清華大學 張若兵 等:等離子體射流與表覆多孔無機污穢硅橡膠間的相互作用:表面憎水或親水?
《Interaction between plasma jet and silicone rubber covered by porous inorganic contaminants: Surface hydrophobicity or hydrophilicity?》(點擊閱讀原文)
題目:等離子體射流與表覆多孔無機污穢硅橡膠間的相互作用:表面憎水或親水?
作者:李爽,李健俊,付永強,張若兵
內容整理自《High Voltage》2022年第7卷第6期。
電力系統中大量使用的硅橡膠復合絕緣材料在嚴重積污后,表面覆蓋多孔無機污穢導致其憎水性降低。前期研究發現,與常規空氣氣氛中放電降低清潔硅橡膠表面憎水性相反,等離子體射流處理能快速(<5s)提高染污硅橡膠的表面憎水性,具有廣闊應用前景。然而其物理機理仍不甚明晰,需要進一步研究。
本文利用等離子體射流處理表面涂覆有多孔高嶺土污穢的染污硅橡膠,研究其憎水性變化。
圖1 實驗裝置
隨著等離子體處理時間的增大,染污硅橡膠表面先迅速變為憎水,超過閾值時間后再變為親水。灰密不同,處理后表面憎水性變化呈現相同的規律。等離子體的均勻性直接決定處理區域憎水角的徑向分布。
圖2 等離子體處理時染污硅橡膠表面處理區域中心點接觸角(a)與距中心點不同距離處的接觸角(b)
等離子體作用下染污硅橡膠表面憎水性提高主要由未交聯小分子硅氧烷從硅橡膠向高嶺土表面遷移引起,小分子的含量和處理后憎水性提高速度正相關。
(a)
(b)
(c)
(d)
圖3 等離子體處理后不同小分子含量的染污硅橡膠的憎水遷移過程(由a到d小分子含量逐漸減少)
圖4 等離子體處理后染污硅橡膠表面傅里葉紅外光譜FTIR分析結果
圖5 等離子體處理后染污硅橡膠表面XPS分析結果
等離子體提高染污硅橡膠表面憎水性有兩個不同的效應。效應I發生在等離子體處理過程中,對小分子含量要求較高,提高憎水性所需時間短(小于10s),其可能的機理是等離子體穿透了硅橡膠表面的多孔灰層,直接作用于硅氧烷小分子,加速了其遷移擴散和吸附過程。效應II發生在等離子體處理后,對小分子含量要求較低,提高憎水性所需時間較長(小時級),其可能機理是等離子體增強了高嶺土吸附小分子的能力,從而加速了硅氧烷小分子在高嶺土層中的遷移。
圖6 等離子體加速遷移的效應示意圖
等離子體作用下同時存在對小分子硅氧烷的氧化作用,使硅橡膠表面趨向于親水。等離子體處理期間高嶺土層的表面憎水狀態由等離子體加速遷移(效應I)和氧化作用之間的競爭決定。若加速作用強于氧化作用,染污硅橡膠表面憎水性提高,反之表面憎水性降低。等離子體處理時染污硅橡膠表面憎水性在不同處理時間和處理區域的復雜表現即與此有關。等離子體處理期間污染硅橡膠憎水性變化過程如圖所示。
圖7 等離子體加速遷移與氧化作用的競爭
本文研究了等離子體射流與表覆有多孔無機污穢的硅橡膠間的作用,揭示了等離子體處理促進小分子硅氧烷遷移進而快速提高染污硅橡膠憎水性的兩種效應,以及加速遷移與氧化作用的競爭決定表面憎水還是親水。本文的研究有助于加深對等離子體與表面相互作用的理解,并為證實硅橡膠的憎水遷移機理提供了一種有趣的方法。此外,快速提高染污硅橡膠憎水性可以避免因復合絕緣子憎水性喪失引起的閃絡事故,在電力系統中具有廣闊的應用前景。
Shuang Li, Jianjun Li, Yongqiang Fu, Ruobing Zhang.“Interaction between plasma jet and silicone rubber covered by porous inorganic contaminants: Surface hydrophobicity or hydrophilicity?”, High Volt., vol. 7, no. 6, pp. 1023-1033, Dec. 2022.
張若兵,工學博士,清華大學博士生導師,分別于2008、2015年晉升為清華大學副研究員和廣東省研究員。2020年度清華大學年度教學優秀獎獲得者,深圳市地方級高層次人才、南山區領航人才。IEEE會員、中國電機工程學會和中國物理學會高級會員,中國電工技術學會等離子體應用專委會委員、中國物理學會靜電專委會委員(兼靜電青年委員會秘書長)、全國靜電標準化技術委員會委員、深圳市節能專家委員會專家、非熱加工產業技術創新戰略聯盟理事,深圳市青年聯合會第七屆委員會委員。
主要從事高電壓新技術相關的研究工作,研究方向包括智能納秒脈沖激勵技術、等離子體技術應用(高端集成電路&芯片刻蝕、食品保鮮、殺菌消毒、材料改性、生物醫學應用等)、高壓脈沖電場技術、氣體絕緣及污穢放電、復合絕緣裝備憎水性快速恢復、人工智能在輸變電裝備故障診斷和缺陷識別中的應用等。主持或參與國家973科技計劃計劃、國家重點研發計劃“中國和美國政府間合作項目”重點專項、863項目課題及多項國家自然科學基金項目。目前主持在研國家自然科學基金面上項目、廣東省基礎研究(粵深重點)、深圳市自然基金(重點)、圳市科技攻關重點、深圳市基礎研究學科布局項目及企業橫向重大課題多項。近年來已在國內外等重要期刊及會議發表學術論文100余篇,授權PCT及國家發明專利多項,參編標準2項,合編專著1本。研究成果獲深圳市科技創新獎(2008)、教育部高校科研成果自然科學類二等獎(2012),2019年中國電力科學技術二等獎(2019)、山東省科技進步二等獎(2019)、國家電網有限公司科學技術進步一等獎(2019)等多項。培養學生中3名獲得清華大學“校級優秀碩士論文”。
清華大學深圳國際研究生院能源與電工新技術研究所長期從事高電壓技術、絕緣材料、電工新技術等方向研究。目前研究所有專職教師教授3人,副教授4人,助理教授2人,雙聘院士2人,海外合作教授1人,工程師3人,博士后4人,博士/碩士研究生70人。研究所建有電力系統國家重點實驗室深圳分室、廣東省工程技術中心、深圳市工程實驗室和重點實驗室等科研載體。研究所占地面積超過2000平方米,擁有完備的試驗設備,團隊研究方向涵蓋了傳統高電壓技術諸多領域,如絕緣子技術、外絕緣與染污放電、電暈放電及其檢測、工程電介質研發與測試、特高壓輸變電技術、風力發電技術、無線傳能技術等,近年來團隊還重視高電壓技術與其他學科方向的交叉研究,如高電壓與醫學及生物科學、食品科學、環境技術和材料科學的交叉,形成了新的高電壓研究方向,如高壓脈沖電場非熱加工、等離子體空氣消殺、材料表面改性、陶瓷場致燒結等。截止2021年,研究所承擔了國家973計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金等縱向課題,與國家電網、南方電網公司具有密切的技術合作,獲得中國機械工業獎、中國電力科技獎、廣東省等諸多省部級科技獎逾50項。
- 【 END 】 -
編輯:郭世瑞
傳播知識 · 分享成果 · 交流經驗
文章來源:高電壓
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP




















