在現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)中，玻璃絕緣子作為一種關(guān)鍵部件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其能夠有效支撐輸電線路，同時(shí)確保電流在導(dǎo)線與桿塔之間實(shí)現(xiàn)可靠絕緣，保障電力的安全、穩(wěn)定傳輸。然而，在低溫高濕條件下，玻璃絕緣子表面容易發(fā)生結(jié)冰，這不僅會(huì)改變其電氣性能，降低絕緣效果，甚至可能引發(fā)閃絡(luò)事故，造成電力傳輸中斷，給電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，研究和開(kāi)發(fā)有效的防冰技術(shù)，提升玻璃絕緣子的防冰性能，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

  一、玻璃絕緣子覆冰問(wèn)題及傳統(tǒng)解決方案的局限性

  《2025-2030年中國(guó)玻璃絕緣子行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及競(jìng)爭(zhēng)策略研究報(bào)告》玻璃絕緣子在低溫高濕環(huán)境下容易覆冰，覆冰會(huì)改變其電氣性能，降低絕緣效果，甚至引發(fā)閃絡(luò)事故，造成電力傳輸中斷。傳統(tǒng)的除冰方法主要有兩種：人工機(jī)械除冰和熱力融冰。人工機(jī)械除冰通過(guò)工作人員利用工具直接對(duì)絕緣子上的冰層進(jìn)行鏟除，但這種方法在操作過(guò)程中極易對(duì)絕緣子表面造成損傷，影響其后續(xù)的正常使用和絕緣性能。熱力融冰則是通過(guò)加熱裝置，利用熱量融化冰層，但在一些復(fù)雜的野外環(huán)境下，設(shè)備的安裝和維護(hù)存在諸多困難，難以實(shí)現(xiàn)高效、便捷的除冰目的。

  二、玻璃絕緣子的超疏水防冰涂層制備

  玻璃絕緣子行業(yè)性能分析提到近年來(lái)，隨著材料表面工程技術(shù)的蓬勃發(fā)展，超疏水防冰涂層作為一種極具創(chuàng)新性和應(yīng)用前景的解決方案，逐漸受到了廣泛關(guān)注。超疏水涂層具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，呈現(xiàn)出卓越的疏水性。當(dāng)水滴接觸到超疏水表面時(shí)，會(huì)形成近乎球形的液滴，與表面的接觸角極大，滾動(dòng)角極小，水滴能夠在極小的外力作用下迅速?gòu)谋砻鏉L落，極大地減少了水滴在表面停留并凍結(jié)成冰的可能性。超疏水涂層表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)有助于形成隔熱的空氣層，有效降低熱傳遞且抑制冰晶成核，極大延緩了水滴的凍結(jié)。同時(shí)，低表面能物質(zhì)的微納米粗糙結(jié)構(gòu)減小了冰與涂層的實(shí)際接觸面積，減弱了氫鍵、靜電力及分子間作用力，顯著降低冰粘附強(qiáng)度。

  本研究提出了一種摻雜混合納米粒子的超疏水涂層，用于提升玻璃絕緣子的防冰性能。使用乙酸乙酯作為溶劑，制備出環(huán)氧樹(shù)脂、納米聚四氟乙烯及納米二氧化硅的混合溶液，結(jié)合噴涂法在玻璃載玻片上制備出多種參數(shù)的涂層。通過(guò)調(diào)控聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比(1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1)，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性及防冰性能。

  三、玻璃絕緣子超疏水涂層的微觀結(jié)構(gòu)與潤(rùn)濕性

  采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分別表征了涂層的微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分。結(jié)果表明，添加的納米聚四氟乙烯及二氧化硅粒子質(zhì)量對(duì)涂層表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建存在顯著影響。當(dāng)聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比為1∶3時(shí)，涂層表面觀察到了較為均勻的粗糙結(jié)構(gòu)，桿狀的聚四氟乙烯粒子和球狀的二氧化硅粒子互相包裹在一起，構(gòu)建出了典型的微納米二元結(jié)構(gòu)，有利于超疏水特性的實(shí)現(xiàn)。此外，涂層表面檢測(cè)到了高含量的C、O、F和Si元素，表明環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯和二氧化硅粒子之間的充分混合。

  使用水接觸角測(cè)量?jī)x評(píng)估了不同聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比制備涂層表面的潤(rùn)濕性。當(dāng)聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比為1∶3時(shí)，涂層的接觸角大幅增加至160.6°，滾動(dòng)角降至3.3°，展現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性能。接觸角大于150°且滾動(dòng)角小于10°的表面被認(rèn)為是超疏水。因此，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比可以制備出超疏水涂層。此外，超疏水涂層表面的水滴彈跳行為也得到了評(píng)估。當(dāng)水滴從高處釋放后，水滴自由下落撞擊超疏水涂層，在表面發(fā)生鋪展、收縮，然后開(kāi)始反彈，返回到一定高度后又開(kāi)始下落。如此循環(huán)，水滴在超疏水涂層表面重復(fù)反彈了6次后才保持穩(wěn)定的球狀靜止在表面，展現(xiàn)出了優(yōu)異的水滴彈跳性能。

  四、玻璃絕緣子超疏水涂層的防冰性能及持久性

  為了評(píng)估涂層的防冰性能，測(cè)量了涂層的水滴凍結(jié)時(shí)間及冰粘附強(qiáng)度。結(jié)果表明，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比制備出的超疏水涂層展現(xiàn)出了最優(yōu)的防冰性能，具有高達(dá)1215.7秒的水滴凍結(jié)時(shí)間和低至40.4千帕的冰粘附強(qiáng)度。超疏水涂層表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)形成了大量的氣墊，有效降低了傳熱速率和實(shí)際接觸面積，從而延緩凍結(jié)并降低冰粘附強(qiáng)度。此外，表面大量的低表面能基團(tuán)也有利于降低冰與表面的靜電力及分子間作用力，進(jìn)而降低冰粘附強(qiáng)度。

  持久性是涂層材料走向應(yīng)用要面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。使用磨損測(cè)試評(píng)估了超疏水涂層的防冰持久性。隨著磨損次數(shù)的增加，超疏水涂層的疏水性逐漸退化。超疏水涂層的接觸角由初始的160.6°緩慢下降至157.9°，滾動(dòng)角則由初始的3.3°上漲至13.8°。在磨損16次后，超疏水涂層的滾動(dòng)角開(kāi)始大于10°，意味著超疏水涂層的動(dòng)態(tài)疏水性在逐漸喪失。這是因?yàn)槟p對(duì)超疏水涂層表面的微納米結(jié)構(gòu)造成了較為嚴(yán)重的損傷。重復(fù)的磨損會(huì)破壞那些結(jié)合不牢固的微納米結(jié)構(gòu)，還會(huì)磨損較軟的聚四氟乙烯粒子。此外，表面的低表面能物質(zhì)也容易受到砂紙的磨損而被帶離表面。因此，多次的磨損導(dǎo)致粗糙結(jié)構(gòu)的損傷和低表面能物質(zhì)的損失引發(fā)了疏水性的退化。

  五、總結(jié)

  本研究基于環(huán)氧樹(shù)脂、納米聚四氟乙烯及納米二氧化硅，利用噴涂法在玻璃載玻片上成功制備出不同聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比的涂層，評(píng)估了聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性、水滴彈跳行為及防冰性能的影響。當(dāng)聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比按1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1的順序變化時(shí)，涂層的疏水性及防冰性能展現(xiàn)出先提升后下降的趨勢(shì)。使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅質(zhì)量比制備出的涂層具有均勻的微納米結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性能和水滴彈跳特性，其接觸角高達(dá)160.6°、滾動(dòng)角低至3.3°，撞擊表面的水滴可以反彈6次。此外，超疏水涂層還具有優(yōu)異的防冰性能，水滴凍結(jié)時(shí)間大幅延長(zhǎng)至1215.7秒，冰粘附強(qiáng)度顯著下降至40.4千帕。超疏水涂層表現(xiàn)出一定的抗磨損性能，經(jīng)歷了24次的磨損仍然表現(xiàn)出良好的疏水性及潛在的防冰性能。綜上所述，本研究提出的超疏水防冰涂層具有良好的應(yīng)用潛力，能夠有效提升玻璃絕緣子的防冰性能，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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