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納米氟碳涂層在防污閃領(lǐng)域的應用研究

2016-08-15 13:48:20 作者：本網(wǎng)整理來源：涂料工業(yè) 分享至：

    普通電器設備外絕緣面時間一長，會有污垢粘附于其上，在濕潤條件下，如霧氣、露水、雨雪等，其中的可溶物漸溶，形成一層連續(xù)的導電膜，這樣會降低表面的電絕緣水平，導致泄漏電流，進而有局部電弧產(chǎn)生，甚至擊穿絕緣，此系列現(xiàn)象即為污閃。污閃直接的后果是各種設備裝置的損壞，對生產(chǎn)建設及經(jīng)營活動造成危害，給人們的生活帶來不便。

    從源頭進行污閃防范的措施基本有4種：

    （1）清掃。一年一次，重污染的一季度一次，這將消耗大量人力。

    （2）調(diào)爬或采用合成絕緣子等。效果可以，但是價格高。

    （3）涂覆硅油等，有效期僅數(shù)月，清洗很是不便。

    （4）采用防污閃涂料。從性價比、后續(xù)維護的角度看，防污閃涂料比較有優(yōu)勢。

    目前廣泛使用的防污閃涂料是RTV（室溫硫化硅橡膠），防污閃方面的單項指標可以，但綜合性能不高。其傘狀空間構(gòu)型以硅原子居中，甲基結(jié)構(gòu)于外緊密構(gòu)成了封閉面。水接觸其上，形成小珠滾落，一時是不會形成連續(xù)膜的，即憎水性。但硅橡膠結(jié)構(gòu)也導致它如果不經(jīng)過補強，機械性能和其他性能則難以達到使用要求。

    納米氟碳防污閃涂料結(jié)構(gòu)上與RTV大不相同。有機氟樹脂中C—F鍵長極短，基本是氟原子在外，形成圓柱體來屏蔽碳主鏈，使得化學品、紫外線等不易深入。C—F鍵能又是單鍵中最高的，破壞需要很大能量。更重要的是，其共聚單體結(jié)構(gòu)交替排布，這種排列越規(guī)整，分子的穩(wěn)定性就越大。另一方面，分子間作用力很低，整個體系表面能也低，涂層很難被水和有機物潤濕。這樣形成了憎水，也形成了初步的自清潔。由于憎水，不被水分潤濕，污垢不被離子化，防止了電流泄漏。憎水性越好，防污閃效果越突出。另外，氟原子極化率小，所以氟碳樹脂還具有化學惰性及熱穩(wěn)定性。

    樹脂結(jié)構(gòu)決定了涂料的基本性能，而制備綜合性能優(yōu)良的涂料，還需涂料其他組分的優(yōu)化搭配，共同貢獻。納米材料指的是尺寸在1~100nm的材料，由于它的特殊性能，會使普通的同一物質(zhì)展現(xiàn)出特殊乃至反轉(zhuǎn)的物化特性。本研究綜合考慮了納米材料對機械性能、憎水性、自清潔的貢獻及原料的易獲得，選取了納米SiO2。同時，由于在低溫環(huán)境下，外絕緣面結(jié)冰也會出現(xiàn)閃絡，導致停電。因此選擇在涂料配方中添加有機金屬化合物來試圖改善這一現(xiàn)象。有機金屬化合物以一種溶膠態(tài)分散在涂料中，遇水形成的金屬氧化物可達到納米級，金屬氧化物有一定的光譜吸熱性，可吸收光能使表溫升高加速融化。

    1 試驗部分

    1.1 主要原材料

    實驗主要原材料如表1 所示。

表1 主要原材料、產(chǎn)地及基礎(chǔ)配方

    1.2 涂料的制備

    在三口燒瓶中加入金屬化合物，通氮氣，快速攪拌下滴加有機小分子化合物甲，充分反應3h；再滴加化合物乙，充分反應6h，最后得到有機金屬化合物溶膠備用。

    配制混合溶劑。將混合溶劑與所需的架橋劑1∶1 混勻，加入納米SiO2充分攪拌30min。然后加入FEVE樹脂，攪拌20min，組成A料。將潤濕分散劑、1/2的消泡劑加入到剩余的混合溶劑中，攪勻。慢慢加入鈦白粉，快速分散30min,組成B料。細度控制在≤40μm。將A料加入到B料中，再加入余下的消泡劑、流平劑及其他助劑，攪勻10min。在以上混合物中加入自制的有機金屬化合物，攪勻10min,得成品備用。涂料涂裝施工時，成品與HDI按配比使用。

    1.3 涂料的測試

    測試底材采用100mm×100mm瓷板，施工方法為空氣噴涂，施工厚度為0.3~0.5mm。在標準條件下干燥24h測試常規(guī)性能。附著力按GB/T 9286—1998；硬度按GB/T 6739—2006；憎水性按DL/T 864—2004測定；耐酸性按DL/T 627—2012；耐堿性按DL/T 627—2012測定；耐鹽水性按GB/T 1763—1979測定；耐水性按GB/T 1733—1993測定；自清潔按目測分優(yōu)、良、中、差；耐沾污按GB/T 9755—2014測定；耐候性按GB/T 1865—2009測定；融冰測試以噴同樣厚度瓷板看液體水出現(xiàn)時間，冰層脫落時間；斷裂伸長率、拉伸強度按DL/T 627—2012測定；表面電阻率、體積電阻率、擊穿場強、污閃電壓、阻燃性送外單位檢測。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 主成膜物的選定

    按1.2制備涂料，其中納米SiO2、架橋劑、有機金屬化合物均不加，方案A、方案B為兩種不同型號FEVE樹脂，方案C直接用外購RTV涂料。結(jié)果見表2。

表2 主成膜物的性能對比

    從附著力、硬度上看，氟碳是優(yōu)于RTV的。氟碳側(cè)鏈上的羥基與HDI中的—NCO基團反應，組成網(wǎng)狀高分子，實際是聚氨酯結(jié)構(gòu)，而RTV補強后才能接近前者。尤其令人關(guān)注的是，氟碳的自清潔、耐沾污性遠超后者。在憎水性（靜態(tài)接觸角）及相關(guān)的電氣性能上，RTV比氟碳占優(yōu)。這與硅橡膠同系物組成密切相關(guān)。RTV中的一系列小分子不斷釋放，加強了憎水遷移性。方案A與B的區(qū)別在于氟含量和所帶基團的差異。氟含量高的配漆應更為注意潤濕分散，助劑方面不能一貫而之。整體考量，選用方案A的氟碳為主成膜物，但需要用其他補足短板。

    2.2 架橋劑的影響

    按1.2 制備涂料，其中不加有機金屬化合物，考慮到分子極性，架橋劑用鈦酸酯類，納米SiO2加至6%。結(jié)果見表3。

表3 架橋劑用量的影響

無機與有機之間需要媒介，特別是無機納米微粒均勻分散在樹脂中是不容易的。架橋劑其實是一種兩親物質(zhì)，一端親無機基團，可與無機填料作用；另一端親有機，可與有機樹脂作用。一般來說，架橋劑不僅可對無機填料進行化學結(jié)合及物理包覆，使之親油，還可提高涂層與底材附著。但過量的話，架橋劑之間會交聯(lián)，也影響親合作用。故實驗數(shù)據(jù)中，這個用量的架橋劑是逐步幫助提高了機械性能。測完機械性能，以上樣品再做憎水性，結(jié)果見圖1。

圖1 架橋劑用量與接觸角的關(guān)系

    增大架橋劑的量，發(fā)現(xiàn)水在涂層上的靜態(tài)接觸角由小轉(zhuǎn)大又趨小。說明架橋劑剛開始幫助了無機納米粒子均勻分散，涂層微納米凹凸結(jié)構(gòu)越明顯，表面粗糙度增加，憎水能力越上升。而過量反而減少了此結(jié)構(gòu)，憎水性下降。故綜合看架橋劑以6%較為適宜。

    2.3 納米二氧化硅的影響

    按1.2制備涂料，其中不加有機金屬化合物，考慮到分子極性，架橋劑用鈦酸酯類6%，改變納米SiO2用量考查其影響，結(jié)果見表4。

表4 納米 SiO2 用量的影響

    隨著納米SiO2的加入并輔以架橋劑，有機涂層得到了增強，機械性能提高，憎水性的先升后降也是微納米的凹凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響所致。從熱貯存性能看，過多的納米SiO2引起了不穩(wěn)定，可能有團聚。6%加量應在平衡點上。

    2.4 有機金屬化合物的效果

    由于冬季溫度過低時部分地區(qū)可能結(jié)冰，目前也無方法絕對不讓設備表面結(jié)冰。那么就要盡量延緩這種現(xiàn)象，盡量使融冰提早發(fā)生。加入有機金屬化合物可以降低冰的融化溫度。有機金屬化合物與水反應，生成有機小分子和金屬氧化物。實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 有機金屬化合物用量對融冰時間的影響

圖3 有機金屬化合物用量對脫冰時間的影響

    有機小分子會遷移進入冰相，降低冰的融點，促使固液轉(zhuǎn)化。而液態(tài)水一旦出現(xiàn)，會加速有機金屬化合物水解，從而生成更多的有機小分子，繼續(xù)這個過程。由圖2、圖3可知，有機金屬化合物的加入，大大縮短了開始融冰的時間和完全脫冰時間，加量越多越明顯。但要考慮相容性，再往上加量要做實驗驗證。當然冰層厚度以及設備形體也是重要因素，應依具體情況做適當調(diào)整。

    2.5 測試驗證

    綜合以上結(jié)果，即納米SiO2用量6%，架橋劑6%，有機金屬化合物10%，調(diào)整潤濕分散劑、流平劑、消泡劑進行制漆，保證涂膜平整均勻致密。測試證明成品已經(jīng)滿足了應用要求，結(jié)果見表5。