納米SiO2/聚酰胺網(wǎng)超疏水復(fù)合材料沿面閃絡(luò)特性研究

馬國爽，劉兆宸，閆紀(jì)源，謝 慶，王 鵬

（華北電力大學(xué) a.電氣與電子工程系；b.機(jī)械工程系，河北 保定 071000）

0 引言

高壓電力設(shè)備，特別是以絕緣子為代表的室外絕緣設(shè)備，對材料表面的沿面閃絡(luò)性能提出越來越高的要求[1]。在霧、露、小雨等濕潤條件下，絕緣子表面更易形成導(dǎo)電通路，進(jìn)而導(dǎo)致閃絡(luò)事故的發(fā)生，有研究表明超疏水表面利于抑制這一現(xiàn)象的發(fā)生[2]。研究具有較高閃絡(luò)性能的超疏水復(fù)合絕緣材料能夠有效減少沿面閃絡(luò)導(dǎo)致的電力系統(tǒng)故障[3]。

研究表明，通過修飾絕緣體表面來抑制表面電荷積累、平均電場分布防止電場畸變可以有效提升材料表面的絕緣性能，通常采用微納米填料[4]、表面涂層、氟化或磁化等改性處理和梯度處理[5]等手段。表面改性改變了絕緣體表面化學(xué)成分及表面形貌[6]，影響了電導(dǎo)率和表面電荷消散速率，通過對材料表面深淺陷阱能級的改變提升了閃絡(luò)性能[7]。近年來，超疏水表面制備及表面特性的相關(guān)研究也正逐漸深入。制備超疏水表面通常采用形成表面微納米結(jié)構(gòu)、降低表面自由能兩種思路制備，具體有模板、刻蝕、涂覆、沉積、溶解再凝固等方法[8-9]。

在現(xiàn)有研究的啟發(fā)下，本研究提出“絕緣基底+聚酰胺網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu)+疏水納米顆粒改性”的制備策略，制備具有較高閃絡(luò)性能和超疏水性能的復(fù)合材料。以戶外絕緣子常用的硅橡膠材料為基底，以不同目數(shù)的商業(yè)聚酰胺網(wǎng)為骨架，通過溶解再凝固沉積納米SiO2材料進(jìn)行改性，同時(shí)，納米SiO2顆粒作為提升閃絡(luò)性能的常用材料已通過預(yù)先接枝含氟基團(tuán)做疏水處理，降低材料表面自由能，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料疏水性能和閃絡(luò)性能的同時(shí)提升。本研究通過聚酰胺網(wǎng)和納米顆粒從微米、納米兩種尺度改變材料表面的粗糙結(jié)構(gòu)，從表面結(jié)構(gòu)和降低表面自由能兩種角度實(shí)現(xiàn)材料表面的超疏水性能；通過聚酰胺網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)改變爬電距離和納米SiO2顆粒對閃絡(luò)性能進(jìn)行提升，并探究對于材料閃絡(luò)性能提升效果最優(yōu)的聚酰胺網(wǎng)目數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及制備

帶背膠的硅橡膠，厚度為1 mm，上海韜哲橡膠制品有限公司；聚酰胺網(wǎng)，40、120、200、300、400、500目，江蘇宏浩絲網(wǎng)有限公司；疏水SiO2納米顆粒，型號為R812，粒徑為7～40 nm，De-gussa公司；甲酸、乙醇，分析純，天津科茂化學(xué)試劑有限公司。

制備時(shí)，配制20 g甲酸、乙醇混合溶液，兩者質(zhì)量比為3.5∶6.5。攪拌10 min至均勻后，向混合溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的改性納米SiO2粉末形成懸濁液。

使用前進(jìn)一步攪拌懸濁液60 min至均勻。將懸濁液和聚酰胺網(wǎng)置于密封容器，確保懸濁液浸沒聚酰胺網(wǎng)。密封容器后，將容器置于60℃干燥箱中處理1 h。最后，將聚酰胺網(wǎng)取出并風(fēng)干。風(fēng)干后的聚酰胺網(wǎng)直接經(jīng)由硅橡膠產(chǎn)品本身背膠固定在表面。圖1為樣品制備流程及40目聚酰胺網(wǎng)復(fù)合表面實(shí)物圖。

圖1 樣品制備流程Fig.1 Preparation process of samples

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

使用掃描電子顯微鏡（SEM）測試聚酰胺網(wǎng)的表面顯微結(jié)構(gòu)；使用能譜儀（EDS）測定樣品的化學(xué)成分；通過自制的接觸角測量平臺來測量接觸角，接觸角試驗(yàn)中使用的是5 μL的水滴；通過搭建的閃絡(luò)測試平臺對樣品的沿面閃絡(luò)電壓進(jìn)行測試。

沿面閃絡(luò)特性測試平臺如圖2所示。主要部件有直流電源、高壓測量探頭（Tektronix公司P6015A型）和示波器（Tektronix公司DPO 2002B型）。將樣品放置在一個圓柱形不銹鋼封閉試驗(yàn)室中，其外徑為300 mm，高度為350 mm，腔厚為8 mm。艙室的氣體環(huán)境為空氣，試驗(yàn)壓力為101.3 kPa。試驗(yàn)溫度為室溫，相對濕度約為40%。測試電極為針-針電極，與樣品的間距為7 mm。測試時(shí)將針-針電極調(diào)整到樣品的中心，然后打開直流電源。測試電壓以0.5 kV/s的速度線性上升，直到閃絡(luò)發(fā)生，電壓立即降至0 kV/s。每個樣本測試10次，間隔為1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM和EDS分析

以300目聚酰胺網(wǎng)為例，經(jīng)溶解再凝固處理后，其SEM圖像如圖3(a)所示。在圖3(a)的低倍圖像中聚酰胺網(wǎng)網(wǎng)絲已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出被甲酸溶解后的傷痕，從網(wǎng)絲表面可以發(fā)現(xiàn)許多尺寸從幾微米到幾十微米的微尺度凸起。從高倍SEM圖像可以觀測到聚酰胺網(wǎng)絲上更細(xì)密的傷痕，微尺度凸起則是納米SiO2顆粒聚集的結(jié)果。

采用能譜儀（EDS）測試溶解再凝固復(fù)合材料樣品的硅元素分布如圖3(b)所示，圖中的斑點(diǎn)即為硅元素。從圖3(b)可以看出，硅元素經(jīng)溶解再凝固方法處理后已經(jīng)成功沉積在聚酰胺網(wǎng)表面。

圖3 300目聚酰胺網(wǎng)試驗(yàn)組SEM、EDS測試圖像Fig.3 SEM and EDS test images of 300 mesh polyamide mesh experimental group

2.2 疏水性能及閃絡(luò)測試結(jié)果

圖4為40目聚酰胺網(wǎng)試驗(yàn)組的疏水性能與閃絡(luò)性能測試結(jié)果。目前，業(yè)界認(rèn)為接觸角達(dá)到150°即為超疏水材料。從圖4(a)可以看出，40目聚酰胺網(wǎng)復(fù)合材料的接觸角達(dá)到152°，實(shí)現(xiàn)了超疏水功能化改性。圖4(b)是不同目數(shù)聚酰胺網(wǎng)的復(fù)合材料的疏水性能及閃絡(luò)性能測試結(jié)果，從圖4(b)可以看出，在聚酰胺網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和疏水納米顆粒兩種尺度上的微觀結(jié)構(gòu)作用下，在表面形貌和含氟基團(tuán)的低表面能雙重因素的作用下，試驗(yàn)樣品表面實(shí)現(xiàn)了超疏水功能。并且伴隨著聚酰胺網(wǎng)目數(shù)的增加，更細(xì)密聚酰胺網(wǎng)絲提供的骨架給疏水納米顆粒的附著提供了更多的可能，空間尺度上密集的疏水顆粒使得試樣表面的接觸角進(jìn)一步上升，表現(xiàn)出了更優(yōu)異的疏水性能。

圖4 試驗(yàn)組測試結(jié)果Fig.4 Test results of experimental group

復(fù)合材料在10次閃絡(luò)放電后的平均電壓顯示在圖4(b)中?？瞻坠柘鹉z對照組的閃絡(luò)電壓在圖中以虛線表示，閃絡(luò)電壓為9.4 kV，閃絡(luò)電壓伴隨聚酰胺網(wǎng)目數(shù)的增加呈現(xiàn)為先上升后下降趨勢，當(dāng)聚酰胺網(wǎng)目數(shù)為300時(shí)，閃絡(luò)性能最優(yōu)，閃絡(luò)電壓達(dá)到11.8 kV，較空白硅橡膠對照值提升約20%。本文采用雙參數(shù)威布爾分布的累積概率函數(shù)對試驗(yàn)組的閃絡(luò)電壓進(jìn)行處理，如式（1）所示。

式（1）中：y是變量，表示樣品閃絡(luò)電壓的絕對值：F(y)是y的故障概率，表示樣品在施加電壓y時(shí)的閃絡(luò)概率；α是比例參數(shù)，表示在閃絡(luò)測試中閃絡(luò)概率為63.2%時(shí)的閃絡(luò)電壓；β是形狀參數(shù)，表征樣品發(fā)生閃絡(luò)的穩(wěn)定性，閃絡(luò)電壓的波動范圍與β值成反比。

從圖5可以看出，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生概率為63.2%時(shí)，聚酰胺網(wǎng)目數(shù)為300目的復(fù)合材料閃絡(luò)電壓最高。隨著聚酰胺網(wǎng)的目數(shù)從40目增大至600目，復(fù)合材料的閃絡(luò)電壓呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。

圖5 閃絡(luò)電壓的Weibull分布Fig.5 Weibull distribution of flashover voltage

分析認(rèn)為，當(dāng)聚酰胺網(wǎng)目數(shù)從高到低變化時(shí)，伴隨聚酰胺網(wǎng)網(wǎng)絲間距的增大、網(wǎng)絲的變粗，增大了電極間的爬電距離，爬電距離的增大反映為試驗(yàn)中復(fù)合材料的閃絡(luò)電壓提升，在聚酰胺網(wǎng)數(shù)目為300目時(shí)復(fù)合材料取得了最高的閃絡(luò)電壓；但是，隨著聚酰胺網(wǎng)目數(shù)的進(jìn)一步下降，聚酰胺網(wǎng)絲間距離的進(jìn)一步增大，網(wǎng)絲的進(jìn)一步變粗，網(wǎng)絲間的電荷積聚現(xiàn)象變得明顯，反映在試驗(yàn)中，即當(dāng)聚酰胺網(wǎng)目數(shù)從300目進(jìn)一步下降到40目的過程中，試驗(yàn)組的閃絡(luò)性能持續(xù)下降。

3 結(jié)論

（1）以聚酰胺網(wǎng)為骨架，填充疏水納米顆粒，從微納米結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)行材料表面改性，輔以納米顆粒疏水基團(tuán)可以有效實(shí)現(xiàn)材料表面的超疏水性能。

（2）合適目數(shù)的聚酰胺網(wǎng)復(fù)合表面可以有效地提高復(fù)合材料的沿面閃絡(luò)電壓。在以硅橡膠為基底，以疏水納米SiO2為改性材料時(shí)，300目的聚酰胺網(wǎng)充當(dāng)骨架可以給其表面帶來最大限度的閃絡(luò)性能提升，約提升20%。

（3）“絕緣基底+聚酰胺網(wǎng)+疏水納米顆?！钡脑囼?yàn)設(shè)計(jì)思路在一定程度上可以有效地制備具備超疏水性能和較高閃絡(luò)性能的復(fù)合材料。