伊鐘毓 ，杜瑋，李海燕，王濤，于永利，郝衛(wèi)平，相若函，石振平

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081； 2.中國鐵路北京局集團有限公司衡水供電段，河北 衡水 053000）

復合絕緣子作為鐵道線路上的關鍵元器件，其絕緣性能直接影響到接觸網系統(tǒng)的安全。絕緣子由于長期懸掛在戶外，其表面會附著大量污物，導致絕緣性能下降，形成污閃。污閃會破壞絕緣子的絕緣性，使絕緣子的絕緣性能進一步下降，所以需要以專用的清洗劑進行清洗。目前我國對環(huán)境保護越來越重視，隨著強制性標準GB 38508-2020《清洗劑揮發(fā)性有機化合物含量限值》的頒布，清洗劑VOC(揮發(fā)性有機化合物)的含量將是重點關注的指標。現(xiàn)在市場上的絕緣子清洗劑種類繁多，質量參差不齊，缺少性能優(yōu)異且符合環(huán)保標準的產品。劉凱等[1]對絕緣子表面污漬及清洗機理進行了研究，結果表明油脂及二氧化硅是絕緣子污物的主要成分，可以依靠清洗劑的低表面張力對絕緣子表面進行潤濕，達到清洗的目的。榮小平[2]提出了帶電清洗劑的開發(fā)思路，認為動態(tài)絕緣性是帶電清洗劑的關鍵指標，應加以重視。湯振鵬等[3]研究了幾種帶電清洗劑對絕緣子工頻閃絡電壓的影響，發(fā)現(xiàn)它們對絕緣子清潔狀態(tài)下閃絡電壓的影響都不明顯。楊超[4]發(fā)明了一種絕緣子帶電清洗劑，可有效清除絕緣子防污閃涂料表面的污漬，恢復絕緣子表面優(yōu)良的憎水性和憎水遷移性。張煒婕[5]對退役復合絕緣子清洗工藝進行了研究，證明了椰油酰胺丙基甜菜堿與脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鈉復配體系的穩(wěn)定性高，溶解性強，并設計了“潤濕→刷洗→清洗”工藝，可以有效去除污漬。Krystian L.Chrzan等[6]研究了工業(yè)污染和沿海鹽類對瓷類及硅橡膠類絕緣子的影響，結果表明瓷類絕緣子在高污染環(huán)境下的漏電現(xiàn)象比橡膠類絕緣子少，可能是由于橡膠類絕緣子 老化導致其性能下降。Seog-Hyeon Kim等[7]研究了硅橡膠絕緣子表面的化學變化，證明潮濕等工況下服役的絕緣子表面容易受到電弧影響，從而導致性能下降。

本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)對絕緣子表面污物成分進行分析，并根據結果采用正交試驗法研發(fā)出一款符合環(huán)保標準的斷電作業(yè)用絕緣子清洗劑，考察了它的清洗性能、橡膠浸泡膨脹率、金屬腐蝕性、VOC含量，為絕緣子清洗維護提供理論基礎及解決方案。

1 實驗

1.1 藥品

二乙二醇丁醚(溶劑)、N-甲基吡咯烷酮(溶劑)、苯甲酸鈉(添加劑)，上海麥克林生化科技有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚(非離子表面活性劑)和防銹劑PC，巴斯夫股份公司。以上試劑均為市售分析純。

1.2 清洗劑基礎配方及正交試驗設計

清洗劑基礎配方(以質量分數表示)如下：乙二醇丁醚6%，N-甲基吡咯烷酮2%，脂肪醇聚氧乙烯醚10%，防銹劑PC 0.6%，苯甲酸鈉0.2%，水81.2%。

采用三因素三水平正交試驗確定配方中2種溶劑及表面活性劑的最佳含量，其主要成分含量均通過探索實驗確定，具體方案見表1。

表1 清洗劑主要成分的正交試驗設計 Table 1 Orthogonal design for optimization of main constituents of cleaning agent

1.3 表征及性能測試方法

1.3.1 絕緣子表面形貌及污物分析

在現(xiàn)場取下的絕緣子上取一塊樣品，采用蔡司儀器公司的Sigma 300場發(fā)射電子顯微鏡及其附帶的能譜儀對其表面狀態(tài)和成分進行分析。

1.3.2 清洗性能測試

由于目前并沒有針對絕緣子清洗劑的相關標準，參考Q/CR 468-2015《動車組外表面清洗劑》對產品的洗凈力進行測試。采用標準規(guī)定的油污(N32機械油80%，泥土10%，氧化鐵紅5%，氫氧化鋁5%)涂刷清洗試片表面，隨后浸泡在40 °C的5%清洗劑溶液內，5 min后進行擺洗，擺洗5 min后在去離子水中再次擺洗30 s，隨后烘干。用METTLER TOLEDO的ME-204電子分析天平稱得涂油前試片的質量為m，涂油后的質量為m′，清洗后的質量為m″，則洗凈力η的計算如式(1)所示。

1.3.3 金屬腐蝕性的評價

由于絕緣子清洗作業(yè)時，清洗劑有可能接觸到電器網絡的其他金屬部件，因此金屬腐蝕性應考慮在內，其實驗方法參考Q/CR 468-2015《動車組外表面清洗劑》。將打磨好的45鋼片、H62黃銅和LY12硬鋁試片(尺寸均為50 mm × 25 mm × 2.5 mm)分別浸泡在40 °C的5%清洗劑溶液內4 h，取出后清洗并烘干，計算浸泡前后的質量損失，記為Δm。

1.3.4 橡膠浸泡及疏水性實驗

絕緣子橡膠的浸泡實驗方法參考GB/T 14832-2008《標準彈性體材料與液壓液體的相容性試驗》。分別稱量試塊在空氣中和水中的質量，其中樣品在水中的質量按如下步驟測量：首先稱量含水燒杯以及懸掛樣品的架子質量，然后將樣品懸掛于架子上并浸沒在含水燒杯中，稱取總質量，相減后即得樣品在水中的質量。隨后稱量樣品在5%清洗劑中浸泡后，在空氣中和水中的質量。記樣品在空氣中的質量為m1，樣品在水中的質量為m2，浸泡后樣品在空氣中的質量為m3，浸泡后樣品在水中的質量為m4，則體積變化率ΔV的計算如式(2)所示。

采用德國DataPhysics公司的JY-82B Kruss DSA接觸角測量儀對浸泡前后的絕緣子試塊進行接觸角測量，考察其表面疏水性是否發(fā)生變化。

1.3.5 VOC含量的測定

VOC含量參考GB 38508-2020進行測定。采用萬通儀器的870 KF Titrino plus水含量分析儀對樣品的水含量進行測定，然后將樣品放入105 °C的DHG101-2鼓風干燥箱(春蘭儀器廠)中烘干4 h，計算其質量損失。清洗劑的VOC含量VOCρ按式(3)計算。

其中w揮、w水、iw分別為樣品測試液中揮發(fā)性物質、水分以及可扣減測試物質i的質量分數，ρ為樣品測試液的密度(單位：g/L)。

2 結果與討論

2.1 絕緣子表面污物的成分

將華北某線路上服役的絕緣子帶回進行掃描電鏡及能譜分析，結果見圖1和表1。

圖1 現(xiàn)場取回的絕緣子(a)及其SEM照片(b) Figure 1 Photo (a) of the insulators retrieved from the field and its SEM image (b)

表2 絕緣子表面元素的含量 Table 2 Contents of elements on surface of insulator

絕緣子表面污物的成分在很大程度上取決于當地的氣候環(huán)境及污染情況，一般主要有二氧化硅(灰塵)、硫化物、氧化鋁、鈣鹽及有機物(油污)，沿海地區(qū)服役的絕緣子表面還會有較多的鹽類物質存在。

2.2 清洗劑配方的設計

由表3中正交試驗的極差分析可知，3個因素的影響程度為C ＞ A ＞ B，即表面活性劑對洗凈力的影響最大，其次為二乙二醇丁醚，影響較小的是N-甲基吡咯烷酮，增大表面活性劑的含量可顯著提高清洗效果。正交試驗中7號配方的洗凈力最高，其組合為A3B1C3，即乙二醇丁醚6%、N-甲基吡咯烷酮2%、脂肪醇聚氧乙烯醚10%，與均值分析的結果一致，故采納之。在此基礎上，添加一定量的苯甲酸鈉、防銹劑PC及去離子水，配制成絕緣子清洗劑。

表3 正交試驗結果 Table 3 Orthogonal test result

2.3 清洗性能實驗

經測試，自研絕緣子清洗劑的洗凈力為94.66%，而2款市售產品的洗凈力分別為67.54%和72.33%，可見自研產品的清洗效果更理想。

2.4 金屬腐蝕性評價

由表4可知，在不添加防銹劑PC的情況下，自研產品對H62黃銅和LY12硬鋁的腐蝕性極低，試樣外觀無明顯變化，但對45鋼的表面會產生點蝕效果。為了解決這一問題，加入防銹劑PC就可以起到保護鋼的作用，其試驗結果如圖2所示。隨著防銹劑PC加入量的上升，鋼試片的腐蝕量逐步下降，當防銹劑含量≥0.6%時，鋼片的點蝕已被抑制(如圖3所示)。故防銹劑PC在配方中的質量分數宜為0.6%。

圖2 防銹劑PC含量對45鋼的緩蝕作用 Figure 2 Corrosion inhibition effectiveness of rust inhibitor PC for 45 steel

圖3 體系中未加入防銹劑PC(a)及加入0.6%防銹劑PC后(b)45鋼片在40 °C的清洗劑中浸泡4 h后的表面狀態(tài) Figure 3 Surface state of 45 steel sheet after being immersed in the solution of cleaning agent at 40 °C without (a) and with (b) rust inhibitor PC (0.6%)

表4 自研產品對金屬的腐蝕性 Table 4 Corrosivity of home-developed product on metals

綜上所述，確定清洗劑的最佳配方如下：乙二醇丁醚6%，N-甲基吡咯烷酮2%，脂肪醇聚氧乙烯醚10%，防銹劑PC 0.6%，苯甲酸鈉0.2%，余量為水。

2.5 橡膠浸泡實驗

將絕緣子試塊浸泡在清洗劑溶液中1 d，取出后測得其體積變化率為0.23%，證明自研清洗劑幾乎不會對絕緣子產生體積溶脹影響。從表5可知，浸泡1 d后絕緣子樣品的水接觸角并沒有明顯變化，證明自研產品對絕緣子表面疏水層沒有明顯影響。

表5 在自研清洗劑溶液中浸泡1 d前后試塊的水接觸角 Table 5 Contact angle of water on the specimen before and after immersion in the solution of home-developed cleaning agent

2.6 產品的VOC含量

產品為半水基清洗劑，經測定其可揮發(fā)物質的質量分數為94.92%，水含量為69.04%，密度為987 g/L，不含可抵扣物質。據此算得其VOC含量為255.44 g/L，低于GB 38508-2020對半水基清洗劑的VOC限值300 g/L。

3 結論

(1) 通過掃描電鏡分析，確定了絕緣子表面污物的成分大致為油污、灰塵及無機鹽類物質。

(2) 通過正交試驗確定了一種動車組及接觸網用絕緣子清洗劑的最佳配方，其VOC含量符合國家標準。

(3) 該產品的洗凈力達到94.66%，對45鋼、H62黃銅和LY12硬鋁的腐蝕量極小，也不影響絕緣子橡膠的性能。