減輕基材上冰積聚的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及減輕基材例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上冰積聚的方法，包括向該基材施涂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(yīng)性的成膜組合物，和聚硅氧烷。該成膜組合物可以直接施涂到基材的表面，或施涂到基材上底漆和/或面漆上。
【專利說(shuō)明】減羥基材上冰積聚的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年12月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/566，077的權(quán)益。發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及減羥基材上冰積聚的方法，特別適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)或渦輪葉片和飛機(jī)零件，例如機(jī)翼和螺旋槳葉片。
[0004]發(fā)明背景
[0005]風(fēng)力是將風(fēng)能利用風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化成可用形式，例如電力。截至2007年底，風(fēng)力發(fā)電機(jī)世界裝機(jī)容量為94.1兆瓦。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前僅生產(chǎn)剛過(guò)1%的世界范圍使用的電力，但它占丹麥電力生產(chǎn)的大約19%的電力，西班牙和葡萄牙的9%，以及德國(guó)和愛(ài)爾蘭的6% (2007數(shù)據(jù))。從全球來(lái)看，2000年至2007年間風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)了超過(guò)五倍。
[0006]風(fēng)力產(chǎn)生于與電網(wǎng)連接的大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠，以及用于向偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力的單獨(dú)渦輪。風(fēng)力渦輪機(jī)典型地具有2到4個(gè)大型葉片并設(shè)計(jì)為持續(xù)大約20到25年。風(fēng)力發(fā)電機(jī)渦輪的葉片的最佳數(shù)量取決于渦輪所要做的工作。用于產(chǎn)生電力的渦輪需要在高速運(yùn)行，但不需要許多的扭矩或旋轉(zhuǎn)力。這些機(jī)器通常具有兩個(gè)或三個(gè)葉片。相反，風(fēng)力發(fā)電機(jī)泵以更大的扭矩但不那么快的速度運(yùn)行，引起具有許多葉片。
[0007]風(fēng)力發(fā)電機(jī)渦輪葉片持續(xù)暴露于許多因素，必須設(shè)計(jì)成耐受極端溫度、風(fēng)剪切、沉淀、和其他環(huán)境危害但不會(huì)失效。冰在葉片基材上的積聚導(dǎo)致降低效率，因?yàn)槿~片變得較重和較難以旋轉(zhuǎn)。
[0008]期望提供一種減輕冰積聚的方法，以包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和渦輪葉片并最大化葉片在極端天氣下的效率。理想地，可將涂料組合物施涂到葉片基材上。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明涉及減羥基材上冰積聚的方法，包括向該基材施涂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(tuán)的固化劑；
[0011](b)至少一種包含與(a)中的異氰酸酯基團(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)的成膜聚合物；和
[0012](c)聚硅氧烷，其存在于所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易于形成冰的條件時(shí)減羥基材上的冰積聚。
[0013]發(fā)明詳述
[0014]除了在任何操作實(shí)例或另有說(shuō)明的情況，在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的表達(dá)成分、反應(yīng)條件等的量的數(shù)字都理解為在所有情形下用術(shù)語(yǔ)“約”修飾。因此，除非有相反指示，以下說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求中給出的數(shù)量參數(shù)都是近似值，它們可根據(jù)期望由本發(fā)明獲得的性質(zhì)而變化。最起碼，并且不試圖限制等同原則適用于權(quán)利要求的范圍，各數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少被根據(jù)所報(bào)告的有效數(shù)字并通過(guò)常規(guī)舍入法來(lái)解釋。
[0015] 雖然在本發(fā)明的寬范圍給出的數(shù)量范圍和參數(shù)都是近似值，在具體實(shí)例中給出的數(shù)值都盡可能精確地報(bào)道。然而，任何數(shù)值內(nèi)在地含有某些會(huì)從它們各自測(cè)試方式中的標(biāo)準(zhǔn)偏差必然產(chǎn)生的誤差。
[0016]而且，應(yīng)理解的是，本文中引述的任何數(shù)值范圍都意圖包括其中涵蓋的所有子范圍。例如，“I到10”的范圍意圖包括所有所引述的最小值I和所引述的最大值10之間的所有子范圍(并包括端點(diǎn)值)，也就是說(shuō)，最小值等于或大于I且最大值等于或小于10。
[0017]如本說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中所使用的，冠詞“一個(gè)”、“一種”和“該”包括多個(gè)指代對(duì)象，除非明確無(wú)誤地限制為一個(gè)指代對(duì)象。
[0018]本文給出的本發(fā)明的各種實(shí)施方式和實(shí)例均理解為對(duì)本發(fā)明的范圍是非限制性的。
[0019]在以下說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，所使用的以下術(shù)語(yǔ)具有如下所示的含義:
[0020]術(shù)語(yǔ)“可固化的”，如例如與可固化的組合物結(jié)合使用，是指所說(shuō)明的組合物是通過(guò)官能團(tuán)可聚合的或可交聯(lián)的，例如通過(guò)是指包括，但不限于，熱(包括環(huán)境固化)和/或催化性暴露。
[0021]術(shù)語(yǔ)“固化”，“固化的”或類似術(shù)語(yǔ)，如例如與固化的或可固化的組合物結(jié)合使用，例如一些具體說(shuō)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(lián)的組分被聚合和/或交聯(lián)。另外，可聚合的組合物的固化是指使所述組合物經(jīng)受固化條件，例如但不限于熱固化，引起該組合物的反應(yīng)性官能團(tuán)的反應(yīng)，產(chǎn)生聚合并形成聚合物。當(dāng)可聚合的組合物經(jīng)受固化條件時(shí)，在聚合后以及大多數(shù)反應(yīng)性端基的反應(yīng)發(fā)生后，剩余反應(yīng)性端基的反應(yīng)速率逐漸變慢?？删酆系慕M合物可以經(jīng)受固化條件直到其被至少部分地固化。術(shù)語(yǔ)“至少部分地固化的”是指使可聚合的組合物經(jīng)受固化條件，其中組合物的反應(yīng)性基團(tuán)的至少一部分發(fā)生反應(yīng)，以形成聚合物?？删酆系慕M合物還可以經(jīng)受固化條件，使得獲得基本上完全固化，并且其中進(jìn)一步固化不會(huì)在聚合物性質(zhì)例如硬度上產(chǎn)生顯著的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0022]術(shù)語(yǔ)“反應(yīng)性”是指能夠與其本身和/或其它官能團(tuán)自發(fā)地或在施加熱或在存在催化劑時(shí)或通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它方式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的官能團(tuán)。
[0023]“聚合物”是指包括均聚物和共聚物，以及低聚物的聚合物?！皬?fù)合材料”是指兩種或更多種不同材料的結(jié)合。
[0024]在本發(fā)明的方法中，基材上的冰積聚通過(guò)將可固化的成膜組合物施涂至基材的表面來(lái)減輕。在本發(fā)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。用于本發(fā)明的實(shí)踐中的黑色金屬基材可包括鐵，鋼，及它們的合金?？捎玫匿摬牧系姆窍拗菩詫?shí)例包括冷軋鋼，鍍鋅(鋅涂覆的)鋼，電鍍鋅鋼，不銹鋼，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復(fù)合材料。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，基材包括復(fù)合材料材料，例如塑料或玻璃纖維復(fù)合材料。在特別的實(shí)施方式中，基材是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片形式的玻璃纖維和/或碳纖維復(fù)合材料。該方法還適于減輕用于渦輪和飛機(jī)零件例如螺旋槳葉片和機(jī)翼的基材上的冰積聚。
[0025] 在沉積任何涂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(guò)完全清潔和脫脂表面從表面除去外來(lái)物質(zhì)。這樣的清潔典型地在將基材形成(壓制，焊接等)為最終使用形狀后進(jìn)行?；牡谋砻婵梢酝ㄟ^(guò)物理或化學(xué)方式進(jìn)行，例如機(jī)械地研磨表面或用堿性或酸性清潔試劑來(lái)清潔/脫脂，所述堿性或酸性清潔試劑是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，例如偏硅酸鈉和氫氧化鈉。清潔試劑的非限制性實(shí)例是CHEMKLEEN163，一種基于堿性的清潔劑，可購(gòu)自PPG Industries, Inc。
[0026]在清潔步驟后，基材可用去離子水或漂洗試劑的水溶液來(lái)漂洗，從而出去任何殘余物。基材可以風(fēng)干，例如，通過(guò)使用氣刀，通過(guò)將基材短暫暴露于高溫而將水蒸除或通過(guò)使基材通過(guò)油皮輥之間。
[0027]基材可為裸露的、經(jīng)清潔的表面；它可為油性的，用一種或多種預(yù)處理組合物預(yù)處理的，和/或用一種或多種涂料組合物、底漆等預(yù)涂覆的，通過(guò)任意方法施涂，包括，但不限于，電沉積、噴涂、浸涂、輥涂、幕涂等。
[0028]在本發(fā)明的方法中，將可固化的成膜組合物施涂到基材的至少一個(gè)表面?；目删哂幸粋€(gè)連續(xù)的表面，或兩個(gè)或更多個(gè)表面，例如兩個(gè)相對(duì)的表面。典型地，經(jīng)涂覆的表面是期待暴露于易于冰積聚的條件的任何表面。
[0029]在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法中施涂到基材的可固化的成膜組合物包含:
[0030](a)包含多個(gè)異氰酸酯官能團(tuán)的固化劑；
[0031](b)至少一種包含多個(gè)與(a)中的異氰酸酯基團(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)的成膜聚合物；和
[0032](C)聚硅氧烷，其存在于所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易于形成冰的條件時(shí)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(huán)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(gòu)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?？梢允褂萌魏魏线m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(huán)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(huán)己基異氰酸酯)的縮二脲。可制備縮二脲的合適的芳烷基三異氰酸酯的實(shí)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(gòu)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(lǐng)域技術(shù)人員已知的合適的材料和技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)鏈的。
[0036]存在于成膜組合物中的多異氰酸酯固化劑(a)的量范圍在10至90重量％，例如40至65重量通常為50至60重量基于組合物中樹(shù)脂固體的總重量。
[0037]本發(fā)明的方法中使用的可固化的成膜組合物進(jìn)一步包括至少一種成膜聚合物
(b)，其具有多個(gè)與(a)中的異氰酸酯基團(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)。此類官能團(tuán)典型地為羥基和/或胺官能團(tuán)。
[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(gè)羥基官能團(tuán)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?？捎玫谋┧峄蚣谆┧岬耐榛グㄔ谕榛泻?-30個(gè)，優(yōu)選4-18個(gè)碳原子的脂族烷基酯。非限制性實(shí)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；乙烯基和亞乙烯基鹵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(tuán)，羥基官能團(tuán)通常通過(guò)用于制備共聚物上的反應(yīng)物中包括一個(gè)或多個(gè)羥基的官能化單體引入聚合物中?？捎玫牧u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(gè)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(nèi)酯和丙烯酸羥烷基酯的羥基官能化加合物，和相應(yīng)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(huán)氧基官能化單體就具有約13-約20個(gè)碳原子的羧酸制備，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(gè)碳原子的環(huán)氧基化合物制備。
[0042]用于制備β_羥基酯官能化單體的可用的烯屬不飽和環(huán)氧基官能化單體包括，但不限于，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(huán)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(lái)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(yōu)選的。羧酸的實(shí)例包括，但不限于，飽和單羧酸例如異硬脂酸和芳族不飽和羧酸。
[0043]用于制備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(lái)酸和富馬酸；和二羧酸的單酯，例如馬來(lái)酸單丁酯和衣康酸單丁酯。烯屬不飽和酸官能化單體和環(huán)氧基化合物典型地以1:1的當(dāng)量比反應(yīng)。環(huán)氧基化合物不含會(huì)參與自由基引發(fā)的與不飽和酸官能化單體聚合的烯屬不飽和度?？捎玫沫h(huán)氧基化合物包括1，2-環(huán)氧戊烷，環(huán)氧苯乙烯和縮水甘油酯或醚，優(yōu)選含8-30個(gè)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(duì)(叔丁基)苯基縮水甘油醚。優(yōu)選的縮水甘油酯包括以下結(jié)構(gòu)的那些:
[0044]

【權(quán)利要求】
1.減羥基材上冰積聚的方法，包括向該基材施涂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(tuán)的固化劑； (b)至少一種包含與(a)中的異氰酸酯基團(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)的成膜聚合物；和 (C)至少一種聚硅氧烷，其存在于所述可固化的成膜組合物中的量足以在承受易于形成冰的條件時(shí)減羥基材上的冰積聚。
2.權(quán)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(quán)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(quán)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(tuán)。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚硅氧烷(c)包含至少一個(gè)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(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述聚硅氧烷包含至少一個(gè)官能團(tuán)。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述聚硅氧烷包括聚二甲基硅氧烷并包含至少兩個(gè)羥基和/或胺官能團(tuán)。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚硅氧烷(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(tuán)有反應(yīng)性。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚硅氧烷(c)包括至少一種包含至少一個(gè)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(tuán)有反應(yīng)性的官能團(tuán)的聚硅氧烷，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(tuán)有反應(yīng)性的聚硅氧烷。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚硅氧烷的數(shù)均分子量為200-14，000。
11.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚硅氧烷存在于所述可固化的成膜組合物中的量為0.5至35重量％，基于所述可固化的成膜組合物中樹(shù)脂固體的總重量。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述聚硅氧烷存在于所述可固化的成膜組合物中的量為10至30重量％，基于所述可固化的成膜組合物中樹(shù)脂固體的總重量。
13.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述可固化的成膜組合物在環(huán)境溫度下固化。
14.權(quán)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/或碳纖維復(fù)合材料。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述基材包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中底漆和/或面漆成膜組合物施涂到所述基材，然后施涂所述可固化的成膜組合物。
【文檔編號(hào)】C09D5/00GK104053730SQ201280066049
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月2日
【發(fā)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·扎里奇 申請(qǐng)人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司