王華云，鄧志祥，陳雪芬，蔡木良，謝毅

(1. 國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 江西 南昌 330096； 2. 江西外語外貿(mào)職業(yè)學(xué)院， 江西 南昌 330096；3. 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室(武漢理工大學(xué))， 湖北 武漢 430070)

0 引言

凝露是指當(dāng)物體表面溫度低于空氣露點溫度時，水蒸氣在其表面會出現(xiàn)液化并凝結(jié)為水珠的現(xiàn)象[1].自然界中的凝露現(xiàn)象隨處可見，然而在生活生產(chǎn)中，凝露會帶來一系列不便甚至安全問題.例如中國南方屬于夏熱冬冷地區(qū)，每年二、三月份，含有大量水蒸氣的潮濕海洋氣流，遇到表面溫度低于露點溫度的墻壁和地板等圍護結(jié)構(gòu)，空氣中的水蒸氣液化便形成液滴并附著在地板等維護結(jié)構(gòu)表面，造成地板等維護結(jié)構(gòu)表面大量凝露.家居地板表面凝露易使人滑倒，對老年人和兒童室內(nèi)活動構(gòu)成了潛在的威脅，并引發(fā)了清潔工作量增加、空調(diào)能耗升高以及潛在的醫(yī)療成本上升等問題.在電力系統(tǒng)中，由于戶外電氣設(shè)備所處環(huán)境潮濕、電氣裝置密封不嚴(yán)、電纜溝內(nèi)有積水等因素，當(dāng)空氣濕度大、溫度變化大時，電氣設(shè)備如變電站端子箱、高壓開關(guān)柜等表面就會產(chǎn)生凝露，導(dǎo)致絕緣材料的絕緣性能下降或喪失，引發(fā)設(shè)備閃絡(luò)和造成設(shè)備內(nèi)部金屬零部件的銹蝕，縮短設(shè)備的使用壽命.圖1所示為某變電站開關(guān)柜內(nèi)斷路器因凝露引發(fā)燒毀事故后的照片[2].凝露還會導(dǎo)致電氣設(shè)備的泄漏電流大大增加，造成絕緣擊穿，引起爬電、短路和跳閘等事故，嚴(yán)重影響人們的生活以及企業(yè)生產(chǎn)[3].

圖1 某變電站35 kV開關(guān)柜因潮濕凝露而燒毀[2]

凝露主要是由環(huán)境濕度大、溫度變化大導(dǎo)致的，其產(chǎn)生受相對濕度、環(huán)境溫度、柜內(nèi)溫度和露點溫度的影響[4]，因此傳統(tǒng)的防凝露措施主要是基于破壞凝露形成的條件(即溫度和濕度)，主要采用溫度控制法和濕度控制法[4].溫度控制法即相對濕度控制法，該方法主要是保持設(shè)備表面與環(huán)境溫度的合適溫差，通過降低環(huán)境的相對濕度，只要能使柜內(nèi)溫度高于露點溫度，就能阻止凝露的產(chǎn)生.常用方法有：增設(shè)通風(fēng)口，增強空氣對流、減少溫差；安裝加熱器，升高設(shè)備內(nèi)壁溫度，使其高于空氣的露點溫度；空氣置換法，通過送入干燥空氣以降低設(shè)備內(nèi)部相對濕度.通風(fēng)可增強柜內(nèi)外空氣對流，使柜內(nèi)外濕度差和溫度差下降，進而減緩凝露的產(chǎn)生；當(dāng)環(huán)境溫度一定時，在通風(fēng)情況下凝露時間隨相對濕度的降低而增加，通風(fēng)防凝露效果越好.濕度控制法指絕對濕度控制法，其主要是通過降低絕對濕度，減少空氣中水蒸氣的含量，即降低露點溫度，從而防止凝露的形成.文獻[7]報道了一種通過金屬基硅膠干燥劑的被動吸濕性能來防止凝露產(chǎn)生的方法，發(fā)現(xiàn)硅膠干燥劑可有效地延緩凝露發(fā)生的時間，且環(huán)境溫濕度和自身溫度對延緩時間長短具有重要影響.Zhang等[8]提出了一種新的空氣除濕系統(tǒng)，即基于膜的全熱轉(zhuǎn)換器與機械空氣除濕系統(tǒng)相結(jié)合的方法，由于膜很薄，使得濕氣和熱量的傳遞速率較高，從而有效地防止凝露生成.

上述傳統(tǒng)措施在電氣設(shè)備防凝露應(yīng)用中曾經(jīng)起著重要的作用，但隨著配網(wǎng)改造工作的深入發(fā)展，這些常規(guī)措施越來越表現(xiàn)出其局限性.傳統(tǒng)防凝露方法主要依據(jù)破壞凝露形成的條件來抑制其產(chǎn)生，因此需要加裝各種通風(fēng)、加熱等設(shè)備，能耗較大，維護成本較高，且不能從根本上解決防凝露問題.最近幾年來，人們發(fā)現(xiàn)，超疏水材料因具有低表面能和粗糙表面的特點，水滴在其表面具有大的接觸角、低的滾動角，可增加凝露成核勢壘，減慢成核速率，從而有效地延緩凝露形成時間，且能減小凝露與接觸表面的粘附力而有利于凝露脫離表面.因此，在電氣設(shè)備表面上涂覆超疏水材料，使之具有防凝露的功能，有利于從根本上解決因凝露而帶來的各種電力問題.

1 仿生超疏水表面基本理論

超疏水表面通常是指與水的靜態(tài)接觸角大于 150°，滾動角小于 10°的固體表面.超疏水材料的認識和發(fā)展主要來自于荷葉的自清潔效應(yīng)，水珠能在荷葉表面自由滾動且能帶走附著在荷葉表面上的污穢物，使荷葉表面保持清潔(圖2a)[9].大量研究已經(jīng)表明，固體表面的化學(xué)組成和微觀形貌決定著材料表面超疏水和自清潔性能[10]，荷葉表面布滿微米結(jié)構(gòu)的乳突，其上面長滿了絨毛(圖2b)[11]，微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)[12]，這種微-納結(jié)構(gòu)及具有低表面能的蠟狀物質(zhì)的存在是荷葉表面具有超疏水自清潔功能的本質(zhì)原因.

圖2 (a)超疏水自清潔荷葉光學(xué)照片[9]，(b)荷葉表面的SEM照片[11]，(c)荷葉表面單個乳突高倍放大的SEM照片[12]

由于固體表面微觀結(jié)構(gòu)的差異等因素，水在固體表面的潤濕模型可分為Young’s模型、Wenzel模型及Cassie-Baxter模型(見圖3).對于化學(xué)成分均勻和完全水平表面的情況(如圖3a所示)，接觸角可以采用 Young’s 方程進行表達：

cosθ=(γsg-γsl)/γlg

(1)

式(1)中，γsg、γsl、γlg分別指的是固-氣、固-液和液-氣界面的表面張力.但實際固體表面并非理想的絕對平整光滑表面，所以后來Wenzel、Cassie 等提出了改進的潤濕模型.

Wenzel模型認為實際的具有微結(jié)構(gòu)的固體表面與液體的接觸面積大于觀察到的固-液接觸面積，并假設(shè)液體完全浸潤到固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)中(見圖3b)，在平衡狀態(tài)下，液滴的表觀接觸角θ*與本征接觸角θ之間滿足Wenzel方程的關(guān)系：

(2)

上式中，r是粗糙度因子，指的是實際固-液接觸面積與表觀固-液接觸面積的比值.當(dāng)θ<90°時(即親水狀態(tài))，θ*隨粗糙度的增加而減小，親水表面呈現(xiàn)出更好的親水性；而當(dāng)θ>90°時(即疏水狀態(tài))，θ*隨粗糙度的增加而增加，疏水表面表現(xiàn)出更好的疏水效果.

Cassie-Baxter模型認為，液滴在一些表面上的接觸界面并非單純的固-液接觸，而是一種同時存在固-液和氣-液的復(fù)合相接觸界面，如圖3(c)所示.表觀接觸角θ*與液滴在固體和氣體上的本征接觸角θ1和θ2間存在如下式的關(guān)系.

cosθ*=f1cosθ1+f2cosθ2

(3)

其中，f1和f2分別指的是固-液和氣-液接觸面積占表觀接觸面積的分數(shù)(f1+f2=1)，由于液滴-空氣的接觸角為180°，即cosθ2=-1，則式(2)可簡化為：

cosθ*=f1cosθ1+f1-1

(4)

可見，表觀接觸角θ*隨f1的減小而增大.

圖3 不同潤濕模型(a)Young’s模型；(b)Wenzel模型；(c)Cassie-Baxter模型

2 仿生超疏水表面防凝露機理

超疏水材料因其強大的憎水能力和自清潔能功能，在防水防腐蝕、油水分離、超疏水織物、防冰、光伏電池及防凝露等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[10, 13-16].超疏水材料防凝露性能與設(shè)備表面微觀結(jié)構(gòu)、修飾物和潤濕模型有關(guān).Chen等[17]研究了不同的表面微觀結(jié)構(gòu)和修飾物對冷凝水滴在超疏水表面上的潤濕狀態(tài)和運動狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)水滴在由十六烷基硫醇修飾的微-納雙層結(jié)構(gòu)的超疏水表面上為Cassie潤濕狀態(tài)，在該狀態(tài)下液滴可快速地不斷成核、融合、再成核，合并后自發(fā)的滾動或跳躍而脫離表面.液滴的這種自驅(qū)動跳躍運動不需要外力的作用即可發(fā)生[18]，在防冰、防霧的應(yīng)用中也起著重要的作用[9, 19]，其運動能力與固體表面微觀結(jié)構(gòu)、拉普拉斯(Laplace)壓力、以及固-液界面處的液滴與固體表面之間的粘附力均有關(guān)[20-23]，而運動模式(即滾動還是跳躍)與液滴的大小有關(guān)[24].文獻[25]以1H,1H,2H,2H-全氟十七烷三甲基氧硅烷(FAS17)修飾的CuO為超疏水材料，研究了表面微觀形貌和表面能對冷凝液滴自驅(qū)動運動的影響，發(fā)現(xiàn)CuO納米帶的形貌由稀疏、傾斜分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗⒋怪倍仍黾訒r，冷凝液滴的自驅(qū)動運動頻率也相應(yīng)增加；水滴在高垂直度、分布密集或氟化時間長的CuO納米帶表面上呈Cassie狀態(tài)，易于自驅(qū)動而脫離表面.對具有垂直納米針結(jié)構(gòu)的超疏水表面的防凝露研究發(fā)現(xiàn)，在低溫、高濕環(huán)境下，狹窄的納米間隙可對Wenzel狀態(tài)的水滴產(chǎn)生較高的拉普拉斯壓力，使得間隙內(nèi)的冷凝水會自發(fā)溢出，由Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie狀態(tài)，然后經(jīng)過融合釋放出一部分表面能，因而表現(xiàn)出明顯的自驅(qū)動運動現(xiàn)象[26].

研究認為，液滴的形成必須克服熱力學(xué)勢壘(ΔGc)，而隨著表面接觸角θ的增加，液滴的成核勢壘增加，形成液滴所需要克服的勢壘也增加；超疏水表面的θ大于150°，遠遠高于常見表面的θ，因而在超疏水表面上形成液滴所需克服的勢壘較大，即難以形成液滴，且即使形成液滴，其粒徑較小、分布密度較低[1, 27].同時，由于超疏水表面具有較小的滾動角，在表面具有較小的傾斜角度下液滴即可快速滾動脫離固體表面，從而實現(xiàn)超疏水表面防凝露的目的.可見，固體表面的潤濕性能對液滴成核速率J有較大的影響，根據(jù)Volmer’s經(jīng)典形核理論，固體表面凝露成核的能壘ΔG與液滴在表面的靜態(tài)接觸角θ之間，以及J與ΔG之間的關(guān)系如下[28-29]：

(5)

J=J0exp(-ΔG/kT)

(6)

其中，γlg指的是液-氣表面能，rc是臨界成核半徑.由(5)和(6)式可知，固體表面的接觸角θ越大，其表面凝露形核的系統(tǒng)自由能變化就越大，形核速率越小，即形核難且慢.因此，超疏水表面能有效地延緩凝露形成時間，從而實現(xiàn)防凝露的效果.

可見，超疏水表面防凝露的機理包含兩個方面：超疏水表面液滴具有較大的靜態(tài)接觸角，使得其表面凝露形核的系統(tǒng)自由能變化就越大，形核難且慢，因而能有效地延緩凝露時間；冷凝液滴在具有低表面能的表面上呈近似球狀的Cassie狀態(tài)，液滴合并后所釋放的表面能可以驅(qū)動液滴自遷移，促使液滴脫離超疏水表面，并同時帶走表面污穢物而實現(xiàn)自清潔效應(yīng).

3 仿生超疏水表面防凝露應(yīng)用

超疏水材料因其特殊的表面結(jié)構(gòu)和較低的表面能，能有效地延緩凝露形成時間，以及減小液滴與固體表面的粘附力，從而利于液滴的移動和脫落，且液滴在滾動的同時還能清潔物體表面，因而近年來在防凝露應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注.文獻[30]，以解決暖通空調(diào)冷表面凝露難題為目標(biāo)，采用聚苯乙烯、熱溶膠和石蠟為原料，丁酮和對二甲苯為溶劑，通過相分離技術(shù)在鋁片上制備了接觸角達164°、滾動角為2°的微米級超疏水聚合物涂層.凝露對比實驗結(jié)果表明，涂覆有超疏水聚合物的鋁片表面一直保持干燥，而未涂覆超疏水涂層的鋁片表面出現(xiàn)了大量凝露(圖4).此外，在遠遠超出空調(diào)房間冷表面產(chǎn)生凝露的條件下，超疏水處理的冷輻射板和低溫送風(fēng)口的表面都不會有凝露的產(chǎn)生，這為防止空調(diào)冷表面凝露提供了解決方案.

圖4 涂覆(右)和末涂覆(左)超疏水聚合物的鋁條表面的凝露效果對比[30]

為了解決換熱器等表面凝露而降低效率的問題，文獻[31]采用一步變電壓電化學(xué)陽極氧化法在鋁箔表面制備了超疏水復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)并研究了其防凝露性能.該結(jié)構(gòu)由氧化鋁納米孔(孔徑約為120 nm)和納米突起(直徑約為45 nm)組成，再經(jīng)過十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)修飾后呈現(xiàn)出穩(wěn)定的非粘性超疏水性能，其靜態(tài)接觸角大于160°，滾動角接近0°，粘附力約為6 μN.防凝露性能測試的對比結(jié)果表明，普通鋁片表面在開始測試后5 s就有凝露出現(xiàn)，露滴多而密、形狀不規(guī)則，隨著時間的延長，相鄰水滴相互融合變成大水滴甚至是液膜，且水滴與鋁片表面的粘附力較大；而超疏水鋁片表面直到測試后95 s才出現(xiàn)了幾個分布稀疏的球形露滴，露滴與超疏水表面的粘附力小，隨時間的延長，露滴交替成核、融合并發(fā)生滾動和跳躍的自驅(qū)動現(xiàn)象，從而脫離超疏水表面并能帶走樣片表面的污穢物(圖5)，表現(xiàn)出很好的防凝露性能和自清潔功能.凝露也會影響輻射供冷系統(tǒng)的正常運行，為解決這個問題，文獻[32]以鋁基體超疏水材料為研究對象，研究其在不同基底溫度(5～15 ℃)凝露現(xiàn)象，對比實驗結(jié)果表明，液滴在裸鋁表面上形成水膜，而在超疏水鋁材表面上呈稀疏的球狀分布，有利于液滴的脫落；此外，隨著基底溫度的降低，超疏水表面越早發(fā)生液滴凝并現(xiàn)象，易于表面凝露自驅(qū)離并實現(xiàn)自清潔功能，從而實現(xiàn)防凝露功能.

圖5 超疏水表面凝結(jié)的水滴自驅(qū)動滾動過程[31]

超疏水表面防凝露在輸電線路絕緣子防污閃應(yīng)用中的重要作用和意義在近幾年也得到極大關(guān)注[33-34].文獻[33]采用噴涂法制備了SiO2納米顆粒和甲基硅樹脂復(fù)合超疏水涂層，與RTV涂層的對比研究發(fā)現(xiàn)，超疏水涂層表面有效地延長了凝露時間，且表面水滴體積較小、分布稀疏、表面水滴覆蓋率低，顯著提高了工頻濕閃電壓；在切向交流電場作用下，超疏水涂層表面水滴出現(xiàn)由拉伸的扁圓狀恢復(fù)為圓球狀的動態(tài)轉(zhuǎn)變，對超疏水表面產(chǎn)生毛細慣性沖擊，受到?jīng)_擊的表面對水滴施加反作用力從而推動水滴彈跳并使其脫離超疏水表面，實現(xiàn)良好的防凝露效果.文獻[34]研究了超疏水材料吸水特性及其潤濕狀態(tài)下表面水滴運動狀態(tài)與泄漏電流之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)超疏水絕緣子表面的水滴在電場力作用下可迅速離開其表面，從而使得絕緣子表面泄漏電流與干燥時無明顯差異，大大提高了防污閃能力.相比較而言，超疏水表面在變電站端子箱、高壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備防凝露中的應(yīng)用研究報道不多，但由上可見，相比于加熱、除濕等傳統(tǒng)措施，超疏水技術(shù)可從根本上解決固體表面的凝露問題，在電氣設(shè)備防凝露應(yīng)用中將具有更好的發(fā)展前景.

4 結(jié)語與展望

本研究針對凝露對生產(chǎn)生活帶來的不便和危害，概述了超疏水材料的基本理論及其防凝露機理和實際應(yīng)用.超疏水材料因其獨特的表面結(jié)構(gòu)和較低的表面能，水滴在其表面具有較大的接觸角，因而水滴的成核勢壘較高且水滴成核速率較慢，從而能有效地延緩凝露形成時間.超疏水表面特殊的微-納結(jié)構(gòu)及低表面能使得液滴與表面之間具有較小的粘附力，且液滴成核和融合釋放出一部分表面能，使得液滴可自驅(qū)動運動，從而快速脫離表面；因水滴在表面具有較小滾動角，在外力或表面有較小傾角時即可滾動滑離表面，實現(xiàn)表面的自清潔效應(yīng).這些特點和優(yōu)勢使得超疏水材料表現(xiàn)出優(yōu)異的防凝露效果，在電氣設(shè)備等領(lǐng)域的防凝露中將展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景.然而，也應(yīng)該指出，超疏水材料存在著表面結(jié)構(gòu)易損、耐久性差等問題，限制了其規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，在未來發(fā)展中還有很長的路要走.