用于輸電線路的鋁基超疏水表面抗覆冰研究

付翊航 王 嫚 李 煒 唐 波 譚新玉，

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院 三峽大學(xué)智潔技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

輸電線路覆冰和積雪嚴(yán)重威脅著寒冷地區(qū)的電 力及通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行.在俄羅斯、加拿大、美國(guó)、日本、英國(guó)、芬蘭、冰島及我國(guó)北部和中西部高寒地帶，輸電線路覆冰導(dǎo)致電路損害以及由此引發(fā)的安全事故時(shí)常發(fā)生.線路覆冰常引起輸電線路倒桿(塔)、斷線和絕緣子閃絡(luò)等重大事故，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害[1-2]，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，世界各國(guó)早已開展了廣泛的研究，設(shè)計(jì)出了防冰除冰的許多方案，到目前為止國(guó)內(nèi)外防冰除冰技術(shù)有許多，如可控硅整流融冰裝置、基于電磁力的除冰方法、利用電動(dòng)機(jī)械裝置的除冰方法、高頻高壓激勵(lì)除冰方法和電脈沖除冰方法等.這些方法大致可概括為4類：①熱力除冰；②機(jī)械除冰；③自然被動(dòng)法；④其他方法.但是以上的方法都是被動(dòng)除冰，不能達(dá)到防覆冰的效果.針對(duì)輸電線路覆冰，應(yīng)以防為主，在雪凍惡劣氣候條件下，防止輸電導(dǎo)線結(jié)冰，可以減少除冰作業(yè)，節(jié)省人力和物力.輸電線路防結(jié)冰技術(shù)領(lǐng)域的許多研究中，在輸電導(dǎo)線表面涂覆防覆冰薄膜是有效延長(zhǎng)結(jié)冰、減少覆冰的措施之一[3].

自20世紀(jì)30年代，國(guó)內(nèi)外研究者們便開始研究電網(wǎng)的覆冰問題，也提出了許多機(jī)械防覆冰、直流防覆冰等多種除冰方式[4-14].2002年，Laforte等[15-16]提出了將超疏水涂層用于防覆冰并可顯著降低冰附著力的結(jié)論，這是最早關(guān)于疏水材料用于防冰的論斷.隨后，Ruan M 等[17]利用電化學(xué)陽極氧化及化學(xué)性刻蝕的方法獲得了具有低潤(rùn)濕接觸角(4°)的超疏水表面，并且發(fā)現(xiàn)將該超疏水表面與普通表面傾斜時(shí)，普通表面在-3.9℃時(shí)冰就開始累積，而該超疏水表面由于液滴極易流走或回彈，可以將冰開始積累的溫度降低至-8℃，從而實(shí)現(xiàn)防覆冰(延緩結(jié)冰)的效果.國(guó)內(nèi)清華大學(xué)關(guān)志成研究團(tuán)隊(duì)提出了一種半導(dǎo)體的絕緣子防覆冰涂層，取得了一些成果[18-21]；重慶大學(xué)孫才新院士、李劍教授組，蔣興良教授組[22-24]，浙江大學(xué)詹曉力教授及湘潭大學(xué)李文教授在通過改性的疏水材料除冰除霜方面，也做了大量的研究.為疏水材料在除冰方面的實(shí)際應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的研究起到了很好的先驅(qū)引領(lǐng)作用.Ruan M[25]和Gustav Graeber[26]在近年發(fā)表的文章中在之前的研究基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的探究，他研究了水滴在超疏水表面覆冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過程，從微觀角度探究了超疏水材料的防覆冰特性.近年重慶市送變電工程有限公司的賽馨[27]以及湖北大學(xué)的涂港[28]做出了關(guān)于超疏水材料在電力系統(tǒng)中的防覆冰應(yīng)用分析，對(duì)超疏水材料關(guān)于系統(tǒng)中絕緣子，線路等組成部分的防覆冰問題做了總括性的描述，為超疏水材料在電力系統(tǒng)中各領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路.此外，華北電力大學(xué)的汪佛池團(tuán)隊(duì)有過對(duì)于鋁單絲表面防覆冰性能影響的研究[29]，利用測(cè)量結(jié)冰質(zhì)量的方法揭示了疏水性對(duì)于鋁線表面覆冰具有影響的特性，其鋁單絲表面水接觸角達(dá)到121.5°.

本文通過疏水改性溶液與硅溶膠混合后制備出硅基超疏水溶液，疏水角達(dá)到了154.5°，通過測(cè)量不同實(shí)驗(yàn)條件下的覆冰面積，以及線路結(jié)冰后脫冰力大小，從宏觀上展示出了文中制備的超疏水溶液良好的防覆冰性能.同時(shí)對(duì)超疏水表面進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，將摩擦因素作為變量再次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為摩擦后的超疏水表面覆冰面積仍小于普通鋁片.文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果為輸電線路防覆冰問題的解決提供了重要的參考依據(jù)，體現(xiàn)了硅基超疏水材料在工程中的應(yīng)用價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 溶液的制備

將0.5g的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到20mL 的丙酮中進(jìn)行溶解，用玻璃棒攪拌直至PMMA 完全溶解.制備體積比為1∶10∶1的原硅酸四乙酯(TEOS)，異丙醇，H2O 加入燒杯中，用HCl調(diào)配pH=3初始溶液，然后在45℃下立即攪拌12h.之后在室溫條件下陳化3d.先通過超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)在80%的強(qiáng)度下粉碎10min，再通過0.22mm 聚偏二氟乙烯(PVDF)過濾.并將PMMA 溶液加入其中磁力攪拌30min.

疏水改性溶液：將十六烷基三甲氧基硅烷，水和異丙醇按照體積比3∶10∶87配制，置于100mL 燒杯中，35℃恒溫磁力攪拌30h.將配置好的疏水改性溶液與硅溶膠按1∶1體積比進(jìn)行混合后制備出硅基超疏水溶液.

1.2 試樣的制備

1.2.1 鋁片超疏水表面的制備

將鋁片分割為4.0cm×4.0cm 的正方形片，依次用丙酮、去離子水超聲波震蕩清洗，將處理好的表面在100℃下烘干.將烘干后的鋁片放入硅基超疏水溶液中浸泡2min，然后放入烘箱中，在120℃下烘干60min得到鋁片超疏水表面.

1.2.2 鋁線超疏水表面的制備

將鋁線用砂紙打磨干凈，清洗方法與上述相同，然后放入1.5%(wt)20min，取出放入烘箱中，在120℃下烘干20min.將烘干后的鋁線放入硅基超疏水溶液中，浸泡3min，然后放入烘箱中，在120℃下烘干60min得到鋁線超疏水表面.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)利用恒溫恒濕箱來模擬類大氣條件下輸電線路的覆冰情況，將制備好的具有硅基超疏水表面的鋁片與鋁線分別放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行覆冰實(shí)驗(yàn)并研究超疏水材料的防冰特性.實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含兩大主體，分別是恒溫恒濕箱(如圖1 所示)和拉力測(cè)試儀(如圖2所示).圖1的裝置用來模擬在不同的溫度下線路的覆冰情況，圖2的裝置是當(dāng)鋁線結(jié)冰后，測(cè)量鋁線脫冰時(shí)拉力的大小，根據(jù)拉力變化與時(shí)間的關(guān)系來反映防覆冰性能，圖3 給出了鋁線與結(jié)冰容器的3D 圖示.

圖1 恒溫恒濕箱

圖2 測(cè)量脫冰力的拉力測(cè)試儀器

圖3 鋁線與結(jié)冰容器的3D 圖

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁基超疏水表面的防覆冰性能測(cè)試

2.1.1 水接觸角對(duì)比

在工作中，原硅酸四乙酯(TEOS)已被用于制造疏水性/超疏水性基材，源自其內(nèi)在的納米結(jié)構(gòu).十六烷基三甲氧基硅烷是一種表面改性劑，用于充當(dāng)束縛納米粒子的偶聯(lián)劑.此外，它還改善了二氧化硅納米粒子的疏水性.普通鋁片的靜態(tài)水接觸角為83.0°±0.25°(如圖4b所示)，經(jīng)過超疏水處理后的鋁片的靜態(tài)水接觸角為154.5°±0.25°(如圖4a所示).

圖4 硅基超疏水溶液處理過的鋁片(A)和普通鋁片(B)水接觸角

圖4中硅基超疏水溶液處理過的鋁片A 水接觸角為154.5°，未做任何處理的普通鋁片B其表面水接觸角為83.0°.硅基超疏水溶液使得鋁片A 具有了達(dá)到超疏水標(biāo)準(zhǔn)的水接觸角，過冷水與鋁片接觸時(shí)，更加容易從樣品上滾走，形成的凝結(jié)核也較少，從覆冰原理上達(dá)到了防覆冰效果.

2.1.2 防覆冰性能

將硅基超疏水溶液處理后的鋁片與空白鋁片同時(shí)放入環(huán)境溫度為-4℃恒溫恒濕箱中，讓兩組樣品與水平面成45°夾角，并向兩組鋁片噴撒水霧模擬下雨天氣，觀察并記錄不同時(shí)間下其結(jié)冰狀態(tài)，并且測(cè)量其覆冰面積，繪制出覆冰面積與時(shí)間的關(guān)系曲線.

首先，研究了在不同時(shí)間段鋁片表面的覆冰情況如圖5所示.圖5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別是在不同時(shí)間下兩塊鋁片表面的覆冰情況.圖中左邊是用超疏水材料鍍膜后的鋁片，右邊是未經(jīng)處理過的當(dāng)作對(duì)照組的鋁片.從圖5中5組實(shí)驗(yàn)可以看出，無論左邊的鋁片還是右邊的鋁片，它們表面的覆冰面積是隨著時(shí)間的增加而增加的.但5組實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過硅基溶液處理后的鋁片表面覆冰都比右邊鋁片上的覆冰要少.

圖5 -4℃條件下2 h、4 h、6 h、8 h、10 h時(shí)硅基溶液處理過的鋁片與普通鋁片的表面覆冰情況

其次，探索了不同時(shí)間下，兩組實(shí)驗(yàn)鋁片表面覆冰面積，并繪制覆冰面積與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖6所示.覆冰2h時(shí)，用硅基超疏水溶液處理過的鋁片上面的結(jié)冰面積明顯比未處理過的鋁片要小.4h后，處理過的鋁片上面的冰堆積比未處理的鋁片少很多.這與實(shí)驗(yàn)中用到的硅基超疏水溶液具有滾動(dòng)角小的特性，導(dǎo)致鋁片表面水滴更難附著相一致，進(jìn)而獲得了在具有疏水膜表面不容易覆冰的效果.

隨著時(shí)間的增加，可以發(fā)現(xiàn)，處理過的鋁片表面覆冰面積都比普通鋁片表面覆冰面積小.這也表明用制備的超疏水材料處理過的鋁片表面具有良好的防覆冰性能.

圖6 鋁片表面覆冰面積占鋁片總面積比值與時(shí)間的關(guān)系曲線圖

2.1.3 耐摩擦性能

從上述分析可知本文提出的超疏水材料對(duì)于鋁片表面覆冰有較好的抑制作用，但在實(shí)際工程中，摩擦是不可避免的因素，因此本文對(duì)于耐摩擦性能做了進(jìn)一步的探究.

由于鋁片本身的硬度不夠，容易直接被破壞.為了探究制備的超疏水抗冰表面的耐摩擦性能，采用了Xu Deng、Lena Mammen[30]所用的摩擦實(shí)驗(yàn)的方法，通過如圖7所示裝置將30g沙粒自25cm 的高處落下，沖擊與地面成45°角的實(shí)驗(yàn)鋁片，進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn).然后觀察記錄其覆冰情況，并且繪制其覆冰面積隨時(shí)間變化的曲線圖.

圖7 摩擦實(shí)驗(yàn)裝置

首先，觀察并記錄了摩擦后的鍍膜鋁片與普通鋁片不同時(shí)間下表面的覆冰情況，如圖8所示.

圖8 2 h、4 h、6 h、8 h、10 h時(shí)分別經(jīng)過摩擦實(shí)驗(yàn)后的鍍膜鋁片與普通鋁片的表面覆冰情況

圖8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別是摩擦后的硅基超疏水表面鋁片和摩擦后的普通鋁片在不同時(shí)間下表面的覆冰情況.左邊是具有超疏水表面的鋁片，而右邊是未做任何處理的鋁片作為對(duì)照組.比較兩組進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)后的鋁片表面覆冰情況，可以看出具有超疏水表面的鋁片表面覆冰面積比普通鋁片表面覆冰面積小.2h時(shí)，可以明顯看出超疏水表面鋁片有極少部分結(jié)冰，而普通鋁片表面已經(jīng)出現(xiàn)有部分結(jié)冰的情況.當(dāng)時(shí)間達(dá)到10h 時(shí)，兩組鋁片表面覆冰都較多，無法呈現(xiàn)出直觀的防覆冰效果，于是通過測(cè)量覆冰面積來對(duì)比兩組鋁片的防覆冰性能.

其次，測(cè)量不同時(shí)間下，鍍膜鋁片摩擦后表面覆冰面積，并繪制普通鋁片表面以及鍍膜鋁片摩擦前后表面覆冰面積與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖9所示.

圖9 鍍膜鋁片摩擦前后表面覆冰面積比及普通鋁片表面覆冰面積比隨時(shí)間的關(guān)系曲線圖

通過對(duì)比不同時(shí)間段下鍍膜鋁片進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)前后表面覆冰面積比以及普通鋁片的覆冰面積比發(fā)現(xiàn)，鍍膜鋁片摩擦前后表面的覆冰面積都小于普通鋁片，這表明文中的硅基超疏水表面經(jīng)過摩擦后，仍然具有良好的防覆冰性能.但在4h后摩擦后的鍍膜鋁片仍有覆冰減少，但是較摩擦前鍍膜鋁片防覆冰性能有所下降，這是研制的硅基超疏水溶液的不足之處，還需要進(jìn)一步的探索研究，使其性能更加優(yōu)化.總之具有硅基超疏水表面的鋁片在摩擦前后都有效地減少了冰的附著，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防覆冰性能.

2.2 輸電線路超疏水表面覆冰性能測(cè)試

由于輸電線路的材料是鋼芯鋁絞線，進(jìn)行抗覆冰性能實(shí)驗(yàn)時(shí)無法直觀觀察和測(cè)量，因此在之前的實(shí)驗(yàn)中采用了與其材料相同的鋁片.接下來為了更直觀地對(duì)線路防覆冰效果進(jìn)行研究，所以將鋁單絲作為實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中一組用硅基溶液進(jìn)行處理而另外一組作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)不做任何處理.然后將兩組同時(shí)放入-4℃的環(huán)境中，在相同時(shí)間下結(jié)冰.圖10為兩組實(shí)驗(yàn)覆冰形貌的對(duì)比圖.圖10中每幅圖上方的為未經(jīng)處理的對(duì)照組，下方為具有超疏水表面的鋁單絲.分別取兩組實(shí)驗(yàn)鋁線上的3 個(gè)點(diǎn)，方便對(duì)照觀察記錄.在20min時(shí)超疏水鋁單絲上只有極少的小水滴，普通鋁線上已經(jīng)有部分小冰珠.當(dāng)時(shí)間達(dá)到100min時(shí)，普通鋁線上已經(jīng)結(jié)滿了冰珠，并且選做參考的位置部分已經(jīng)形成了小的冰錘，而用硅基溶液處理后的鋁單絲上只有部分冰珠.當(dāng)時(shí)間達(dá)到180min時(shí)普通鋁線上出現(xiàn)多個(gè)冰錘，普通鋁線位置3的冰錘長(zhǎng)度較長(zhǎng).超疏水鋁線上出現(xiàn)的冰錘數(shù)量和長(zhǎng)度卻十分有限.上述表明硅基超疏水表面的鋁單絲有較好的防覆冰性能.

圖10 兩組實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的覆冰過程

為了進(jìn)一步研究鋁線防覆冰性能，展開了對(duì)覆冰后脫冰力的實(shí)驗(yàn)研究.剪切應(yīng)力與剪切力及橫截面積的關(guān)系如式(1)所示

式中，τ是剪切應(yīng)力(MPA)；F是剪切力(N)；A是橫截面積(mm2).在鋁線脫冰過程中冰的粘附能力可以通過τ來體現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)中鋁線的橫截面積是相同的，所以最終冰的粘附能力直接由剪切力大小來反映.得到的脫冰力的大小與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖11所示.

圖11 兩組鋁線在2h、3h、4h時(shí)脫冰力的大小

從圖中可以看出，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2h時(shí)，用超疏水材料處理過的鋁線脫冰所需要力的大小為25N，而未處理的線路脫冰需要29.4N，當(dāng)3h時(shí)處理過的鋁線脫冰所需要力的大小為69.09N，未處理的需要81.46N，未處理的鋁線所需的力比處理過的鋁線脫冰力要大.當(dāng)覆冰時(shí)間繼續(xù)增加至4h，此時(shí)兩組鋁線脫冰力仍然增加但此時(shí)增加的幅度比之前要少，此時(shí)兩組線路都已完全覆冰，脫冰力的大小同3h時(shí)的情形相比差別已不大.比較240min時(shí)兩組實(shí)驗(yàn)的脫冰力大小，用超疏水材料處理過的鋁線上的冰仍然比未處理的要更加容易脫落.此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了硅基超疏水材料在線路上良好的防覆冰性能.

3 結(jié) 論

本文就鋁基超疏水表面抗冰特性進(jìn)行了研究，在鋁片和輸電鋁線表面涂覆制備的硅基超疏水溶液，使鋁基表面疏水角達(dá)到154.5°.該材料在鋁片和鋁線上體現(xiàn)出了優(yōu)良的防覆冰性能.同時(shí)該硅基超疏水材料是一種納米級(jí)別的薄膜，較之前一些研究的涂層和油漆相比較它成本低，易制備.通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，以鋁材質(zhì)為基底鍍上超疏水材料后，形成了一層超疏水薄膜，使不同時(shí)間下鋁片表面覆冰面積都比普通鋁片小，展示了優(yōu)良的抗覆冰性能.將兩組鋁片進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過摩擦后具有硅基超疏水表面的鋁片抗冰表現(xiàn)仍然優(yōu)異.本文研究出的硅基超疏水表面良好的抗覆冰性能將為輸電線路覆冰問題的解決提供積極的參考作用.