表面鹽沉積對(duì)硫化硅橡膠電暈老化性能的影響

岳文香，陳威，黃文定，程廣軍

（1.新安天玉有機(jī)硅有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511500；2.華南理工大學(xué)，廣州 510000）

高溫硫化（HTV）硅橡膠具有優(yōu)良的疏水性、抗污性能和機(jī)械強(qiáng)度。作為復(fù)合絕緣子的外殼材料，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，中國電網(wǎng)已應(yīng)用復(fù)合絕緣子近1 000 萬只[1]。然而，隨著運(yùn)行年限的增加，HTV 硅橡膠材料在電暈、紫外線輻射、鹽霧和濕度等因素的影響下會(huì)逐漸劣化，失去原有的疏水性和抗污染性能。

研究表明，復(fù)合絕緣子受高溫、高濕和高鹽度的綜合作用，更容易發(fā)生嚴(yán)重老化，在亞熱帶季風(fēng)氣候下的沿海地區(qū)較為典型[2]。到目前為止，研究人員已經(jīng)做了很多相關(guān)的工作。FERNANDO等研究了硅橡膠絕緣子在沿海和內(nèi)陸熱帶環(huán)境下的老化，發(fā)現(xiàn)長期現(xiàn)場(chǎng)暴露產(chǎn)生的絕緣子老化弱于鹽霧室老化[3]。LIU 等研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽霧持續(xù)時(shí)間和鹽霧電導(dǎo)率的增加，泄漏電流增大，閃絡(luò)電壓降低[4]。CUI 等評(píng)價(jià)了沉積層電導(dǎo)率與環(huán)境相對(duì)濕度的關(guān)系，電暈放電是加速HTV 硅橡膠材料老化的重要因素之一[5]，然而在多因素條件下鹽霧對(duì)HTV硅橡膠電暈老化性能的影響研究還比較少。

本研究利用電暈時(shí)效系統(tǒng)模擬了HTV 硅橡膠材料的劣化過程。采用高鹽度模擬沿海環(huán)境作為影響HTV 硅橡膠材料電暈老化過程的主要因素。測(cè)試結(jié)束后，通過疏水性、表面電阻率和介電性能進(jìn)一步評(píng)價(jià)多因素老化對(duì)材料的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 老化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置

以鹽沉積水平為變量，研究強(qiáng)電暈環(huán)境下HTV 硅橡膠材料的電性能。老化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫恒濕鹽霧老化單元和高溫高濕電暈老化單元組成，鹽霧老化裝置采用YWX/Q-150 鹽霧實(shí)驗(yàn)箱產(chǎn)生微小的鹽滴，將密而厚的鹽霧均勻噴灑在樣品表面，模擬沿海地區(qū)的鹽霧氣候。選用的鹽水溶液氯化鈉的質(zhì)量濃度32 g/L，最大噴灑體積流量2.5 mL/h，腔內(nèi)最高溫度150 ℃。電暈老化裝置由交流穩(wěn)壓器（0～220 V，50 Hz）、實(shí)驗(yàn)變壓器（最大輸出電壓50 kV）、阻水器（限流器，30 k）、電容分壓器（AC100 kV，分壓器比1 000∶1，電容367 pF）組成。2 個(gè)針板電極裝置置于恒溫恒濕室中，室內(nèi)溫濕度由HS-100L 恒溫恒濕室精確控制，箱體內(nèi)最高溫度150 ℃，最大相對(duì)濕度（RH）%。針電極分為12 個(gè)方形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域下放置1 個(gè)樣品，最多可放置12 個(gè)樣品，兩針間距5 mm，針長20 mm，針尖與樣品表面之間的氣隙6 mm。

1.2 樣本測(cè)試

HTV 硅橡膠試樣尺寸為70 mm×70 mm×2.5 mm，以表層鹽層水平為主要影響因素，分別設(shè)置了3 個(gè)鹽層水平?？紤]到沿海地區(qū)的極端高溫為44.1 ℃，鹽霧老化單元和電暈老化單元的實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為50 ℃。

以中國亞熱帶季風(fēng)區(qū)沿海環(huán)境條件為實(shí)驗(yàn)參考。設(shè)置RH為50%。大部分沿海城市污染程度集中在三級(jí)以下，以二級(jí)居多，少數(shù)城市甚至達(dá)到四級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，鹽層液位設(shè)置為：0.1 mg/cm2（二級(jí)）、0.26 mg/cm2（三級(jí)）、1 mg/cm2（四級(jí)）。針板電極起暈電壓4 kV，擊穿電壓18 kV。當(dāng)電壓上升到16.5 kV 時(shí)，電暈放電足夠強(qiáng)，因此選擇該電壓作為實(shí)驗(yàn)的施加電壓?？紤]到HTV 硅橡膠的自然污染物積累過程和疏水特性，實(shí)驗(yàn)分為10個(gè)電暈老化周期，每個(gè)周期24 h。

測(cè)試前，用乙醇清洗樣品表面，然后在空氣中干燥2 h以上。1個(gè)周期分為3個(gè)階段：第1階段鹽霧老化階段（0－2 h），將樣品均勻浸泡在鹽霧中，沉降一段時(shí)間后，測(cè)得鹽沉積水平分別達(dá)到設(shè)定的II/III/IV級(jí)，模擬沿海地區(qū)清晨高溫重鹽霧環(huán)境下絕緣子的自然結(jié)垢；第2階段疏水回收階段（2－6 h），樣品在50%的RH 干燥條件下進(jìn)行處理，待溫度和濕度逐漸穩(wěn)定后進(jìn)行電暈老化實(shí)驗(yàn)，通過這種方式，薄霧消散和絕緣子的表面逐漸干燥，疏水性暫時(shí)恢復(fù)；第3階段電暈老化階段（6－24 h）。經(jīng)過上述預(yù)處理后，在恒溫恒濕的針板電極上給樣品通電，模擬絕緣子表面沉積物引起電場(chǎng)畸變和電暈老化的過程。

加速老化時(shí)間最長可達(dá)10 d（10個(gè)周期）。每個(gè)循環(huán)結(jié)束后，取出樣品，用乙醇擦拭，模擬降雨沖刷表面，然后變干。對(duì)其疏水性、表面電阻率和介電性能進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)每個(gè)周期結(jié)束后測(cè)量，樣品進(jìn)入下1個(gè)周期。

1.3 疏水性測(cè)試

用JY-82接觸角測(cè)量儀對(duì)每個(gè)樣品的靜態(tài)接觸角測(cè)量10 次，取平均作為最終結(jié)果。如果樣品的平均靜態(tài)接觸角大于90°，則樣品的疏水性良好。1組樣品處理1個(gè)循環(huán)后，應(yīng)立即測(cè)量靜態(tài)接觸角。

1.4 表面電阻率測(cè)試

樣品置于三電極系統(tǒng)中，3個(gè)電極由不銹鋼制成，頂部和底部電極上覆蓋一層導(dǎo)電橡膠，以確保良好的表面接觸。有效測(cè)量區(qū)域由底部電極確定，保護(hù)環(huán)與地連接，為表面泄漏電流提供通路。將整個(gè)系統(tǒng)放入1個(gè)屏蔽盒中，以減少外界的干擾。溫度設(shè)為室溫，RH 設(shè)為50%，三電極系統(tǒng)電壓設(shè)定為1 kV。采用靜電計(jì)測(cè)量表面電阻率，每個(gè)樣品的測(cè)量時(shí)間設(shè)為2 min。采用極性改變法，施加一個(gè)正偏置電壓，然后在規(guī)定的延遲時(shí)間后測(cè)量電流。將極性反轉(zhuǎn)，重復(fù)幾次，然后根據(jù)電流測(cè)量結(jié)果計(jì)算出電阻。該方法可以有效地消除背景電流對(duì)樣品的影響。

1.5 介電性能測(cè)試

采用DIRANA 介電響應(yīng)分析儀識(shí)別頻率0.1 mHz～5 kHz 內(nèi)的介電損耗和介電常數(shù)。在25 ℃、30%RH條件下測(cè)定樣品的介電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 疏水性

未處理HTV 硅橡膠樣品的靜態(tài)接觸角為100°。圖1 所示，RH 為50%條件下不同鹽層水平的樣品的靜態(tài)接觸角。

圖1 RH為50%時(shí)的靜態(tài)接觸角Fig 1 Static contact angles of samples at RH of 50%

由圖1可知，經(jīng)電暈老化處理后的硅橡膠樣品具有親水性，接觸角小于90°。隨著表面含鹽量的增加，靜接觸角呈下降趨勢(shì)。電暈老化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)和物理過程。電場(chǎng)在硅橡膠表面起著2個(gè)重要的作用：1）通過電暈放電和光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生高能粒子，切斷聚合物的側(cè)鏈，導(dǎo)致甲基或氫的活化，形成自由基；第2）空氣中的氧氣被激活，變成臭氧，自由基和臭氧會(huì)導(dǎo)致硅橡膠中聚二甲基硅氧烷分子鏈交聯(lián)，宏觀表現(xiàn)為表面硬化，疏水性下降[6]。本研究樣品表面的鹽沉積會(huì)加速腐蝕過程；鹽層的堆積，電場(chǎng)畸變可能更嚴(yán)重，加劇了地表侵蝕。

2.2 表面電阻率

由圖2可知，隨著電暈老化時(shí)間的增加，表面電阻率呈下降趨勢(shì)。在相同的老化時(shí)間下，表面電阻率由大到小分別對(duì)應(yīng)二、三、四級(jí)，隨著老化時(shí)間的增加，表面電導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)。電暈放電可以產(chǎn)生一些本征導(dǎo)電粒子，以提高表面電導(dǎo)率。此外，電暈放電引起的表面裂紋和孔洞的增加改變了硅橡膠表面的微觀結(jié)構(gòu)，使水分子、空氣和鹽沉積很容易滲透到淺層，增加了載流子含量和表面電導(dǎo)率。

圖2 RH為50%時(shí)的表面電阻率Fig 2 Surface resistivity of samples at RH of 50%

2.3 介電性能

在RH為50%條件下電暈10 d后，測(cè)量了相對(duì)介電常數(shù)ε'和介電損耗角tanδ。提取50 Hz 下的介電特性tanδ和ε'，以反映硅橡膠樣品的老化程度，結(jié)果如表1和圖3、圖4所示。

表1 50 Hz下樣品的tan δ和ε'Tab 1 Tan δ and ε'of samples at 50 Hz

圖3 RH為50%時(shí)的tan δ-fFig 3 Tan δ-f curve of samples at RH of 50%

圖4 RH為50%時(shí)的ε'-fFig 4 ε'-f curve of samples at RH of 50%

由表1 可知，tanδ和ε'與鹽層和老化時(shí)間呈正相關(guān)。

由圖3 可知，tanδ-f曲線的高頻段（≥1 kHz）反映硅橡膠材料的取向極化損耗，中低頻（＜1 kHz）傾向于反映電導(dǎo)損耗。Tanδ-f曲線在低頻區(qū)差異較大，在高頻區(qū)差異較小。

由圖4 可知，ε'-f曲線高頻段（≥1 kHz）反映了轉(zhuǎn)向極化，低頻段（＜1 kHz）反映了界面極化。硅橡膠經(jīng)電暈時(shí)效后，表面可逐漸形成無機(jī)氧化硅交聯(lián)層，阻止低分子量物質(zhì)向表面擴(kuò)散，從而導(dǎo)致老化分層和界面極化增強(qiáng)。而電暈時(shí)效只影響材料的淺表面，對(duì)整體影響不大。因此，ε'-f曲線的低頻波段存在較大差異。

3 結(jié) 論

研究了鹽霧對(duì)HTV 硅橡膠電暈老化性能的影響，測(cè)試了樣品的疏水性、表面電阻率和介電性能。研究結(jié)論為：

1）表面鹽沉積的增加會(huì)加劇硅橡膠材料的電暈老化性能。老化程度可以通過疏水性、表面電阻率和介電性能來表征；

2）電暈放電會(huì)在硅橡膠材料的淺層產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)缺陷。在老化過程中，水分和鹽分會(huì)滲入淺層，導(dǎo)致表面電阻率下降；

3）介電特性（tanδ和ε'）與鹽層水平呈正相關(guān)。鹽沉積主要影響介質(zhì)在低頻（＜1 kHz）的電導(dǎo)損失和界面極化，在高頻（≥1 kHz）的極化特征中影響不大。