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由于工业的发展和环境的日趋恶化,高压输变电系统绝缘子的积污,以及由此引起的污秽闪络已经成为影响电力系统安全和稳定的重要因素。室温硫化硅橡胶(Room temperature vulcanized silicone rubber,RTV)防污闪涂料由于具有良好的耐高低温、耐侯、电气绝缘、憎水和憎水迁移等特性,成为防污闪领域一个最具竞争力的材料。RTV防污闪涂料于上世纪70年代最早应用于美国,然而由于其不能防止污秽在涂层表面的积累(不具有自清洁性能)、疏水性能不够高、恶劣环境下疏水性能丧失等缺点,虽然经过几十年的发展仍然处于防污闪领域的临时补救措施地位。如果赋予RTV防污闪涂料“荷叶效应”,使其具有超疏水和自清洁性能,那么RTV防污闪涂料将有效降低或防止污秽在其表面的聚集,从而防止因污秽而导致的漏电电流增加、干带的产生以致闪络发生。然而,尽管目前超疏水表面的制备方法多种多样,但探索工艺简单、成本低廉、性能优良并能实际应用于大面积的超疏水表面的制备方法是目前该领域的一个研究难点。本文就围绕以上的目的和问题,开展了以下几个方面的研究:
(1)采用端二醇与正硅酸乙酯合成出了己二醇(或丁二醇)偶联正硅酸乙酯,用作RTV防污闪涂料的交联剂。利用红外、1HNMR和13CNMR分别对合成交联剂的结构进行了表征和分析,随后考察了交联剂的种类和用量对RTV涂层的表干时间、热稳定性以及力学性能的影响。结果表明:以1,6-己二醇偶联正硅酸乙酯为交联剂明显提高了RTV的力学性能和热稳定性能:而1,4-丁二醇偶联正硅酸乙酯由于自身的环化交联反应,使得以此为交联剂的RTV在力学性能和热稳定性能等方面还远不如用传统交联剂的RTV样品。
(2)以机械高速搅拌法制备了CaCO3/SiO2复合粒子,并用六甲基二硅氮烷(hexmethyldisilazane,HMDS)对其进行了表面修饰改性。同时考察了冲击速度和CaCO3/SiO2粒子质量比对包覆形貌的影响,进而研究了改性剂用量、改性温度和改性时间等对复合粒子表面改性效果的影响。结合扫描电镜、透射电镜、傅立叶变换红外光谱和热重分析对复合粒子进行了分析表征。结果表明:SiO2粒子成功地修饰在了CaCO3粒子的表面,形成了“草莓”结构。HMDS中的-Si(CH3)3也有效地接枝到了SiO2粒子的表面。通过粒子亲油性测定,发现复合粒子经HMDS处理后由亲水变成了疏水。最后对CaCO3和SiO2粒子之间的结合能进行了理论上的估算,结果表明单个CaCO3和SiO2粒子之间的结合能达到了1.19×10-17J,两种粒子达到了有效牢固的结合。
(3)将制备的CaCO3/SiO2复合粒子与硅氧烷一起制备出了具有“荷叶效应”的超疏水涂层,其静态水接触角达170°,滚动角约为2°。通过扫描电镜观察涂层的表面微观形貌,发现该涂层具有微米-亚微米-纳米相结合的多重粗糙结构。微米凸起的粒径在2~3μm左右,纳米凸起的粒径约为200nm左右,与荷叶具有类似的结构排布方式。通过原子力显微镜和接触角的测试,探讨了表面微观结构、涂层粗糙度和涂层疏水性之间的关系。结果表明:复合粒子构成的非均相界面的水接触角符合Cassie模型。复合粒子赋予涂层的双微观粗糙结构与自组装成膜硅氧烷的低表面能的协同效应,使涂层具有了优良的超疏水性能和自清洁性能,同时也具有一定的防覆冰能力。经能谱分析发现,在固化过程中聚二甲基硅氧烷(PDMS)有向两个界面迁移的现象,PDMS在涂层中的含量呈两边高、中间低的梯度分布。
复合粒子的加入不仅仅对涂层的表面微观结构和疏水性能有至关重要的影响,同时对涂层的附着力和热稳定性也同样有着重要的影响。CaCO3/SiO2复合粒子的加入对RTV涂层的热稳定性也有很大的提高,普通RTV的降解温度约为280℃,而加入复合粒子的RTV涂层却能在400℃之前无失重。对加入CaCO3/SiO2复合粒子的RTV涂层的热降解动力学进行了研究,结果发现:在420-610℃区间,RTV的降解也分为两个步骤进行,即420-500℃区间反应活化能为51.07kJ/mol的复杂反应区和500-610℃反应活化能为134.1kJ/mol的PDMS主链降解反应区。
(4)对制备的超疏水型RTV防污闪涂料的耐漏电起痕和电蚀损性、阻燃性、耐热老化性、抗污闪能力以及耐酸碱腐蚀等性能作了研究。结果表明:耐漏电起痕及电蚀损性能通过TMA4.5级,阻燃性能可达FV-0级,并且也表现出了良好的抗污闪能力。