一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层及其制备方法，低温抗冻涂层包括设置在绝缘子外表面的Si0

说明书

技术领域

本发明属于绝缘子表面涂层技术领域，特别涉及一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层及其制备方法。

背景技术

我国是世界上输电线路遭受覆冰灾害最严重的国家之一。在寒冷的冬季，北方的大雪以及中南方3～o℃时的雨夹雪气候很容易导致线路悬垂绝缘子串积雪结冰，进而造成绝缘子短路跳闸发生停电事故。自1954年有输电线路冰灾事故记录以来，相继发生了全国范围内大面积的冰灾事故。

绝缘子表面的覆冰在气温升高后会发生融冰现象，由于冰层的污垢中存在导电离子，在这些导电离子的作用下，绝缘子的表面将形成导电水膜，使绝缘子发生冰闪。针对绝缘子以及输电铝导线的防冰闪关键技术的研究具有重大的经济、现实意义。防冰闪采用的化学方法主要是在绝缘子表面涂覆硫化硅橡胶(PRTV)，但是PRTV在延缓覆冰方面的效果并不明显，且涂覆PRTV的绝缘子的冰闪电压比未涂覆PRTV的低，因此在绝缘子上涂覆PRTV以防冰闪效果并不理想。

超疏水表面的制备已经完成了从最初某些具有超疏水性质的植物叶面或动物昆虫后背等生物体特殊结构仿生学的研究转变为超疏水表面功能化、应用的研究。超疏水表面形成的两个必要因素：(1)表面化学物质具有一定的疏水性；(₂)具有多重粗糙度的结构表面。目前现有的国内外专利关于疏水、超疏水涂层的研究大多基于金属基底，如通过化学蚀刻在铜、铁、铝、锌、不锈钢表面制备微结构表面，氟化处理后呈现超疏水性质。这些方法在实施过程中需要耗费大量的酸碱溶液，并且溶解了金属离子的溶液很难重复利用，废液的处理又会造成进一步的环境污染。申请号为201110318624.4的专利，名称为《用于绝缘子防冰闪的超疏水性涂层、防冰闪绝缘子及其制备方法》，公开号为CN 102503170A，其技术方案主要是一种用于绝缘子防冰闪的超疏水性涂层，所述超疏水性涂层由设置在绝缘子外表面的Si0₂，膜层和设置在所述Si0₂，膜层上的含氟有机物膜层构成，所述超疏水性涂层具有荷叶型超疏水性能。但是该成份的比例在实际的生产过程中不能够带来像该专利申请文件所述的技术效果，0℃的水滴撞击涂层表面后快速滚落，涂层表面基本无水滴残留，该实验过程可以持续20分钟左右，说明该涂层在低温时保持了良好的疏水性能，有效地抑制了冻雨在涂层表面的冻结，该涂层具有防结霜、防冻雨、自清洁能力，在高压输电防闪络、防黏附领域具有广阔的应用前景，可用于绝缘子防冰闪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配方更为合理、效果更为突出、而且实际可操作性更强的瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层及其制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层，包括设置在绝缘子外表面的Si0₂膜层和设置在所述Si0₂膜层上的含氟有机物膜层构成，所述含氟有机物膜层外设置C-Si0₂石墨膜层。

所述Si0₂膜层由Si0₂膜层制备液制成，所述Si0₂膜层制备液由Si0₂溶胶和Si0₂粉体组成，Si0₂溶胶中Si0₂的摩尔数与Si0₂粉体中Si0₂的摩尔数之比为（3～3.25）：1。

其中，所述Si0₂溶胶为酸性硅溶胶，其制备方法是：将无水乙醇和正硅酸乙酯加入到反应容器中，然后将所述反应容器放置到冷水浴中，搅拌使无水乙醇和正硅酸乙酯混合成均相溶液，得反应液A，之后将去离子水滴入反应液A中，得反应液B，用硝酸调反应液B的pH值至l～3，之后加热所述反应容器至70℃，回流反应3～6小时，冷却至室温，经陈化50～60小时，得酸性硅溶胶；其中无水乙醇、正硅酸乙酯和去离子水的体积比为：无水乙醇：正硅酸乙酯：去离子水=(2～5)：2：(1～3)。所述Si0₂溶胶中Si0₂的颗粒尺度为1.5～3nm。所述Si0₂粉体中Si0₂的颗粒尺度为20～25nm。

所述含氟有机物膜层由含氟有机物膜层制备液制成，所述含氟有机物膜层制备液为单分子有机氟硅烷溶液或含氟聚合物溶液。所述单分子有机氟硅烷溶液的体积百分比浓度为2～3.5％，溶剂为异丙醇、丁醇和乙醇中的任一种，溶质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；所述含氟聚合物溶液的体积百分比浓度为0.25～5％，溶剂为N甲基吡咯烷酮或N，N二甲基乙酰胺，溶质为聚全氟癸基丙烯酸酯或聚四氟乙烯。

所述C-Si0₂石墨膜层为石墨与Si0₂混合涂层，所述石墨颗粒尺度为5～15nm，Si0₂的颗粒尺度为3～6nm，的石墨与Si0₂的质量比为1：（5～5.5）。

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层的制备方法，包括以下步骤：

    a.在绝缘子本体的外表面上涂覆Si0₂膜层，首先对绝缘子本体进行表面预处理，表面预处理步骤依次为：水洗、醇洗、480℃高温焙烧；在经过表面预处理的绝缘子本体的外表面涂覆Si0₂膜层制备液，之后室温下干燥，然后放入马弗炉中于450℃焙烧6小时，在绝缘子本体的外表面上涂覆得到Si0₂膜层；

b.在外表面涂覆有Si0₂膜层的绝缘子本体的Si0₂，膜层上涂覆含氟有机物膜层制备液，之后经自然干燥；

c.将自然干燥后的绝缘子表面涂敷石墨与Si0₂混合物，放入冷等静压机以250～300Mpa压力下4小时，表面混合物自然脱落后，然后放入真空烘箱内于400℃热处理4小时，制得防冰闪绝缘子。

本发明一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层，包括设置在绝缘子外表面的Si0₂膜层和设置在所述Si0₂膜层上的含氟有机物膜层构成，所述含氟有机物膜层外设置C-Si0₂石墨膜层。从两层结构变化为三层结构，设置在Si0₂膜层上的含氟有机物膜层的表面能低，相当于荷叶表面的蜡状物层。在室温下，本发明提供的涂层的静态接触角大于l60度，接触角滞后即前进接触角与后退接触角之差为20左右，说明该涂层具有很好的超疏水性能。而含氟有机物膜层具有很好的抗粘附能力，而且附着于绝缘子表面的浮灰由于超疏水性涂层的自清洁性能极易被撞击后的滚动雨滴携带，从而提高了绝缘子的自防护能力。另外，撞击液滴与超疏水性涂层间捕获大量的空气可以有效抑制超疏水性涂层表面与雨滴间的热交换，并且毫米级的撞击雨滴与超疏水性涂层表面的接触时间小于20ms，由于雨滴与超疏水性涂层表面间形成的气液界面可以储存部分雨滴动能，从而致使雨滴撞击绝缘子表面后最大铺展面积减小。以上因素都决定了具有超疏水性涂层的绝缘子可以有效抑制或防止冰晶的形成。最为重要的是最外层的C-Si0₂石墨膜层为石墨与Si0₂混合涂层，所述石墨颗粒尺度为5～15nm，Si0₂的颗粒尺度为3～6nm，的石墨与Si0₂的质量比为1：（5～5.5），在其冷等静压机作用后，自然脱落后，通过烘干等表面处理工艺，结合前两层最终获得了非常出色的技术效果。具体体现在0℃的水滴撞击涂层表面后快速滚落，涂层表面无任何水滴残留，该实验过程可以持续150分钟左右，说明该涂层在低温时保持了良好的疏水性能，有效地抑制了冻雨在涂层表面的冻结，该涂层具有防结霜、防冻雨、自清洁能力，在高压输电防闪络、防黏附领域具有广阔的应用前景，可用于绝缘子防冰闪。

具体实施方式

实施例一

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层，包括设置在绝缘子外表面的Si0₂膜层和设置在所述Si0₂膜层上的含氟有机物膜层构成，所述含氟有机物膜层外设置C-Si0₂石墨膜层。所述Si0₂膜层由Si0₂膜层制备液制成，所述Si0₂膜层制备液由Si0₂溶胶和Si0₂粉体组成，Si0₂溶胶中Si0₂的摩尔数与Si0₂粉体中Si0₂的摩尔数之比为3.15：1。

其中，所述Si0₂溶胶为酸性硅溶胶，其制备方法是：将无水乙醇和正硅酸乙酯加入到反应容器中，然后将所述反应容器放置到冷水浴中，搅拌使无水乙醇和正硅酸乙酯混合成均相溶液，得反应液A，之后将去离子水滴入反应液A中，得反应液B，用硝酸调反应液B的pH值至2，之后加热所述反应容器至70℃，回流反应5小时，冷却至室温，经陈化55小时，得酸性硅溶胶；其中无水乙醇、正硅酸乙酯和去离子水的体积比为：无水乙醇：正硅酸乙酯：去离子水=2：2：3。所述Si0₂溶胶中Si0₂的颗粒尺度为3nm。所述Si0₂粉体中Si0₂的颗粒尺度为20nm。

所述含氟有机物膜层由含氟有机物膜层制备液制成，所述含氟有机物膜层制备液为单分子有机氟硅烷溶液或含氟聚合物溶液。所述单分子有机氟硅烷溶液的体积百分比浓度为3.5％，溶剂为异丙醇、丁醇和乙醇中的任一种，溶质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；所述含氟聚合物溶液的体积百分比浓度为0. 5％，溶剂为N甲基吡咯烷酮或N，N二甲基乙酰胺，溶质为聚全氟癸基丙烯酸酯或聚四氟乙烯。

所述C-Si0₂石墨膜层为石墨与Si0₂混合涂层，所述石墨颗粒尺度为15nm，Si0₂的颗粒尺度为5nm，的石墨与Si0₂的质量比为1：（5～5.5）。

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层的制备方法，包括以下步骤：

    a.在绝缘子本体的外表面上涂覆Si0₂膜层，首先对绝缘子本体进行表面预处理，表面预处理步骤依次为：水洗、醇洗、480℃高温焙烧；在经过表面预处理的绝缘子本体的外表面涂覆Si0₂膜层制备液，之后室温下干燥，然后放入马弗炉中于450℃焙烧6小时，在绝缘子本体的外表面上涂覆得到Si0₂膜层；

b.在外表面涂覆有Si0₂膜层的绝缘子本体的Si0₂，膜层上涂覆含氟有机物膜层制备液，之后经自然干燥；

c.将自然干燥后的绝缘子表面涂敷石墨与Si0₂混合物，放入冷等静压机以250～300Mpa压力下4小时，表面混合物自然脱落后，然后放入真空烘箱内于400℃热处理4小时，制得防冰闪绝缘子。

该实施例一处理手段获得的绝缘子，模仿照冻雨天的气候特征110小时，无任何冰屑残留。

实施例二

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层，包括设置在绝缘子外表面的Si0₂膜层和设置在所述Si0₂膜层上的含氟有机物膜层构成，所述含氟有机物膜层外设置C-Si0₂石墨膜层。所述Si0₂膜层由Si0₂膜层制备液制成，所述Si0₂膜层制备液由Si0₂溶胶和Si0₂粉体组成，Si0₂溶胶中Si0₂的摩尔数与Si0₂粉体中Si0₂的摩尔数之比为3：1。

其中，所述Si0₂溶胶为酸性硅溶胶，其制备方法是：将无水乙醇和正硅酸乙酯加入到反应容器中，然后将所述反应容器放置到冷水浴中，搅拌使无水乙醇和正硅酸乙酯混合成均相溶液，得反应液A，之后将去离子水滴入反应液A中，得反应液B，用硝酸调反应液B的pH值至l，之后加热所述反应容器至70℃，回流反应3～6小时，冷却至室温，经陈化50小时，得酸性硅溶胶；其中无水乙醇、正硅酸乙酯和去离子水的体积比为：无水乙醇：正硅酸乙酯：去离子水=(2～5)：2：(1～3)。所述Si0₂溶胶中Si0₂的颗粒尺度为2nm。所述Si0₂粉体中Si0₂的颗粒尺度为22nm。

所述含氟有机物膜层由含氟有机物膜层制备液制成，所述含氟有机物膜层制备液为单分子有机氟硅烷溶液或含氟聚合物溶液。所述单分子有机氟硅烷溶液的体积百分比浓度为2～3.5％，溶剂为异丙醇、丁醇和乙醇中的任一种，溶质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；所述含氟聚合物溶液的体积百分比浓度为0.25～5％，溶剂为N甲基吡咯烷酮或N，N二甲基乙酰胺，溶质为聚全氟癸基丙烯酸酯或聚四氟乙烯。

所述C-Si0₂石墨膜层为石墨与Si0₂混合涂层，所述石墨颗粒尺度为8nm，Si0₂的颗粒尺度为6nm，的石墨与Si0₂的质量比为1： 5。

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层的制备方法，如实施例一。该实施例二处理手段获得的绝缘子，模仿照冻雨天的气候特征125小时，无任何冰屑残留，超过了预期的低温抗冻的效果。    

实施例三：

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层，包括设置在绝缘子外表面的Si0₂膜层和设置在所述Si0₂膜层上的含氟有机物膜层构成，所述含氟有机物膜层外设置C-Si0₂石墨膜层。所述Si0₂膜层由Si0₂膜层制备液制成，所述Si0₂膜层制备液由Si0₂溶胶和Si0₂粉体组成，Si0₂溶胶中Si0₂的摩尔数与Si0₂粉体中Si0₂的摩尔数之比为3.2：1。

其中，所述Si0₂溶胶为酸性硅溶胶，其制备方法是：将无水乙醇和正硅酸乙酯加入到反应容器中，然后将所述反应容器放置到冷水浴中，搅拌使无水乙醇和正硅酸乙酯混合成均相溶液，得反应液A，之后将去离子水滴入反应液A中，得反应液B，用硝酸调反应液B的pH值至l～3，之后加热所述反应容器至70℃，回流反应3～6小时，冷却至室温，经陈化56小时，得酸性硅溶胶；其中无水乙醇、正硅酸乙酯和去离子水的体积比为：无水乙醇：正硅酸乙酯：去离子水=3：2：2。所述Si0₂溶胶中Si0₂的颗粒尺度为1.5～3nm。所述Si0₂粉体中Si0₂的颗粒尺度为20～25nm。

所述含氟有机物膜层由含氟有机物膜层制备液制成，所述含氟有机物膜层制备液为单分子有机氟硅烷溶液或含氟聚合物溶液。所述单分子有机氟硅烷溶液的体积百分比浓度为2～3.5％，溶剂为异丙醇、丁醇和乙醇中的任一种，溶质为十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或十三氟辛基三甲氧基硅烷；所述含氟聚合物溶液的体积百分比浓度为0.25～5％，溶剂为N甲基吡咯烷酮或N，N二甲基乙酰胺，溶质为聚全氟癸基丙烯酸酯或聚四氟乙烯。

所述C-Si0₂石墨膜层为石墨与Si0₂混合涂层，所述石墨颗粒尺度为12nm，Si0₂的颗粒尺度为4nm，的石墨与Si0₂的质量比为1：5。

一种瓷与玻璃绝缘子低温抗冻涂层的制备方法，如实施例一。该实施例三处理手段获得的绝缘子，模仿照冻雨天的气候特征118小时，无任何冰屑残留，超过了预期的低温抗冻的效果。