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      低表面能含氟硅防冰涂料的制備及應用

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      0 前言
      冬季世界上許多地區的電力系統都會遭受由風雪災害天氣帶來的不同程度的損害,風雪災害天氣導致的導線覆冰現象嚴重,導線覆冰厚度超過導線本身的設計抗冰厚度,使導線覆冰后因其質量、風壓面積的增加而引發事故;同時還會引起架空線路中相鄰檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰而引發事故和由于不均勻覆冰或冰、風荷載的作用使導線產生自激振蕩和低頻舞動而產生事故。這些事故最終會導致金具損壞、導線斷股、絕緣子串翻轉、導線電氣間隙減少,發生閃絡、斷線和桿塔傾斜或倒塌等嚴重的機械及電氣故障。為此世界各國投入了很大的力量研究線路在冰災條件下的防冰、除冰技術,而能夠有效地應用于輸電線路的防冰、除冰技術卻很有限。2008年春節前,我國南方數省、市持續大范圍雨雪天氣,使得輸電線路和設備嚴重覆冰,導致大范圍電力系統癱瘓,造成巨大的經濟損失,給社會穩定造成了嚴重危害。因此,開發可靠的防覆冰技術,采用有針對性的預防措施和處理方法,已成為一個重要而緊迫的課題,對提高電力系統的安全運行具有非常重要的價值。
       
      1 試驗部分
      1.1 原料及儀器
      原料:甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、過氧化苯甲酰(BPO)、二月桂酸丁基錫、二氧化硅粉體、二氧化鈦粉體、聚四氟乙烯粉體、分散劑、醋酸丁酯、甲苯。
      儀器:高速攪拌機、砂磨機、超聲波。
      1.2 納米漿料的制備
      設定體系的質量分數為15%,稱取一定量的分散劑和納米粉體加入到醋酸丁酯中,調節體系的pH值,在配有冷凝裝置的球磨機中研磨4 h(2 800 r/min)或高速攪拌30 min(10 000 r/min),然后經超聲波超聲一定時間,制成納米漿料體系,放入密閉容器中靜置。
      1.3 涂料的制備及應用
      將甲基丙烯酸酯類單體、乙烯基三乙氧基硅烷、KH570、BPO加入到溶劑中,單體質量分數為40%,升溫到85~90 ℃,反應1.5 h,滴加40%的含氟甲基丙烯酸酯類單體溶液,0.5 h內滴加完成,共反應1 h,冷卻后即制得含氟硅的清漆。將制備好的含有過渡金屬顏料的納米漿料按照一定比例加入到氟硅的清漆中,制得低表面能含氟硅的防冰涂料。
       
      2 結果與討論
      2.1 涂料防冰性能檢測
      冰的附著力試驗設計方法:在同樣材質的敞口金屬皿內表面,刷涂不同的涂料與空白樣對比,刷涂后放置保養,然后加入相同質量的水,放入冰箱冷凍室中,擱置一定時間后,取出測試其與內表面不同涂料的結合力。實際設計金屬敞口皿刷涂涂料、盛水、冷凍后測試的示意圖如圖1所示。
      涂料防冰性能檢測裝置示意圖
      主要從冰的附著力著手研究了以下幾個影響因素:
      2.1.1 不同冷凍時間下的涂料與冰的結合力(見圖2)
      -18 ℃下不同冷凍時間下的冰與涂料的結合力
      從圖2可知,相同溫度下,由于冷凍時間的不同,每種涂料與冰的結合力大小是不一樣的,但總的趨勢是隨著時間的延長,冰與涂料的結合力變化趨于穩定不變。96 h的冷凍時間后空白的不刷涂料的金屬與冰的結合力最大,刷上美國的防冰涂料,與冰的結合力最小。北京首創納米自制的FB-01稍遜于美國的防冰涂料。
      2.1.2 不同的冷凍溫度下涂料與冰的結合力(見表1)
      表1 在-2 ℃下與-18 ℃下冷凍不同時間所測得的結合力
      表1 在-2 ℃下與-18 ℃下冷凍不同時間所測得的結合力
      由表1可知,1 h的情況下,不同溫度基本對附著力沒什么影響,主要原因是1 h的時間內,水還沒有完全結冰。隨著時間的增長,涂料對附著力的影響會因涂料基料的不同而有大的差異。本試驗中-2 ℃下形成的冰比較致密,透明均勻,對基材的表面附著力大;水在-18 ℃下時,由于水結晶的速度快,形成的冰比較疏松,對基材的附著力相對要低。
      表2為單鍵結合物的親和能。由表2可知自制的涂料中由于含有碳氟化合物,其表面具有較低的表面能,能減少水對表面的潤濕,就大大降低了冰對表面的附著力。
      單鍵結合物的親和能
      2.1.3 顏料粒徑對防冰的影響
      顏料粒徑大小對涂料的防結冰性能影響也很大。通常,當涂層厚度增大時,其吸收率也會隨著增加,直到趨近于一穩定值。因此,要保持低的發射率和高的吸收率,就要求吸熱涂層厚度要薄。這也要求所用的吸熱顏料的粒徑要小。根據對防冰涂料的試驗,所用顏料的粒徑100 nm左右為宜。圖3是用HORIBA LA-950激光散射粒度分析儀測試的顏料粒徑分布結果。分布圖表明該顏料的平均粒徑為0.103μm。
      顏料的粒徑分布
      2.2 涂料的其他性能(見表3)
      涂膜的性能檢測結果
      3 結語
      (1)從電力系統覆冰災害的成因來看,涂覆防覆冰涂料是一種比較可行的解決辦法。開發價格低、壽命長,具備高綜合性能的防覆冰涂料,不僅能解決現存的覆冰問題,而且能夠改變防覆冰涂料在我國作為臨時性產品的地位,使之能成為在輸電線路防護技術上的標準措施。
      (2)涂料防冰方法的關鍵技術是降低冰和襯底表面的附著力,使其具有憎水性或疏水性。
      (3)減小冰的附著力可以考慮將氟硅低表面能材料加入到涂料中,更易于除冰。
      (4)氟硅防冰涂料在輸電線路上要達到工程應用還需要進一步花大力氣才能解決。
      (5)納米防覆冰涂料的研制開發和推廣應用,對提高我國電網的安全運行及推動納米材料行業的發展具有重要意義。
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