纳米氟碳涂层在防污闪领域的应用研究

2016-08-15 13:48:20 作者：本网整理来源：涂料工业分享至：

    普通电器设备外绝缘面时间一长，会有污垢粘附于其上，在湿润条件下，如雾气、露水、雨雪等，其中的可溶物渐溶，形成一层连续的导电膜，这样会降低表面的电绝缘水平，导致泄漏电流，进而有局部电弧产生，甚至击穿绝缘，此系列现象即为污闪。污闪直接的后果是各种设备装置的损坏，对生产建设及经营活动造成危害，给人们的生活带来不便。

    从源头进行污闪防范的措施基本有4种：

    （1）清扫。一年一次，重污染的一季度一次，这将消耗大量人力。

    （2）调爬或采用合成绝缘子等。效果可以，但是价格高。

    （3）涂覆硅油等，有效期仅数月，清洗很是不便。

    （4）采用防污闪涂料。从性价比、后续维护的角度看，防污闪涂料比较有优势。

    目前广泛使用的防污闪涂料是RTV（室温硫化硅橡胶），防污闪方面的单项指标可以，但综合性能不高。其伞状空间构型以硅原子居中，甲基结构于外紧密构成了封闭面。水接触其上，形成小珠滚落，一时是不会形成连续膜的，即憎水性。但硅橡胶结构也导致它如果不经过补强，机械性能和其他性能则难以达到使用要求。

    纳米氟碳防污闪涂料结构上与RTV大不相同。有机氟树脂中C—F键长极短，基本是氟原子在外，形成圆柱体来屏蔽碳主链，使得化学品、紫外线等不易深入。C—F键能又是单键中最高的，破坏需要很大能量。更重要的是，其共聚单体结构交替排布，这种排列越规整，分子的稳定性就越大。另一方面，分子间作用力很低，整个体系表面能也低，涂层很难被水和有机物润湿。这样形成了憎水，也形成了初步的自清洁。由于憎水，不被水分润湿，污垢不被离子化，防止了电流泄漏。憎水性越好，防污闪效果越突出。另外，氟原子极化率小，所以氟碳树脂还具有化学惰性及热稳定性。

    树脂结构决定了涂料的基本性能，而制备综合性能优良的涂料，还需涂料其他组分的优化搭配，共同贡献。纳米材料指的是尺寸在1~100nm的材料，由于它的特殊性能，会使普通的同一物质展现出特殊乃至反转的物化特性。本研究综合考虑了纳米材料对机械性能、憎水性、自清洁的贡献及原料的易获得，选取了纳米SiO2。同时，由于在低温环境下，外绝缘面结冰也会出现闪络，导致停电。因此选择在涂料配方中添加有机金属化合物来试图改善这一现象。有机金属化合物以一种溶胶态分散在涂料中，遇水形成的金属氧化物可达到纳米级，金属氧化物有一定的光谱吸热性，可吸收光能使表温升高加速融化。

    1 试验部分

    1.1 主要原材料

    实验主要原材料如表1 所示。

表1 主要原材料、产地及基础配方

    1.2 涂料的制备

    在三口烧瓶中加入金属化合物，通氮气，快速搅拌下滴加有机小分子化合物甲，充分反应3h；再滴加化合物乙，充分反应6h，最后得到有机金属化合物溶胶备用。

    配制混合溶剂。将混合溶剂与所需的架桥剂1∶1 混匀，加入纳米SiO2充分搅拌30min。然后加入FEVE树脂，搅拌20min，组成A料。将润湿分散剂、1/2的消泡剂加入到剩余的混合溶剂中，搅匀。慢慢加入钛白粉，快速分散30min,组成B料。细度控制在≤40μm。将A料加入到B料中，再加入余下的消泡剂、流平剂及其他助剂，搅匀10min。在以上混合物中加入自制的有机金属化合物，搅匀10min,得成品备用。涂料涂装施工时，成品与HDI按配比使用。

    1.3 涂料的测试

    测试底材采用100mm×100mm瓷板，施工方法为空气喷涂，施工厚度为0.3~0.5mm。在标准条件下干燥24h测试常规性能。附着力按GB/T 9286—1998；硬度按GB/T 6739—2006；憎水性按DL/T 864—2004测定；耐酸性按DL/T 627—2012；耐碱性按DL/T 627—2012测定；耐盐水性按GB/T 1763—1979测定；耐水性按GB/T 1733—1993测定；自清洁按目测分优、良、中、差；耐沾污按GB/T 9755—2014测定；耐候性按GB/T 1865—2009测定；融冰测试以喷同样厚度瓷板看液体水出现时间，冰层脱落时间；断裂伸长率、拉伸强度按DL/T 627—2012测定；表面电阻率、体积电阻率、击穿场强、污闪电压、阻燃性送外单位检测。

    2 结果与讨论

    2.1 主成膜物的选定

    按1.2制备涂料，其中纳米SiO2、架桥剂、有机金属化合物均不加，方案A、方案B为两种不同型号FEVE树脂，方案C直接用外购RTV涂料。结果见表2。

表2 主成膜物的性能对比

    从附着力、硬度上看，氟碳是优于RTV的。氟碳侧链上的羟基与HDI中的—NCO基团反应，组成网状高分子，实际是聚氨酯结构，而RTV补强后才能接近前者。尤其令人关注的是，氟碳的自清洁、耐沾污性远超后者。在憎水性（静态接触角）及相关的电气性能上，RTV比氟碳占优。这与硅橡胶同系物组成密切相关。RTV中的一系列小分子不断释放，加强了憎水迁移性。方案A与B的区别在于氟含量和所带基团的差异。氟含量高的配漆应更为注意润湿分散，助剂方面不能一贯而之。整体考量，选用方案A的氟碳为主成膜物，但需要用其他补足短板。

    2.2 架桥剂的影响

    按1.2 制备涂料，其中不加有机金属化合物，考虑到分子极性，架桥剂用钛酸酯类，纳米SiO2加至6%。结果见表3。

表3 架桥剂用量的影响

无机与有机之间需要媒介，特别是无机纳米微粒均匀分散在树脂中是不容易的。架桥剂其实是一种两亲物质，一端亲无机基团，可与无机填料作用；另一端亲有机，可与有机树脂作用。一般来说，架桥剂不仅可对无机填料进行化学结合及物理包覆，使之亲油，还可提高涂层与底材附着。但过量的话，架桥剂之间会交联，也影响亲合作用。故实验数据中，这个用量的架桥剂是逐步帮助提高了机械性能。测完机械性能，以上样品再做憎水性，结果见图1。

图1 架桥剂用量与接触角的关系

    增大架桥剂的量，发现水在涂层上的静态接触角由小转大又趋小。说明架桥剂刚开始帮助了无机纳米粒子均匀分散，涂层微纳米凹凸结构越明显，表面粗糙度增加，憎水能力越上升。而过量反而减少了此结构，憎水性下降。故综合看架桥剂以6%较为适宜。

    2.3 纳米二氧化硅的影响

    按1.2制备涂料，其中不加有机金属化合物，考虑到分子极性，架桥剂用钛酸酯类6%，改变纳米SiO2用量考查其影响，结果见表4。

表4 纳米 SiO2 用量的影响

    随着纳米SiO2的加入并辅以架桥剂，有机涂层得到了增强，机械性能提高，憎水性的先升后降也是微纳米的凹凸结构产生影响所致。从热贮存性能看，过多的纳米SiO2引起了不稳定，可能有团聚。6%加量应在平衡点上。

    2.4 有机金属化合物的效果

    由于冬季温度过低时部分地区可能结冰，目前也无方法绝对不让设备表面结冰。那么就要尽量延缓这种现象，尽量使融冰提早发生。加入有机金属化合物可以降低冰的融化温度。有机金属化合物与水反应，生成有机小分子和金属氧化物。实验结果如图2和图3所示。

图2 有机金属化合物用量对融冰时间的影响

图3 有机金属化合物用量对脱冰时间的影响

    有机小分子会迁移进入冰相，降低冰的融点，促使固液转化。而液态水一旦出现，会加速有机金属化合物水解，从而生成更多的有机小分子，继续这个过程。由图2、图3可知，有机金属化合物的加入，大大缩短了开始融冰的时间和完全脱冰时间，加量越多越明显。但要考虑相容性，再往上加量要做实验验证。当然冰层厚度以及设备形体也是重要因素，应依具体情况做适当调整。

    2.5 测试验证

    综合以上结果，即纳米SiO2用量6%，架桥剂6%，有机金属化合物10%，调整润湿分散剂、流平剂、消泡剂进行制漆，保证涂膜平整均匀致密。测试证明成品已经满足了应用要求，结果见表5。