防霉防青苔型防污闪涂料原理和可能的应用.docx

文章编号:1674 0629( 2014) 03 0052 05中图分类号:TQ455; TM215文献标志码:ADOI: 10. 13648 / j. cnki. issn1674 0629. 2014. 03. 010防霉、防青苔型防污闪涂料原理和可能的应用赵悦菊，滕济林，王建辉，王国刚，张淼，吴鹏( 北京国电富通科技发展有限责任公司，北京 100070)摘要: 分析了温湿环境中电力系统现存的问题，认为绝缘设备表面滋长的青苔、霉菌等是影响此环境中电力设备安全稳定运行的重要原因，而在电力设备表面喷涂防霉防青苔型绝缘防污闪涂料是解决此问题的关键。同时分析了霉菌、 青苔的生长机理以及防霉、防青苔涂料的原理，并综述了现阶段常用的防霉、防青苔的方法以及防霉、防青苔绝缘材 料的研究现状以及在现场的施工工艺。最后展望了防霉、防青苔型防污闪涂料在电力系统的应用前景。关键词: 绝缘材料; 防霉; 防青苔; 电力设备; 闪络Application Analysis and Mechanism on the Mould-proof and Moss-proofInsulating MaterialsZHAO Yueju，TENG Jilin，WANG Jianhui，WANG Guogang ，ZHANG M iao ，WU Peng( Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co. ，Ltd，Beijing 100070，China)Abstract: The problem existed in the pow er system w as analyzed in the w ork. The mould and moss on the surface of insulation e-quipment is the important reason for the safe and stable running of the pow er system ，and the key method for resolving the problem is usage of mould-proof and moss-proof insulating materials on the surface of electrical equipment. The grow th mechanism of mould and moss w as also analyzed in the w ork，and the common used methods of anti-mould and anti-moss w as review ed. The research anti- mould and anti-moss insulating materials w as also summarized. Finally ，the application prospect of mould-proof and moss-proof insu- lating materials in the pow er system w as preview ed.Key words: insulating materials; mould-proof ; moss-proof ; electrical equipment; flashover停电多达 238 条、34 座变电站跳闸 972 次2。当电力系统发生污闪时，可能由于多条线路同时跳闸且 无法强送，从而造成电网分裂甚至全部瘫痪，对国民经济和社会造成灾难性的破坏。开展电力设备防污闪工作，对确保电网安全运行有着十分重要的意 义。如何防治和避免电网的大面积污闪已成为电力 系统安全运行的一个迫切需要解决的问题。如今随着工业化的发展进程加快，环境日益恶化，电网设备受其影响越来越容易发生污闪事故， 造成大面积停电，影响电网的安全运行，户外防污 闪是保证电网安全的重要工作。造成电网污闪的因 素很多也很复杂，包括设备本身的抗污能力、当地 的气象条件、环境的污染状况、现场运行管理水平 等诸多因素1。污闪最主要的因素是绝缘子表面受 到脏污，污源有很多，如: 烟尘、沙粒、盐粒、金 属粉末、海水、雨水、鸟粪等等，在潮湿的地方还 会长有大面积的青苔，这些污秽在潮湿的空气下会 吸附空气中的水分和无机盐，使绝缘子表面形成导 电层，在电场的作用下极易发生闪络。我国跨市、跨地区的电网污闪事故首先发生于20 世纪 70 年代，特别是 20 世纪 90 年代发生了多 次大面积电网污闪事故。例如，2001 年在大雾的笼 罩下，辽宁、华北和河南电网相继发生污闪，线路室温硫化硅橡胶 ( roomtemperature vulcanizedsilicone rubber，TV ) 是 20 世纪 60 年代问世的一种新型有机硅弹性体，具有良好的耐候性、 耐酸碱 性、耐热性、耐寒性及电气特性等优点，广泛应用 于电气、电子、土木、航空、航天、建筑和医疗等 方面3。这种硅橡胶最显著的特点是室温下无需加 热加压，仅接触空气中的湿气或与固化剂混合后就 可以硫化交联，使用极为方便。又由于 TV 具有 绝缘性好、耐候性强，而且又具有很好的憎水性和赵悦菊，等: 防霉、防青苔型防污闪涂料原理和可能的应用第 3 期53憎水迁移性，所以广泛应用在电力系统防污闪方面。温度合适，相对湿度大，供氧充足，霉菌就会大量生长。青苔是绿藻和一些真菌共生形成的一种低级植 物4，多呈附着生长，没有真正的维管束构造，它 能进行光合作用，也能直接吸收水分和养料，通过 无性繁殖迅速传播，此外，青苔还可以通过孢子来 进行繁殖。研究表明，青苔在阴凉、潮湿、酸性环 境( pH 值 5. 5 以下) 容易发生。滋生的霉菌、青苔等最终会对产品造成不同程 度的危害。只要控制与霉菌生命活动有关的任何一 个因素，霉菌、青苔的生长就会受到极大的抑制， 产品也就不会受到霉菌、青苔的腐蚀和破坏。温湿环境中电力系统现存问题分析对于四川等温湿地区，常年多雨雾，空气潮 湿，苔类、藻类植物极易滋长，而电力设备长期处 在这种环境下，表面也容易滋长霉菌、青苔等，影 响电力设备的外表美观和使用寿命。图 1 所示为四 川地区电力系统上表面覆青苔的绝缘子照片，可见 在喷涂了防污闪涂料的绝缘子表面生长了大量的青 苔。而大量青苔生长在喷涂了防污闪涂料的绝缘子 表面，不仅会破坏防污闪涂料表面的防污闪性能， 并且因为苔类植物容易吸收空气中的水分和无机 盐，使其表面形成一层导电层，将进一步破坏电力 设备绝缘强度，以至在长时间的雨雾潮湿天气中， 极易发生事故。对于中国而言，容易滋生青苔的地 区还有江苏、浙江、江西、重庆、湖南、湖北等地 方。为了保证处于温湿环境中的电力系统的安全稳 定运行，迫切需要研制一种具有优异防霉、防青苔 效果的防污闪涂料。但是中国地域广阔，具有多个气候区域，因为 电力设备所处的外环境并不相同，因此相应的绝缘 防污闪涂料也应该做到因地制宜，才能有效的保证 不同区域、不同环境的电网安全稳定运行。1防霉、防青苔方法及材料研究现状物理防治33. 1增加光照，加强通风管理3. 1. 1滋生青苔的地方多以土壤潮湿、地势低洼积水及荫蔽为主，因此，可以通过加强通风和增加光照 量抑制青苔的发生。3. 1. 2调节土壤 pH 值研究表明，青苔在酸性环境( pH 值 5. 5 以下)容易发生。如果 pH 值低于 5. 5 时就要施加碱性物 质生石灰调节 pH 值到中性。绿光干扰法3. 1. 3绿光干扰法可以有效抑制青苔的生长5。光合作用是青苔生长的必要条件，光合作用水平直接决 定了青苔的生长情况。叶绿色是青苔光合作用的主 要物质，叶绿素 a 直接参与光合作用，叶绿素 b 只 是将其所吸收的光能传递给叶绿色 a，进行能量转 换，协助物质合成，促进青苔生长。叶绿素 a 主要 吸收的光波峰值为 432 nm 和 660 nm ，叶绿素 b 吸 收的光波峰值为 458 nm 和 642 nm6 8，而绿光的 波长介于 490 570 nm ，只要向青苔照射绿光，能 减少青苔的能量转换，有效遏制青苔的生长，减低 青苔的生长速率。3. 2 化学方法使用抗菌剂抗菌剂是指能够在一定时间内，是某些微生物 ( 细菌) 的生长或繁殖保持在必要水平以下的化学物 质。根据成分不同，常见的抗菌剂主要分为天然抗 菌剂、有机抗菌剂、无机抗菌剂和纳米光催化抗菌 剂等几大类。目前抗藻和防苔的技术主要集中于添 加防霉防藻剂来解决的，防藻剂的除藻机理是通过图 1 在四川地区，表面覆青苔的绝缘子照片Fig. 1 Photos of Insulator with Moss on the Surface in Sichuan Area霉菌、青苔生长机理分析霉菌属于真菌，其营养体是多细胞结构的丝状 体，因此把丝状真菌统称为霉菌。在自然界中，霉 菌通常都是以菌丝进行生长，以孢子进行繁殖。霉 菌的生命活动与营养物质、温度、湿度、氧气、pH 值等因素密切相关。霉菌最适宜的生长温度在 25 35 之间，最适宜的相对湿度在 90% 100% 之 间。只要有可利用的碳源、氮源等营养物质，并且2南方电网技术第 8 卷54抑制青苔叶绿素的光合作用来达到抗藻防苔的效果。防霉防藻剂的关键是水溶性要低，否则会被雨 水等溶解或冲淋掉，影响防霉抗藻时效性，此外， 稳定性要好，包括紫外线稳定性、热稳定性和酸碱 稳定性等，这样才能持久起作用。3. 2. 1 天然抗菌剂天然抗菌剂主要来自天然植物的提取物质，如 绿芥末精油、芥末提取液、日柏醇和甲壳素等，受 到原料加工条件的制约，目前尚不能实现大规模市 场化。纳米光催化抗菌剂3. 2. 4涂料工业中常见的纳米光催化抗菌剂有 ZnO和 TiO2 ，但前者抗菌性弱，还要防止涂料胶凝化， 用四针氧化锌晶须和纳米氧化锌复合具有很好的抗 菌性，锐钛矿 TiO2 是通过紫外光激发电子，氧化表 面的水分子和氧气分子变成活性自由基和离子，降 解有机物，但也会对涂料组分产生影响，另一方面 二氧化钛的分散稳定性问题也需考虑。纳米 TiO2 是一种宽禁带( 禁带宽度为 2. 3 eV ) 板导体。当光照射在 TiO2 表面时，它会吸收 387. 5 nm 的近紫外光波，此时价带中的电子就会被激发到导带，从而形成电子 空穴对。空穴具有高 反应活性，在水和空气体系中，可以与表面吸附的有机抗菌剂3. 2. 2有机抗菌剂主要有醛类、 酚类、 醇类、 碘 伏类、双胍类和一些表面活性剂等9 10。现在较为常 用的在涂料中加入的有机防藻防苔剂，如敌草隆 ( n ( 3，4 二氯苯基) n，n 二甲基脲) 、Irgarol( Cybutryne ) 、 Terbutryne、 复配有机防藻防苔剂 ( 如 DCIOT 和 IPBC 复配的 ocima 350、BCM 与敌 草隆( diuron) 复配的 ocima 361、OIT + IPBC 与敌 草隆 的 三 组 分 复 配 的 M ycaboid DFP 和 M ycaboid DFS 、BCM + OIT 和 Irgarol ( 2 甲硫基 4 叔丁 基氨基 6 环丙基氨基均三嗪) 复配的 M ergal S 90paste) ，以起到互补协同的作用。复配具体适用不适用，还要通过实际试验和试用结果验证。此外， 有机类抗菌剂多具有毒性，并且易产生微生物抗药 性，耐热性、耐紫外线稳定性较差，使其在实际应 用中大大受限11 14。H2 O 和 OH 离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基( OH) 和活性超氧离子自由基( O2 ) ，可以穿透菌体细胞的细胞壁，破坏细胞膜质，阻止成膜18物质的传输，从而有效杀死细菌 。 此外，TiO219，且 具 有 无 毒、 无 味、作为一种 无 机 抗 菌 材 料20，因此无刺激性、热稳定性好、不燃烧等优点在涂料、织物、塑料和水处理等领域得到广泛应21。张龙昌，刘光明等22研究了纳米 TiO 含量用2加入到有机硅 / SiO2 杂化材料里对防霉性的影响，发现加入 TiO2 对涂层表面霉菌生长起到明显抑制作 用。而在涂料中加入的纳米 TiO2 为合适量时，可以使得成膜后涂层对细菌的灭杀率达到 96%23 24。卢君，肖汉宁等 25使用超声分散及加入改性剂的 预处理方式将具有良好抗菌防霉作用的纳米 TiO2 和 ZnO 加入到基础涂料中制得了抗菌防霉涂料，制得 的涂料具有优异的防霉效果。无机抗菌剂3. 2. 3无机抗菌剂主要是利用银、铜、锌、钛等金属的抗菌能力，通过物理吸附、离子交换和多层包覆 等技术手段，将银、铜、锌、钛等金属或其离子固 载在沸石、硅胶、磷盐等多孔材料或层状晶体材料 中，在经过加工制成抗菌剂。无机抗菌剂的特点是 安全性、耐热性、耐久性较好，但是价格较高并且 不能像有机抗菌剂那样迅速杀灭细菌，且对真菌、 霉菌几乎没有抑制效果。目前广泛采用的无机抗菌 剂主要以银为主。银离子接触细菌细胞时，与细胞 机体中酶蛋白的巯基( SH) 反应，使蛋白质凝固， 细菌失活15 16。但经 Ag + 杀死的细菌可释放出一 种有毒物质) 内毒素，内毒素可引发伤寒、霍 乱等疾病，Ag + 只能杀死细菌，不能分解内毒素。 另外，银离子的可控缓释问题目前仍难以实现17。防霉、防青苔绝缘涂料研究现状防霉、防青苔绝缘涂料国内外研究情况国际上抗菌材料研制和应用最发达的是美国、44. 1日本和德国。美国在 20 世纪 50 年代对材料的防霉性能做过严格的规定，日本在 20 世纪 80 年代开始 集中研究银系无机抗菌剂及其应用，很快取得进 展，日本抗菌剂应用在日用品、家电用品、建筑材 料、陶瓷、纤维制品、包装材料等方面。同时欧美 等国家在抗菌食品包装材料的研究和应用方面也取 得了长足进步。在我国抗菌产品刚刚起步，研究水 平及研究成果与国际水平相比较有较大的差距。但 随着我们经济的发展和综合国力的增强，我们的抗赵悦菊，等: 防霉、防青苔型防污闪涂料原理和可能的应用第 3 期55菌材料发展很快。在抗菌产品方面，国内家电，包括冰箱、洗衣机。电话等上面使用了抗菌材料，在 日用品方面也已经有所应用。近年来发现，建筑用 乳胶涂料容易收到细菌及微生物的侵蚀而出现霉 斑，影响建筑物的美观及安全性能，因此抗菌防霉 型乳胶涂料得以广泛应用在室内卫浴、室内外墙体 等建筑领域。不能承受高温的热稳定性不好的抗菌剂，一般采用涂覆、喷涂等方法在已经成膜的涂层上固定一层抗 菌剂; 而对于能承受高温的抗菌剂，就可以将抗菌 剂与基本材料混合，使抗菌剂以细小的相畴形式存 在于基体材料中。防霉、防青苔防污闪涂料的施工方案分析防霉防青苔涂料可以通过喷涂的方式在需要外 绝缘的电力系统上进行施工。防霉、防青苔涂料是 通过有机 无机杂化技术将高分子有机相与无机粒 子通过偶联剂和复合有机溶剂进行复配。在涂料喷 涂施工的过程中由于相似相容原理，涂料中的无机 相更倾向于沉积在基底层，而作为有机相的高分子 基胶和防霉抗藻剂倾向于在涂料层表层聚集，而随 着复合有机溶剂的挥发，分子量相对较小且在有机 溶剂中溶解度较大的防霉抗藻剂会更倾向于在外表 面富集。因此防霉防青苔防污闪涂料可以通过简单 的喷涂方式进行施工，进而实现在绝缘材料具有优 异防污闪性能的基础上表面又具有优异的防霉、防 青苔性能。5防霉、防青苔防污闪涂料原理防霉、防青苔绝缘涂料最常用的制备方法是在 绝缘涂料的基础上加入防霉、抗藻剂。从重量份数 上，防霉、抗藻剂在绝缘涂料中质量份数仅在 1% 2% 以下。防霉、抗藻剂本身也属于抗菌材料范 畴，是一种高效的抗菌材料，极少量抗菌剂在极低 浓度下就能够起到抑制和杀死微生物的作用。 防 霉、防青苔绝缘涂料的作用机理是当霉菌、藻类、 青苔类等微生物个体接触制品后，微生物受到来自 防霉、抗藻剂的物理和化学作用，导致微生物的细 胞等被破坏而死亡，或者微生物的内在生理生化过 程受阻而无法分裂和增殖。当防霉、抗藻剂成分接 触到微生物后，微生物所起的变化是和防霉、抗藻 剂的种类及其作用方式有关的。不同的防霉、抗藻 剂对微生物的作用机理不同。重金属类无机抗菌剂 主要是利用阳离子效应，是通过金属阳离子与细菌 细胞膜上的蛋白质反应，阻止细胞膜的能，因为细 胞膜上蛋白质呈负电荷。而大多有机抗菌剂的作用 是渗透到细胞膜中，直至到达细胞液，造成细胞结 构破坏 25。4. 2防霉、防青苔防污闪涂料在电力系统应用的前景分析虽然防霉、防青苔的材料已经研究多年，但对 应用于电力系统硅橡胶防污闪涂料方面的防霉、防 青苔性能的研究却从未见报道。市场上并没有针对 电力系统外绝缘使用的高绝缘、防污闪、抗菌防霉 性涂料。但对处于南方温湿环境中的电力系统而 言，电力设备外绝缘材料的霉变、青苔生长严重， 大大影响了电力系统的安全稳定运行。针对温湿环 境电力设备特殊设计开发的防霉、防青苔型绝缘复 合材料在具有优异的防霉、防青苔效果的同时，具 有良好的绝缘性能、力学性能、电学性能及憎水性 能，因此此种材料可以应用在各种电力设备的外绝 缘上，尤其适合处于温湿环境中的电力设备外绝缘 上。因此防霉、防青苔型防污闪涂料在电力系统具 有广泛的应用前景。6防霉、防青苔防污闪涂料的制备工艺Paola 等26提出抗菌材料制备主要有几种方法:1) 将挥发性的或不挥发的抗菌成分直接混合添 加在聚合物材料中制成抗菌薄膜;2) 将抗菌剂涂覆或吸附在聚合物材料表面;3) 将抗菌剂通过离子或共价连接固定在聚合物 上;4) 使用天生具有抗菌性能的聚合体。但对于绝缘涂料来说其防霉、抗藻的作用来自 于微生物与涂层表面接触作用，因此防霉绝缘材料 表面是抗菌性能的直接表现部位和最重要的部位。 材料表面须含有较大浓度的抗菌组分，才能起到抗 菌作用。另一方面，抗菌材料是具有长期保有抗菌 性能的特点，因此抗菌组分须长期有效地存在。目前，抗菌材料的制备主要有两种方法。对于4. 3结语防霉、防青苔型防污闪绝缘涂料可以解决温湿 地区的电力设备表面青苔、霉菌生长严重的问题， 进而解决电力设备外绝缘涂料的使用寿命及电力系 统的安全问题。电力行业是关系国计民生的大业，7南方电网技术第 8 卷56电力系统的安全稳定运行至关重要。因此，为了保障温湿地区，如四川、江浙、江西、湖南、湖北等 地区电力系统的安全稳定运行，防霉、防青苔型防 污闪绝缘涂料必将广泛应用在电力系统上。参考文献:中国胶黏剂，2008，17( 2) : 52 55XIE YU，ZHANG Changhui，XU Xuan. esearch Progress of Silicone Quaternary Ammonium Salts Antibacterial Agent J China Adhesives，2008，17( 2) : 52 5514张文毓 . 抗菌材料进展J 新材料产业，2004，( 502 ) : 45ZHANG Wenyu. 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