用于输电线路的铝基超疏水表面抗覆冰研究

付翊航 王 嫚 李 炜 唐 波 谭新玉，

(1.三峡大学 电气与新能源学院 三峡大学智洁技术研究所，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 材料与化工学院，湖北 宜昌 443002)

输电线路覆冰和积雪严重威胁着寒冷地区的电 力及通信网络安全运行.在俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛及我国北部和中西部高寒地带，输电线路覆冰导致电路损害以及由此引发的安全事故时常发生.线路覆冰常引起输电线路倒杆(塔)、断线和绝缘子闪络等重大事故，对电力系统的安全运行产生严重危害[1-2]，造成巨大的经济损失.因此，世界各国早已开展了广泛的研究，设计出了防冰除冰的许多方案，到目前为止国内外防冰除冰技术有许多，如可控硅整流融冰装置、基于电磁力的除冰方法、利用电动机械装置的除冰方法、高频高压激励除冰方法和电脉冲除冰方法等.这些方法大致可概括为4类：①热力除冰；②机械除冰；③自然被动法；④其他方法.但是以上的方法都是被动除冰，不能达到防覆冰的效果.针对输电线路覆冰，应以防为主，在雪冻恶劣气候条件下，防止输电导线结冰，可以减少除冰作业，节省人力和物力.输电线路防结冰技术领域的许多研究中，在输电导线表面涂覆防覆冰薄膜是有效延长结冰、减少覆冰的措施之一[3].

自20世纪30年代，国内外研究者们便开始研究电网的覆冰问题，也提出了许多机械防覆冰、直流防覆冰等多种除冰方式[4-14].2002年，Laforte等[15-16]提出了将超疏水涂层用于防覆冰并可显著降低冰附着力的结论，这是最早关于疏水材料用于防冰的论断.随后，Ruan M 等[17]利用电化学阳极氧化及化学性刻蚀的方法获得了具有低润湿接触角(4°)的超疏水表面，并且发现将该超疏水表面与普通表面倾斜时，普通表面在-3.9℃时冰就开始累积，而该超疏水表面由于液滴极易流走或回弹，可以将冰开始积累的温度降低至-8℃，从而实现防覆冰(延缓结冰)的效果.国内清华大学关志成研究团队提出了一种半导体的绝缘子防覆冰涂层，取得了一些成果[18-21]；重庆大学孙才新院士、李剑教授组，蒋兴良教授组[22-24]，浙江大学詹晓力教授及湘潭大学李文教授在通过改性的疏水材料除冰除霜方面，也做了大量的研究.为疏水材料在除冰方面的实际应用在国内的研究起到了很好的先驱引领作用.Ruan M[25]和Gustav Graeber[26]在近年发表的文章中在之前的研究基础上做了进一步的探究，他研究了水滴在超疏水表面覆冰的内部结构变化过程，从微观角度探究了超疏水材料的防覆冰特性.近年重庆市送变电工程有限公司的赛馨[27]以及湖北大学的涂港[28]做出了关于超疏水材料在电力系统中的防覆冰应用分析，对超疏水材料关于系统中绝缘子，线路等组成部分的防覆冰问题做了总括性的描述，为超疏水材料在电力系统中各领域的应用提供了新思路.此外，华北电力大学的汪佛池团队有过对于铝单丝表面防覆冰性能影响的研究[29]，利用测量结冰质量的方法揭示了疏水性对于铝线表面覆冰具有影响的特性，其铝单丝表面水接触角达到121.5°.

本文通过疏水改性溶液与硅溶胶混合后制备出硅基超疏水溶液，疏水角达到了154.5°，通过测量不同实验条件下的覆冰面积，以及线路结冰后脱冰力大小，从宏观上展示出了文中制备的超疏水溶液良好的防覆冰性能.同时对超疏水表面进行摩擦实验，将摩擦因素作为变量再次实验，结果为摩擦后的超疏水表面覆冰面积仍小于普通铝片.文中实验结果为输电线路防覆冰问题的解决提供了重要的参考依据，体现了硅基超疏水材料在工程中的应用价值.

1 实验部分

1.1 溶液的制备

将0.5g的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)加入到20mL 的丙酮中进行溶解，用玻璃棒搅拌直至PMMA 完全溶解.制备体积比为1∶10∶1的原硅酸四乙酯(TEOS)，异丙醇，H2O 加入烧杯中，用HCl调配pH=3初始溶液，然后在45℃下立即搅拌12h.之后在室温条件下陈化3d.先通过超声波细胞粉碎机在80%的强度下粉碎10min，再通过0.22mm 聚偏二氟乙烯(PVDF)过滤.并将PMMA 溶液加入其中磁力搅拌30min.

疏水改性溶液：将十六烷基三甲氧基硅烷，水和异丙醇按照体积比3∶10∶87配制，置于100mL 烧杯中，35℃恒温磁力搅拌30h.将配置好的疏水改性溶液与硅溶胶按1∶1体积比进行混合后制备出硅基超疏水溶液.

1.2 试样的制备

1.2.1 铝片超疏水表面的制备

将铝片分割为4.0cm×4.0cm 的正方形片，依次用丙酮、去离子水超声波震荡清洗，将处理好的表面在100℃下烘干.将烘干后的铝片放入硅基超疏水溶液中浸泡2min，然后放入烘箱中，在120℃下烘干60min得到铝片超疏水表面.

1.2.2 铝线超疏水表面的制备

将铝线用砂纸打磨干净，清洗方法与上述相同，然后放入1.5%(wt)20min，取出放入烘箱中，在120℃下烘干20min.将烘干后的铝线放入硅基超疏水溶液中，浸泡3min，然后放入烘箱中，在120℃下烘干60min得到铝线超疏水表面.

1.3 实验方法与设备

实验利用恒温恒湿箱来模拟类大气条件下输电线路的覆冰情况，将制备好的具有硅基超疏水表面的铝片与铝线分别放入恒温恒湿箱中进行覆冰实验并研究超疏水材料的防冰特性.实验设备包含两大主体，分别是恒温恒湿箱(如图1 所示)和拉力测试仪(如图2所示).图1的装置用来模拟在不同的温度下线路的覆冰情况，图2的装置是当铝线结冰后，测量铝线脱冰时拉力的大小，根据拉力变化与时间的关系来反映防覆冰性能，图3 给出了铝线与结冰容器的3D 图示.

图1 恒温恒湿箱

图2 测量脱冰力的拉力测试仪器

图3 铝线与结冰容器的3D 图

2 结果与讨论

2.1 铝基超疏水表面的防覆冰性能测试

2.1.1 水接触角对比

在工作中，原硅酸四乙酯(TEOS)已被用于制造疏水性/超疏水性基材，源自其内在的纳米结构.十六烷基三甲氧基硅烷是一种表面改性剂，用于充当束缚纳米粒子的偶联剂.此外，它还改善了二氧化硅纳米粒子的疏水性.普通铝片的静态水接触角为83.0°±0.25°(如图4b所示)，经过超疏水处理后的铝片的静态水接触角为154.5°±0.25°(如图4a所示).

图4 硅基超疏水溶液处理过的铝片(A)和普通铝片(B)水接触角

图4中硅基超疏水溶液处理过的铝片A 水接触角为154.5°，未做任何处理的普通铝片B其表面水接触角为83.0°.硅基超疏水溶液使得铝片A 具有了达到超疏水标准的水接触角，过冷水与铝片接触时，更加容易从样品上滚走，形成的凝结核也较少，从覆冰原理上达到了防覆冰效果.

2.1.2 防覆冰性能

将硅基超疏水溶液处理后的铝片与空白铝片同时放入环境温度为-4℃恒温恒湿箱中，让两组样品与水平面成45°夹角，并向两组铝片喷撒水雾模拟下雨天气，观察并记录不同时间下其结冰状态，并且测量其覆冰面积，绘制出覆冰面积与时间的关系曲线.

首先，研究了在不同时间段铝片表面的覆冰情况如图5所示.图5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是在不同时间下两块铝片表面的覆冰情况.图中左边是用超疏水材料镀膜后的铝片，右边是未经处理过的当作对照组的铝片.从图5中5组实验可以看出，无论左边的铝片还是右边的铝片，它们表面的覆冰面积是随着时间的增加而增加的.但5组实验中，经过硅基溶液处理后的铝片表面覆冰都比右边铝片上的覆冰要少.

图5 -4℃条件下2 h、4 h、6 h、8 h、10 h时硅基溶液处理过的铝片与普通铝片的表面覆冰情况

其次，探索了不同时间下，两组实验铝片表面覆冰面积，并绘制覆冰面积与时间的关系曲线，如图6所示.覆冰2h时，用硅基超疏水溶液处理过的铝片上面的结冰面积明显比未处理过的铝片要小.4h后，处理过的铝片上面的冰堆积比未处理的铝片少很多.这与实验中用到的硅基超疏水溶液具有滚动角小的特性，导致铝片表面水滴更难附着相一致，进而获得了在具有疏水膜表面不容易覆冰的效果.

随着时间的增加，可以发现，处理过的铝片表面覆冰面积都比普通铝片表面覆冰面积小.这也表明用制备的超疏水材料处理过的铝片表面具有良好的防覆冰性能.

图6 铝片表面覆冰面积占铝片总面积比值与时间的关系曲线图

2.1.3 耐摩擦性能

从上述分析可知本文提出的超疏水材料对于铝片表面覆冰有较好的抑制作用，但在实际工程中，摩擦是不可避免的因素，因此本文对于耐摩擦性能做了进一步的探究.

由于铝片本身的硬度不够，容易直接被破坏.为了探究制备的超疏水抗冰表面的耐摩擦性能，采用了Xu Deng、Lena Mammen[30]所用的摩擦实验的方法，通过如图7所示装置将30g沙粒自25cm 的高处落下，冲击与地面成45°角的实验铝片，进行摩擦实验.然后观察记录其覆冰情况，并且绘制其覆冰面积随时间变化的曲线图.

图7 摩擦实验装置

首先，观察并记录了摩擦后的镀膜铝片与普通铝片不同时间下表面的覆冰情况，如图8所示.

图8 2 h、4 h、6 h、8 h、10 h时分别经过摩擦实验后的镀膜铝片与普通铝片的表面覆冰情况

图8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是摩擦后的硅基超疏水表面铝片和摩擦后的普通铝片在不同时间下表面的覆冰情况.左边是具有超疏水表面的铝片，而右边是未做任何处理的铝片作为对照组.比较两组进行摩擦实验后的铝片表面覆冰情况，可以看出具有超疏水表面的铝片表面覆冰面积比普通铝片表面覆冰面积小.2h时，可以明显看出超疏水表面铝片有极少部分结冰，而普通铝片表面已经出现有部分结冰的情况.当时间达到10h 时，两组铝片表面覆冰都较多，无法呈现出直观的防覆冰效果，于是通过测量覆冰面积来对比两组铝片的防覆冰性能.

其次，测量不同时间下，镀膜铝片摩擦后表面覆冰面积，并绘制普通铝片表面以及镀膜铝片摩擦前后表面覆冰面积与时间的关系曲线，如图9所示.

图9 镀膜铝片摩擦前后表面覆冰面积比及普通铝片表面覆冰面积比随时间的关系曲线图

通过对比不同时间段下镀膜铝片进行摩擦实验前后表面覆冰面积比以及普通铝片的覆冰面积比发现，镀膜铝片摩擦前后表面的覆冰面积都小于普通铝片，这表明文中的硅基超疏水表面经过摩擦后，仍然具有良好的防覆冰性能.但在4h后摩擦后的镀膜铝片仍有覆冰减少，但是较摩擦前镀膜铝片防覆冰性能有所下降，这是研制的硅基超疏水溶液的不足之处，还需要进一步的探索研究，使其性能更加优化.总之具有硅基超疏水表面的铝片在摩擦前后都有效地减少了冰的附着，表现出了优异的防覆冰性能.

2.2 输电线路超疏水表面覆冰性能测试

由于输电线路的材料是钢芯铝绞线，进行抗覆冰性能实验时无法直观观察和测量，因此在之前的实验中采用了与其材料相同的铝片.接下来为了更直观地对线路防覆冰效果进行研究，所以将铝单丝作为实验样品进行实验，其中一组用硅基溶液进行处理而另外一组作为对照实验不做任何处理.然后将两组同时放入-4℃的环境中，在相同时间下结冰.图10为两组实验覆冰形貌的对比图.图10中每幅图上方的为未经处理的对照组，下方为具有超疏水表面的铝单丝.分别取两组实验铝线上的3 个点，方便对照观察记录.在20min时超疏水铝单丝上只有极少的小水滴，普通铝线上已经有部分小冰珠.当时间达到100min时，普通铝线上已经结满了冰珠，并且选做参考的位置部分已经形成了小的冰锤，而用硅基溶液处理后的铝单丝上只有部分冰珠.当时间达到180min时普通铝线上出现多个冰锤，普通铝线位置3的冰锤长度较长.超疏水铝线上出现的冰锤数量和长度却十分有限.上述表明硅基超疏水表面的铝单丝有较好的防覆冰性能.

图10 两组实验导线的覆冰过程

为了进一步研究铝线防覆冰性能，展开了对覆冰后脱冰力的实验研究.剪切应力与剪切力及横截面积的关系如式(1)所示

式中，τ是剪切应力(MPA)；F是剪切力(N)；A是横截面积(mm2).在铝线脱冰过程中冰的粘附能力可以通过τ来体现，由于实验中铝线的横截面积是相同的，所以最终冰的粘附能力直接由剪切力大小来反映.得到的脱冰力的大小与时间的关系曲线如图11所示.

图11 两组铝线在2h、3h、4h时脱冰力的大小

从图中可以看出，当时间达到2h时，用超疏水材料处理过的铝线脱冰所需要力的大小为25N，而未处理的线路脱冰需要29.4N，当3h时处理过的铝线脱冰所需要力的大小为69.09N，未处理的需要81.46N，未处理的铝线所需的力比处理过的铝线脱冰力要大.当覆冰时间继续增加至4h，此时两组铝线脱冰力仍然增加但此时增加的幅度比之前要少，此时两组线路都已完全覆冰，脱冰力的大小同3h时的情形相比差别已不大.比较240min时两组实验的脱冰力大小，用超疏水材料处理过的铝线上的冰仍然比未处理的要更加容易脱落.此实验结果表明了硅基超疏水材料在线路上良好的防覆冰性能.

3 结 论

本文就铝基超疏水表面抗冰特性进行了研究，在铝片和输电铝线表面涂覆制备的硅基超疏水溶液，使铝基表面疏水角达到154.5°.该材料在铝片和铝线上体现出了优良的防覆冰性能.同时该硅基超疏水材料是一种纳米级别的薄膜，较之前一些研究的涂层和油漆相比较它成本低，易制备.通过对比实验的结果可以看出，以铝材质为基底镀上超疏水材料后，形成了一层超疏水薄膜，使不同时间下铝片表面覆冰面积都比普通铝片小，展示了优良的抗覆冰性能.将两组铝片进行摩擦实验，经过摩擦后具有硅基超疏水表面的铝片抗冰表现仍然优异.本文研究出的硅基超疏水表面良好的抗覆冰性能将为输电线路覆冰问题的解决提供积极的参考作用.