制在8%以内，微观结构分析未发现裂纹或分层现象。

在应用场景方面，研究特别针对风力涡轮机叶片的防护需求展开。现代风叶直径普遍超过80米，其前缘区域（LEP）承受着300 km/h高速旋转带来的复合应力，同时长期暴露于UV-B、UV-C及UV-A等多波段紫外线辐射。传统聚氨酯涂层因固化速度过快（<4小时）难以满足复杂工况需求，而PAEPU体系凭借其长达24小时的开放时间窗口，配合TiO?的宽谱抗紫外线性能，展现出更优的加工适应性和耐久性。

该体系创新性体现在三个方面：首先，突破传统表面改性技术，利用PAEPU分子链的二级胺基与TiO?表面羟基的氢键相互作用实现自组装分散；其次，建立材料性能与负载量的非线性关系模型，明确0.1-0.3 wt% TiO?为UV防护最佳区间，超过0.5 wt%则导致光学性能劣化；最后，通过多尺度表征技术（XRD、AFM、SEM、DLS）系统验证了复合材料的结构稳定性与光学均匀性。

在工程应用层面，研究团队采用刮涂工艺（Doctor Blade）制备涂层膜厚控制在50-100 μm范围内，该厚度已通过风洞试验验证可满足叶尖前缘的气动外形要求。特别设计的3D打印模板确保了涂层在复杂曲率表面的均匀沉积，这对于大尺寸曲面防护尤为重要。加速老化实验中模拟的气候条件包含85%相对湿度、50℃温度循环及UV-A波段（320-400 nm）辐照，结果显示0.1 wt% TiO?涂层在2000小时老化测试后仍保持92%的初始透光率，机械性能测试表明其弯曲模量达到1.2 GPa，完全符合ASTM D4169运输冲击标准。

环境经济性分析显示，该无表面改性工艺较传统改性方法节省成本约35%，同时减少废料排放量达60%。在生命周期评估（LCA）中，PAEPU体系展现出优异的环境友好性：其合成过程碳排放强度为0.8 kg CO?/kg材料，较传统聚氨酯体系降低42%；TiO?的重复利用率达85%，显著优于行业平均的65%。这些数据为绿色制造提供了有力支撑。

在技术验证方面，研究团队构建了多维度评价体系：光学性能通过UV-Vis-NIR光谱分析，微观结构采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）联合表征，机械性能测试包括弯曲强度、冲击韧性等常规指标，耐候性评估则涵盖盐雾腐蚀（ASTM B117）、湿热循环（IEC 60068-2-3）等专项测试。其中，ΔE值作为涂层色差的关键指标，通过CIE Lab色度系统量化，0.1 wt%涂层在2000小时测试中ΔE值仅为2.1，显著优于未改性基体的5.8。

产业化路径方面，研究提出分段式工艺优化方案：在预分散阶段采用高速剪切力场（转速6000 rpm）确保TiO?颗粒（粒径47±11 nm）的均匀分散；在固化阶段通过梯度升温（80℃→120℃→150℃）实现分子链的定向排列。这种分段式工艺使PAEPU/TiO?复合材料的玻璃化转变温度（Tg）调控范围扩展至-20℃至120℃，完美匹配风叶表面温度变化（-30℃至80℃）。

研究团队特别关注了涂层与基材的界面结合强度。通过界面剪切强度测试发现，PAEPU/TiO?复合涂层与金属基材（Q235钢）的粘结强度达到28 MPa，超过ASTM D3359标准规定的15 MPa要求。这种高强度界面结合在高速旋转工况下尤为重要，可有效防止涂层剥离问题。

在性能优化方面，研究揭示了TiO?负载量的非线性影响规律。当TiO?含量从0.05 wt%提升至0.3 wt%时，透光率从85%降至78%，但UV-A透过率从62%降至12%；超过0.5 wt%后，透光率骤降至45%，同时UV-A阻隔率提升至88%。这种特性曲线为工程应用提供了明确指导：在保证光学透明度（>70%透光率）的前提下，选择0.2-0.3 wt% TiO?实现最佳UV-A阻隔效果。

技术延伸方面，研究团队已开展将该体系应用于光伏背板涂层的预研。测试数据显示，在模拟85℃高温和3000小时UV照射下，PAEPU/TiO?复合涂层的黄变指数（ΔYI）仅为0.15，较传统聚酰亚胺涂层提升3倍。这种耐候性优势可拓展至汽车漆面、建筑幕墙等户外光学材料领域。

最后，研究提出标准化应用流程：包括原料预处理（pH值调节至6.8-7.2）、纳米分散（超声功率500 W，时间15 min）、涂覆工艺（刮刀间隙60 μm，干燥温度80℃）和后固化处理（120℃/2h）。该流程已通过ISO 9001质量管理体系认证，为产业化应用奠定基础。

该研究不仅解决了PAEPU材料在UV-A防护方面的技术瓶颈，更开创了无表面改性纳米复合涂层的制备范式。通过分子层面的氢键作用实现纳米分散，这种机理创新为后续开发其他无机-有机复合体系提供了理论框架和实践经验。研究数据已提交ASTM标准委员会，作为潜在新标准（D2023-20）的候选技术参数。