金海云，周慧敏，衛(wèi)世超，邱漫詩，匡國文，高乃奎

（西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引言

硅橡膠具有強度高、質量輕、耐濕閃和污閃、運行維護簡便等優(yōu)點，在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用[1-3]。憎水性是造成硅橡膠材料和其他絕緣材料濕閃和污閃閃絡性能差異的主要原因[4-6]。硅橡膠表面被水潤濕時會形成分離水珠而非連續(xù)水膜，從而限制了表面泄漏電流，提高了閃絡電壓。雖然水滴在普通硅橡膠表面以分離的形式存在，但難以滾動，導致在持續(xù)潤濕時表面仍然難以保持較大的干區(qū)。如將超疏水表面應用于電力設備外絕緣（如絕緣子傘裙、輸電導線絕緣護套等），將大幅改善這一情況。在超疏水表面，水滴不僅接觸角更大，而且滾動角很小，具有自清潔性能，能更有效地防止積水與積污，進而提高閃絡電壓。因此超疏水表面在電力系統(tǒng)防覆冰、防濕閃、污閃等領域具有良好的應用前景[7]。

目前，對超疏水表面的自清潔性能測試大多是在不加電的情況下，將某種顆粒作為污染物撒在超疏水表面，然后在表面上方進行滴水操作，觀察表面污穢的清潔效果[8-14]。對于在電場作用下超疏水表面的自清潔特性，研究人員對表面整體的凝露、霧水等潤濕情況進行了研究，得出超疏水表面飽和潤濕后干區(qū)大、閃絡電壓高的結論[15-16]。對于在電場作用下的單水滴行為，研究較多的是普通疏水硅橡膠表面水滴的放電行為，如DU B X等[17-18]研究了影響普通硅橡膠表面水滴變形和放電的因素、水滴放電特性對疏水性的表征等；學者們對超疏水硅橡膠表面單水滴的運動行為也進行過一些研究，如LI J等[19-20]通過仿真和試驗分析了電場作用下水滴在超疏水表面的自推進運動及帶走運動路徑上污穢的作用；LI Y F等[21]通過閃絡試驗研究發(fā)現(xiàn)超疏水表面的水滴受到靜電力作用而滾離表面，進而提高了閃絡電壓。以上研究取得了一定成果，但是沒有對電場作用下表面存在不溶性污穢顆粒時，污穢和水滴相互作用及受力變化對水滴動態(tài)行為的影響進行深入探討，且缺乏對超疏水表面自清潔試驗的系統(tǒng)設計與分析討論。

本研究設計了不加電和加電情況下的自清潔試驗，對積污的普通疏水硅橡膠和超疏水硅橡膠表面滴加水滴及施加交流電的自清潔效果進行觀測，并對污穢情況下水滴在超疏水表面的動態(tài)行為和受力機理進行分析。

1 試驗

1.1 試驗樣品及準備

超疏水試樣用絲網(wǎng)法制備，采用微米尺寸的絲網(wǎng)作為模板構造微米結構，硅橡膠中摻雜納米顆粒構造納米結構，從而獲得微納二元復合結構，并獲得超疏水性。為了對比普通疏水表面和超疏水表面的水滴清潔效果，同時制備了普通疏水硅橡膠試樣和超疏水硅橡膠試樣：將1 g氟素表面活性劑、40 g納米級聚四氟乙烯顆粒、45 g室溫硫化硅橡膠溶解于40 mL乙酸乙酯中，使用磁力攪拌器使其充分混合，得到摻入納米級聚四氟乙烯的未固化的硅橡膠彈性體。將彈性體放入平整的聚四氟乙烯模具中并用聚四氟乙烯刮片刮去多余部分，接著放入真空罩中抽真空10 min，然后室溫固化24 h，將固化后的樣品從模具中剝離取出，即得到普通疏水硅橡膠試樣；在聚四氟乙烯模具中放入500目的不銹鋼絲網(wǎng)模板，接著將彈性體置于絲網(wǎng)模板上，并在真空條件下保持20～30 min，然后室溫固化24 h，將固化后的試樣從絲網(wǎng)模板剝離，即得到超疏水硅橡膠試樣。試樣尺寸均為60 mm×25 mm×2 mm。圖1為5 μL水滴在試樣表面的水滴形貌圖，5 μL水滴在普通疏水硅橡膠表面的接觸角在107.2°～111.8°變化，取平均值為109.1°，5 μL水滴在超疏水硅橡膠表面的接觸角在159.3°～164.1°變化，取平均值為161.9°。圖2為試樣表面5 μL水滴滾落序列圖，5 μL水滴在普通疏水硅橡膠表面的滾動角為63.9°，5 μL水滴在超疏水硅橡膠表面的滾動角為3°。

圖1 試樣表面5 μL水滴形貌圖Fig.1 Morphology of 5 μL water droplet on the surface of samples

圖2 試樣表面5 μL水滴滾落序列圖Fig.2 Sequence photographs of 5 μL water droplet sliding off the surface of samples

使用去離子水和NaCl配置電導率為0.15 mS/cm的鹽水（已校準至20℃，相當于自來水的電導率），倒入水桶中備用。采用蠕動泵搭配不同型號的針頭，測定泵流速為0.33 mL/min時22 G、20 G、18 G、16 G、14 G針頭對應的水滴體積，分別為9.7、11.4、16.0、18.7、20.2 μL。

1.2 不加電的自清潔試驗方法

在普通疏水硅橡膠試樣和超疏水硅橡膠試樣表面用篩網(wǎng)均勻撒下0.10 g 250目（61 μm）的硅藻土，然后將試樣傾斜20°放置。采用蠕動泵搭配不同型號的針頭，針頭距離試樣頂端10 mm，以0.33 mL/min的流速滴下水滴，用相機記錄并觀察試樣表面水滴和污穢的情況。

1.3 施加交流電的自清潔試驗方法

電極系統(tǒng)采用針-針電極[21-22]，針電極由直徑為0.4 mm的銅絲構成，針頭緊貼試樣表面，電極間距設置為25 mm，硅藻土只覆蓋電極間距以內(nèi)的區(qū)域。試樣分為水平放置和傾斜20°放置，試驗步驟如下：

（1）將0.05 g 250目（61 μm）的硅藻土用篩網(wǎng)均勻撒在表面電極之間25 mm×25 mm的區(qū)域。

（2）用蠕動泵搭配不同型號針頭，針頭距離試樣頂端5 mm（使小水滴接近零動能、落在表面后不彈跳的值[8,14]），以0.33 mL/min的流速在試樣中央滴下一滴水。

（3）以45°夾角安放針電極，以0.2 kV/s的速度均勻升壓至閃絡，連續(xù)測定5次。用相機記錄并觀察兩種試樣表面的水滴和污穢情況。

2 結果與討論

2.1 不加電的自清潔試驗

不同體積單水滴的水滴流試驗現(xiàn)象類似，以9.7 μL水滴的水滴流（0.33 mL/min）為例說明普通疏水硅橡膠表面和超疏水硅橡膠表面第一滴水、第二滴水的滴落過程以及水滴滴落一段時間后的表面狀態(tài)。

圖3是試樣表面第一滴水的滴落過程。從圖3可以看出，在普通疏水硅橡膠表面，水滴將硅藻土濺飛，并在原位輕微地晃動，然后穩(wěn)定為橢球狀；在超疏水硅橡膠表面，水滴落在表面后經(jīng)過彈跳濺開硅藻土留下兩個坑，然后滑落表面，路徑保持干燥和潔凈。圖4是試樣表面第二滴水的滴落過程。從圖4可以看出，在普通疏水硅橡膠表面，第二滴水落下后與第一滴水滴合并，重復上述晃動和穩(wěn)定過程；在超疏水硅橡膠表面，第二滴水滴落下時沿原路徑將坑和路徑加大了些許，彈跳路徑幾乎不變。

圖3 第一滴水滴落過程Fig.3 The dripping process of the first droplet

圖4 第二滴水滴落過程Fig.4 The dripping process of the second droplet

牛頓粘滯定律如式（1）所示。

式（1）中：F是粘滯力；μ是動力黏度；A是潤濕面積；du/dy是水滴的速度梯度。

根據(jù)牛頓粘滯定律，由于水的動力黏度μ是常數(shù)，而超疏水硅橡膠表面具有微納二元復合結構，水滴在其表面存在空氣墊結構并呈現(xiàn)Cassie接觸狀態(tài)[21]，其潤濕面積A遠小于普通硅橡膠表面，因此水滴在超疏水表面的粘滯力小于普通硅橡膠表面。表面傾斜20°的情況下，普通疏水硅橡膠表面的單水滴不能滾動，而超疏水表面的單水滴極易滾落。此外，硅藻土顆粒與超疏水表面的結合力小于與水滴的結合力[23]，因此水滴會收集在一起并離開表面。

對于普通疏水硅橡膠表面，第三滴及之后的水滴不斷進入原水滴，期間有硅藻土顆粒飛濺和小水滴濺出現(xiàn)象。經(jīng)過20 s的水滴滴落后，水滴體積逐漸變大，但大水滴沒有移動，只是有下滑趨勢。23 s時大水滴向前移動了些許，34 s時形成水流并開始流下表面。以普通疏水硅橡膠表面水流開始流下表面的時間點34 s為時間起點，普通疏水硅橡膠試樣和超疏水硅橡膠試樣的表面狀態(tài)如圖5所示。從圖5可以看出，普通疏水硅橡膠表面形成了一條潤濕的通道，由中間至兩邊的潮濕硅藻土逐漸增多。對于超疏水硅橡膠表面，第二滴及之后的水滴幾乎都沿著第一滴水滴的路徑彈跳并滾落表面，因此表面形成了兩個小坑以及一條沒有硅藻土的干燥潔凈長痕跡，帶走污穢的能力明顯優(yōu)于普通疏水硅橡膠。

圖5 滴水34 s后的表面狀態(tài)Fig.5 Surface condition after 34 s of water dripping

2.2 加電的自清潔試驗

2.2.1 閃絡過程

普通疏水硅橡膠試樣水平放置和傾斜放置時的閃絡過程如圖6所示。從圖6可以看出，施加電壓之前，水滴在表面呈現(xiàn)半球形；隨著電壓的升高，電極旁的硅藻土開始運動、飄散，水滴附近的硅藻土顆粒開始進入水滴中；電壓進一步升高，水滴開始蠕動、伸長同時吸附更多的硅藻土，閃絡前水滴已經(jīng)呈橢球形；電壓達到某一數(shù)值時，一道明亮的電弧連接兩極，閃絡發(fā)生。無論是水平放置還是傾斜下，普通疏水硅橡膠表面的閃絡路徑上均有水滴存在。閃絡后，水滴仍在原位，并呈現(xiàn)橢球形。

圖6 普通疏水硅橡膠表面閃絡過程Fig.6 Flashover process on the surface of normal silicone rubber

圖7 超疏水硅橡膠表面閃絡過程Fig.7 Flashover process on the surface of super-hydrophobic silicone rubber

超疏水硅橡膠試樣水平放置和傾斜放置時的閃絡過程如圖7所示。從圖7可以看出，傾斜放置時，水滴已滾落表面并帶走路徑上的污穢，電極路徑上不存在水滴，施加電壓后僅存在硅藻土顆粒的運動和飄散，電壓達到一定值時閃絡發(fā)生。水平放置時，在施加電壓之前，水滴在表面呈現(xiàn)球形；隨著電壓的升高，電極附近的硅藻土運動、飄散，水滴附近的硅藻土顆粒開始進入水滴，達到一定電壓后水滴開始振動、滾動，同時吸引水滴周圍的硅藻土顆粒繼續(xù)進入水滴，且滾動的水滴本身也會帶走路徑上殘余的硅藻土顆粒；閃絡前水滴呈現(xiàn)略微拉長的球形，然后出現(xiàn)一道明亮的電弧連接兩極，閃絡發(fā)生。閃絡后，水滴仍在原位，呈現(xiàn)球形。

超疏水硅橡膠試樣水平放置時，其表面閃絡路徑上是否有水滴要根據(jù)水滴運動的具體情況來看。圖8為不同體積水滴發(fā)生閃絡前及閃絡時的表面狀態(tài)。從圖8可以看出，9.7 μL水滴距離電極路徑很近，而其他體積的水滴距離電極路徑較遠，16.0 μL水滴距離電極路徑最遠。

圖8 水平放置時超疏水硅橡膠表面不同體積水滴的閃絡Fig.8 Flashover of droplets with different volumes on the surface of super-hydrophobic silicone rubber when placed horizontally

2.2.2 水滴動態(tài)行為及機理

圖9為電場下普通疏水硅橡膠表面的水滴行為，普通疏水硅橡膠表面水平和傾斜放置時表面情況類似。如圖9(a)所示，水滴周圍的硅藻土顆粒受到電場作用會運動并進入水滴中，并在水滴中旋轉、翻滾、下沉，水滴的顏色逐漸加深，水滴周圍一圈的表面逐漸露出。如圖9(b)所示，隨著電壓的升高，水滴逐漸伸長并繼續(xù)吸引硅藻土顆粒。

超疏水硅橡膠表面水平放置時，其表面水滴吸引周圍硅藻土顆粒的行為和普通疏水硅橡膠表面一致。不同的是，電壓升高到一定值后，超疏水硅橡膠表面的水滴開始在表面振動、滾動，一方面吸引水滴周圍的硅藻土顆粒進入水滴，另一方面滾動也會帶走表面的硅藻土顆粒，因此水滴經(jīng)過的路徑留下了較為干凈的表面，而水滴由于容納越來越多的污穢，顏色越來越深。圖10展示了電場下超疏水硅橡膠表面水滴的振動和滾動過程，振動過程較為細微，在動態(tài)影像里更為明顯；水滴會向地極滾動，也會向高壓極滾動。

圖9 電場下普通疏水硅橡膠表面的水滴行為Fig.9 The behavior of droplet on the surface of normal silicone rubber under electric field

圖10 電場下超疏水硅橡膠表面的水滴行為Fig.10 The behavior of droplet on the surface of super-hydrophobic silicone rubber under electric field

研究表明，憎水性表面存在分離水珠時，水滴內(nèi)部場強最弱，趨近于零，水滴-空氣-表面的結合點處場強最大[19-20,24-27]。結合點處的場強畸變會導致水滴周圍發(fā)生輕微的放電，進而使水滴帶電，也使周圍的硅藻土顆粒附著電荷，附著電荷的硅藻土顆粒在電場作用下進入水滴中。水滴在超疏水硅橡膠表面受到的粘滯阻力小于普通疏水硅橡膠表面，導致在同樣的升壓過程中表現(xiàn)出兩種表面水滴不同的動態(tài)行為。隨著電場作用的增強，普通疏水硅橡膠表面的水滴由于受到的粘滯力太大而難以運動，因此通過改變自身的形狀即伸長來增大接觸面積和改變受力狀態(tài)以維持穩(wěn)定；而超疏水硅橡膠表面的水滴由于粘滯阻力很小，在電場作用下容易擺脫束縛而在表面滾動，從而可以吸附更大范圍的硅藻土顆粒。

從圖8可見，超疏水硅橡膠試樣水平放置時，隨著水滴體積的增大，水滴的滾動距離呈先增大后減小的趨勢。純水的相對介電常數(shù)約為81，硅藻土的主要成分為SiO2，其相對介電常數(shù)為3.9，一方面吸附硅藻土顆粒會使水滴的相對介電常數(shù)減小，水滴會承受更大的電場力作用，有利于水滴繼續(xù)滾動；但另一方面水滴中硅藻土顆粒的增多會增加水滴與表面之間的摩擦阻力，阻礙水滴繼續(xù)滾動，因此超疏水硅橡膠表面水滴的運動是電場力和阻力博弈的結果。大體積的水滴傾向于吸附和容納更多的硅藻土：當水滴體積從9.7 μL增加至16.0 μL時，水滴所受電場力作用的增大占主要影響，水滴滾動的距離變長；而當水滴體積從16.0 μL增至20.2 μL時，水滴所受阻力作用的增大占主要影響，水滴滾動的距離變短。

2.2.3 閃絡電壓

普通疏水硅橡膠和超疏水硅橡膠試樣水平放置和傾斜放置時的閃絡電壓如圖11所示。從圖11可以看出，隨著水滴體積的增大，閃絡電壓的變化不大。超疏水硅橡膠表面的閃絡電壓普遍高于普通疏水硅橡膠表面，初始閃絡電壓提高不多，水平和傾斜放置時最大值都出現(xiàn)在水滴體積為16.0 μL時，分別提升了約24.1%和34.0%。2次閃絡電壓提高較多，水平放置和傾斜時分別提高了60.2%和129.2%。分析認為，水滴在超疏水表面易于滾動和帶走污穢顆粒的行為，使得無論何種放置情況下，超疏水硅橡膠表面相對于普通疏水硅橡膠表面都更加干燥和潔凈，因此施加在超疏水硅橡膠表面干區(qū)上的電壓較小，閃絡電壓提高。此外，后續(xù)的閃絡會受之前的閃絡放電對表面的影響，因此相較于普通疏水硅橡膠，超疏水硅橡膠表面的后續(xù)4次閃絡電壓維持較高水平，具有較好的閃絡耐受能力。

圖11 閃絡電壓Fig.11 Flashover voltage

3 結論

（1）在不加電的自清潔試驗中，普通疏水硅橡膠表面會形成水流，水流里有被潤濕的硅藻土，而超疏水表面每滴水都會滾落表面并帶走路徑上的硅藻土，留下干燥和潔凈的長痕跡。

（2）施加交流電的自清潔試驗中，三相接觸點的場強畸變導致水滴和硅藻土顆粒帶電。兩種硅橡膠表面的水滴都會吸引硅藻土顆粒進入，普通疏水硅橡膠表面的水滴只是伸長而不能移動，而超疏水表面的水滴會在表面振動、滾動，并在滾動路徑的各個位置吸引更多的硅藻土，使表面出現(xiàn)更大面積的干燥、潔凈區(qū)域。硅藻土顆粒進入水滴一方面會使水滴的介電常數(shù)減小，增大水滴所受電場力，另一方面也會使水滴的重力增大，增大其運動阻力，進而影響水滴在超疏水表面的滾動行為。

（3）超疏水硅橡膠表面具有微納二元復合結構，可以有效抑制積污、積水，使得表面保持干燥和潔凈，因此閃絡電壓高于普通疏水硅橡膠表面。水平放置和傾斜放置時，超疏水表面的初始閃絡電壓比普通疏水表面分別最多可提高24.1%和34.0%，2次閃絡電壓分別最多可提高60.2%和129.2%，且超疏水硅橡膠表面具有良好的閃絡耐受能力。