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防污闪氟碳涂料的制备及应用研究,与钛酸酯偶联剂及其他功能助剂制备了一种新型防污闪氟碳涂料,中国资讯网,ChinaNews360.com
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防污闪氟碳涂料的制备及应用研究,与钛酸酯偶联剂及其他功能助剂制备了一种新型防污闪氟碳涂料
2019年09月10日    阅读量:3523    新闻来源:中国资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

输变电设备绝缘子的污闪是一种常见的事故,它严重影响了输变电线路的安全、经济运行,防止绝缘子的污闪是保证电力系统线路安全运行的重要工作 。自20 世纪80 年代室温硫化硅橡胶(RTV)防污闪涂料应用以来,RTV 因其优异的憎水性及憎水性迁移性成为使用最为广泛的防污闪涂料,但RTV涂料的使用寿命一般为3~5 a。


为了提高RTV 涂料的使用寿命,研发出电力设备外绝缘用持久性就地成型防污闪复合涂料(PRTV)防污闪涂料,PRTV 涂料具备RTV 防污闪涂料的增水性及憎水迁移性,但其硬度差且难复涂、难除去,给后期的检修与维护带来麻烦涂料在线coatingol.com


为改善现有防污闪涂料存在的缺陷,本研究采用FEVE 树脂为成膜物质制备了一种新型防污闪氟碳涂料。氟碳树脂涂层具有优异的耐腐蚀性、耐候性、耐磨性、耐溶剂性,使用寿命长,且具有表面能较低、双疏等诸多优点,被广泛应用于桥梁保护、海洋防腐及建筑外墙等 ,10 多年来,以FEVE 树脂制备的氟碳涂料一直都是重防腐领域的研究热点。


以FEVE氟碳树脂为成膜物质制备的防污闪氟碳涂料,虽然解决了现用的硅橡胶涂料寿命短的问题,但是其憎水性能及韧性仍弱于RTV 涂料、PRTV 涂料 ;为此,本研究从氟碳涂层的微纳结构着手,选择憎水性优良的颜填料,并以偶联剂改性颜填料理化特性,添加系列功能性助剂,制备了一种新型防污闪氟碳涂料。

 

1 防污闪氟碳涂料的制备

1.1 主要原料

FEVE 树脂:GK570,固含量55% ~ 65%,氟含量为35% ~ 40%,大金氟涂料(上海) 有限公司;气相SiO2:比表面积(120±20) m2 / g,平均一次粒子粒径15 nm,日本德山化工(浙江)有限公司;纳米级聚四氟乙烯蜡粉:平均粒径4.0~5.0 μm,工业级,北京市华通瑞驰技工贸公司;纳米金红石型TiO2: 纯度99.8%,平均原级粒径为25 nm,比表面积为20 ~80 m2 / g,无锡拓博达钛白制品有限公司;表面活性剂(FC-4430): 上海向岚化工;二月桂酸二丁基锡:上海齐硕实业有限公司;SILRES BS 1306 型憎水性添加剂:德国Wacker 公司;偶联剂G502:十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷,哈尔滨雪氟佳硅化学有限公司;偶联剂TM-JTBT:钛酸异丁酯,仪征天扬化工有限公司;固化剂HDI 三聚体:惠州市雷博化工;十七氟癸基三甲氧基硅烷(TSL 8233):南京道宁化工有限公司。

1.2 涂料的制备

表1 为常温固化防污闪氟碳涂料的基本配方。

防污闪氟碳涂料的制备及应用研究,与钛酸酯偶联剂及其他功能助剂制备了一种新型防污闪氟碳涂料 中国资讯网,ChinaNews360.com

防污闪氟碳涂料的配方体系

制备程序:将树脂和溶剂混合均匀后加入颜填料及偶联剂,采用篮式研磨机研磨1 h 后加入表面活性剂、催化剂及憎水性添加剂,继续研磨1.5 h,加入固化剂机械搅拌均匀即可涂覆。有机涂层老化降解是由内外因素引起的,但内在因素即涂层各组分的性能及其配方起决定作用。


为解决RTV 涂层耐老化性能差的问题,通过对光氧化降解机理与树脂的水解性机理分析,防污闪氟碳涂料选择耐候性能优异的FEVE 氟碳树脂为成膜物,且加入具有抗紫外线耐老化性能的金红石型纳米TiO2,以确保防污闪氟碳涂料优异的耐老化性能。


偶联剂的加入,可以提高颜填料的分散性,使颜填料与有机相更好地协同作用以提高涂层的性能。气泡的产生会降低涂层的电气绝缘性能,从而降低涂层的防污闪性能。因此,本研究主要从偶联剂的优化、改性纳米填料的添加及消泡等三方面研究来提高涂层的防污闪性能。

 

2 结果与讨论

2.1 偶联剂的优化

在涂料体系中加入纳米粒子,不仅可以提高涂层的韧性还可以增强涂层的憎水性能 。但是,无机纳米材料本身的极性和颗粒细微化,使其具有极大的比表面积和较高的比表面能,极易团聚,不易在介质中分散,影响材料的填充效果。偶联剂可以使无机纳米粒子均匀分散在整个体系中,最终在涂层表面形成均匀分布的微纳米级凸起物,提高涂层的憎水性能 。


钛酸酯偶联剂分子的对称性比硅烷偶联剂分子好,且分子极性更小,因而钛酸酯偶联剂改性纳米无机粒子的亲油化度更高,反应更充分 。本研究在其他组分含量不变的情况下,比较偶联剂TM-JTBT 与G502用量对涂层性能的影响。


将FEVE 树脂与溶剂混合均匀后,加入纳米级SiO2 及微米级PTFE 粉后采用篮式研磨机研磨1 h,转速30~40 r/ s,加入未改性的纳米级金红石型TiO2 及2 种不同的偶联剂0、1 份、2 份、3 份、4 份、5 份、6 份、7 份、8 份,加入其他功能型助剂,以同样的转速继续研磨1.5 h,加入适量固化剂,机械搅拌均匀后喷涂至100 mm×100 mm的瓷片上,固化24 h后进行憎水性、硬度(铅笔硬度)及附着力(划格法)测试。2 种偶联剂硬度都可达5H 以上,附着力达到0级,其憎水性能如图1 所示。

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防污闪氟碳涂料的配方体系

由图1 可以看出,未加入偶联剂的涂层的水接触角在90°左右,随着偶联剂TM-JTBT 含量的增加,防污闪氟碳涂层的水接触角先增加后减小,当偶联剂TM-JTBT 的添加量为5 份时,涂层的水接触角最大,可达120°以上,提高了涂层的憎水性能,从而提高了涂层的防污闪效果。


2.2 改性纳米填料的添加

金红石型纳米TiO2 的加入可以使涂层具有更好的耐腐蚀性、抗紫外线老化性、耐擦洗性和较高的附着力等。由于纳米粒子表面活性极强而易团聚,表面亲水疏油难分散在有机相中,当空气中的水分进入空隙中就会触发界面处高分子的降解、脆化,导致涂层失效 。


本研究通过十七氟癸基三甲氧基硅烷改性金红石型纳米TiO2 制得疏水性金红石型纳米TiO2,并将其加入体系。试验过程为:将溶解于混合溶剂中的氟碳树脂FEVE、纳米级SiO2 及微米级PTVE 粉至篮式研磨机中研磨1 h,转速为30~40 r/ s,加入2~3份改性处理后的金红石型纳米TiO2 与钛酸酯偶联剂TM-JTBT,然后加入其他助剂,以同样的转速继续研磨1.5 h,加入一定比例固化剂,搅拌均匀,采用喷涂法将制备的防污闪氟碳涂料喷涂在基材表面,涂膜厚度为0.3~0.5 mm,在室温下固化表干24 h。采用扫描电镜观察涂层材料表面形貌,SEM 图(放大50 000倍)如图2 所示。

防污闪氟碳涂层的SEM(×50 000)

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由图2 可以看出,改性后的纳米金红石型TiO2表面的活性羟基与氟硅烷中的氟链相结合,表面能得到了较大程度的降低,稳定性增强,不易发生团聚,可以与PTFE 微粉(微米级)在涂层表面形成微纳米突起结构增加涂层的粗糙度,从而提高了涂层表面疏水性,加强了防污闪涂料的防污闪效果。

2.3 气泡的产生原因及消泡剂的选择

体系中气泡产生的原因有:① 涂料中的颜填料比表面积较大,常吸附有较多的空气,在添加过程中产生气泡;② 在制备过程中空气进入涂料体系,产生气泡;③ 涂料制备过程的副反应产生气体,从而产生气泡;④ 由基材引起的气泡。依据气泡产生原因,对试验操作过程做以下改进:① 试验所用的颜填料在使用前先在恒温干燥箱中干燥24 h 再添加;② 在体系中加入消泡剂;③ 采用N2 提供压力进行喷涂,喷涂压力一般控制在0.3~0.5 MPa。为了保证体系的性能不受影响,本研究选择有机硅类消泡剂。将FEVE 树脂与溶剂混合均匀后,加入纳米级SiO2 及微米级PTVE 粉后研磨1 h,转速为30~40 r/ s,加入改性纳米级金红石型TiO2 及钛酸酯偶联剂TM-JTBT 5 份,加入适量T333 型、T338 型、进口100#型3 种不同的消泡剂,加入其他功能型助剂,以同样的转速继续研磨1.5 h,加入适量固化剂,机械搅拌均匀后在100 mm × 100 mm 的瓷片上喷涂3 ~4 mm,固化24 h 后观察涂层的表面状态。3 种不同消泡剂的消泡效果见图3。由图3 可以看出进口100#型消泡剂的消泡效果最好,但是依旧存在气泡,采用喷涂方式后气泡完全消失。

不同消泡剂的消泡效果

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2.4 防污闪性能测试

防污闪氟碳涂料的憎水性能按照DL/ T 864—2004《标称电压高于1 000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》测试;采用JC2000C5 憎水性测定仪测定水在涂层上的静态接触角,憎水性接触角可达120°以上;附着力按GB/ T 9286—1998 进行测定,可达0 级;硬度按GB/ T 6739—2006 进行测定,达7H;耐水性按GB/ T 1733—1993 测定,涂层无变色、起泡、起皱、脱落、生锈等现象;耐化学试剂性包括耐酸性、耐碱性和耐盐水性,依DL/ T 627—2012 进行测试,在3%HCl、3%NaOH、10%NaCl 中分别浸泡60 d、30 d、300 d,涂层无失光、变色、起泡、脱落等现象;耐盐雾性能依据GB/ T 1771—2007 进行测定,涂层表面未发生起泡、粉化、脱落等表面损坏的现象,涂层的保光率可达98%。

上述检测结果表明,制备的防污闪氟碳涂料具备良好疏水性和优异理化性能,满足防污闪涂料要求,其电气性能测试结果见表2。

防污闪氟碳涂层的电气性能

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由表2 可以看出,防污闪氟碳涂料具备优异的电气绝缘性能,满足防污闪涂料的要求。

 

3 防污闪氟碳涂料的应用研究

通过在污染严重的佛山对涂层进行户外曝晒、带电运行,监测防污闪氟碳涂料性能的变化,检验防污闪氟碳涂料的防污闪性能,研究防污闪氟碳涂料的应用前景。

3.1 曝晒试验

将改性前后的防污闪氟碳涂料喷涂在绝缘子上,置于佛山某变电站进行户外曝晒,涂层性能变化见表3,参照GB/ T 1766—2008 清漆和色漆涂层老化的评级方法。

从表3 可能看出,户外曝晒1.5 a 后涂层的失光、变色、分化、裂纹、起泡、长霉、脱落无变化,斑点及沾污稍有下降,但是涂层的综合老化性能可以达到0级;户外曝晒3 a,涂层的失光、变色、分化、裂纹、起泡、长霉、脱落、斑点及沾污等无变化,涂层的综合老化性能依旧为0 级; 涂层曝晒1.5 a 的盐密为0.106 2 mg/ cm2,灰密为0.096 4 mg/ cm2,曝晒3 a 的涂层表面盐密增加至0.121 8 mg/ cm2,灰密增加至0.100 7 mg/ cm2;而曝晒3 a 的涂层接触角较曝晒1.5 a 涂层的接触角基本无变化。由现场曝晒试验数据可以看出:防污闪氟碳涂料曝晒3 a 后涂层的老化性能未出现明显变化,且涂层的疏水性保持良好,符合防污闪涂料要求。

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防污闪氟碳涂层曝晒后的性能

3.2 现场带电运行试验

在佛山某变电站110 kV 紫溶甲线进行现场带电运行试验。试验绝缘子为大连电磁厂XP-7,绝缘子爬电距离为295 mm,总表面积1 513 cm2,其中上表面积为710 cm2。用采样巾采样,溶解水量为400 mL,通过电子天平GR-200 及电导率仪Cond330i 测试。运行5 个月后进行绝缘子等值盐密(ESDD)和灰密(NSDD)测量,结果见表4。

由表4 可知,改性后的防污闪氟碳涂料在运行5个月后,涂层表面未出现起皮、脱落、变色等现象,表明涂层未发生明显老化现象;涂层污秽严重程度控制在E1 内(根据GB/ T 26218.1—2010 污秽条件下使用的高压绝缘子的选择和尺寸确定),运行中未出现刷状放电情况表明涂层耐污闪性能优良。依据现场带电运行试验及相关标准要求可得出结论,防污闪氟碳涂料具备优良的防污闪性能,可应用至输变电线路高压绝缘子防污闪。

绝缘子等值盐密(ESDD)和灰密(NSDD)的测量值

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4 结 语

(1)通过对偶联剂添加工艺、改性纳米填料添加工艺及消泡工艺的研究,提高了涂层的疏水性能,改性后的涂层外检电气绝缘性能满足防污闪要求;

(2)在污染严重的佛山地区户外曝晒3 a,防污闪氟碳涂层综合老化性能为0 级,水接触角依旧可达115°以上,具备优良的憎水性,满足防污闪要求;

(3)防污闪氟碳涂料经过带电试运行后,涂层污秽严重程度控制在E1 内,运行中未出现刷状放电情况,表明涂层耐污闪性能优良;

(4)现场应用研究结果表明,防污闪氟碳涂料具备优良的防污闪性能,可应用于输变电线路高压绝缘子防污闪。



防污闪氟碳涂料的制备及应用研究

黄 静1,周永言2,朱志平∗1,李 丽2,钟 娴1,周 艺1

(1.长沙理工大学,长沙410114;2. 广东电网公司电力科学研究院,广州510080)


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