氟碳涂料性能及其在高压绝缘子防污闪中的应用

1、文章编号1003-8337201101-0019-07收稿日期2010-11-15作者简介李丽1971女高级工程师主要从事电力行业环境保护和职业卫生工作。基金项目:湖南省自科基金项目编号09JJ6067、湖南省科技攻关项目编号2010GK3171、湖南省研究生创新基金项目编号CX2009B182、CX2010B364。0引言送变电设备的电瓷表面受到固体的、液体的和气体的导电物质的污染在遇到雾、露和毛毛雨以及融冰、融雪等潮湿天气时在绝缘子表面会形成水膜使污层电导增大泄漏电流增加产生局部放电在运行电压下瓷件表面的局部放电发展成为电弧闪络这种闪络称为污闪1-3。宏观上可将污闪过程分为以下4个阶段绝缘

2、子表面积污绝缘子表面湿润局部放电产生局部电弧发展形成闪络。设备发生污闪后将严重影响电力系统安全运行。且在设备污闪时重合闸成功率很低往往造成大面积停电。由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网总事故中已占第二位仅次于雷害氟碳涂料性能及其在高压绝缘子防污闪中的应用李丽1郭小翠2周永言1黄波2熊书华2朱志平21.广东电网公司电力科学研究院广州5100802长沙理工大学长沙410114摘要介绍了输变电设备绝缘子上发生污闪的原因及过程论述了氟碳树脂涂料的分子特性、应用类型及它具备低表面能、憎水性、高耐候性、高耐久性、化学稳定性和不粘性的等优点提出了氟碳涂料在绝缘子方面的应用要求及提高氟碳涂料抗污闪性能的途径。

3、关键词氟碳涂料绝缘子防污闪中图分类号TM216文献标识码AFluorocarbonCotingPerformncendApplictionofHighVoltgeInsultorinAnti-pollutionlshoverLILi1GUOXio-cui2ZHOUYong-ynHUANGBo2XIONGShu-hu2ZHUZhi-ping21ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporationGuangzhou510080China2.ChangshaUniversityofScienceandTechnologyChang

4、sha410114ChinaAbstrctThecausesandprocessesofpollutionflashoveronpowertransmissionequipmentin-sulatorsaredescribedThemolecularcharacteristicsandapplicationtypeoffluorocarbonresincoatingandtheadvantagesoftheirlowsurfaceenergyhydrophobichighweatherresistancehighdurabilitychemicalstabilitynonstickyaredi

5、scussedTheapplicationrequirementsforfluorocarbonresincoat-ingininsulatorandthewaystoincreasetheanti-pollutionflashoverperformanceoffluorocarbonresincoatingareproposedKeywordfluorocarboncoatinginsulatoranti-pollutionflashover2011年第1期总第239期2011年2月电瓷避雷器InsulatorsandSurgeArrestersNo12011Ser239Feb2011辊輷&

6、#183;·事故但污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍因此防止电力设备发生污闪已成为保证电力系统安全生产的重要工作4-5。现阶段电力系统采用的防污闪措施主要有4种调爬、采用复合绝缘子、清扫和涂覆防污闪涂料。其中、调爬与采用合成绝缘子这两种防污闪措施对早期投运的变电站来说费用多、难度高、工程量巨大实施起来困难重重清扫受到电网运行的限制要做到所有设备“一年一清扫”也十分困难只能作为电网防污闪的裕度措施6-8。在绝缘子表面涂覆一层憎水涂料使电瓷表面从亲水性变为憎水性水分在其表面被凝聚成粒粒水珠而不致于形成连续导电的水膜使绝缘子表面保持着较高的绝缘电阻限制了泄漏电流的增长从而防止污秽闪络。

7、这种方法不改变电力设备的原有结构不需进行清扫维护工作量很少是一种有效的防污闪措施。目前已经使用的防污闪涂料主要有室温硫化硅橡胶RTV、硅油涂料、硅脂涂料、地腊涂料等。但这些涂料使用寿命短、影响绝缘子外观、耐粉尘效果不好目前电力系统大量使用的硅橡胶防污闪涂料效果也不是很理想。有机硅防污闪涂料RTV因其具有良好的电性能被广泛应用但是其力学性能如抗衡裂强度、剪切强度等较差耐紫外线性能也不够理想因而持久性不尽如人意通常只能持续三至五年此外RTV还存在着附着力不强容易发生涂层脱落等问题8。因此人们迫切需要寻求一种性能更好的防污闪涂料氟碳涂料就是一种必然的选择。氟碳涂料以氟碳树脂为成膜物质而以F-C键为特

8、征的氟碳树脂是表面张力最小的物质根据表面化学理论可知与水的表面张力差值越大的物质憎水性越好因此以氟碳树脂为基料这就决定了其最优良的憎水性当雨水或露珠接触到涂层表面时就会变成水珠自动滚落或一颗颗散落在涂层表面上不会形成连续的水链或铺展成水膜从而达到防污闪目的9-11。1氟碳涂料性能分析国外把氟烯烃聚合物或氟烯烃和其它单体的共聚物等为成膜物质的涂料称为“氟碳涂料”fluo-rocarboncoating。我国简称氟碳漆、氟碳涂料、氟涂料、有机氟涂料、氟树脂涂料等12。1.1氟碳树脂的成键特性氟碳涂料中氟树脂成膜物和聚烯烃一样都是以C-C键为主链的聚合物不同的只是由氟原子代替了聚烯烃上的氢原子。从分

9、子结构而言一般聚烯烃分子的碳链呈锯齿形如将氢原子换成氟原子由于氟原子电负性大原子半径小C-F键短键能高485kJ/mo1C-H键键能410kJ/molC-C键键能为368kJ/mol而且由于相邻氟原子的相互排斥使氟原子不在同一平面内主链中C-C-C键角由112°变107°使C-C主键形成一种螺旋结构碳链上的氟原子可相互紧密接触将C-C键覆盖形成一个完整圆柱体即每一个C-C键都被螺旋式三维列的氟原子紧紧包围对C-C键起着屏蔽性保护作用11。因氟原子的共价半径非常小两个氟原子的范德华半径之和是2.7×10-10m2个氟原子正好把2个碳原子之间的空隙2个碳原子之间距离为

10、254×10-10m填满使任何反应试剂难以插入保护了碳碳主链。由于是对称分布整个分子呈非极性又因氟原子极化率低碳氟化合物的介电常数和损耗因子均很小12-13所以其聚合物是高度绝缘的在化学上突出的表现是高热稳定性和化学惰性12-19。另外通常太阳能中对有机物起破坏作用的是可见光-紫外光部分即波长为700200nm之间的光子而全氟有机化合物的共价键能达544kJ/mol接近220nm光子所具有的能量。由于太阳光中能量大于220nm的光子所占比重极微所以氟系涂料耐候性极好。全氟碳链中两个氟原子的范德华半径之和为027nm基本上将C-C键包围填充。这种几乎无空隙的空间屏障使任何原子或基团都不

11、能进入而破坏C-C键。因此其耐化学性极好20-21。表1给出了氟原子特性和氟碳涂料优异性能。1.2氟碳涂料的类型在实践中应用的有3类氟碳涂料一是以PTFE聚四氟乙烯polytetrafluoroethylene为主的高温烘烤型的四氟涂料二是以PVDF聚偏二氟乙烯polyvinylidenefluoride为主的热熔型氟树脂涂料三是以以FEVE氟烯烃乙烯基醚共聚物fluoroalkenesvinylethercopolymerization为主的常温固化交联型氟树脂涂料2225。1PTFE。1934年德国赫司特公司发现聚三氟氯乙烯1938年美国Plunket博士发现四氟乙烯2011年第1期氟碳涂

12、料性能及其在高压绝缘子防污闪中的应用总第239期辇輮··201年第期电瓷避雷器总第239期室温下聚合生成白色粉末946年美国杜邦公司生产聚四氟乙烯树脂开发出“特氟龙”不粘涂料它是将聚四氟乙烯PTFE以微小颗粒状态分散在溶剂中然后以3638的高温烧结成膜该涂层可长期在-95250下使用其耐化学品性超过所有聚合物主要应用于不粘涂层如不粘锅内涂膜、聚合反应釜内衬等。2PVDF2世纪6年代ElfAto公司开发出“Kynar5”为商标的聚偏二氟乙烯PVDF氟碳树脂随后被应用于氟碳涂料之中它具有优良的耐候性耐水性、耐污染性、耐化学品性尤其用于建筑物的外部装饰有其他涂料无法相比的优点但由

13、于PVDF树脂不溶于普通溶剂涂膜的形成需要2325的高温烧结成膜只能应用在有固定加工场所的、有烘烤设备的铝幕墙板、铝型材、彩钢板等耐高温的外墙装饰材料的基材上限制了它的使用3FEVE1982年日本旭硝子公司开发出了氟烯烃-乙烯基酯醚共聚物FEVE树脂该树脂在氟烯烃的基础上引进了溶解性官能团、附着性官能团、交联固化性官能团、促进流变性官能团不仅秉承了氟树脂的所有优良品质而且还具有在常温下溶解于芳烃、脂类、酮类等常规溶剂、常温下交联固化等性能该树脂应用到氟碳涂料中使得氟碳涂料的应用领域扩大到了不耐高温的PVC型材、塑钢型材、玻璃钢、有机玻璃等有机材质无法进入烘箱的大型钢板、钢结构需要现场施工的道路

14、桥梁结构、建筑外墙以及有色金属、玻璃材质、陶瓷制品、石头木器材质等等可以用在输变电设备绝缘子上的氟碳涂料主要由FEVE树脂组成FEVE共聚物分子结构中三氟氯乙烯单元提供了耐候性和耐腐蚀性乙烯基单元提供了树脂的可溶性、透明度、光泽、硬度和柔韧性一般而言支链上的氟原子对涂膜的表面性能贡献突出一些如低表面能、低摩擦性、自清洁性能等而主链上的氟原子对聚合物的耐候性贡献更突出一些这是与聚合物的分子链结构密切相关的聚合物中的全氟侧链n2向空气中伸展占据了聚合物与空气的界面大大降低了聚合物的表面能侧链包覆主链的结构对聚合物内部的分子形成很好的“屏蔽保护”作用从而使FEVE经久耐用三氟氯乙烯和烷基乙烯基醚或烷

15、基乙烯基酯的严格交替排列是决定FEVE氟碳树脂耐候性优劣的关键因素只有在二者严格交替排列的情况下分子中的氟烯烃结构单元才易于保护键能相对偏低、易被紫外线破坏或化学介质侵蚀的乙烯基单元从空间结构和化学角度看氟烯烃单元保护了不很稳定的乙烯基醚单元使其难以受到氧化侵项目参数数值氟化学特性主要性能化学原理键能/kJ·ml-1C-F451485高键能在阳光中能破坏氟碳键的紫外线的光子小于22nm比例很小阳光几乎对氟聚合物没有任何影响氟碳键高键能是氟树脂用作高耐候性涂料的基础C-H41C-C368C-O357Si-O422C-C326电负性F4.最高的电负性氟原子具有极高的化学稳定性和较小的原子

16、半径碳链上的氟原子排斥力大碳链成螺旋状结构且被氟原子包围-屏蔽效应决定了氟聚合物极高的化学稳定性Cl3.C2.5H2.1F1.35Cl1.8C1.65H1.2范德华半径极小的原子半径C-C主链被氟原子组成的外壳包围组成了一个完整的圆柱体使得氟聚合物分子间吸引力很小加上螺旋状的分子结构分子间很容易滑动摩擦系数低表面能低具有独特的不粘表面高耐候性高耐久性化学稳定性防腐蚀性防污性不粘性表1氟原子特性和氟碳涂料优异性能Tab.1ThecharacteristicofFatomandtheexcellentperformanceoffluorocarboncoating辇辑··品种P

17、TFEPVDFFEVE耐候性好好耐腐蚀性极好良好良好成膜温度/3804520250常温不粘性极好较好好装饰性光泽极好一般较好耐化学稳定性极好较好较好阻燃性不燃自熄自熄低摩擦性不粘性极好一般较好蚀提高了树脂的耐候性和耐化学腐蚀性并为树脂提供了必要的硬度环己基的引入给予了树脂刚性和透明性其侧链的大环降低了树脂的结晶性使其可以在常温下溶于大多数有机溶剂烷基的引入给树脂提供了较好的绕曲性能增加了树脂的柔韧性能羟烷基的引入则给树脂带来了固化点使树脂在常温下异氰酸酯交联固化在高温与三聚氰胺树脂交联固化这一基团的引入使树脂具有从常温到高温广阔温度范围内固化的性能应用范围大为扩展而侧链上羧基的引入则提高了树脂

18、对颜料的润湿性加强了树脂与固化剂、有机颜料的相溶性。表2给出了种主要氟碳涂料产品性能比较。20世纪90年代中后期水性氟碳乳液树脂又被成功应用于氟碳涂料之中。其高耐候性、耐水性、耐污染性、耐化学品性与溶剂型氟碳涂料相比毫不逊色25-2其环保性突破了一些欧美国家的环保壁垒而其易施工性使其工料费用甚至低于同样高品质的溶剂型氟碳涂料。2氟碳涂料在高压绝缘子上的应用氟碳涂料是一种新型的低表面能涂料与RTV涂料相比具有超长的抗老化性、耐盐雾性耐化学药品性优良等。纪连勇7等人使用聚四氟乙烯树脂加入提高硬度和附着力的填料发明了一种新型的防污闪涂料该涂料具有非常好的不粘性能不仅完全防止了污闪的发生并且具有较长的

19、使用年限。武汉高压研究所翟明翰6等人公开了一种用于高压输变电设备瓷瓶上的防污闪涂料该涂料以甲基三乙氧基硅烷改性的聚偏氟乙烯为成膜物质制备了具有良好自清洁性能和重涂性能的的涂料。罗俊华1等研究了一种长效憎水防污闪涂料利用氟化物材料优异的抗静电吸附性和憎水性以及有机硅材料优良的憎水性使涂层表面明显减少对水珠尘埃及带电微粒的吸附效应且具有良好的自洁性和耐候性有效的达到电力系统长期防污闪、防覆冰的目的。杜忠东8等发明了一种特高压用氟硅橡胶长效防污闪涂料简称FRTV的制备方法其配方按质量百分比为氟硅橡胶50硅橡胶100纳米级气相白炭黑48复合阻燃剂0.58固化剂.2.5催化剂.1.5抗氧化剂.2.8流平

20、剂28消泡剂.2.4颜料.1.5溶剂6。其中复合阻燃剂由无16的无机物氢氧化铝和.5的有机物十溴联苯醚组成。该涂料制备工艺简单具有良好的耐候性、耐油性更长的使用寿命。2.1高压绝缘子上所用氟碳涂料性能要求作为可以在输送电设备使用的氟碳涂料其基本性能符合下列要求1在有机溶剂中的可溶性。2可以在常温或中温条件下固化。可以制成有光泽的透明的涂膜。4提供了颜料在树脂溶液中的良好分散性。5涂膜对底材有良好的附着力。6既可以在工厂涂装也可以在现场涂装。7具有可重涂性。8良好的抗污性、防粘性涂膜具有憎水僧油性可防止污染物在表面附着摩擦系数小。9具有高绝缘性可以用于电力设施的瓷质及玻璃绝缘子上。2.2提高高压

21、绝缘子氟碳涂料抗污闪能力的方法提高涂层表面与水接触角形成类似荷叶效应的超疏水表面可以提高高压绝缘子上氟碳涂层抗污闪能力。1降低涂层表面的表面能可以防止污染物在涂膜表面的附着。氟碳涂料聚合物的表面能和化学组成的关系-CHmNmgt-CH2224mNmgt-CF218mNmgt-CF2H15mNmgt-CF6mNm故增加涂层表面含氟量可降低其表面自由能。2提高涂膜表面平整度及交联密度可以减表2主要氟涂料产品性能比较Tab.2Thecomparisonofseveralfluorocarbonresinsperformances2011年第1期氟碳涂料性能及其在高压绝缘子防污闪中的应用总第29期辇輰

22、··201年第期电瓷避雷器总第239期少污染物在涂膜表面的附着降低涂层表面污染。3提高涂膜的软化温度Tg可以防止涂膜因高温变软、变黏而导致污染物通过黏附而固着在涂膜表面233-35。4制造亲水性的涂膜表面有利于提高涂膜的自清洁功能213335。5通过涂膜的“微粉化”赋予涂膜的“自抛光性”即在氟碳涂料中使用特种树脂或填加填充物32使涂膜表面随时间的推移表面逐渐粉化剥落从而使污染物一起除掉而经常保持新鲜清洁的状态。6通过光催化作用提高涂膜的自清洁功能。在涂料中添加诸如纳米级的二氧化钛、氧化锌等光催化剂光照下纳米级氧化物不断分解聚集在涂膜表面的有机物而达到净化的目的。同时这些纳米

23、级添加物的使用也可以产生亲水性的表面有利于自清洁性能的提高32。7降低涂膜的表面电阻提高涂膜的抗沾污性能。创造亲水性的涂膜或加入导电剂使涂膜表面电阻降低减少静电减少涂膜表面对污染物的吸附可以达到提高耐沾污性的目的。另外以四氟乙烯为含氟单体的FEVE也得到广泛的研究36四氟乙烯代替三氟乙烯以CF键代替CC键。使含氟量由原来的25提高了354。以键能为485kJ的C-F键代替了键能为326kJ/mol的CC1键键能相应的提高。在氟碳树脂中氟含量越高性能越好资料表明当氟含量小于15时性能就明显下降更重要的是氟原子结合在CC主链上才能起到保护CC键的作用但以四氟乙烯为单体的FEVE其分散、固化、施工等

24、方面还有待于进一步研究。3结语防污闪措施中最为有效的方式就是在绝缘子上涂刷防污闪涂料氟碳树脂具有高耐候性、高耐久性、化学稳定性、防腐蚀性、防污性、不粘性是一种高效的防污闪涂料。其中应用在绝缘子上的防污闪涂料一般是能常温固化的FEVE氟碳树脂。根据对绝缘子上使用的防污闪涂料应具备低表面能、憎水、憎油及防污性通过改性氟碳树脂涂料形成“荷叶效应”提高涂层表面的憎水性及憎油性。通过提高涂膜表面的平整度及交联密度等改进氟碳涂层的抗污性能。这些常温固化FEVE树脂涂料的优异性能将打开防污闪措施的新局面有可能彻底解决污闪产生的困扰。我国发电机组装机容量超过9千亿瓦且每年以近1亿的速度增长而变电设备容量与发电

25、设备容量之间比例为121需要输电就必须使用绝缘子因此氟碳防污闪涂料将具有广阔的市场前景与社会、经济效益。参考文献1罗俊华梁江东李健健等.憎水防污闪涂料中国934478.2P.9932LUOJunhuaLIANGJiangdongLIJian-jianetal.Hydrophobicanti-contaminationflashovercoatingsChina934478.2P.993-2.2王艺峰刘建国蔡俊等.氟硅防污闪涂料的研制J.化学建材282479WANGYifengLIUJianguoCAIJunetal.Develop-mentoffluorosiliconeantipolluti

26、onflashovercoatingJScienceandEngineeringChemicalMaterialsforCon-struction200824:79.3王晓楠杨红军吴兆峰等.一种新型防冰闪复合绝缘子的研究J.湖北电力200342443WANGXiaonanYANGHongjunWUZhangfengetal.StudyonanewantiiceflashovercompoundinsulatorJ.HubeiElectricPower200342:443.4李运德左禹徐永祥等.提高FEVE氟碳涂料常温固化层耐粘污性方法的比较J.材料保护200942456LIYundeZUOYu

27、XUYongxiangetal.Thecompari-sonofimprovingtheaircuredfluorocarbonfilmcontami-nationresistancesmethodsJ.MaterialsProtection29424:56.5于洪河潘文艳.氟树脂及氟涂料的最新发展及应用J.有机硅氟咨讯22762527YUHonghePANWenyang.Theapplicationofthelat-estdevelopmentsoffluoridecoatingandfluorineresinJ.SiliconeandFluorineInformation2276:2527.6翟明翰邵建人杜忠东等.一种长效防污闪涂料P.中国9526.69962.ZHAIMinghanSHAOJianrenDUZhongdongetal.Al