堿性腐蝕對超疏水涂層絕緣強度的影響

李侶， 李宇捷， 李黎， 王晟伍

（1.國網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330029；3.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

超疏水涂層的自清潔性能[1-3]在提高室外電氣設(shè)備運行安全可靠性方面具有重要的作用[4-6]。通過在絕緣子表面涂覆超疏水涂層，可以抑制水汽、污穢的附著，從而減少污閃問題的發(fā)生[7]。然而，研究表明[8-10]，超疏水涂層的耐堿性腐蝕能力相對較弱，無法在堿性環(huán)境下保持長效的自清潔性能。在沿海地區(qū)，空氣中含有大量的堿性離子[11-12]，在這些地區(qū)運行的電氣設(shè)備外絕緣長期暴露在堿性環(huán)境中，其表面涂覆的超疏水涂層會受到腐蝕，導(dǎo)致其疏水性能下降，自清潔能力減弱[13-14]。

超疏水涂層自清潔性能的減弱可能導(dǎo)致其絕緣性能下降[15]。目前，尚不明確環(huán)境溫度對超疏水涂層受到堿性腐蝕程度的影響，也未明確堿性腐蝕對于超疏水涂層絕緣性能的破壞特性及影響因素。為此，本文首先制備具有絕緣性能的超疏水涂層試樣，使用堿性溶液在不同溫度下對其進行人工腐蝕試驗，然后對超疏水涂層試樣的絕緣強度及其影響因素進行分析。

1 試 驗

1.1 超疏水涂層試樣的制備

超疏水涂層由底漆與面漆兩部分構(gòu)成。底漆的主要成分為羥基丙烯酸樹脂（hydroxy acrylic resin，HAR）和尼龍粉，將二者按一定比例混合后即可使用。面漆由低表面能改性的SiO2構(gòu)成，其具體制備方法為：首先向無水乙醇中添加一定量的NaOH，攪拌5 min，形成穩(wěn)定的堿性水解環(huán)境。之后向其中加入正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS），攪拌1 h，使其在堿性環(huán)境條件下進行充分水解，形成SiO2分散溶液。向該溶液中快速加入六甲基二硅氮烷（hexamethyl disilazane，HMDS），并不斷攪拌使HMDS充分水解，此時水解產(chǎn)物中的甲基（-CH3）取代SiO2表面的羥基，形成均勻的低表面能SiO2分散液。

本研究所涂覆的基材為載玻片，其尺寸為75 mm×25 mm×1 mm。先使用噴槍將底漆均勻噴涂于基材表面，室溫固化1 h。然后將面漆均勻噴涂于固化好的底漆表面，室溫固化6 h，與底漆整體構(gòu)成超疏水涂層，漆膜厚度約為50 μm。

1.2 超疏水涂層堿性腐蝕試驗

對超疏水涂層試樣進行不同溫度下的人工腐蝕試驗：取15片超疏水涂層試樣平均分為3組，將pH=13的NaOH強堿溶液倒入3只玻璃燒杯中，將每組5片超疏水涂層試樣完全浸入同一只玻璃燒杯的強堿溶液中，并置于恒溫箱內(nèi)進行腐蝕試驗。3組試樣的試驗溫度分別設(shè)置為20、40、60℃，腐蝕時間為500 h。

1.3 測試與表征

1.3.1 疏水性

堿性腐蝕試驗過程中每隔100 h將試樣從強堿溶液中取出，使用蒸餾水清洗后，將試樣在室溫下靜置30 min，使其表面干燥，之后測量每組試樣的水滴靜態(tài)接觸角和水滴滾動角，并計算平均值。

1.3.2 微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察堿性腐蝕試驗過程中超疏水涂層試樣的表面形貌。

1.3.3 泄漏電流

泄漏電流Ileak的測量回路如圖1所示，具體測量方法如下：

圖1 泄漏電流測量回路示意圖Fig.1 Electrical circuit for leakage current measurement

（1）對試樣進行清潔、干燥處理后，按照等值鹽密（equivalent salt deposit density，ESDD）為0.3 mg/cm2、等值灰密（non-soluble deposit density，NSDD）為0.05 mg/cm2對試樣進行人工積污，之后將其通過絕緣膠固定在絕緣支柱上方，絕緣支柱通過絕緣膠固定在25°傾斜平臺上方。

（2）將超疏水涂層試樣固定后，通過兩端的鋁箔電極將其接入測量回路中。鋁箔電極的前端為圓弧形，可避免因尖端放電導(dǎo)致的電場畸變。同時，鋁箔電極與試樣之間通過導(dǎo)電膠連接，可避免因電暈放電對測量結(jié)果造成影響。

（3）開啟水霧發(fā)生器，該水霧發(fā)生器產(chǎn)生的水霧粒徑小于10 μm，通過內(nèi)徑為40 mm的導(dǎo)霧管均勻噴至涂層試樣表面，水霧的輸出速率約為0.95 m3/min。水霧潤濕涂層表面10 min后停止噴霧，等待環(huán)境中水霧消散后，開始測量試樣的泄漏電流Ileak。

（4）開啟調(diào)壓器開關(guān)，緩慢將電壓升高至5 kV，等待10 s，待微安表示數(shù)穩(wěn)定之后，每10 s記錄一次微安表顯示的泄漏電流值Ileak，記錄5次，取平均值作為該片試樣的泄漏電流Ileak。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

堿性腐蝕前及在20、40、60℃下堿性腐蝕500 h后超疏水涂層試樣的表面形貌如圖2所示。從圖2(a)可以看出，超疏水涂層試樣表面分布有微觀粗糙結(jié)構(gòu)，有利于提高涂層表面的疏水性[16-17]。圖2(b)中，在20℃條件下受到堿性腐蝕500 h后，超疏水涂層試樣表面粗糙度明顯下降，可觀察到部分微米級突起仍存在于試樣表面。圖2(c)～(d)中，除了部分受到腐蝕的微米級突起之外，還可以觀察到堿性腐蝕造成的蝕孔，且60℃條件下蝕孔的數(shù)量明顯多于40℃條件下的數(shù)量。

圖2 超疏水涂層試樣的SEM圖Fig.2 SEM images of superhydrophobic coating specimen

此外，對比圖2(b)、(c)、(d)中試樣表面微米級突起的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕環(huán)境溫度升高，腐蝕500 h后涂層試樣表面存在的微米級突起數(shù)量逐漸減少，意味著涂層的疏水性逐漸下降，這表明環(huán)境溫度越高，超疏水涂層受到堿性腐蝕的程度越嚴重。

2.2 疏水性

不同溫度下堿性腐蝕超疏水涂層的疏水性隨腐蝕時間的變化如圖3所示。通常認為，當涂層表面的水滴靜態(tài)接觸角θc>150°，且滾動角θs<10°時，涂層具有超疏水性[18]。試驗過程中，當試樣表面的水滴滾動角θs增大至90°仍無法滾動時，則不再繼續(xù)測量該片試樣的滾動角值，而是將該試樣的水滴滾動角θs的數(shù)值記為90°。

圖3 堿性腐蝕超疏水涂層疏水性隨腐蝕時間的變化Fig.3 Change of hydrophobicity of superhydrophobic coating with corrosion time

從圖3可以看出，在相同溫度下，隨著腐蝕時間的增加，超疏水涂層試樣的水滴靜態(tài)接觸角θc逐漸減小，滾動角θs逐漸增大。全部試樣在受到堿性腐蝕100 h以內(nèi)失去超疏水性能。在20、40、60℃下，試樣的滾動角θs分別在腐蝕時間為400、300、200 h時達到90°以上?；趫D3的靜態(tài)接觸角θc和滾動角θs的變化，認為隨著腐蝕過程中環(huán)境溫度的升高，超疏水涂層受到堿性腐蝕的速率增大。

2.3 泄漏電流

為研究超疏水涂層的絕緣強度受到堿性腐蝕程度的變化特性，對不同溫度下堿性腐蝕100、300、500 h后的超疏水涂層試樣進行表面泄漏電流Ileak測量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下泄漏電流Ileak隨腐蝕時間的變化Fig.4 Change of Ileak with corrosion time under different temperatures

從圖4可以看出，在20℃下，隨著腐蝕時間的增加，超疏水涂層試樣的表面泄漏電流Ileak無明顯變化。在40℃、60℃下，隨著腐蝕時間的增加，超疏水涂層試樣的表面泄漏電流Ileak增大，且60℃下泄漏電流Ileak的增幅更大。

對導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因分析如下：本研究制備的超疏水涂層表面主要成分為-CH3修飾的納米SiO2顆粒，而-CH3中C-H鍵的鍵能為414 kJ/mol。在化學(xué)腐蝕作用下，C-H鍵易受到破壞，且腐蝕環(huán)境溫度的升高對該腐蝕破壞起到增益效果。超疏水涂層表面-CH3基團的破壞意味著涂層表面能的增加，導(dǎo)致污穢液滴或液膜在涂層表面的滾動角增大，即涂層表面的疏水性降低。在附著污液的作用下，涂層表面電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致涂層表面泄漏電流增大，意味著涂層的絕緣強度下降。

為了進一步說明堿性腐蝕試驗前、后超疏水涂層絕緣強度的變化，對試驗前后試樣表面的污穢質(zhì)量變化Δm進行測試。泄漏電流測量試驗后，將試樣放入80℃的恒溫箱中烘干1 h后取出，使用電子天平測量試樣表面的污穢質(zhì)量，并與人工積污的污穢質(zhì)量作差，得到的污穢質(zhì)量變化Δm如圖5所示，圖中百分比數(shù)值為污穢質(zhì)量變化Δm與人工積污的污穢總質(zhì)量之比。

圖5 不同溫度下污穢質(zhì)量變化Δm隨腐蝕時間的變化Fig.5 Change of Δm with corrosion time under different temperature

基于上述試驗結(jié)果，認為堿性腐蝕導(dǎo)致超疏水涂層表面物質(zhì)和結(jié)構(gòu)損失，進而導(dǎo)致其疏水性下降。隨著超疏水涂層表面的疏水性下降，其自清潔性能下降，進而導(dǎo)致潤濕污穢形成的電解質(zhì)溶液液滴或液膜難以從涂層表面脫落，從而使涂層表面泄漏電流增大，絕緣強度下降。

3 腐蝕涂層絕緣強度影響因素研究

為研究受到堿性腐蝕的超疏水涂層絕緣強度的影響因素及變化特性，選取不同溫度下腐蝕時間為500 h的超疏水涂層試樣，測試其在不同染污程度、外加電壓和表面污穢潤濕程度（潤濕時間）條件下泄漏電流Ileak的變化。

3.1 染污程度的影響

按照表1中3種染污程度對應(yīng)的污穢質(zhì)量參數(shù)[19-20]，對20、40、60℃條件下受到堿性腐蝕500 h后的超疏水涂層試樣進行人工積污，然后測量試樣的泄漏電流，結(jié)果如圖6所示。

表1 人工積污污穢質(zhì)量參數(shù)Tab.1 Pollutant quality parameters of artificial pollution

圖6 不同溫度下泄漏電流Ileak隨染污程度的變化Fig.6 Change of Ileak with corrosion degree under different temperature

從圖6可以看出，當染污程度為輕度時，隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高，染污超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak不斷增大。當染污程度為中度時，每個溫度下，染污超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak相對于輕度染污下均增大將近1倍，其中20℃條件下中度染污超疏水涂層表面的泄漏電流增幅最大，為輕度染污條件下泄漏電流的115%。

重度染污條件下，染污超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak進一步增大。3個溫度下，試樣的泄漏電流Ileak均為輕度染污條件下的3倍以上。同時，在重度染污條件下，隨著試驗環(huán)境溫度的升高，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak相對于輕度染污條件下的泄漏電流增幅逐漸下降。

綜上，腐蝕環(huán)境溫度越高，表面染污程度越嚴重，對于堿性腐蝕超疏水涂層表面絕緣強度的影響越明顯。

3.2 外加電壓的影響

為了測試外加電壓Uapp對于堿性腐蝕超疏水涂層絕緣強度的影響，將輕度染污超疏水涂層試樣表面潤濕10 min后，以0.1 kV/s的升壓速度緩慢升高超疏水涂層試樣兩端的外加電壓Uapp，每升高1 kV，等待10 s，之后每隔10 s記錄1次泄漏電流Ileak，直至5次，取平均值作為該片試樣在當前電壓下的泄漏電流幅值。之后重復(fù)上述升壓及測量過程，直至外加電壓Uapp升高至9 kV以上，得到超疏水涂層試樣泄漏電流Ileak隨外加電壓Uapp的變化如圖7所示。

圖7 不同溫度下泄漏電流Ileak隨外加電壓的變化Fig.7 Change of Ileak with applied voltage under different temperatures

從圖7可以看出，在3個溫度下，超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak均隨著外加電壓Uapp的升高而增大。當外加電壓為1 kV時，3個溫度下，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流幅值相近。當外加電壓升高到3 kV及以上時，在每個外加電壓下，超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak均隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高而增大。

定義1[1-2] 設(shè)表示一個實數(shù)集R上的直覺梯形模糊數(shù)，其參數(shù)a

上述現(xiàn)象表明，堿性腐蝕超疏水涂層在輕度染污條件下的表面泄漏電流Ileak隨著外加電壓的升高而增大。在外加電壓Uapp升高至一定幅值以后，腐蝕環(huán)境溫度越高，涂層表面的泄漏電流Ileak越大。

3.3 污穢潤濕程度的影響

為了研究污穢潤濕程度對于堿性腐蝕超疏水涂層絕緣強度的影響，以污穢潤濕時間twet表示污穢的潤濕程度。在3種溫度條件下測試外加電壓Uapp為5 kV時試樣的泄漏電流Ileak，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著潤濕時間的增加，堿性腐蝕超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak整體呈減小的趨勢。這是由于隨著潤濕時間的增加，被水霧吸附或溶解的污穢顆粒增多，污穢液滴在自身重力及電場力作用下易從涂層表面脫落，使涂層表面電導(dǎo)率下降，進而導(dǎo)致泄漏電流幅值減小。

圖8 不同溫度下泄漏電流Ileak隨潤濕時間的變化Fig.8 Change of Ileak with wetting time under different temperatures

3個溫度下，當潤濕時間為2～6 min時，涂層試樣表面的泄漏電流減小幅度較大，表明在潤濕的初始階段，水霧對于涂層表面污穢顆粒的清潔作用比較明顯，隨著潤濕時間的延長，污穢與水霧形成的電解質(zhì)溶液逐漸脫離涂層表面，使涂層表面的污染程度下降。當潤濕時間為6～8 min時，涂層表面的泄漏電流減小幅度明顯變小，意味著在該時間階段內(nèi)涂層表面遺留的污穢液滴或污穢液膜已接近穩(wěn)態(tài)，即隨著時間的延長，這些剩余的污液難以在重力等外力作用下從涂層表面脫落，導(dǎo)致涂層表面的泄漏電流變化程度較小。

在環(huán)境溫度為20℃時，當潤濕時間為8～10 min時，試樣表面泄漏電流變化較小，且數(shù)值較小，由此可以認為在該時間段內(nèi)涂層表面的積污程度已較輕，且接近穩(wěn)態(tài)。因此，泄漏電流Ileak不再發(fā)生明顯變化。

在環(huán)境溫度為40℃、60℃下，當潤濕時間為8～10 min時，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流幅值仍處在較高的水平。其中在60℃條件下，試樣表面的泄漏電流從潤濕8 min的188 μA增大至潤濕10 min的211 μA。表明在這兩個溫度下，由于堿性腐蝕對超疏水涂層試樣的腐蝕程度更加嚴重，在受到水霧潤濕10 min時，試樣表面的污穢量仍舊較多，即水霧對于污穢的潤濕仍未達到穩(wěn)定狀態(tài)，仍不斷有電解質(zhì)溶液形成并脫離涂層表面。

綜上所述，堿性腐蝕超疏水涂層表面的泄漏電流幅值與表面污穢潤濕時間成負相關(guān)關(guān)系，與腐蝕環(huán)境溫度呈正相關(guān)關(guān)系。同時，隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高，堿性腐蝕超疏水涂層表面污穢潤濕程度達到飽和的時間隨之延長。

4 結(jié) 論

（1）堿性環(huán)境會導(dǎo)致超疏水涂層表面腐蝕，自清潔性能下降。環(huán)境溫度越高，超疏水涂層表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)受到腐蝕的程度越嚴重，涂層表面出現(xiàn)的蝕孔數(shù)量越多，導(dǎo)致超疏水涂層表面的疏水性以及自清潔性能的下降幅度越大。

（2）堿性腐蝕后超疏水涂層的絕緣強度降低，且超疏水涂層表面染污程度越嚴重、兩端外加電壓越高、表面污穢潤濕時間越短，則涂層表面泄漏電流越大，即涂層表面的絕緣強度越低。

（3）環(huán)境溫度越低，堿性腐蝕對于超疏水涂層自清潔性能的破壞程度越小，致使在相同潤濕時間條件下，污液在重力等外力作用下脫離涂層表面所需的時間越短，涂層表面污液的附著越快達到穩(wěn)定狀態(tài)。在達到該穩(wěn)定狀態(tài)之前，涂層表面污穢的潤濕時間越長，則涂層表面附著的污液越少，涂層表面的泄漏電流越小，即絕緣強度越高。當涂層表面污液的附著達到穩(wěn)定狀態(tài)時，其表面的電導(dǎo)率也達到穩(wěn)定狀態(tài)，涂層表面的泄漏電流隨潤濕時間增加不再發(fā)生明顯變化。