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低表面能含氟硅防冰涂料的制备及应用

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0 前言
冬季世界上许多地区的电力系统都会遭受由风雪灾害天气带来的不同程度的损害,风雪灾害天气导致的导线覆冰现象严重,导线覆冰厚度超过导线本身的设计抗冰厚度,使导线覆冰后因其质量、风压面积的增加而引发事故;同时还会引起架空线路中相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰而引发事故和由于不均匀覆冰或冰、风荷载的作用使导线产生自激振荡和低频舞动而产生事故。这些事故最终会导致金具损坏、导线断股、绝缘子串翻转、导线电气间隙减少,发生闪络、断线和杆塔倾斜或倒塌等严重的机械及电气故障。为此世界各国投入了很大的力量研究线路在冰灾条件下的防冰、除冰技术,而能够有效地应用于输电线路的防冰、除冰技术却很有限。2008年春节前,我国南方数省、市持续大范围雨雪天气,使得输电线路和设备严重覆冰,导致大范围电力系统瘫痪,造成巨大的经济损失,给社会稳定造成了严重危害。因此,开发可靠的防覆冰技术,采用有针对性的预防措施和处理方法,已成为一个重要而紧迫的课题,对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。
 
1 试验部分
1.1 原料及仪器
原料:甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(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)、过氧化苯甲酰(BPO)、二月桂酸丁基锡、二氧化硅粉体、二氧化钛粉体、聚四氟乙烯粉体、分散剂、醋酸丁酯、甲苯。
仪器:高速搅拌机、砂磨机、超声波。
1.2 纳米浆料的制备
设定体系的质量分数为15%,称取一定量的分散剂和纳米粉体加入到醋酸丁酯中,调节体系的pH值,在配有冷凝装置的球磨机中研磨4 h(2 800 r/min)或高速搅拌30 min(10 000 r/min),然后经超声波超声一定时间,制成纳米浆料体系,放入密闭容器中静置。
1.3 涂料的制备及应用
将甲基丙烯酸酯类单体、乙烯基三乙氧基硅烷、KH570、BPO加入到溶剂中,单体质量分数为40%,升温到85~90 ℃,反应1.5 h,滴加40%的含氟甲基丙烯酸酯类单体溶液,0.5 h内滴加完成,共反应1 h,冷却后即制得含氟硅的清漆。将制备好的含有过渡金属颜料的纳米浆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 结果与讨论
2.1 涂料防冰性能检测
冰的附着力试验设计方法:在同样材质的敞口金属皿内表面,刷涂不同的涂料与空白样对比,刷涂后放置保养,然后加入相同质量的水,放入冰箱冷冻室中,搁置一定时间后,取出测试其与内表面不同涂料的结合力。实际设计金属敞口皿刷涂涂料、盛水、冷冻后测试的示意图如图1所示。
涂料防冰性能检测装置示意图
主要从冰的附着力着手研究了以下几个影响因素:
2.1.1 不同冷冻时间下的涂料与冰的结合力(见图2)
-18 ℃下不同冷冻时间下的冰与涂料的结合力
从图2可知,相同温度下,由于冷冻时间的不同,每种涂料与冰的结合力大小是不一样的,但总的趋势是随着时间的延长,冰与涂料的结合力变化趋于稳定不变。96 h的冷冻时间后空白的不刷涂料的金属与冰的结合力最大,刷上美国的防冰涂料,与冰的结合力最小。北京首创纳米自制的FB-01稍逊于美国的防冰涂料。
2.1.2 不同的冷冻温度下涂料与冰的结合力(见表1)
表1 在-2 ℃下与-18 ℃下冷冻不同时间所测得的结合力
表1 在-2 ℃下与-18 ℃下冷冻不同时间所测得的结合力
由表1可知,1 h的情况下,不同温度基本对附着力没什么影响,主要原因是1 h的时间内,水还没有完全结冰。随着时间的增长,涂料对附着力的影响会因涂料基料的不同而有大的差异。本试验中-2 ℃下形成的冰比较致密,透明均匀,对基材的表面附着力大;水在-18 ℃下时,由于水结晶的速度快,形成的冰比较疏松,对基材的附着力相对要低。
表2为单键结合物的亲和能。由表2可知自制的涂料中由于含有碳氟化合物,其表面具有较低的表面能,能减少水对表面的润湿,就大大降低了冰对表面的附着力。
单键结合物的亲和能
2.1.3 颜料粒径对防冰的影响
颜料粒径大小对涂料的防结冰性能影响也很大。通常,当涂层厚度增大时,其吸收率也会随着增加,直到趋近于一稳定值。因此,要保持低的发射率和高的吸收率,就要求吸热涂层厚度要薄。这也要求所用的吸热颜料的粒径要小。根据对防冰涂料的试验,所用颜料的粒径100 nm左右为宜。图3是用HORIBA LA-950激光散射粒度分析仪测试的颜料粒径分布结果。分布图表明该颜料的平均粒径为0.103μm。
颜料的粒径分布
2.2 涂料的其他性能(见表3)
涂膜的性能检测结果
3 结语
(1)从电力系统覆冰灾害的成因来看,涂覆防覆冰涂料是一种比较可行的解决办法。开发价格低、寿命长,具备高综合性能的防覆冰涂料,不仅能解决现存的覆冰问题,而且能够改变防覆冰涂料在我国作为临时性产品的地位,使之能成为在输电线路防护技术上的标准措施。
(2)涂料防冰方法的关键技术是降低冰和衬底表面的附着力,使其具有憎水性或疏水性。
(3)减小冰的附着力可以考虑将氟硅低表面能材料加入到涂料中,更易于除冰。
(4)氟硅防冰涂料在输电线路上要达到工程应用还需要进一步花大力气才能解决。
(5)纳米防覆冰涂料的研制开发和推广应用,对提高我国电网的安全运行及推动纳米材料行业的发展具有重要意义。
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