由于大氣污染的加重，絕緣子表面嚴重積污，外絕緣強度下降，使得輸變電設備大面積污閃事故頻發，造成極大的經濟損失。且近年來越來越頻繁發生的霧霾，不僅會導致輸變電設備絕緣子表面污穢物增加，同時，霧霾引起的濕沉降也會對絕緣子污閃電壓產生極為不利的影響，造成污閃事故的發生。

    “爬、掃、涂”是目前國內外防污閃的主要措施：“爬”是指按污區分布圖配置和調整設備爬電比距；“掃”是指定期清掃設備表面污穢； “涂”是指在設備表面涂覆防污閃涂料，加裝增爬裙等，其中在絕緣表面涂覆防污閃涂料是最有效的措施。

    室溫硫化硅橡膠是20 世紀60 年代問世的一種新型的有機硅彈性體，這種橡膠的最顯著特點是在室溫下無須加熱、加壓即可就地固化，使用極其方便。使用室溫硫化硅橡膠作基體材料制成的防污閃涂料具有良好的憎水性和憎水遷移性，涂覆在絕緣子表面，可抑制泄漏電流及局部電弧的產生和發展，顯著提高耐污閃水平，降低污閃事故的發生概率。但室溫硫化硅橡膠防污閃涂料存在機械性能差、老化快、壽命低、憎水性喪失后恢復慢等問題，且與國外相比，國內的防污閃涂料的綜合性能遠遠不足，使得對于一種性能長效優良的新型涂料或通過改善現有涂料提高其性能的需求更加急切。

    1 污閃機理

    污閃是指大氣中的塵埃微粒沉積到長期運行的絕緣子表面形成污穢層，在霧、露、小雨、雪等氣象條件下，污穢層濕潤后，其可溶物質逐漸溶于水，在絕緣表面形成一層導電膜，使表面電導率增加，絕緣性能下降，造成絕緣子濕潤表面的閃絡放電（ 簡稱污閃） 。污閃一般是由絕緣子表面積污、污穢層濕潤和電壓作用三大因素引發的，污閃過程主要包括積污、積污表面潮化、干區與局部電弧形成和閃絡4 個階段。

    2 室溫硫化硅橡膠防污閃涂料

    早在20 世紀80 年代，匈牙利、美國有用有機硅材料制成防污閃涂料，此后美國Dow Corning 公司、Wacker Silicone 公司、聯邦德國Wacker G.m. b.H 公司、Asahi 化學工業有限公司等為解決多組分涂料在使用中的問題，研制并生產出單組分室溫硫化硅橡膠，有效提高絕緣表面的憎水性能。

    20 世紀80 年代末，清華大學研制出多組分室溫硫化硅橡膠，并開始在天津市、河南省部分地區電網的絕緣子上使用； 20 世紀90 年代，國內也開始研制單組分室溫硫化硅橡膠，因其操作使用簡單，性能優良，很快得到了推廣應用。

    室溫硫化硅橡膠防污閃涂料一般由室溫硫化硅橡膠（ 基體材料） 、填料（ 填充劑） 、助劑組成，通過其中各成分、官能團的相互作用，經物理化學過程改性制成； 其本身具有良好的耐高低溫、耐候性、電絕緣性能、優異憎水性和憎水遷移性，但其機械性能如拉伸強度和抗撕裂強度較差，耐油、耐酸堿性不夠。

    例如，我國超高壓銀東線±660 kV 直流線路自2010 年11月投運以來，由于局部不明原因發生了5 次污閃，從而降壓運行； 在2012 年4 月涂刷室溫硫化硅橡膠涂料后， 2013 年初仍發生污閃而導致降壓運行； 2013 年4 月重新涂刷增強型室溫硫化硅橡膠涂料，但在2014年初仍然發生局部污閃而導致降壓運行。這說明，在部分環境中，室溫硫化硅橡膠防污閃涂料不能起到預想的防污閃效果。

    2. 1 室溫硫化硅橡膠

    室溫硫化硅橡膠是以聚二甲基硅氧烷（ PDMS）為主鏈（ 即Si—O—Si結構） ，取代基或側鏈為C—H結構的高分子化合物，如圖1 所示。聚硅氧烷分子中的甲基（ 有機基） 與主鏈相連，在Si 原子外形成一個倒立正四面體的傘狀空間構型，從而表現出優良的憎水性能。但其本身的強度不超過0. 14 MPa，基本不具有使用價值。

    2. 2 填料（ 填充劑）

    納米復合材料是將納米顆粒添加到聚合物基體中制成的，可提高聚合物的熱學、力學、電學、光學和化學性能［12］。填料的種類有很多，如白炭黑（ 納米SiO2） 、Al（ OH）3（ ATH） 、硅藻土、TiO2、CaCO3、石英粉等，它們是可以賦予硅橡膠各項性能的填料

    2. 2. 1 補強填料

    室溫硫化硅橡膠本身的強度非常低，需要通過添加填料來提高其強度。按照補強作用的效果又常分為補強填料和半補強填料。室溫硫化硅橡膠最常用的補強填料是白炭黑，按白炭黑制備方法分為氣相法白炭黑和沉淀法白炭黑。氣相法白炭黑純度高、粒徑小、比表面積大、補強效果好，所制得的硅橡膠的耐候性、耐熱性、電氣性能等綜合性能較好。

    氣相法白炭黑是硅橡膠補強填料中研究最多、最成熟、應用最廣的填料之一。沉淀法白炭黑雖然含水量較大、粒徑較粗、比表面積相對較低，對硅橡膠的補強效果也遠不及氣相法白炭黑，但是它與氣相法白炭黑相比具有明顯的價格優勢。因此使用沉淀法白炭黑部分代替氣相法白炭黑，降低硅橡膠的價格、進一步擴大其使用范圍具有重要的意義。

    使用半補強填料是為了增加硫化硅橡膠的體積或質量，降低生產成本，提高硫化硅橡膠的硬度，改善耐油性、工藝性等，又因為這些填料具有一定的補強作用，所以稱為半補強填料，常用的半補強填料有硅藻土、ZnO、鈦白粉、石英粉、硅酸鋯、CaCO3和氧化鐵等 。

    在防污閃涂料中，常用白炭黑和半補強填料配合使用，以改善涂料硬度，降低成本，同時還可提高室溫硫化硅橡膠的耐熱性，降低環境污染。HiroakiCho 等在室溫硫化硅橡膠中加入白炭黑和碳酸鈣后，試驗發現室溫硫化硅橡膠有更好的耐熱耐濕性和附著強度。

    2. 2. 2 功能性填料

    在室溫硫化硅橡膠中，還必須添加其他類型的填料來使其具備某些特定的性能，如耐電蝕性、耐老化、耐紫外線、阻燃性、防覆冰等，本研究把此類填料定義為功能性填料。Madidi F 等發現隨著TiO2量的增加，室溫硫化硅橡膠的相對介電常數提高，可提高其介電性能； 王艷芬成功沉積了環狀的TiO2聚集體薄膜，發現其經表面處理后可具有超疏水性。

    Al2O3是最常用的阻燃劑，它可使硅橡膠提高耐電弧性能及耐漏電起痕。未填充導熱填料的硅橡膠的導熱性很差，熱導率一般只有0. 165 W/（ m·K） ，但是加入Al2O3、SiC、ZnO、MgO、Si3N4等導熱填料后，材料的導熱率可提高10 倍以上。在硅橡膠基體中加入耐熱填料也可提高硅橡膠的耐熱老化性能，常用的填料有γ－Fe2O3、Ce（ OH）3、ZnO 和Al2O3等。加入粉狀的碳酸鋅和氧化鋅等填料，還可提高甲基硅橡膠的耐油性能。

    無機填料的加入可起到補強、阻燃、提高光電性能等作用，但此類填料的比表面積大、表面能高、極易發生團聚，導致其在基體中分散不均，甚至割裂基體，而影響自身和硅橡膠的基礎性能。

    2. 3 助劑

    防污閃涂料中常用硅烷偶聯劑來對無機填料進行表面改性，薛茹君等使用硅烷偶聯劑對納米氧化鋁進行表面修飾，實驗證明使用硅烷偶聯劑改性后的納米氧化鋁的分散性和穩定性更好，但仍會有團聚現象。

    Dongzhi Chen 等 使用octa ［（ trimethoxysilyl）ethyl］－POSS 作為交聯劑，可明顯提高室溫硫化硅橡膠的熱穩定性和力學性能。

    由于無機納米填料的比表面積大，容易發生團聚，故常需要添加分散劑和表面活性劑，利用其在顆粒表面的吸附、反應、包覆或包膜來實現顆粒的分散。

    常用的有機錫類催化劑可促進硅橡膠的硫化，縮短硫化時間，但有機錫的使用會造成環境污染，應限制使用，或尋找其他成分代替。

    3 防污閃涂料的性能指標

    憎水性、憎水遷移性、憎水性的喪失與恢復能力和附著力是評定室溫硫化硅橡膠防污閃涂料性能的幾個重要指標。

    3. 1 憎水性

    評價憎水性強弱的方法一般采用噴水分級法（ HC 法） 和靜態接觸角法（ CA 法） 。

    噴水分級法分為HC1－HC7 級，HC1 級為最優，HC7 級為最差。其中HC1 ～ HC3 為憎水狀態，HC4為中間過渡狀態，HC5 ～ HC7 為親水狀態，如圖2 所示。HC 法操作比較方便，適宜于絕緣子傘裙的快速測量，但結果受人為主觀判斷影響大，因此該方法要求測試人員相對固定。根據國家電力行業標準規定，在到達HC5 級前，涂層可以繼續使用； 到達HC5 級后，需1 a 跟蹤檢測1 次，一旦降到HC6 級，則需立即停止使用，更換涂層。

    靜態接觸角以θ 表示，θ ＜90°，材料具有親水性； θ＞90°，材料具有疏水性； θ＞150°，具有超疏水性。CA法即通過測量水珠在固體表面平衡水珠的靜態接觸角θ 來反映材料表面憎水狀態，該方法比較精確，更適合于開展研究性的工作。目前使用的室溫硫化硅橡膠防污閃涂層的接觸角θ＞90°。

    3. 2 憎水遷移性

    憎水遷移性是指硅橡膠表面臟污后，其基體內的憎水性物質會擴散到污穢層表面，從而使后者被動獲得憎水性的能力。憎水遷移性是室溫硫化硅橡膠具有優異防污閃能力、能作為防污閃涂料最主要的性能。目前認為室溫硫化硅橡膠具有憎水遷移性的解釋理論有2 種，一是小分子遷移理論，二是硅橡膠分子理論。雖然目前較為認同的是小分子遷移理論，但對于上述2 種理論，目前仍存在較大分歧，未達成統一認知。當涂層具有超憎水性和自清潔性后，污穢物很難沾染在涂層表面，或者很快會隨水滴滴落，因而具有超憎水性和自清潔性的涂層是否還需要憎水遷移性是目前新提出的熱點問題，尚無定論。

    3. 3 憎水性喪失與恢復、老化

    在一定環境條件刺激下，硅橡膠的表面由最初的憎水性變為親水性，稱為憎水性的喪失。但放置一段時間后，硅橡膠的表面又恢復到憎水性，這種由親水性表面向憎水性表面的轉變稱為憎水性的恢復。輸電線路中使用的室溫硫化硅橡膠防污閃涂料會受到電暈環境的影響，國內外均有研究者實驗發現，電暈放電是造成室溫硫化硅橡膠涂層老化和憎水性喪失的主要原因之一，由電暈引起的化學反應和表面物理變化造成了憎水性的喪失，同時還影響了憎水性的恢復。

    Chen Jingjing 等 通過進行TSC （ ThermallyStimulated Current） 實驗，從空間電荷方面研究涂層耐老化性能，發現已使用的室溫硫化硅橡膠涂層的陷阱能級較低，陷阱電荷的數量比未使用的要高很多，這說明存在很多淺陷阱，而淺陷阱的存在對高分子材料的耐老化性能有不利影響； 唐婧等通過對硅橡膠進行直流電暈試驗，證明電暈放電中硅橡膠表面電荷的增加和空間電荷的注入導致其憎水性的喪失； 劉瑛巖等通過電暈試驗發現硅橡膠絕緣材料表面較易積聚電荷，而這些電荷對顆粒會產生長程吸引力的作用，會導致表面積污增加，從而影響硅橡膠的使用壽命。梁曦東等通過對硅橡膠進行電暈試驗，也發現在電暈作用下其憎水性喪失迅速，而恢復緩慢。

    根據國家電力行業標準規定，室溫硫化硅橡膠防污閃涂料的使用壽命應當不低于8 a，但防污閃涂料在使用過程中不可避免會受到電場電暈影響而加速老化和喪失憎水性，一般使用壽命僅有3 ～ 5 a，因而如何提高防污閃涂料的耐老化性能、提高憎水性恢復能力也是業內人士的研究重點。

    3. 4 附著力

    通常采用DL /T 627—2012《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料》推薦的劃圈法或GB /T 9286—1998《色漆和清漆》采用的劃格法來測試涂層附著力，一般規定，室溫硫化硅橡膠涂層與絕緣子表面的附著力用劃圈法檢測應不小于2 級。

    綜上所述，接觸角越大，憎水遷移時間越短，憎水性喪失所用時間越長，恢復時間越短，則涂料的防污閃效果越好，反之越差。而防污閃涂層與絕緣子的附著力越好，則涂層的使用壽命相對越長。但就目前研究狀況來看，防污閃涂料的成分、性能之間會相互影響，如表面能越低，憎水性越好，但涂料與基材間的附著力會降低到1 級左右，標準規定室溫硫化硅橡膠涂層的可燃性應達到FV－Ⅰ級，耐漏電起痕及電蝕損能力應不小于TMA 2. 5 級，因而需添加大量阻燃劑，但阻燃劑的加入會在一定程度上降低硅橡膠的憎水性，因而如何平衡兩者的影響仍有待研究。

    4 防污閃涂料的發展趨勢

    目前普遍使用的防污閃涂料性能和壽命已不能滿足電力線路的使用需求，開發一種新型長效優能防污閃涂料是提高防污閃涂料性能的最有效方法。實現長效優能防污閃涂料可通過3 種途徑： 一是改善涂料基體材料，； 二是改變涂料成分； 三是構筑類“荷葉”超疏水結構。

    4. 1 改善基體材料

    改善基體材料是選用具有更優性能的基體材料來代替硅橡膠或者在硅橡膠中添加其他基體材料來達到改善防污閃涂料用基體材料性能的目的。硅橡膠是除以C—F鍵為特征的氟碳化合物外表面張力最小的物質，故可考慮采用含氟物質為基體，或是在硅橡膠中添加含氟物質，如氟硅橡膠、氟碳樹脂。

    眾多研究者在這方面進行了大量研究和嘗試，將F 元素引入到涂料中，取得了一定的效果。黃靜等以FEVE 氟碳樹脂為基體材料，成功制成了一種新型防污閃氟碳涂料，該涂料擁有高耐候性、高附著力； 優良的憎水性能（ 靜態接觸角超過120°） 、機械性能和電氣性能； 王藝峰等通過將一種新合成的氟化丙烯酸酯樹脂加入到室溫硫化硅橡膠中共混作為基體材料，制成了防污閃涂料，試驗證明其各項技術指標均達到或優于國家標準，且該防污閃涂料在一些力學性能方面明顯優于目前所使用的室溫硫化硅橡膠涂料，其表面性能更加優良； 李清坤等將合成的一種新型含氟偶聯劑應用到室溫硫化硅橡膠涂料中，明顯提高了涂層的機械性能、附著力、憎水性和自潔性； 張超燦等通過將小分子長鏈氟硅氧烷（ F－109） 和端羥基氟硅生膠（ HFSR） 加入到室溫硫化硅橡膠涂料中，試驗發現涂層的拉伸和撕裂強度分別達到4. 41 MPa 和14. 5 kN/m，阻燃等級達到FV－0 級，涂層表面對水的接觸角為118°，相較提高6. 2%，憎水性、憎水恢復性和憎水遷移性都得到明顯提高； 劉江等通過將聚四氟乙烯（ PTFE） 加入到室溫硫化硅橡膠防污閃涂料中，試驗發現當加入5%PTFE 時，能有效提高涂層的耐腐蝕性能，在一定范圍內涂層憎水性、耐熱性能均有所提高。

    除此之外，鄭金杯等 通過將納米硅鋼涂層（ NSHC） 應用到絕緣子上，并與室溫硫化硅橡膠防污閃涂料做對比實驗，發現NSHC 涂層具有更好的憎水性、絕緣性、自清潔能力和耐污閃水平。但因含氟物質的成本較高，目前使用并不廣泛。且含氟物質表面能低，因而會造成涂層與絕緣子間附著力差，易起殼、剝落，可能會在一定程度上降低涂層的使用壽命，因而如何適當使用依然是后期研究重點。

    4. 2 改變涂料成分

    改變涂料成分是指通過在現有涂料的基礎上改變或加減各成分的種類或用量，從而提高涂料各項性能。各種填料的性能及其可能的替代品一直是涂料研究者的一個研究重點。白炭黑的加入可以起到補強的效果，但是會在一定程度上降低其憎水遷移性，故可采用補強填料與半補強填料相互配合使用的方式，前文中已介紹了白炭黑和CaCO3配合使用后，室溫硫化硅橡膠有更好的耐熱耐濕性和附著強度。納米TiO2的粒徑小、活性高、吸收紫外線能力更強，但其表面能較高，極其容易團聚，而金紅石型TiO2的折光指數高于任何一種白色顏料，故其可吸收/散射紫外線，可以提高涂料的抗紫外線能力，且其粒徑相對較大，不易團聚。

    周永言等的專利中采用金紅石型TiO2，制備出耐候性、耐污性、耐老化性更好、壽命更長的防污閃涂料。除此之外，硅藻土可增加涂料的固化速度和機械粘合性，且其具有的化學惰性使其與混合物中的其他組分不會發生作用，因此，硅藻土也可能是補強填料的一種，而且可能具有更佳效果，這需要后期的實驗驗證。

    Mg（ OH）2是一類正在崛起的填料，用作阻燃劑，因其與Al（ OH）3的分解溫度不同（ ＞300 ℃） ，更適合分解溫度高的聚合物，且其吸油量遠超Al（ OH）3，高達40～50 g /100 g，因而在做阻燃劑的基礎上會提高涂料的憎水憎油性能，而被認為是Al（ OH）3的有力競爭者。但目前其在室溫硫化硅橡膠防污閃涂料的應用還尚未引起重視，筆者認為這應是一個新的研究方向。

    前文已提及目前催化劑大多采用有毒的有機錫成分，在此基礎上研究者們一直致力于尋找替代品。鈰是一種稀土元素，穩定性好，對材料其他性能影響小； 氧化鈰熔點高達2 397 ℃，耐熱性能好，不溶于水，因而可提高材料憎水性及耐酸堿腐蝕性，且其催化作用效率高，用量小，是極佳的催化劑選擇。肖建斌將氧化鈰加入到硅橡膠中，試驗證明隨氧化鈰用量的增加，硅橡膠的力學性能變化較小，但耐熱性和高溫下的耐油性明顯提高，憎水性提高，故筆者建議可將一定量的氧化鈰加入到室溫硫化硅橡膠中，這也是一個研究方面。

    在偶聯劑方面，鈦酸酯偶聯劑對氫氧化鋁進行表面改性可以明顯提高其在硅橡膠中的分散程度，改善氫氧化鋁與硅橡膠之間的界面相容性，因而不會對硅橡膠的憎水性能產生不利影響，既可保證復合材料的阻燃性能，還可以保持良好的力學、電氣性能和憎水性能。

    此外，鋁酸酯偶聯劑成本較低，對碳酸鈣有好的改性作用，比鈦酸酯偶聯劑有更佳的熱穩定性能；雙金屬偶聯劑如鋁－鋯酸酯偶聯劑、鋁－鈦酸酯偶聯劑等，具有加工溫度低，在室溫下即可與填料相互作用，偶聯速度快，分散性好，有較高的拉伸強度和耐沖擊性，且價格低廉，僅為硅烷偶聯劑的一半，是一種非常有發展前景的偶聯劑，故筆者認為，替換用偶聯劑或復配也將會提高涂料的性能，也是重要的發展方向，這需要后期的實驗證明。但換用偶聯劑可能會添加多余元素，如鋁、鋯等，其對防污閃涂料的性能是否有不利影響目前尚不明確，因而需要大量探索。

    4. 3 構筑類荷葉結構

    荷葉具有超疏水性的原因是其具有表面乳突和蠟質晶體使其形成的微米－納米復合結構。超疏水表面是指靜態接觸角大于150°，滾動角小于10°的固體表面。由于憎水角θ 與材料的表面形貌（ 或表面粗糙度） 和材料的表面化學性質有關。

    故認為構筑超疏水結構有2 種途徑： 一是改變疏水材料表面的粗糙度； 二是在具有一定表面粗糙度的疏水材料表面修飾低表面能的物質在荷葉結構的研究基礎上，大量研究者做了相關的研究工作。

    楊金鑫等發現了SiO2包覆CaCO3復合粒子的“草莓”結構，可制備出具有“荷葉效應”的涂層，觀察發現該涂層具有微米－納米二重結構，經測驗，靜態接觸角達169°，滾動角僅為2°，證明該涂層具有超疏水性； 方京男等通過將CaCO3 /SiO2復合粒子進行化學修飾，使納米SiO2與微米CaCO3粒子復合形成了類似荷葉表面的微米－納米復合結構，且因化學修飾在涂料表面可形成疏水性的—CH3包覆層，使CaCO3 /SiO2復合粒子表面疏水性增強； 黃碩等利用機械共混法添加納米SiO2顆粒對PRTV 進行改性，其涂層的水接觸角可由106°提高到150°，制得了超疏水復合涂料。

    Pawel Zylka利用電火花加工，在鋁合金板上制作出類荷葉結構的模板，可用在硅橡膠涂料的表面，以構造涂層表面的粗糙度。類荷葉結構的存在可大量提高涂層的自清潔性，即憎水性和憎水遷移性，因而憎水性喪失難度增大，恢復快，也可提高防污閃涂層的使用壽命。

    雖然此類方法具有可操作性，但其工藝復雜，成功率低，成本較高，在實際操作中困難較大，如粒子包覆技術工藝困難，化學修飾用六甲基二硅氮烷揮發性強，難以保證其對納米粒子的修飾作用，且其毒性高，不易溶于溶劑中，對涂料其他性能的影響并沒有被證明，機械共混法較理想化，制備荷葉結構的模板成本高且實現困難，因而仍需要后期研究者的繼續探索。

    5 結語

    通過分析室溫硫化硅橡膠防污閃涂料的成分組成（ 通常包含室溫硫化硅橡膠、填料、助劑） 以及各成分的作用，分別從涂料的憎水性、憎水遷移性、憎水性的喪失與恢復能力和附著力等主要指標方面評價了涂料的性能。指出目前普遍使用的防污閃涂料的性能和壽命已不能滿足電力線路的使用需求，開發一種性能優良的新型長效防污閃涂料是提高外絕緣可靠性的最佳手段。

    其主要實施途徑有3 種： 一是加入含氟物質來改善基體材料，或直接使用納米硅鋼涂層等其他涂料； 二是改善現有涂料配方，改變成分種類和含量； 三是構造類“荷葉”微米－納米二重復合結構，形成超疏水涂層。但在此基礎上，仍會存在大量不足，如如何保證性能間的相互影響和平衡，需要后期研究者的繼續研究探索。

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責任編輯：王元

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