學術簡報|等離子體作用後矽橡膠憎水性恢復及憎水遷移特性研究

2021-01-08 電氣新科技

武漢大學電氣工程學院的研究人員肖雄、王建國、吳照國、童瑤、謝思洋、宋師男，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文，為研究等離子體對複合絕緣子矽橡膠憎水性的影響，採用低溫氬氣等離子體分別對表面潔淨矽橡膠和表面染汙矽橡膠進行處理，測試樣品憎水性恢復以及憎水性遷移過程中的靜態接觸角變化情況，同時用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測矽橡膠經等離子體處理後以及塗覆人工汙穢時的表面形貌。

實驗結果表明，隨著等離子體處理時間的增加，矽橡膠憎水性恢復速率逐漸增大，恢復穩定時的憎水角小於未處理樣品。等離子體對矽橡膠的憎水性遷移有明顯的促進作用，染汙樣品經等離子體處理後的憎水角遷移至穩定時的值比未處理樣品大20°～40°。等離子體作用下矽橡膠表面產生孔洞和裂紋，而汙穢層呈現出疏鬆多孔的特點，二者均有利於內部小分子遷移至表層，這是等離子體能促進矽橡膠憎水性遷移的主要原因。

複合絕緣子採用矽橡膠作為傘裙材料，矽橡膠具有獨特的憎水性和憎水遷移特性，使得複合絕緣子耐汙閃性能十分優良。然而輸電線路複合絕緣子在運行時，會受到電暈放電的作用，導致憎水性喪失。同時複合絕緣子容易積累汙穢，汙穢的覆蓋會降低矽橡膠傘裙表面的憎水性，從而影響其耐汙閃性能。可見，矽橡膠在喪失憎水性後的恢復能力以及積汙之後的憎水性遷移能力對其運行性能至關重要。

電暈放電是一個發光、發熱，伴隨臭氧和等離子體產生的複雜放電現象。為了清楚地認識電暈放電對矽橡膠傘裙的影響，選取單一因素進行研究顯得很有必要，等離子體就是一項重要影響因素。等離子體能夠對聚合物材料進行改性處理，在軟印刷、航空、人造器官等領域有較廣泛的應用。

目前在等離子體對複合絕緣子用矽橡膠的改性方面也有了一些研究。有學者研究了等離子體射流對染汙HTV的憎水特性的影響，發現等離子體射流對矽橡膠樣品的憎水性遷移能力有改善作用。在大氣壓空氣等離子體射流技術基礎上，大氣壓He等離子體射流能顯著提高重汙穢度染汙矽橡膠憎水性。此外，不同電源形式產生的等離子體射流對矽橡膠的處理效果也不同。王康等的研究表明白炭黑含量會對等離子體老化後矽橡膠的憎水性恢復過程產生影響。

矽橡膠表面憎水性恢復以及憎水性遷移的機理一直是學者們討論的重點話題。

有學者認為，經過電暈老化的矽橡膠在經過一段時間的休息之後憎水性有所恢復，其原因是小分子的遷移作用。

有學者給出了遭受電暈放電後矽橡膠的憎水性恢復模型，通過擴散理論計算與試驗驗證，證實了該模型對於研究憎水性恢復的有效性。

有學者總結了前人對矽橡膠表面憎水性恢復的機理的研究，指出矽橡膠憎水性的恢復機理不只一種，而是多種機理綜合作用，包括基團的重新取向、親水基團從表面向本體遷移、小分子由本體向表面遷移等。其中小分子遷移理論也能解釋表面覆汙矽橡膠的憎水性遷移現象。

關於染汙的矽橡膠憎水性為何能遷移至汙穢表面，很多研究者認為是小分子遷移的緣故。

有學者用實驗證實了小分子遷移理論的正確性，且發現小分子含量越高，憎水遷移程度就越高。

有學者指出，橡膠材料中的憎水性小分子聚合物通過揮發途徑使絕緣子表面汙層獲得憎水性。

目前的研究表明，採用等離子體處理技術可以改善染汙複合絕緣子表面憎水性，具有廣闊的應用前景。但該項技術的研究不夠成熟，難以形成統一標準。對於等離子體作用後矽橡膠憎水性恢復和憎水性遷移的具體機理，目前尚不明確。

本文採用低溫氬氣（Ar）等離子體分別對潔淨矽橡膠以及表面染汙矽橡膠進行處理，對矽橡膠的憎水性恢復以及憎水遷移特性進行測試和分析，並用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）觀測其對應的微觀形貌，最後結合實驗結果討論了等離子體改善矽橡膠憎水遷移特性的機理。

圖1 等離子體裝置示意圖
圖6 等離子體處理後的矽橡膠SEM圖像
圖7 塗汙後的矽橡膠SEM圖像

討論

關於等離子體提高矽橡膠表面憎水性的機理，有學者認為射流放電過程中產生了大量激發態的活性粒子，能夠在重汙穢度下穿透汙層與矽橡膠作用，加快憎水遷移速度。有學者證實了憎水性得到改善的原因不是等離子體改變了表面汙穢的性質，而是與矽橡膠作用發生反應，促進了憎水性遷移。有學者認為是由於表面引入的含氟基團和表面粗糙度增加，二者共同導致了接觸角的增大。

從本文的結果來看，直接經等離子體處理的樣片表面產生了明顯的孔洞，處理時間較長的樣片甚至產生了裂紋。同時，經較長時間等離子體處理的樣品也在初期表現出了更快的憎水性恢復速率。有學者提出了電暈老化後矽橡膠憎水性恢復模型，認為老化後的樣品最表面是一層多孔的無機層，其多孔的特點有利於內部小分子的遷移。本文的憎水性恢復數據與SEM圖像均證實了該模型的合理性。

對比直接經等離子體處理的樣片和塗汙後再經等離子體處理的樣片，發現待其憎水角恢復或遷移至穩定值後，塗汙樣片的憎水角明顯大於未塗汙樣片。結合SEM圖像分析，認為這是由於塗汙樣片的表面粗糙度明顯增大，與相關學者所述結果一致。另外，顆粒狀的汙穢疏鬆多孔，也有利於小分子的遷移。

綜上，等離子體改善矽橡膠憎水遷移特性的機理如下：等離子體穿透汙穢層轟擊矽橡膠表面，引發斷鏈反應的同時，產生孔洞甚至裂紋，這些孔洞和裂紋有利於內部小分子遷移，從而提高了憎水性遷移能力。此外，表面疏鬆多孔的汙穢層也便於內部小分子遷移至表層。汙穢層增加了矽橡膠表面的粗糙度，又進一步增大了遷移穩定時的憎水角。

結論

1）當等離子體處理時間分別為30s、60s、180s時，矽橡膠的憎水恢復速率很接近，經過大概48h後達到穩定，穩定值在90°～100°之間，處理時間增加時矽橡膠憎水性恢復速率逐漸增大。經等離子體處理後，矽橡膠的憎水角恢復穩定值均小於未處理矽橡膠。2）等離子體對矽橡膠的憎水遷移有明顯的促進作用，未經等離子體處理的染汙矽橡膠初始憎水角基本為0°，處理後，染汙矽橡膠表面憎水角初始值大幅增加，數值在60°～130°之間。經等離子體處理後，矽橡膠的憎水遷移穩定值比未處理樣品大 20°～40°左右。3）隨著等離子體處理時間的增加，矽橡膠表面結構逐漸被破壞，在表面出現大量孔洞，當處理時間達到25min時開始出現細微裂紋，處理100min時矽橡膠表面可見明顯裂紋。塗汙後的矽橡膠表面汙穢呈現出疏鬆多孔的特點。4）矽橡膠表面在等離子體作用下產生的孔洞和裂紋以及表面汙穢層疏鬆多孔的特點均有利於內部小分子遷移至表層。同時，汙穢層增加了矽橡膠表面的粗糙度，又進一步增大了遷移穩定時的憎水角。

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