陳胤，王羽，劉宗喜，張培倫

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

污穢物表面張力的測量及其對接觸角的影響研究

陳胤，王羽，劉宗喜，張培倫

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

在實(shí)際電力系統(tǒng)線路運(yùn)行環(huán)境中，硅橡膠表面的不同染污程度和水滴吸收污層鹽分共同作用影響硅橡膠表面液滴接觸角的大小。采用懸滴法測量鹽溶液表面張力和理論計(jì)算法測量污層表面張力，并對比鹽溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角和水在污層表面的接觸角，分別分析液體表面張力和固體表面張力對液滴形態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，對于鹽溶液液滴，隨著NaCl濃度增大，其表面張力增大，鹽液滴在潔凈硅橡膠表面的接觸角增大；對于污層表面，由于鹽密增大，固體表面張力增大，故即使水液滴吸收了污層中鹽分使得自身表面張力增大，液滴接觸角仍減??；并且在實(shí)際運(yùn)行情況下，液滴接觸角受污層性質(zhì)的影響較大。

硅橡膠；表面張力；接觸角；憎水性

0 引言

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有優(yōu)良的耐污閃性能，近些年硅橡膠復(fù)合絕緣子的使用數(shù)量日益增加。在中國，已有超過400萬支復(fù)合絕緣子應(yīng)用于輸電線路上。

在染污硅橡膠表面，水分呈現(xiàn)的形態(tài)關(guān)系著污閃電壓的大小，若水分形成連續(xù)的水膜而不是獨(dú)立的水珠，絕緣子的污閃電壓相對較低[1－3]。國內(nèi)外學(xué)者對人工污穢下的憎水性變化規(guī)律、憎水性喪失及憎水遷移性的機(jī)理等方面做出了研究[4－7]。大量研究表明，硅橡膠材料的憎水性和憎水遷移性受到硅橡膠本體的配方和污層厚度等因素的影響，也會受到污穢成分和所處環(huán)境的影響[8]。文獻(xiàn)[9]對灰成分和憎水性遷移時間與復(fù)合絕緣子污閃特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10]對比了不同鹽密和灰密的污層對憎水性和憎水遷移性的影響，結(jié)果表明灰密對硅橡膠憎水遷移性的影響比鹽密更明顯。憎水性和憎水性遷移程度直接關(guān)系到復(fù)合絕緣子的耐污閃性能。

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，絕緣子污層中的污穢成分復(fù)雜，對絕緣表面的特性造成的影響各異。不同性質(zhì)的污層會影響液滴在污層表面的擴(kuò)散，并且鹽分被液滴吸收從而使液滴性質(zhì)發(fā)生改變，因此水分在不同污層表面上呈現(xiàn)的形態(tài)及變化過程是復(fù)雜的[11-12]。目前已有研究針對不同的污層種類和液滴的形態(tài)對憎水性和污閃電壓的影響進(jìn)行研究，但單獨(dú)改變污層的性質(zhì)無法全面地模擬出實(shí)際運(yùn)行條件下水分在硅橡膠表面的呈現(xiàn)形態(tài)和接觸角的變化過程。

由于表面張力的表征是許多生產(chǎn)過程和自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)，表面張力可反映液體和固體兩者的性質(zhì)。染污硅橡膠表面上液滴的接觸角受到液滴和污層的表面張力影響，因此可測量鹽溶液和污層的表面張力說明兩者在液滴接觸角的變化過程中的作用以及表面張力與液滴形態(tài)的關(guān)系[13-14[15]。固體表面張力測量的主要方法有Zisman法、狀態(tài)方程法、表面張力分量法等，國內(nèi)朱定一等人推導(dǎo)出了計(jì)算固體表面張力的新方法[16]。

筆者通過采用測量不同污層和鹽溶液的表面張力，并測量純水在污層上的接觸角和鹽溶液在潔凈硅橡膠表面上的接觸角的研究方法，從液體和固體的表面張力的角度，分別討論了液滴在不同染污表面和液滴自身的鹽分變化對接觸角的影響程度，為實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下液滴接觸角的表征及其變化規(guī)律提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 表面張力測試

1.1.1 液體表面張力測試方法

筆者采用液體表面張力的測量方法為懸滴法，即通過測量懸掛著的液滴的外形參數(shù)而推算出液體表面張力，如圖1所示。在憎水角測試儀配套的微量進(jìn)樣器中滴出液滴，拍攝液滴照片，讀取液滴形態(tài)參數(shù)的像素值，根據(jù)測量滴管的實(shí)際尺寸和像素值，獲得像素值和實(shí)際尺寸的比例，換算實(shí)際液滴的尺寸參數(shù)，并根據(jù)公式推算表面張力。

選用液滴的體積為2 μL，保證液滴穩(wěn)定之后，獲取液滴照片。測量液滴直徑d，從懸滴液最低點(diǎn)上方垂直距離為的位置讀出縱坐標(biāo)的值，在該縱坐標(biāo)的位置得到液滴在該位置上的寬度ds[17]。定義：

而液體表面張力為

式（2）中為液體和空氣之間的密度差，g為重力加速度，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和推導(dǎo)證明，認(rèn)為S和1/H是反應(yīng)液滴形狀的參數(shù)，可查表得到兩者的固定關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系將S代入表面張力計(jì)算，可以得到液體表面張力。

圖1 液體表面張力測量示意圖Fig.1 Measurement diagram of liquid surface tension

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度為 22℃時，de為 1.44 mm，ds為0.57 mm，用懸滴法測量水的表面張力為72.02 mN/m，由于純水在22℃下的表面張力為72.44 mN/m，可驗(yàn)證懸滴法在本研究中的有效性。

1.1.2 固體表面張力測試方法

本文采用理論計(jì)算法[18]測量固體表面張力。理論計(jì)算法為選用兩種已知表面張力的液體，測量其在被測固體表面的接觸角，通過公式計(jì)算得固體表面張力γc。根據(jù)Young’s方程推導(dǎo)出公式[19-20]：

式中：θa1表示一種液體在被測固體表面上的接觸角；θa2表示另一種液體在被測固體表面上的接觸角；γc為被測固體表面的表面張力；為γa1第一種滴落的液體的表面張力，γa2為第二種滴落的液體的表面張力；b為一個待定參數(shù)，消去常數(shù)b，計(jì)算固體表面張力。本文選用水和甘油作為測試固體表面張力的試品，測量不同液滴接觸角，計(jì)算獲得表面張力。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室溫度為22℃時，測量得到水在潔凈硅橡膠表面的接觸角為100.41°，甘油在潔凈硅橡膠表面的接觸角為79.22°，水的表面張力為72.02 mN/m，甘油的表面張力為59.4 mN/m，代入公式（3）算得潔凈硅橡膠表面張力為31.46 mN/m。在室溫下，硅橡膠材料的表面張力的大致范圍為15～35 mN/m，因此該方法可滿足本研究中的要求。

1.2 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

在本次試驗(yàn)中準(zhǔn)備5種不同濃度的NaCl鹽溶液、2種混合種類鹽溶液和4種CaSO4與NaCl配比的鹽溶液作為液體表面張力和鹽溶液在潔凈表面上的接觸角測試的試品。

在表面化學(xué)理論中，當(dāng)絕大多數(shù)無機(jī)鹽作為溶質(zhì)時，溶液濃度提高，液體表面張力增大。為了模擬水在不同鹽密的污層表面吸收鹽分的情況，近似認(rèn)為相同體積的液滴在不同污層表面的底面積相同并完全吸收底面積范圍內(nèi)的鹽分，該底面積統(tǒng)一選用2 μL的水在潔凈表面上的底面積大小為0.025 cm2，再換算至 0.05、0.1、0.2、0.3、0.4 mg/cm2的 5 種鹽密表面上的液滴濃度，分別為：0.0107、0.0214、0.0427、0.0641、0.0855 mol/L。

結(jié)合電力系統(tǒng)線路運(yùn)行環(huán)境，對自然污穢分布和種類進(jìn)行研究，得到兩份混合成分鹽溶液的離子成分配比[21]，配置溶液的含鹽質(zhì)量與濃度為0.021 4 mol/L的50 mL的NaCl鹽溶液相同。第一份模擬的是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)交通繁忙路段附近的典型污穢成分[22]，選用的鹽為：NaNO3、KCl、NH4Cl、CaSO4，其相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為 17.68：3.35：5.19：54.54；第二份模擬的是火電廠、煤礦和焦化廠等工業(yè)區(qū)附近典型污穢物成分[23]，選用的鹽為：NaCl、KCl、NH4Cl、CaSO4、MgSO4，相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為：74：10.6：2.98：66.34：2.1。

由于CaSO4是很多工業(yè)生產(chǎn)過程中的原材料或者是副產(chǎn)物，因此分析CaSO4成分的變化對于研究污層表面憎水性的變化有極大的意義。配置4份不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例的NaCl和CaSO4鹽溶液，配置的溶液的含鹽質(zhì)量與濃度為0.0214mol/L的NaCl鹽溶液相同，配比選擇為 1：1、2：1、5：1、10：1。

憎水角測量所用的硅橡膠試片的尺寸為100 mm×100 mm×5 mm。試驗(yàn)中為了保證試片處于相同環(huán)境中，用清水對試片進(jìn)行清洗，并用酒精擦拭后用無紡布擦干[24－25]。本試驗(yàn)中的涂污方式采用固體層法中的定量涂刷法，根據(jù)IEC規(guī)程中的污層分級設(shè)置，選用灰密為 0.5、3mg/cm2，鹽密值選用 0.05、0.1、0.2 mg/cm2，分別代表污穢程度為“中、重、非常重”的污穢等級。涂污之前先進(jìn)行打灰處理，再將污液均勻涂抹在試片上。將涂污后的試片和潔凈試片放入相同環(huán)境中，如圖2所示。

本研究在憎水角測試儀中測量液滴的靜態(tài)接觸角，測量選用的液體體積為2。在相同的環(huán)境下每種液體在每種表面上分散測量12個點(diǎn)，取平均值。

圖2 不同污層染污情況Fig.2 Different contamination situation of pollution layer

2 鹽溶液表面張力與其在潔凈硅橡膠表面接觸角的關(guān)系

2.1 NaCl鹽溶液表面張力和接觸角的關(guān)系

選用1.2節(jié)中準(zhǔn)備的潔凈硅橡膠試片和5種NaCl鹽溶液，利用懸滴法測量液體表面張力，并測量其在潔凈硅橡膠表面的接觸角。

鹽溶液的濃度、表面張力和測量的靜態(tài)接觸角的結(jié)果如表1所示。圖3為空白組和五種鹽溶液的摩爾濃度和接觸角的關(guān)系曲線。

結(jié)果表明，隨著鹽溶液濃度增大，鹽溶液的表面張力增大，且表面張力的增大呈逐漸飽和趨勢。隨著鹽溶液濃度增大，鹽溶液表面張力增大，其在潔凈硅橡膠表面上的接觸角也增大。

因此，對于NaCl鹽溶液，當(dāng)溶質(zhì)的濃度發(fā)生變化時，鹽溶液的表面張力和其在潔凈表面的接觸角的變化規(guī)律較為一致，同時對比表1和圖3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在濃度變化區(qū)間較小的范圍內(nèi)，NaCl鹽溶液的摩爾濃度和表面張力的數(shù)值關(guān)系是近似直線的。

2.2 多種混合鹽溶液配方的表面張力對其在潔凈硅橡膠表面接觸角的影響

根據(jù)1.2中試驗(yàn)準(zhǔn)備材料中的兩份多種鹽溶液配方和四種CaSO4和NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的鹽溶液，分別測量鹽溶液的表面張力和其在潔凈硅橡膠表面的接觸角，結(jié)果如表2所示。

表1 NaCl鹽溶液的表面張力和其在潔凈硅橡膠表面的接觸角Table 1 Surface tension and contact angle on the clean silicone rubber surface of NaCl solution

圖3 NaCl鹽溶液濃度和表面張力擬合曲線Fig.3 Fitted curve for molar concentration to surface tension of NaCl solution

表2 多種混合鹽溶液的表面張力和其在潔凈硅橡膠表面的接觸角Table 2 Surface tension and contact angle on the clean silicone rubber surface of multiple kinds of salt solution

通過數(shù)據(jù)的對比，選擇的鹽配方的液滴的含鹽質(zhì)量與NaCl液滴的含鹽質(zhì)量相同，多種成分的鹽溶液液體表面張力有微小降低，接觸角有略微的升高。

對于四種CaSO4和NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比鹽溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角的變化規(guī)律，由于總含鹽質(zhì)量不變而CaSO4的摩爾質(zhì)量比NaCl大，因此當(dāng)CaSO4的比例較小時，混合鹽溶液的摩爾濃度比NaCl鹽溶液的摩爾濃度更小，因此混合鹽溶液的在潔凈硅橡膠表面的接觸角比NaCl鹽溶液的接觸角較小。而隨著CaSO4的比例提高，混合鹽溶液的表面張力增大，鹽液滴在潔凈硅橡膠表面的接觸角升高。

因此，對于NaCl與CaSO4的混合鹽溶液，CaSO4的含量增加，鹽溶液表面張力增大，其在潔凈表面的接觸角也增大，兩者變化規(guī)律一致。

3 污層表面張力及其與憎水性的關(guān)系

針對1.2節(jié)中所述的6種不同鹽密和灰密的污層測量表面張力，并記錄水在污層上的靜態(tài)接觸角。染污硅橡膠試片的表面張力測試液體為去離子水和甘油。

附著在污層表面上的液滴會溶解污層中的鹽分，代入計(jì)算中的液體表面張力并不是去離子水的液體表面張力，而是一定濃度鹽溶液的表面張力，因此需要對計(jì)算中所用的液體表面張力進(jìn)行修正。而由于氯化鈉在甘油中的溶解度較低，可認(rèn)為沒有鹽分吸收過程而液滴表面張力保持不變，不用進(jìn)行修正。

液體表面張力的修正的思路為：測量每個液滴的接觸角后，通過幾何參數(shù)計(jì)算液滴和污層接觸面的面積。假設(shè)NaCl溶解性強(qiáng)，液滴會完全吸收接觸面積中的鹽分，根據(jù)污層的鹽密，計(jì)算得液滴的濃度，并根據(jù)2.1節(jié)中NaCl鹽溶液濃度和表面張力的關(guān)系，獲得液滴的表面張力。

在憎水角測試儀中可以觀測到落在污層表面的液滴形態(tài)，將其近似為球冠形，液滴模型如圖4所示。

球冠的體積公式為

球冠底面積：

圖4 液滴幾何參數(shù)實(shí)測圖Fig.4 Diagram of droplet geometry parameter

建立球冠的高度和半徑的幾何關(guān)系，得到球缺底面積與體積和接觸角的方程：

根據(jù)球冠的幾何參數(shù)，通過已知的接觸角和液滴體積，通過公式（7），計(jì)算液滴底面積，乘以相應(yīng)污層鹽密，得到液滴體積2時的液滴濃度。

由2.1節(jié)可知，NaCl鹽溶液在微小的濃度變化下，其濃度和表面張力的關(guān)系呈線性變化，并且2.1節(jié)中NaCl鹽溶液濃度范圍可包括本項(xiàng)試驗(yàn)中不同污層上液滴的濃度。因此通過該線性關(guān)系，代入計(jì)算出的液滴濃度，獲得相應(yīng)的表面張力，完成液體表面張力的修正，結(jié)果如表3所示。水的接觸角和表面張力隨鹽密和灰密的變化規(guī)律如圖5所示。

表3 不同污層的表面張力計(jì)算Table 3 Surface tension calculation of different contamination layer

圖5 不同污層條件下的表面張力和接觸角Fig.5 Surface tension and contact angle of different contamination condition

在低灰密的情況下，鹽密增大，污層表面張力增大，水的接觸角減小，并且鹽密的增大使得接觸角的降低幅度較為顯著；在高灰密的條件下，鹽密增大，污層表面張力增大，但是考慮了表面粗糙性等原因，液滴不易擴(kuò)散，因此液滴接觸角仍可保持較大的情況。并且在低灰密時鹽密增大對接觸角的影響更顯著。

表面張力可反映液體和固體本身的性質(zhì)，并且接觸角對于表面張力的變化是敏感的。通過對比水在6種污層上的接觸角和5種濃度的NaCl溶液在潔凈硅橡膠表面的接觸角，可以發(fā)現(xiàn)，污層鹽密增大，液滴表面張力增大，接觸角減小；而5種濃度的NaCl鹽溶液的表面張力增大，其在潔凈硅橡膠表面的接觸角增大。因此，即使液滴的濃度增加，表面張力增大，其接觸角的變化規(guī)律并不一致，還受到固體表面張力的影響。并且在相同灰密時，隨著鹽密增大，液體和固體表面張力都增大，但接觸角和固體表面張力相關(guān)性更強(qiáng)，因此染污硅橡膠表面液滴的接觸角受污層表面張力的影響更為顯著，而對液體表面張力變化更不敏感。

4 結(jié)論

通過測量不同鹽液滴的表面張力和其在潔凈表面上的接觸角，并測量污層表面張力和水在污層表面的接觸角，從固體和液體表面張力的角度研究了污層和液滴的性質(zhì)對接觸角的影響程度。結(jié)果表明：

1）隨著濃度的增加，NaCl鹽溶液表面張力增大，并且在潔凈的硅橡膠表面上的接觸角增大，且兩者的增大過程都呈飽和趨勢；對于NaCl與CaSO4混合鹽溶液，隨著CaSO4的比例提高，表面張力增大，在潔凈硅橡膠表面的接觸角升高。

2）對于染污絕緣表面，在相同灰密的情況下，隨著污層鹽密增大，污層表面張力增大，液滴自身表面張力也增大，接觸角減?。辉诟呋颐軛l件下，憎水性仍保持較高水平，鹽密對憎水性的影響減弱。

3）在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，附污絕緣表面的液滴形態(tài)的變化過程是復(fù)雜的。污層表面的水滴吸收了一定的鹽分，液體表面張力增大，使得接觸角有變大的趨勢，更容易形成獨(dú)立的水滴；但是在相同灰密情況下，鹽密增大，固體表面張力增大，接觸角會減小。通過對比試驗(yàn)結(jié)果，污層上液滴的接觸角對固體表面張力的變化比液體表面張力變化更加靈敏。

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Research on the Measurement of Surface Tension of Contamination and the Influence of Surface Tension on Contact Angle

CHEN Yin，WANG Yu，LIU Zongxi，ZHANG Peilun
（School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

In the actual operation environment of the power system lines，the contact angle is affected by different contamination condition of silicone rubber surface and water droplets absorbing salt of contamination layer.Through measuring the surface tension of saline solution by hanging drop method and surface tension of contamination layer by theoretical calculation method，the impact of surface tension of liquid and solid to shape of droplets is analyzed considering the pollution，also by comparing the contact angle of saline solution on clean surface and water on contamination layer.The results show that surface tension of NaCl solution and contact angle of droplets on clean surface increases with the increase of its concentration.For the contamination layer，surface tension of solid increases and contact angle still decreases with the increase of ESDD，even though water droplets absorbed the salt in the layer to increase the surface tension.Furthermore，under the actual operating conditions，the impact of characteristic of contamination layer to contact angle is greater.

silicone rubber；surface tension；contact angle；hydrophobicity

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.031

2016－04－12

陳胤（1992—），男，碩士，從事高壓外絕緣的相關(guān)研究。