石墨烯纳米片与聚硫化物协同增强环氧纳米复合涂层的机械防护与雨蚀抗性研究

为解决风力涡轮机叶片前缘因高速雨滴冲击导致的侵蚀损伤问题，研究人员开发了一种新型环氧基纳米复合涂层，通过引入石墨烯纳米片(GNP)和环氧封端聚硫化物(EPS35)实现机械耐久性与雨蚀抗性的协同提升。研究表明，优化配方P-28(5% EPS35+0.025% GNP)使交联密度提升223.6%，在150 bar侵蚀条件下材料损失减少38.9%，裂纹抗性提高95.9%，为风电行业提供了环保高效的防护解决方案。

　　

随着全球脱碳进程加速，风力发电已成为可再生能源的重要支柱。然而，风力涡轮机叶片前缘在运行过程中面临严峻挑战——当叶片尖端速度超过100 m/s时，高速雨滴冲击会导致前缘侵蚀(LEE)，这种渐进性损伤可使年发电量降低25%并显著缩短叶片寿命。传统环氧树脂(EP)涂层虽具有优异的粘附性和化学稳定性，但其高交联密度和低断裂延伸率导致的脆性失效模式，难以满足长期抗侵蚀需求。

Northumbria University（诺森比亚大学）的I.M. Hegazy团队在《Progress in Organic Coatings》发表研究，创新性地将环氧封端聚硫化物(EPS35)与石墨烯纳米片(GNP)共混于环氧基质，开发出具有双重增强功能的纳米复合涂层。研究人员通过动态机械分析(DMA)、锥形芯轴测试、冲击阻力评估和雨蚀实验等多技术表征手段，系统研究了不同EPS35(0-20 wt%)和GNP(0-0.1 wt%)配比对材料性能的影响。

关键技术方法包括：采用三辊研磨法制备GNP/EPON 828分散液；通过阶梯研究设计24种配方；使用空气喷涂在钢/玻璃纤维基板上制备150 μm涂层；通过ASTM D522标准评估柔韧性；采用定制侵蚀喷射装置模拟100-150 bar(138.59-169.74 m/s)雨蚀条件；借助Bruker Alicona显微镜分析表面形貌。

机械性能研究

锥形芯轴测试显示，15% EPS35样品(C6)实现零裂纹，而20% EPS35(C7)重现短裂纹，表明存在最佳相分离阈值。GNP在纯EP中会因团聚降低韧性，但在5% EPS35基质中，0.025% GNP(P-28)使裂纹完全消失。冲击测试证实P-28在最大冲击高度(100 cm)无裂纹，展现优异的能量吸收能力。

粘弹性行为解析

DMA揭示EPS35通过降低玻璃化转变温度(T_g)提升柔韧性——5% EPS35使T_g降低7.6°C至67.6°C。GNP的加入则产生非线性效应：P-28(0.025% GNP+5% EPS35)使交联密度(ν_e)从0.00127激增至0.00411 mol/cm³，存储模量(E′)提升30.8%。Cole-Cole图谱显示双半圆特征，证实GNP促进应力在环氧富集相与EPS35富集相间的再分配。

雨蚀抗性突破

在100 bar测试中，P-28仅显示9.5-11 μm表面蚀刻，粗糙度(R_a)稳定在0.51 μm，质量损失0.05%，显著优于商业聚氨酯涂层(CP)的135 μm裂纹和2.27 μm R_a。极端条件(150 bar)下，P-28裂纹抗性比CP提高95.93%，验证了其在实际工况下的可靠性。

该研究通过精确调控EPS35与GNP的协同作用，创建了兼具"刚性岛-柔性海"微观结构和纳米增强效应的新型涂层体系。EPS35通过裂纹钝化、桥接等机制提升韧性，而GNP不仅作为应力波散射中心，还通过裂纹偏转和路径曲折化消耗冲击能量。这种多尺度防护策略为风电、航空航天等领域的表面工程提供了新思路，其无异氰酸酯的环保特性更符合可持续发展要求。研究揭示的"低GNP浓度-中EPS35含量"优化窗口(0.025% GNP+5% EPS35)，为高性能防护涂层的分子设计建立了重要参考基准。