特殊工業(yè)粉塵地區(qū)絕緣子超疏水涂層應(yīng)用效果研究

李明哲，邵仕超，吳笑寒，梅紅偉，王黎明

(清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518000)

0 引言

復(fù)合絕緣子耐污閃性能顯著優(yōu)于瓷、玻璃絕緣子，因此能有效降低污閃風(fēng)險(xiǎn)[1—3]。但長(zhǎng)期運(yùn)行后，復(fù)合絕緣子會(huì)因電暈放電、紫外線等因素而出現(xiàn)老化，表現(xiàn)為憎水性下降、褪色、開裂等[4—6]，閃絡(luò)電壓持續(xù)下降，甚至引發(fā)絕緣失效及污閃事故。

江蘇省鹽城市響水縣的某化工園區(qū)附近是一類典型的特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，特點(diǎn)是沿海且離化工污源較近，絕緣子表面污穢度高，污穢成分既有化工污穢又有高濃度的氯化鈉，污閃事故頻發(fā)，復(fù)合絕緣子運(yùn)行約1～2 a后即出現(xiàn)燒蝕，壽命顯著低于預(yù)期。

在這類特殊工業(yè)粉塵地區(qū)，復(fù)合絕緣子的應(yīng)用有部分局限：一是硅橡膠材料相比于瓷、玻璃更容易積累污穢，長(zhǎng)期運(yùn)行后表面污穢度高[7—8]；二是絕緣子表面污穢成分與污源密切相關(guān)[9—10],高鹽霧環(huán)境及化工污源將明顯降低附近絕緣子的閃絡(luò)電壓；三是高濕環(huán)境下，硅橡膠材料易發(fā)生劣化，引發(fā)憎水性分布不均[11]。因此，特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子容易發(fā)生老化，運(yùn)行壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期。

超疏水材料的原理通常有2種：一種是使用低表面能物質(zhì)修飾表面，以降低材料表面能；另一種是在材料表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。一般將2種方法結(jié)合以制備超疏水涂層。超疏水涂層具備靜態(tài)接觸角優(yōu)異(>150°)、滑移角小(<10°)等優(yōu)點(diǎn)，因此水滴容易從其表面滑落[12—14]，并將污穢物帶離絕緣子表面，于是具備優(yōu)異的自清潔性能。同時(shí)，超疏水涂層具備優(yōu)良的耐電蝕損性能，其與硅橡膠材料配合有望解決特殊工業(yè)粉塵地區(qū)復(fù)合絕緣子運(yùn)行壽命較短的問題。

在電力能源領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)深入研究了超疏水涂層在防覆冰領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了一系列成果[15—18]。近年來，也有研究人員注意到超疏水涂層在防污閃方面廣闊的應(yīng)用前景，通過人工閃絡(luò)試驗(yàn)，研究了超疏水涂層的防污閃性能以及涂層在霧霾下的運(yùn)行性能[19—22]。但現(xiàn)有研究多針對(duì)超疏水涂層在實(shí)驗(yàn)室條件下的積污特性及閃絡(luò)特性，長(zhǎng)期帶電運(yùn)行后超疏水涂層的老化性能及涂層對(duì)硅橡膠材料的保護(hù)能力方面尚無深入研究。

為了研究超疏水涂層在帶電線路長(zhǎng)期運(yùn)行后的性能表現(xiàn)及應(yīng)用效果，文中選取江蘇鹽城響水縣德陳884線上運(yùn)行10個(gè)月的超疏水涂層，分析超疏水涂層在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的運(yùn)行效果及防污閃能力，通過污穢度測(cè)試、X射線光電子能譜分析、熱失重分析及傅里葉紅外光譜分析等分析了涂層與普通復(fù)合絕緣子積污特性的差異、涂層的憎水性性能、老化性能及涂層對(duì)內(nèi)部硅橡膠基體材料的保護(hù)能力，所得結(jié)果反映了特殊工業(yè)粉塵地區(qū)超疏水涂層的應(yīng)用效果，能為后續(xù)研究提供參考。

1 試樣選取及試驗(yàn)方法

1.1 試樣選取

110 kV絕緣子由江蘇省鹽城市響水縣供電局提供，超疏水涂層由國(guó)內(nèi)某廠家提供，2支絕緣子其中一支涂覆超疏水涂層，另一支不做任何處理，然后將2支絕緣子在同一時(shí)刻安裝在德陳884線46號(hào)和47號(hào)桿塔運(yùn)行10個(gè)月。運(yùn)行前后的超疏水涂層復(fù)合絕緣子及運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子如圖1所示。

圖1 運(yùn)行前后超疏水涂層復(fù)合絕緣子Fig.1 Superhydrophobic coating composite insulator before operation and after operation

1.2 污穢度測(cè)量

絕緣子污穢度檢測(cè)參照GB/T 26218.1—2010進(jìn)行，計(jì)算出等值鹽密(equivalent salt deposit density,ESDD)和灰密(non-soluble deposit density，NSDD)表征污穢中可溶鹽和難溶灰分含量。

1.3 憎水性能測(cè)量

選取每支絕緣子相同位置的傘裙作為樣品進(jìn)行試驗(yàn)，洗去自然污穢，按照DL/T 376—2010的規(guī)定測(cè)量其憎水性能及憎水性的減弱、恢復(fù)特性。

采用靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x(Dataphysics-OCA20)測(cè)量絕緣子傘裙及超疏水涂層試片的憎水角，在試片表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量其憎水角，取其平均值作為憎水角測(cè)量結(jié)果。超疏水涂層的憎水角測(cè)量過程中的一組典型測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 超疏水涂層憎水角測(cè)量結(jié)果Fig.2 Measurement results of contact angle of superhydrophobic coating

1.4 微觀分析

由于硅橡膠材料的老化常常是由表及里的，老化層厚度多為微米級(jí)至毫米級(jí)，因此可認(rèn)為傘裙內(nèi)部硅橡膠材料未老化。于是，取傘裙內(nèi)部與表面的材料進(jìn)行微觀分析，可以得知傘裙表面材料的老化程度，文中主要進(jìn)行了傅里葉紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)分析及熱失重分析(thermogravimetric analyzer，TGA)。使用傅里葉變換紅外光譜儀(Thermo Scientific Nicolet iS 50)對(duì)樣品進(jìn)行了FTIR分析。使用熱失重分析儀(MDTC-EQ-M35-01)對(duì)樣品進(jìn)行了TGA。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超疏水涂層的積污性能

選取在德陳884線46號(hào)和47號(hào)桿塔運(yùn)行10個(gè)月的復(fù)合絕緣子及涂覆有超疏水涂層的同型號(hào)絕緣子各一支，同時(shí)取附近線路運(yùn)行了1 a以上的一支復(fù)合絕緣子為參考絕緣子。

按GB/T 26218.1—2010對(duì)絕緣子表面污穢度進(jìn)行了測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 絕緣子污染物的等值鹽灰密Table 1 Equivalent salt density and grayscale of insulator contaminant mg·cm-2

參考絕緣子表面污穢度明顯高于其他2支絕緣子，主要有兩方面原因：(1)參考絕緣子運(yùn)行時(shí)間較其他2支絕緣子更長(zhǎng)；(2)近一年響水地區(qū)環(huán)境治理成效顯著，1號(hào)、2號(hào)絕緣子運(yùn)行環(huán)境要顯著優(yōu)于參考絕緣子。

對(duì)比涂有超疏水涂層的絕緣子與普通運(yùn)行的絕緣子可以看出，涂覆超疏水涂層的絕緣子表面污穢度明顯更低，其ESDD僅為未涂涂層絕緣子63%左右，NSDD為未涂涂層絕緣子80%左右。這是由于超疏水涂層表面有著極強(qiáng)的憎水性，水珠從其表面滑落的同時(shí)會(huì)帶走污穢，因此涂有超疏水涂層的絕緣子表現(xiàn)出較好的自潔性能。

2.2 超疏水涂層的憎水性分析

參照DL/T 376—2010，測(cè)試了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存10個(gè)月的超疏水涂層(編號(hào)a)、運(yùn)行10個(gè)月的超疏水涂層(編號(hào)b)以及同樣環(huán)境條件下運(yùn)行10個(gè)月的普通硅橡膠復(fù)合絕緣子(編號(hào)c)的憎水性能、憎水性減弱性能及憎水性恢復(fù)性能，靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果如表2所示，噴水分級(jí)法測(cè)量結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3 憎水性能測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of hydrophobicity

圖4 憎水性減弱特性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of reduction of hydrophobicity

圖5 憎水性恢復(fù)特性測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of recovery of hydrophobicity

表2 憎水性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Hydrophobicity test data

從憎水性測(cè)試結(jié)果看，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保存的超疏水涂層保持了極佳的憎水性能，憎水角可達(dá)140°，噴水30次后，其表面也僅有細(xì)密的小水珠，可歸入HC1級(jí)。而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行10個(gè)月后的超疏水涂層憎水性能略有下降，但憎水角仍達(dá)到了137°，噴水30次后，表面出現(xiàn)了較大的水珠，可歸入HC1～2級(jí)。運(yùn)行10個(gè)月的普通絕緣子的憎水性相較超疏水涂層絕緣子要略差，但依然保持了憎水角130°以上、HC2級(jí)的優(yōu)異憎水性。

超疏水涂層在去離子水中浸泡96 h后，依然保持了優(yōu)異的憎水性，表面僅有細(xì)密的小水珠，分級(jí)為HC1～2?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了10個(gè)月后的超疏水涂層的靜態(tài)接觸角已下降至100°以下，表面也出現(xiàn)了水帶和部分水膜，為HC5～6級(jí)，憎水性的減弱特性較差。普通復(fù)合絕緣子的憎水角及分級(jí)水平均優(yōu)于超疏水涂層。這說明超疏水涂層在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)了老化，在遇到長(zhǎng)時(shí)間的大霧天氣等惡劣氣象條件時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下靜置96 h后，3個(gè)樣品的憎水角都有了一定程度的恢復(fù)，超疏水涂層達(dá)到HC1～2的優(yōu)異憎水性，而運(yùn)行后的超疏水涂層盡管接觸角顯著增大，但其分級(jí)結(jié)果依然不理想，僅恢復(fù)到了HC4～5級(jí)的水平，運(yùn)行后的普通絕緣子表現(xiàn)優(yōu)于運(yùn)行后的超疏水涂層，接觸角雖然比運(yùn)行后超疏水涂層略低，但噴水分級(jí)法達(dá)到了3～4級(jí)，分級(jí)測(cè)試結(jié)果優(yōu)于運(yùn)行后的涂層。

分析以上測(cè)試結(jié)果，盡管實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存的超疏水涂層憎水角未能達(dá)到150°，但其依然具備優(yōu)異的憎水性、憎水性減弱特性及憎水性恢復(fù)特性。運(yùn)行10個(gè)月后的超疏水涂層僅能保持較好的憎水性，其憎水性的減弱和恢復(fù)特性都有了明顯下降，說明涂層在運(yùn)行過程中發(fā)生了老化。經(jīng)過認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行后超疏水涂層的厚度明顯降低，表面形貌發(fā)生了變化。新涂覆的超疏水涂層表面密布微凸起，這種微觀形貌有助于提高其表面憎水性，但是運(yùn)行后凸起變稀疏，在噴水分級(jí)的過程中，凹陷區(qū)域容易積存水分，致使其表面憎水性迅速下降。

2.3 超疏水涂層的微觀分析

為了進(jìn)一步分析超疏水涂層在運(yùn)行前后的性能變化，對(duì)超疏水涂層及硅橡膠材料進(jìn)行了FTIR分析及TGA測(cè)試，分析了超疏水涂層的老化性能及涂層對(duì)內(nèi)部硅橡膠的保護(hù)能力。

2.3.1 FTIR分析

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下保存的超疏水涂層及運(yùn)行后的超疏水涂層的FTIR分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 超疏水涂層紅外光譜Fig.6 Infrared spectrum of superhydrophobic coating

結(jié)果表明，超疏水涂層主要有800 cm-1、1 000～1 100 cm-1、1 250 cm-1、2 950 cm-1、3 100～3 700 cm-1等幾處特征峰，運(yùn)行前后超疏水涂層特征峰的位置沒有發(fā)生明顯改變，也沒有產(chǎn)生新的特征峰，但是主要的幾處特征峰的面積、峰高均有明顯縮小，尤其是3 100～3 700 cm-1處的幾個(gè)特征峰在老化后幾乎不可見。這說明超疏水涂料在經(jīng)過10個(gè)月的運(yùn)行后發(fā)生了明顯老化。

運(yùn)行后普通絕緣子表面及內(nèi)部紅外光譜的差異分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 硅橡膠絕緣子紅外光譜Fig.7 Infrared spectrum of silicone rubber insulator

從普通絕緣子兩處低波數(shù)側(cè)(1 400～600 cm-1)紅外光譜可以看出，硅橡膠主鏈Si—O—Si、交聯(lián)基團(tuán)中的Si—O以及Si—CH3中的C—H內(nèi)外部吸收峰變化均不明顯，僅表現(xiàn)為表面吸收峰微弱下降(透過率升高)，因此該絕緣子有機(jī)主鏈成分和側(cè)鏈甲基的老化并不明顯。

高波數(shù)側(cè)(3 800～2 800 cm-1)紅外光譜可以看出，絕緣子表面的CH3的CH(2 960 cm-1附近)峰也未有明顯減弱，說明其側(cè)鏈基本無老化，但是材料表面硅橡膠OH的吸收峰有所減弱，變化情況比有機(jī)成分更加明顯。其原因可能是隨著運(yùn)行過程中復(fù)合絕緣子表面出現(xiàn)過放電或高溫現(xiàn)象，導(dǎo)致阻燃劑氫氧化鋁流失，從而造成OH吸收峰強(qiáng)減小。

FTIR測(cè)試結(jié)果表明，運(yùn)行10個(gè)月后，超疏水涂層出現(xiàn)了明顯老化，硅橡膠絕緣子雖也有部分老化，但老化程度較輕。

2.3.2 TGA測(cè)試

為了分析超疏水涂層對(duì)內(nèi)部硅橡膠材料的保護(hù)效果，使用刮刀輕輕刮去超疏水涂層，對(duì)比了刮去表面涂層后暴露的硅橡膠材料與內(nèi)部硅橡膠材料的熱失重曲線，同時(shí)對(duì)比了普通硅橡膠材料表面與內(nèi)部的熱失重曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 硅橡膠材料的熱失重曲線Fig.8 Thermogravimetric curves of silicone rubber material

硅橡膠主要組分包括有機(jī)硅、氫氧化鋁和白炭黑，3種主要組分的熱分解行為有較顯著區(qū)別。氫氧化鋁主要在220～320 ℃的溫度范圍內(nèi)有吸熱分解，而有機(jī)硅的熱分解溫度范圍在350～570 ℃。利用有機(jī)硅、氫氧化鋁和白炭黑的熱分解溫度范圍不重疊的特點(diǎn)，對(duì)硅橡膠樣品進(jìn)行高溫?zé)岱纸?，測(cè)量樣品在一定溫度范圍內(nèi)的熱失重率，可以較為精確地計(jì)算出硅橡膠內(nèi)有機(jī)硅(含有機(jī)助劑)、氫氧化鋁和白炭黑(含穩(wěn)定無機(jī)填料)含量。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)樣品中有機(jī)成分、氫氧化鋁及二氧化硅填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了估算，結(jié)果如表3所示。

表3 硅橡膠組分含量Table 3 Component content of silicone rubber %

刮去超疏水涂層后的復(fù)合絕緣子的表面及內(nèi)部的熱失重曲線基本重合，各組分的含量也未有明顯變化，證明超疏水涂層內(nèi)部的硅橡膠材料未出現(xiàn)老化，說明超疏水涂層對(duì)內(nèi)部的硅橡膠絕緣子材料起到了較好的保護(hù)作用。

普通絕緣子表面及內(nèi)部的熱失重曲線存在明顯差異，組分含量計(jì)算結(jié)果表明，主要是表面材料的氫氧化鋁及白炭黑組分含量降低，這與FTIR測(cè)試結(jié)果一致。說明普通絕緣子在10個(gè)月的運(yùn)行后出現(xiàn)了一定程度的老化。

3 結(jié)論

特殊工業(yè)粉塵地區(qū)對(duì)絕緣材料的憎水性、自潔性及耐電蝕損性能提出了較高的要求，因此超疏水涂層在特殊工業(yè)粉塵地區(qū)具備廣闊的應(yīng)用前景，為了研究超疏水涂層在該地區(qū)的長(zhǎng)期運(yùn)行性能表現(xiàn)，文中以特殊工業(yè)粉塵地區(qū)運(yùn)行的涂覆超疏水涂層的復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，研究了典型工業(yè)粉塵環(huán)境中超疏水涂層的長(zhǎng)期運(yùn)行性能表現(xiàn)，得到如下結(jié)論：

(1)超疏水涂層具備優(yōu)異的憎水性及自清潔性，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，超疏水涂層絕緣子表面ESDD較普通復(fù)合絕緣子低37%，NSDD低20%。超疏水涂層能顯著降低絕緣子表面污穢度。

(2)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，超疏水涂層依然能保持優(yōu)秀的憎水性，但由于涂層的破損及老化，其憎水性的減弱特性及恢復(fù)特性都有明顯降低。

(3)盡管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后超疏水涂層出現(xiàn)了明顯老化，但涂層對(duì)內(nèi)部的絕緣材料起到了較好的保護(hù)作用，運(yùn)行10個(gè)月后，涂層內(nèi)部材料未發(fā)生明顯老化。

(4)盡管超疏水涂層能夠滿足特殊工業(yè)粉塵地區(qū)的運(yùn)行性能要求，并且取得了良好的應(yīng)用效果，但涂層老化速度較快，因此一定程度上限制了涂層的應(yīng)用。電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)選用耐老化性能優(yōu)異的超疏水涂層，以提高長(zhǎng)期運(yùn)行后涂層的憎水性減弱及恢復(fù)特性，降低運(yùn)維壓力。