李侶， 李宇捷， 李黎， 王晟伍

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330029；3.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

超疏水涂層的自清潔性能[1-3]在提高室外電氣設(shè)備運(yùn)行安全可靠性方面具有重要的作用[4-6]。通過(guò)在絕緣子表面涂覆超疏水涂層，可以抑制水汽、污穢的附著，從而減少污閃問(wèn)題的發(fā)生[7]。然而，研究表明[8-10]，超疏水涂層的耐堿性腐蝕能力相對(duì)較弱，無(wú)法在堿性環(huán)境下保持長(zhǎng)效的自清潔性能。在沿海地區(qū)，空氣中含有大量的堿性離子[11-12]，在這些地區(qū)運(yùn)行的電氣設(shè)備外絕緣長(zhǎng)期暴露在堿性環(huán)境中，其表面涂覆的超疏水涂層會(huì)受到腐蝕，導(dǎo)致其疏水性能下降，自清潔能力減弱[13-14]。

超疏水涂層自清潔性能的減弱可能導(dǎo)致其絕緣性能下降[15]。目前，尚不明確環(huán)境溫度對(duì)超疏水涂層受到堿性腐蝕程度的影響，也未明確堿性腐蝕對(duì)于超疏水涂層絕緣性能的破壞特性及影響因素。為此，本文首先制備具有絕緣性能的超疏水涂層試樣，使用堿性溶液在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行人工腐蝕試驗(yàn)，然后對(duì)超疏水涂層試樣的絕緣強(qiáng)度及其影響因素進(jìn)行分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 超疏水涂層試樣的制備

超疏水涂層由底漆與面漆兩部分構(gòu)成。底漆的主要成分為羥基丙烯酸樹(shù)脂（hydroxy acrylic resin，HAR）和尼龍粉，將二者按一定比例混合后即可使用。面漆由低表面能改性的SiO2構(gòu)成，其具體制備方法為：首先向無(wú)水乙醇中添加一定量的NaOH，攪拌5 min，形成穩(wěn)定的堿性水解環(huán)境。之后向其中加入正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS），攪拌1 h，使其在堿性環(huán)境條件下進(jìn)行充分水解，形成SiO2分散溶液。向該溶液中快速加入六甲基二硅氮烷（hexamethyl disilazane，HMDS），并不斷攪拌使HMDS充分水解，此時(shí)水解產(chǎn)物中的甲基（-CH3）取代SiO2表面的羥基，形成均勻的低表面能SiO2分散液。

本研究所涂覆的基材為載玻片，其尺寸為75 mm×25 mm×1 mm。先使用噴槍將底漆均勻噴涂于基材表面，室溫固化1 h。然后將面漆均勻噴涂于固化好的底漆表面，室溫固化6 h，與底漆整體構(gòu)成超疏水涂層，漆膜厚度約為50 μm。

1.2 超疏水涂層堿性腐蝕試驗(yàn)

對(duì)超疏水涂層試樣進(jìn)行不同溫度下的人工腐蝕試驗(yàn)：取15片超疏水涂層試樣平均分為3組，將pH=13的NaOH強(qiáng)堿溶液倒入3只玻璃燒杯中，將每組5片超疏水涂層試樣完全浸入同一只玻璃燒杯的強(qiáng)堿溶液中，并置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。3組試樣的試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為20、40、60℃，腐蝕時(shí)間為500 h。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 疏水性

堿性腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中每隔100 h將試樣從強(qiáng)堿溶液中取出，使用蒸餾水清洗后，將試樣在室溫下靜置30 min，使其表面干燥，之后測(cè)量每組試樣的水滴靜態(tài)接觸角和水滴滾動(dòng)角，并計(jì)算平均值。

1.3.2 微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察堿性腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中超疏水涂層試樣的表面形貌。

1.3.3 泄漏電流

泄漏電流Ileak的測(cè)量回路如圖1所示，具體測(cè)量方法如下：

圖1 泄漏電流測(cè)量回路示意圖Fig.1 Electrical circuit for leakage current measurement

（1）對(duì)試樣進(jìn)行清潔、干燥處理后，按照等值鹽密（equivalent salt deposit density，ESDD）為0.3 mg/cm2、等值灰密（non-soluble deposit density，NSDD）為0.05 mg/cm2對(duì)試樣進(jìn)行人工積污，之后將其通過(guò)絕緣膠固定在絕緣支柱上方，絕緣支柱通過(guò)絕緣膠固定在25°傾斜平臺(tái)上方。

（2）將超疏水涂層試樣固定后，通過(guò)兩端的鋁箔電極將其接入測(cè)量回路中。鋁箔電極的前端為圓弧形，可避免因尖端放電導(dǎo)致的電場(chǎng)畸變。同時(shí)，鋁箔電極與試樣之間通過(guò)導(dǎo)電膠連接，可避免因電暈放電對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

（3）開(kāi)啟水霧發(fā)生器，該水霧發(fā)生器產(chǎn)生的水霧粒徑小于10 μm，通過(guò)內(nèi)徑為40 mm的導(dǎo)霧管均勻噴至涂層試樣表面，水霧的輸出速率約為0.95 m3/min。水霧潤(rùn)濕涂層表面10 min后停止噴霧，等待環(huán)境中水霧消散后，開(kāi)始測(cè)量試樣的泄漏電流Ileak。

（4）開(kāi)啟調(diào)壓器開(kāi)關(guān)，緩慢將電壓升高至5 kV，等待10 s，待微安表示數(shù)穩(wěn)定之后，每10 s記錄一次微安表顯示的泄漏電流值Ileak，記錄5次，取平均值作為該片試樣的泄漏電流Ileak。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

堿性腐蝕前及在20、40、60℃下堿性腐蝕500 h后超疏水涂層試樣的表面形貌如圖2所示。從圖2(a)可以看出，超疏水涂層試樣表面分布有微觀粗糙結(jié)構(gòu)，有利于提高涂層表面的疏水性[16-17]。圖2(b)中，在20℃條件下受到堿性腐蝕500 h后，超疏水涂層試樣表面粗糙度明顯下降，可觀察到部分微米級(jí)突起仍存在于試樣表面。圖2(c)～(d)中，除了部分受到腐蝕的微米級(jí)突起之外，還可以觀察到堿性腐蝕造成的蝕孔，且60℃條件下蝕孔的數(shù)量明顯多于40℃條件下的數(shù)量。

圖2 超疏水涂層試樣的SEM圖Fig.2 SEM images of superhydrophobic coating specimen

此外，對(duì)比圖2(b)、(c)、(d)中試樣表面微米級(jí)突起的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕環(huán)境溫度升高，腐蝕500 h后涂層試樣表面存在的微米級(jí)突起數(shù)量逐漸減少，意味著涂層的疏水性逐漸下降，這表明環(huán)境溫度越高，超疏水涂層受到堿性腐蝕的程度越嚴(yán)重。

2.2 疏水性

不同溫度下堿性腐蝕超疏水涂層的疏水性隨腐蝕時(shí)間的變化如圖3所示。通常認(rèn)為，當(dāng)涂層表面的水滴靜態(tài)接觸角θc>150°，且滾動(dòng)角θs<10°時(shí)，涂層具有超疏水性[18]。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試樣表面的水滴滾動(dòng)角θs增大至90°仍無(wú)法滾動(dòng)時(shí)，則不再繼續(xù)測(cè)量該片試樣的滾動(dòng)角值，而是將該試樣的水滴滾動(dòng)角θs的數(shù)值記為90°。

圖3 堿性腐蝕超疏水涂層疏水性隨腐蝕時(shí)間的變化Fig.3 Change of hydrophobicity of superhydrophobic coating with corrosion time

從圖3可以看出，在相同溫度下，隨著腐蝕時(shí)間的增加，超疏水涂層試樣的水滴靜態(tài)接觸角θc逐漸減小，滾動(dòng)角θs逐漸增大。全部試樣在受到堿性腐蝕100 h以內(nèi)失去超疏水性能。在20、40、60℃下，試樣的滾動(dòng)角θs分別在腐蝕時(shí)間為400、300、200 h時(shí)達(dá)到90°以上?；趫D3的靜態(tài)接觸角θc和滾動(dòng)角θs的變化，認(rèn)為隨著腐蝕過(guò)程中環(huán)境溫度的升高，超疏水涂層受到堿性腐蝕的速率增大。

2.3 泄漏電流

為研究超疏水涂層的絕緣強(qiáng)度受到堿性腐蝕程度的變化特性，對(duì)不同溫度下堿性腐蝕100、300、500 h后的超疏水涂層試樣進(jìn)行表面泄漏電流Ileak測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下泄漏電流Ileak隨腐蝕時(shí)間的變化Fig.4 Change of Ileak with corrosion time under different temperatures

從圖4可以看出，在20℃下，隨著腐蝕時(shí)間的增加，超疏水涂層試樣的表面泄漏電流Ileak無(wú)明顯變化。在40℃、60℃下，隨著腐蝕時(shí)間的增加，超疏水涂層試樣的表面泄漏電流Ileak增大，且60℃下泄漏電流Ileak的增幅更大。

對(duì)導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因分析如下：本研究制備的超疏水涂層表面主要成分為-CH3修飾的納米SiO2顆粒，而-CH3中C-H鍵的鍵能為414 kJ/mol。在化學(xué)腐蝕作用下，C-H鍵易受到破壞，且腐蝕環(huán)境溫度的升高對(duì)該腐蝕破壞起到增益效果。超疏水涂層表面-CH3基團(tuán)的破壞意味著涂層表面能的增加，導(dǎo)致污穢液滴或液膜在涂層表面的滾動(dòng)角增大，即涂層表面的疏水性降低。在附著污液的作用下，涂層表面電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致涂層表面泄漏電流增大，意味著涂層的絕緣強(qiáng)度下降。

為了進(jìn)一步說(shuō)明堿性腐蝕試驗(yàn)前、后超疏水涂層絕緣強(qiáng)度的變化，對(duì)試驗(yàn)前后試樣表面的污穢質(zhì)量變化Δm進(jìn)行測(cè)試。泄漏電流測(cè)量試驗(yàn)后，將試樣放入80℃的恒溫箱中烘干1 h后取出，使用電子天平測(cè)量試樣表面的污穢質(zhì)量，并與人工積污的污穢質(zhì)量作差，得到的污穢質(zhì)量變化Δm如圖5所示，圖中百分比數(shù)值為污穢質(zhì)量變化Δm與人工積污的污穢總質(zhì)量之比。

圖5 不同溫度下污穢質(zhì)量變化Δm隨腐蝕時(shí)間的變化Fig.5 Change of Δm with corrosion time under different temperature

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為堿性腐蝕導(dǎo)致超疏水涂層表面物質(zhì)和結(jié)構(gòu)損失，進(jìn)而導(dǎo)致其疏水性下降。隨著超疏水涂層表面的疏水性下降，其自清潔性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)濕污穢形成的電解質(zhì)溶液液滴或液膜難以從涂層表面脫落，從而使涂層表面泄漏電流增大，絕緣強(qiáng)度下降。

3 腐蝕涂層絕緣強(qiáng)度影響因素研究

為研究受到堿性腐蝕的超疏水涂層絕緣強(qiáng)度的影響因素及變化特性，選取不同溫度下腐蝕時(shí)間為500 h的超疏水涂層試樣，測(cè)試其在不同染污程度、外加電壓和表面污穢潤(rùn)濕程度（潤(rùn)濕時(shí)間）條件下泄漏電流Ileak的變化。

3.1 染污程度的影響

按照表1中3種染污程度對(duì)應(yīng)的污穢質(zhì)量參數(shù)[19-20]，對(duì)20、40、60℃條件下受到堿性腐蝕500 h后的超疏水涂層試樣進(jìn)行人工積污，然后測(cè)量試樣的泄漏電流，結(jié)果如圖6所示。

表1 人工積污污穢質(zhì)量參數(shù)Tab.1 Pollutant quality parameters of artificial pollution

圖6 不同溫度下泄漏電流Ileak隨染污程度的變化Fig.6 Change of Ileak with corrosion degree under different temperature

從圖6可以看出，當(dāng)染污程度為輕度時(shí)，隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高，染污超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak不斷增大。當(dāng)染污程度為中度時(shí)，每個(gè)溫度下，染污超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak相對(duì)于輕度染污下均增大將近1倍，其中20℃條件下中度染污超疏水涂層表面的泄漏電流增幅最大，為輕度染污條件下泄漏電流的115%。

重度染污條件下，染污超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak進(jìn)一步增大。3個(gè)溫度下，試樣的泄漏電流Ileak均為輕度染污條件下的3倍以上。同時(shí)，在重度染污條件下，隨著試驗(yàn)環(huán)境溫度的升高，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak相對(duì)于輕度染污條件下的泄漏電流增幅逐漸下降。

綜上，腐蝕環(huán)境溫度越高，表面染污程度越嚴(yán)重，對(duì)于堿性腐蝕超疏水涂層表面絕緣強(qiáng)度的影響越明顯。

3.2 外加電壓的影響

為了測(cè)試外加電壓Uapp對(duì)于堿性腐蝕超疏水涂層絕緣強(qiáng)度的影響，將輕度染污超疏水涂層試樣表面潤(rùn)濕10 min后，以0.1 kV/s的升壓速度緩慢升高超疏水涂層試樣兩端的外加電壓Uapp，每升高1 kV，等待10 s，之后每隔10 s記錄1次泄漏電流Ileak，直至5次，取平均值作為該片試樣在當(dāng)前電壓下的泄漏電流幅值。之后重復(fù)上述升壓及測(cè)量過(guò)程，直至外加電壓Uapp升高至9 kV以上，得到超疏水涂層試樣泄漏電流Ileak隨外加電壓Uapp的變化如圖7所示。

圖7 不同溫度下泄漏電流Ileak隨外加電壓的變化Fig.7 Change of Ileak with applied voltage under different temperatures

從圖7可以看出，在3個(gè)溫度下，超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak均隨著外加電壓Uapp的升高而增大。當(dāng)外加電壓為1 kV時(shí)，3個(gè)溫度下，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流幅值相近。當(dāng)外加電壓升高到3 kV及以上時(shí)，在每個(gè)外加電壓下，超疏水涂層表面的泄漏電流Ileak均隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高而增大。

定義1[1-2] 設(shè)表示一個(gè)實(shí)數(shù)集R上的直覺(jué)梯形模糊數(shù)，其參數(shù)a

上述現(xiàn)象表明，堿性腐蝕超疏水涂層在輕度染污條件下的表面泄漏電流Ileak隨著外加電壓的升高而增大。在外加電壓Uapp升高至一定幅值以后，腐蝕環(huán)境溫度越高，涂層表面的泄漏電流Ileak越大。

3.3 污穢潤(rùn)濕程度的影響

為了研究污穢潤(rùn)濕程度對(duì)于堿性腐蝕超疏水涂層絕緣強(qiáng)度的影響，以污穢潤(rùn)濕時(shí)間twet表示污穢的潤(rùn)濕程度。在3種溫度條件下測(cè)試外加電壓Uapp為5 kV時(shí)試樣的泄漏電流Ileak，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著潤(rùn)濕時(shí)間的增加，堿性腐蝕超疏水涂層試樣表面的泄漏電流Ileak整體呈減小的趨勢(shì)。這是由于隨著潤(rùn)濕時(shí)間的增加，被水霧吸附或溶解的污穢顆粒增多，污穢液滴在自身重力及電場(chǎng)力作用下易從涂層表面脫落，使涂層表面電導(dǎo)率下降，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏電流幅值減小。

圖8 不同溫度下泄漏電流Ileak隨潤(rùn)濕時(shí)間的變化Fig.8 Change of Ileak with wetting time under different temperatures

3個(gè)溫度下，當(dāng)潤(rùn)濕時(shí)間為2～6 min時(shí)，涂層試樣表面的泄漏電流減小幅度較大，表明在潤(rùn)濕的初始階段，水霧對(duì)于涂層表面污穢顆粒的清潔作用比較明顯，隨著潤(rùn)濕時(shí)間的延長(zhǎng)，污穢與水霧形成的電解質(zhì)溶液逐漸脫離涂層表面，使涂層表面的污染程度下降。當(dāng)潤(rùn)濕時(shí)間為6～8 min時(shí)，涂層表面的泄漏電流減小幅度明顯變小，意味著在該時(shí)間階段內(nèi)涂層表面遺留的污穢液滴或污穢液膜已接近穩(wěn)態(tài)，即隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些剩余的污液難以在重力等外力作用下從涂層表面脫落，導(dǎo)致涂層表面的泄漏電流變化程度較小。

在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，當(dāng)潤(rùn)濕時(shí)間為8～10 min時(shí)，試樣表面泄漏電流變化較小，且數(shù)值較小，由此可以認(rèn)為在該時(shí)間段內(nèi)涂層表面的積污程度已較輕，且接近穩(wěn)態(tài)。因此，泄漏電流Ileak不再發(fā)生明顯變化。

在環(huán)境溫度為40℃、60℃下，當(dāng)潤(rùn)濕時(shí)間為8～10 min時(shí)，超疏水涂層試樣表面的泄漏電流幅值仍處在較高的水平。其中在60℃條件下，試樣表面的泄漏電流從潤(rùn)濕8 min的188 μA增大至潤(rùn)濕10 min的211 μA。表明在這兩個(gè)溫度下，由于堿性腐蝕對(duì)超疏水涂層試樣的腐蝕程度更加嚴(yán)重，在受到水霧潤(rùn)濕10 min時(shí)，試樣表面的污穢量仍舊較多，即水霧對(duì)于污穢的潤(rùn)濕仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，仍不斷有電解質(zhì)溶液形成并脫離涂層表面。

綜上所述，堿性腐蝕超疏水涂層表面的泄漏電流幅值與表面污穢潤(rùn)濕時(shí)間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與腐蝕環(huán)境溫度呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，隨著腐蝕環(huán)境溫度的升高，堿性腐蝕超疏水涂層表面污穢潤(rùn)濕程度達(dá)到飽和的時(shí)間隨之延長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

（1）堿性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致超疏水涂層表面腐蝕，自清潔性能下降。環(huán)境溫度越高，超疏水涂層表面微觀粗糙結(jié)構(gòu)受到腐蝕的程度越嚴(yán)重，涂層表面出現(xiàn)的蝕孔數(shù)量越多，導(dǎo)致超疏水涂層表面的疏水性以及自清潔性能的下降幅度越大。

（2）堿性腐蝕后超疏水涂層的絕緣強(qiáng)度降低，且超疏水涂層表面染污程度越嚴(yán)重、兩端外加電壓越高、表面污穢潤(rùn)濕時(shí)間越短，則涂層表面泄漏電流越大，即涂層表面的絕緣強(qiáng)度越低。

（3）環(huán)境溫度越低，堿性腐蝕對(duì)于超疏水涂層自清潔性能的破壞程度越小，致使在相同潤(rùn)濕時(shí)間條件下，污液在重力等外力作用下脫離涂層表面所需的時(shí)間越短，涂層表面污液的附著越快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在達(dá)到該穩(wěn)定狀態(tài)之前，涂層表面污穢的潤(rùn)濕時(shí)間越長(zhǎng)，則涂層表面附著的污液越少，涂層表面的泄漏電流越小，即絕緣強(qiáng)度越高。當(dāng)涂層表面污液的附著達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其表面的電導(dǎo)率也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，涂層表面的泄漏電流隨潤(rùn)濕時(shí)間增加不再發(fā)生明顯變化。