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复合绝缘子是室外保温系统的重要组成部分。它工作在复杂的环境中，面临着表面污染、疏水性丧失、表面电荷积累等一系列问题。为了以一种简单、可扩展的方法解决这些问题，我们提出了一种基于SiO2/PDMS/EP的多功能纳米涂层。通过多尺度结构和低表面能改性的结合，该涂层表现出优异的拒水性能，在涂层硅橡胶上实现了大于160◦的大接触角和接近0◦的小滚动角，使表面具有优异的自清洁性能。受益于多尺度的粗糙度，减少的接触面积抑制了传热，进一步减缓了涂覆硅橡胶的结冰过程。涂覆硅橡胶的并粘附力也比原始硅橡胶小。此外，高阻水能力可以促使液滴在电场力的作用下滚动离开，减轻了液滴造成的电畸变。结果表明，涂覆硅橡胶的湿闪络电压比未涂覆硅橡胶高60%。这种多功能涂层是一种简便、可扩展和有效的方法，可以改善绝缘体的综合表面性能。
图1.超疏水涂层的合成工艺图。(a)环氧树脂的分子结构。(b)将KH560接枝到PDMS分子链上。(d) KH550和FAS接枝到纳米SiO2上。(c) EP与接枝PDMS混合。(e) EP-PDMS与接枝SiO2的混合。(f)硅橡胶基材上的涂层。
图2. (a)接触角随PDMS和F-SiO2浓度的变化。(b)不同放大倍数下被涂表面的SEM图像(1-3)和截面形貌(4)。(c)被涂表面的三维图像(1-3)和接触角为162◦的水滴在被涂表面的光学图像(4)。(d)水滴以较小的初始碰撞速度在被涂表面上弹跳。(e)液滴在涂层表面以接近0的倾斜角滚动。(f)涂覆硅橡胶的自清洁性能。
图3. 原始和涂覆硅橡胶的结冰性能。(a)结冰实验设置。(b)不同体积液滴在涂覆硅橡胶表面的冻结过程。(c)不同体积的液滴在原始硅橡胶表面的冷冻过程。(d-f)冷冻过程中涂层硅橡胶上液滴接触角和接触线直径的变化。(g-i)冷冻过程中原始硅橡胶上液滴接触角和接触线直径的变化。(j)不同体积的液滴在涂覆硅橡胶和原始硅橡胶上冻结时间的比较。(k)涂覆硅橡胶和原始硅橡胶上不同体积液滴的除冰力比较。
图4. 传热性能。(a)原始硅橡胶的传热过程。(b)涂覆硅橡胶的传热过程。(c)原始硅橡胶与涂覆硅橡胶的温度变化对比。(d)不同材料的传热示意图。
图5. 表面电荷表征。(a)产生表面电荷的装置。(b)原始硅橡胶和涂覆硅橡胶的表面电位衰减曲线。(c)原始硅橡胶的疏水阀分布。(d)涂覆硅橡胶的捕集器分布。(e)涂覆硅橡胶的表面泄漏电流。(f)涂覆硅橡胶的体积泄漏电流。(g)原始硅橡胶和涂覆硅橡胶的表面电阻率。(h)原始硅橡胶和涂覆硅橡胶的体积电阻率。
图6. 表面闪络性能。(a)原始硅橡胶和涂覆硅橡胶的干闪络电压。(b)原始硅橡胶和涂覆硅橡胶的湿闪络电压。(c)液滴在直流电场中的变形示意图。(d)液滴在直流电场中的运动示意图。(e)液滴电畸变有限元模拟。(f)不同接触角表面的电气分布。
综上所述，基于硅橡胶在绝缘子中的广泛应用，提出了一种基于SiO2/PDMS/ EP的多功能纳米涂层，并选择硅橡胶作为衬底材料。该涂料具有成本低、易合成、柔韧性好、工业适用性强等优点。涂层硅橡胶的接触角大于160◦，滚动角小于0◦。自洁性能，在使用过程中保持表面清洁干燥。该涂层除具有超疏水性外，还能抑制结冰过程，降低结冰后的粘附强度。涂层硅橡胶的结冰时间是原始硅橡胶的1.34 ~ 5倍，涂层硅橡胶的除冰力是原始硅橡胶的3/1 ~ 1/2。抑制结冰过程和减少粘着的能力可以有效地保护电力设备不受结冰的影响。此外，该涂层还表现出优异的电学特性，它引入了大量的浅层陷阱来捕获表面电荷，使电荷不会进入原表面的深层陷阱。浅层陷阱中的电荷容易逃逸，使积累的表面电荷能在短时间内消散。此外，得益于优异的拒水性，涂层硅橡胶的湿表面闪络比原始硅橡胶高60%，这是因为涂层硅橡胶上的液滴倾向于滚动而不是变形，从而使涂层硅橡胶上的绝缘路径和闪络电压的减少更小。通过引入这种多功能纳米涂层，提高了硅橡胶的综合表面性能，同时优化了制约绝缘子稳定运行的几个关键问题，如表面污染、结冰、表面电荷积聚和表面闪络。我们认为，这种涂层可以有效解决架空输电线路面临的挑战，是未来提高输电能力的一种潜在方法。
相应的成果以“Improving surface performance of silicone rubber for composite insulators by multifunctional Nano-coating”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章的通讯作者是清华大学的梁曦东教授和南洋理工大学陈忠教授。
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