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纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层及其表面水滴电致运动特性

魏远  
【摘要】:超疏水涂层具有自清洁特性,其表面水滴状态与普通疏水涂层表面水滴状态具有显著差异。电场作用下普通疏水涂层表面水滴可诱发电晕放电,导致涂层有机材料老化与沿面闪络。研究新型超疏水绝缘涂层及其表面水滴电致运动,对于提升超疏水涂层在电气外绝缘的应用效果,揭示电场对超疏水涂层自清洁特性的影响规律,具有重要的科学意义和应用价值。作者针对当前超疏水涂层表面能较高、微小水滴难以滑落、涂层机械性能较差的问题,对一种新型长效硬质超疏水涂层的制备方法及沿面闪络特性进行了研究,对超疏水涂层表面水滴电致运动特性进行了动力学建模与仿真验证,并对超疏水涂层的自清洁力学机制进行了研究。论文的主要内容有:(1)对一种新型纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层的制备方法进行了研究,该方法通过向二氧化硅纳米粒子表面接枝低表面能与高稳定性的含氟官能团物质实现对二氧化硅纳米粒子的低表面能改性,通过与硅树脂混炼后制备出新型长效硬质硅树脂超疏水涂层,并对涂层的理化特征、憎水性能、化学与机械稳定性能、介电性能进行了试验研究。结果表明,所制备超疏水涂层具备优异的憎水性,良好的耐酸碱腐蚀、耐磨损与介电性能。(2)对纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层的工频沿面闪络特性进行了研究,观测分析了湿污条件下硅树脂超疏水涂层沿面闪络时局部电弧发展、熄灭与重燃过程,测试分析了硅树脂超疏水涂层的工频沿面泄漏电流与闪络电压。结果表明,相比于普通疏水RTV硅橡胶涂层,硅树脂超疏水涂层具有低泄漏电流和高闪络电压,涂层的强憎水性与表面水滴电致运动产生的干带是涂层具有高绝缘性能的主要原因。(3)对纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层表面水滴电致运动特性进行了研究,揭示了电场对硅树脂超疏水涂层自清洁特性的影响规律。研究分析了不同激励电场下硅树脂超疏水涂层表面水滴电致运动特征及荷电机制。结果表明,涂层表面水滴-空气-涂层三相接触区电晕放电是造成水滴荷电并出现电致运动的主要原因,电场可实现硅树脂超疏水涂层表面10?L-100?L水滴的驱动。(4)对超疏水涂层表面水滴电致运动动力学模型与电场驱动力进行了研究,揭示了电场对超疏水涂层表面水滴的驱动机制。研究了电场作用下超疏水涂层表面水滴临界稳定电场强度。建立了超疏水涂层表面水滴电致运动Navier-Stokes动力学模型与电场驱动力仿真计算方法。结果表明,超疏水涂层表面水滴临界稳定电场强度与外施电场强度、水滴粒径与自身表面张力相关,施加于“水滴-空气”界面上的库仑力对水滴电致运动具有决定性影响。(5)对染污超疏水涂层表面自清洁及其力学机制进行了研究,揭示了染污超疏水涂层的自清洁物理机制。研究了染污硅树脂超疏水涂层表面电致运动水滴与自然凝露水滴的去污过程。分析了超疏水涂层表面水滴对污秽颗粒的力学吸引过程。结果表明,超疏水涂层表面污秽颗粒受到水滴-污秽颗粒界面力的强吸引作用能够随运动水滴离开涂层表面;随涂层憎水性增强,水滴对污秽颗粒的吸引效果增大,超疏水涂层表面水滴对污秽颗粒具有最高的界面吸引力。上述研究结果表明,纳米二氧化硅改性硅树脂超疏水涂层具备优异的憎水性与绝缘性能,其表面水滴电致运动行为能够有效增强涂层的自清洁特性,展现出了良好的应用潜力,对提高污秽条件下电气外绝缘运行性能具有重要的参考价值。


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