改性硅橡膠絕緣材料在跌落式熔斷設(shè)備中的應(yīng)用性能

摘 要：為加強(qiáng)遠(yuǎn)距離輸電的安全性和穩(wěn)定性，本試驗(yàn)制備了一種具備超疏水性能的硅橡膠絕緣防潮材料，并對(duì)該材料性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，硅橡膠絕緣防潮材料與水的接觸角為（157.8±0.5）°，滾動(dòng)角為（8.1±0.1）°，超疏水性能良好。在300?熱氧老化處理24 h后，硅橡膠絕緣防潮材料與水的接觸角無(wú)較大變化，為156.2°，滾動(dòng)角增大，為9.3°，耐久性良好。另外，這種硅橡膠絕緣防潮材料具備良好的表面液滴彈跳行為，且具備一定的延遲結(jié)冰性能。可以用于絕緣子等跌落式熔斷器及裝置中，使高鐵運(yùn)行或遠(yuǎn)距離輸電的安全性和穩(wěn)定性提高。

關(guān)鍵詞：超疏水；硅橡膠；接觸角；滾動(dòng)角；耐久性

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ3133.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0042-04

Modified silicone rubber insulation material in drop out fuse equipment application performance

TAO Jinlong，WANG Jian，WANG Xuefeng，YU Zibin

（Shenzhen Power Supply Bureau Co.，Ltd.，Shenzhen 518001，Guangdong China）

Abstract：To enhance the safety and stability of high-speed rail transportation or long-distance transmission，a sil?icone rubber insulation and moisture-proof material with superhydrophobic properties was prepared，and its prop?erties were studied. The results showed that the contact angle between silicone rubber insulation and moistureproof material and water was（157.8±0.5）°，and the rolling angle was（8.1±0.1）°，indicating good superhydropho?bic performance. After 24 hours of thermal oxygen aging treatment at 300?，the contact angle between the sili?cone rubber insulation moisture-proof material and water remained unchanged at 156.2°，while the rolling angle in?creased to 9.3°，indicating good durability. In addition，this silicone rubber insulation moisture-proof material hadgood surface droplet bouncing behavior and certain delayed icing performance. It can be used in insulators andother drop-out fuses and devices to improve the safety and stability of high-speed rail operation or long-distancetransmission.

Key words：superhydrophobicity；silicone rubber；contact angle；rolling angle；durability

硅橡膠材料具備優(yōu)異的電氣絕緣性、耐候性等，在高鐵運(yùn)輸或國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。但由于高溫、嚴(yán)寒等環(huán)境的影響，硅橡膠材料裝置常常受到破壞，服役壽命下降。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。將廢舊的硅橡膠復(fù)合絕緣子再次利用，制備了一種超疏水硅橡膠粉末，并結(jié)合環(huán)氧樹(shù)脂，制備超疏水涂層[3]。通過(guò)飛秒脈沖激光，在硅橡膠材料表面制備超疏水表面，并對(duì)該表面的耐老化性進(jìn)行研究[4]。采用溶膠-凝膠法，制備了一種原位生長(zhǎng)二氧化鈦的硅橡膠超疏水材料，并研究其性能[5]。結(jié)合以上學(xué)者的研究可知，超疏水材料必須具備低表面能和微納米粗糙結(jié)構(gòu)。因此，本試驗(yàn)以不銹鋼編織網(wǎng)在硅橡膠材料表面制備一種網(wǎng)狀粗糙結(jié)構(gòu)，制備可用于絕緣子等跌落式熔斷器及裝置的硅橡膠絕緣防潮材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)部分

1. 1材料與設(shè)備

主要材料：硅橡膠（工業(yè)純，中唯新材料）；聚二甲基硅氧烷水性乳液（工業(yè)純，隆勝四海新材料）；不銹鋼編織網(wǎng)（百濾篩分過(guò)濾制品，1250目）；雙二五硫化劑（工業(yè)純，天安有機(jī)硅科技）。

主要設(shè)備：KHC-C1000g型電子天平（凱鴻誠(chéng)稱(chēng)重設(shè)備）；HTS-576型干燥箱（世測(cè)精密儀器）；CREE-6015型開(kāi)煉機(jī)（科銳儀器）；30 T型平板硫化機(jī)（三重星機(jī)械）；CA100型接觸角測(cè)試儀（北斗儀

器）；HAS-U2型高速相機(jī)（日本DITECT）；THP-100型高溫老化箱（智河環(huán)境試驗(yàn)）。

1. 2絕緣防潮材料的制備

硅橡膠材料有著較好的電氣絕緣性、疏水性等，綜合性能良好，且其本身具備較低的表面能[6-7]。因此，本試驗(yàn)以硅橡膠為主要原料，并以不銹鋼編織網(wǎng)在硅橡膠表面構(gòu)建一種微納米粗糙結(jié)構(gòu)，制備一種具備超疏水性能的硅橡膠復(fù)合材料[8-9]。該材料可作為絕緣防潮材料用于絕緣子等跌落式熔斷器及裝置。具體制備步驟如下：

（1）對(duì)不銹鋼編織網(wǎng)進(jìn)行裁剪處理，然后將裁剪完成的不銹鋼編織網(wǎng)分別放到去離子水和無(wú)水乙醇溶液中，進(jìn)行超聲清洗處理30 min；

（2）將不銹鋼編織網(wǎng)取出，在恒溫50?的干燥箱中進(jìn)行干燥處理25 min。獲得裁剪、清潔處理后的不銹鋼編織網(wǎng)；

（3）將不銹鋼編織網(wǎng)在水性脫模劑中進(jìn)行浸泡處理1 min。然后取出，在恒溫175?的干燥箱中進(jìn)行干燥處理15 min。取出，在室溫環(huán)境下冷卻；

（4）用電子天平稱(chēng)量硅橡膠50 g以及雙二五硫化劑0.08 g。先在開(kāi)煉機(jī)中加入硅橡膠，然后再將雙二五硫化劑均勻放散到開(kāi)煉機(jī)中，進(jìn)行混煉處理，出料備用；

（5）通過(guò)去離子水和無(wú)水乙醇溶液對(duì)壓模具進(jìn)行清潔，然后通過(guò)干燥箱對(duì)壓模具進(jìn)行干燥處理，并進(jìn)行175?預(yù)熱；

（6）取出預(yù)熱完成的壓模具，放入混煉好的硅橡膠，然后平鋪不銹鋼編織網(wǎng)，蓋好上層模具；

（7）通過(guò)平板硫化機(jī)，在175?下以3 MPa的硫化壓力對(duì)壓模具進(jìn)行硫化處理8 min。取出壓模具，在室溫環(huán)境下冷卻至45?；

（8）脫模，剝離不銹鋼編織網(wǎng)，獲得絕緣防潮材料，即具備超疏水性能的硅橡膠復(fù)合材料。

1. 3性能測(cè)試

1. 3. 1超疏水性能測(cè)試

利用接觸角測(cè)定儀，對(duì)絕緣防潮材料試樣進(jìn)行測(cè)試，分析其接觸角和滾動(dòng)角。

1. 3. 2液滴彈跳行為測(cè)試

在不同的高度使液滴下落到絕緣防潮材料試樣表面，并通過(guò)高速相機(jī)對(duì)液滴的彈跳行為進(jìn)行拍攝，分析絕緣防潮材料試樣表面液滴的彈跳行為。

1. 3. 3耐久性測(cè)試

將絕緣防潮材料試樣放置在不同的溫度環(huán)境中進(jìn)行熱氧老化處理24 h。然后取出，在室溫條件下靜置4 h。再用接觸角測(cè)定儀對(duì)熱氧老化處理后的絕緣防潮材料試樣進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)其接觸角和滾動(dòng)角分析絕緣防潮材料的耐久性。

1. 3. 4延遲結(jié)冰性能測(cè)試

將絕緣防潮材料試樣放在制冷裝置上，然后在絕緣防潮材料試樣表面滴上不同體積的液滴，并以普通硅橡膠材料作為對(duì)比試樣。將制冷裝置的溫度設(shè)置為-20?，讓滴有液滴的材料試樣從室溫慢慢降溫到設(shè)定溫度。期間，每隔5 min觀察并記錄材料試樣表面液滴的結(jié)冰情況，分析絕緣防潮材料的延遲結(jié)冰性能。

2結(jié)果與分析

2. 1超疏水性能分析

圖1為在本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料試樣表面，去離子水液滴的接觸角與滾動(dòng)角。

由圖1可知，當(dāng)去離子水液滴滴到絕緣防潮材料試樣表面時(shí)，均會(huì)在絕緣防潮材料試樣表面呈完整球形狀態(tài)存在。可以看到，絕緣防潮材料試樣表面的接觸角為（157.8±0.5）°，大于150°。同時(shí)，滾動(dòng)角達(dá)到（8.1±0.1）°，小于10°。這表明，本實(shí)驗(yàn)制備的絕緣防潮材料具備良好的超疏水性能。因此，在絕緣防潮材料表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，凹陷的地方會(huì)被空氣填充。當(dāng)液滴滴到絕緣防潮材料表面時(shí)，接觸面不僅有液-固接觸面，還存在液-氣接觸面，從而增強(qiáng)絕緣防潮材料表面的超疏水性[10-12]。綜上，本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料超疏水性能良好。

2. 2液滴彈跳行為分析

對(duì)絕緣防潮材料試樣表面的去離子水液滴彈跳行為進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在不同高度下落的去離子水液滴，在絕緣防潮材料試樣表面均存在不止一次的彈跳行為。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)第1次、第2次彈跳行為進(jìn)行分析。當(dāng)去離子水液滴下落的高度為5.5 mm和6.0 mm時(shí)，第1次、第2次彈跳行為的各數(shù)據(jù)相差不大。從試驗(yàn)A可以看出，當(dāng)去離子水液滴從5.5 mm高度處下落時(shí)，液滴的第2次彈跳中，下落高度降低，最大彈跳高度降低，而液滴與絕緣防潮材料試樣表面接觸時(shí)的最大鋪展面積增大。這主要是因?yàn)椋旱卧诘?次彈跳行為后，能量損失。因此，在第1次彈跳行為中的下落高度和最大彈跳高度均降低[13-14]。另外，對(duì)比試驗(yàn)A和試驗(yàn)C可知，當(dāng)去離子水液滴下落的高度從5.5 mm升高到8.0 mm時(shí)，第1次彈跳行為中的接觸時(shí)間、最大鋪展直徑和最大彈跳高度均有所增加。這是因?yàn)槿ルx子水液滴下落的高度越高，液滴的勢(shì)能越高，所以，在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量越多。因此，這些現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料具備良好的超疏水性能。

2. 3耐久性分析

對(duì)不同溫度環(huán)境下進(jìn)行熱氧老化處理24 h后的絕緣防潮材料試樣進(jìn)行接觸角、滾動(dòng)角測(cè)試，并以常溫環(huán)境（25?）下的絕緣防潮材料試樣進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在經(jīng)過(guò)100、200以及300?熱氧老化處理24 h后的絕緣防潮材料試樣的接觸角大小幾乎無(wú)差異，且與常溫環(huán)境下的絕緣防潮材料試樣接觸角基本相同，接觸角均超過(guò)156°。這表明，這經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅驹囼?yàn)制備的絕緣防潮材料接觸角基本不發(fā)生變化。由于硅橡膠耐高溫性能較好，因此，在高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅^緣防潮材料試樣表面的網(wǎng)狀粗糙結(jié)構(gòu)并不會(huì)被破壞[15-16]。所以，絕緣防潮材料試樣表面的接觸角依然較大，且均超過(guò)156°。然而，從圖2還可以看到，與常溫環(huán)境下的絕緣防潮材料試樣相比，經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗蟮慕^緣防潮材料試樣滾動(dòng)角明顯增大。對(duì)于常溫環(huán)境下的絕緣防潮材料試樣，其滾動(dòng)角為8.1°。而對(duì)于經(jīng)過(guò)300?高溫?zé)嵫趵匣幚砗蟮慕^緣防潮材料試樣，其滾動(dòng)角增大到9.3°。由此可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅^緣防潮材料的滾動(dòng)角增大。由于絕緣防潮材料試樣中的疏水基團(tuán)減少，硅橡膠材料表面與液滴之間的粘附性增加[17-19]。因此滾動(dòng)角增大。由于滾動(dòng)角受到硅橡膠材料表面與液滴之間的粘附性影響較大，而接觸角受到硅橡膠材料表面與液滴之間的粘附性影響較小，因此，在經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅^緣防潮材料的接觸角變化不大，而滾動(dòng)角則明顯增大。總得來(lái)看，本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料耐久性良好，在經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅佑|角大于150°，滾動(dòng)角小于10°。該絕緣防潮材料依然具備良好的超疏水性能。

2. 4延遲結(jié)冰性能分析

本試驗(yàn)對(duì)普通硅橡膠材料和絕緣防潮材料試樣的延遲結(jié)冰性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，測(cè)試溫度會(huì)不斷降低，因此，普通硅橡膠材料和絕緣防潮材料試樣表面的結(jié)冰液滴占比逐漸增加，直到全部100%結(jié)冰。可以看到，在試驗(yàn)前期的10 min內(nèi)，隨著試驗(yàn)溫度的降低，普通硅橡膠材料和絕緣防潮材料試樣表面的液滴均未發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。另外，從圖3還可以觀察到，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間到25 min時(shí)，普通硅橡膠材料試樣表面的結(jié)冰液滴占比達(dá)到90%，而絕緣防潮材料試樣表面的結(jié)冰液滴占比僅為40%。并且，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間到30 min時(shí)，普通硅橡膠材料試樣表面的結(jié)冰液滴占比達(dá)到100%，液滴全部結(jié)冰，而此時(shí)的緣防潮材料試樣表面的結(jié)冰液滴占比僅50%。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間到35 min時(shí)，普通硅橡膠材料和絕緣防潮材料試樣表面的液滴均全部結(jié)冰。綜合分析以上這些現(xiàn)象可知，普通硅橡膠材料表面液滴全部結(jié)冰時(shí)間為30 min，而絕緣防潮材料表面液滴全部結(jié)冰時(shí)間為35 min。這表明，本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料具備良好的延遲結(jié)冰性能。這進(jìn)一步證明了該絕緣防潮材料具備良好的超疏水性能。

2. 5應(yīng)用效果分析

本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料可以用于硅橡膠復(fù)合絕緣子等跌落式熔斷器及裝置，在高鐵運(yùn)輸、遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，該絕緣防潮材料表面的水滴接觸角達(dá)到（157.8±0.5）°，滾動(dòng)角達(dá)到（8.1±0.1）°，表面液滴彈跳行為良好，耐久性良好，且具備延遲結(jié)冰性能。因此，當(dāng)這種絕緣防潮材料應(yīng)用于硅橡膠復(fù)合絕緣子中的硅橡膠傘裙時(shí)，可以增強(qiáng)裝置表面的防污和延遲結(jié)冰性能，延長(zhǎng)裝置服役壽命，從而加強(qiáng)高鐵運(yùn)輸或遠(yuǎn)距離輸電的安全性和穩(wěn)定性[20]。因此，本試驗(yàn)制備的絕緣防潮材料在硅橡膠復(fù)合絕緣子等跌落式熔斷器及裝置中具備一定優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)語(yǔ)

（1）這種絕緣防潮材料的水滴接觸角為（157.8±0.5）°，滾動(dòng)角為（8.1±0.1）°，且其表面的液滴彈跳行為良好，超疏水性能良好；

（2）經(jīng)過(guò)高溫?zé)嵫趵匣幚砗螅^緣防潮材料表面的水滴接觸角無(wú)較大變化，滾動(dòng)角增大。在300?熱氧老化處理24 h，絕緣防潮材料水滴接觸角為156.2°，滾動(dòng)角為9.3°，依然具備超疏水性能，材料耐久性良好；

（3）在延遲結(jié)冰性能試驗(yàn)中，普通硅橡膠材料表面液滴全部結(jié)冰時(shí)間為30 min，絕緣防潮材料表面液滴全部結(jié)冰時(shí)間為35 min。因此，絕緣防潮材料具備延遲結(jié)冰性能。

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