一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法与流程

本发明涉及的是一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法，属于电力系统中绝缘子处理领域。

背景技术：

绝缘子表面耐污闪和耐湿闪能力影响电力系统的整体运行性能，提升电力系统中绝缘子的沿面湿闪电压和沿面污闪电压可以提高电力系统中相关电力设备运行的稳定性和安全性；目前提升绝缘子表面耐污闪和湿闪电压的方法包括：定期安排检查和清扫、增大绝缘子的体积或表面积以提高沿面绝缘的有效距离、提高绝缘子表面的憎水性和开发新型的绝缘子材料。

目前电力系统中提高绝缘子表面憎水性的方法主要是使用温室硫化型硅橡胶防污闪涂料（简称为RTV防污闪涂料），如专利CN 104277529A中公布了一种防污闪涂料，利用氟化物材料的抗静电吸附性和憎水性，以及有机硅材料的憎水性可以减小绝缘材料表面对水珠、尘埃及带点微粒的吸附效应；但是RTV防污闪涂料的耐候性较差，长期暴露在强电场、光照、高湿度等因素的环境中极易发生老化，表面憎水性随之下降。又如专利CN 103500621A中公布了一种提高绝缘子表面憎水性的方法，先在绝缘子表面喷涂一层聚四氟乙烯材料，随后将绝缘子置于200摄氏度的高温环境中高温固化5分钟，最终在绝缘子表面形成一层厚度不小于0.1毫米的聚四氟乙烯膜，利用水分和污秽在表面能较低聚四氟乙烯膜表面附着力较差的特性，提高了绝缘子表面的憎水性和耐污闪和湿闪的能力；但是聚四氟乙烯表面水滴角约为110°，其表面的憎水效果相比于RTV涂料120°的水接触角有一定的差距；同时绝缘子和表面聚四氟乙烯材料的膨胀系数不同，在强电场和高温的运行环境中，形成的聚四氟乙烯薄膜容易开裂脱落，使得绝缘子表面憎水性能下降；因此，如何高效、环保、长持续时间地提高并保持绝缘子材料表面憎水性能，在电力系统高电压技术领域有广泛的实际应用需求。

技术实现要素：

本发明提出的是一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法，其目的旨在提高并保持绝缘子材料表面憎水性能，满足在电力系统高电压技术领域的应用需求。

本发明的技术解决方案：一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法，该方法包括以下步骤：

（1）绝缘子表面等离子体清洁处理；

（2）绝缘子表面等离子体憎水性改性处理。

本发明的优点：

1）采用低温等离子体材料表面憎水性改性技术，提高了绝缘子表面憎水改性的处理效率和处理效果；

2）采用了产生高活性、大面积的低温等离子体清洁并活化材料表面的方法，实现快速的绝缘子表面干式清洁，可以提高绝缘子等离子体憎水改性的处理效率，有利于提高憎水性成分与绝缘子表面的结合强度；

3）采用含憎水性成分的低温等离子体直接对绝缘子表面进行憎水性改性，能在绝缘子表面引入含氟、硅和氯的憎水性活性基团，提高绝缘子表面憎水性能，尤其是在强电场、和光照环境中表面憎水性的稳定性和持久性；

4）采用将绝缘子等离子体表面清洁和绝缘子等离子体表面憎水性处理相结合的方式，利用等离子体可以实现材料表面清洁和材料表面改性两种功能，采用相同的等离子体发生装置，仅改变等离子体的工作条件，可以产生不同特性的等离子体（本方法中提到的第一等离子体和第二等离子体），满足一体化的绝缘子表面憎水改性处理需求；一体化的绝缘子表面清洁和改性工艺可以减少绝缘子改性中间过程操作人员的参与程度，提高绝缘子表面等离子体憎水性改性工艺的连续性、稳定性和均匀性，保障了绝缘子表面等离子体憎水性改性的合格率；封闭式的处理方法可以从源头上减少绝缘子处理过程对环境的污染，提高整体工艺的环境友好性。

附图说明

附图1是一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法的工作原理图。

附图2是绝缘子表面等离子体憎水改性一体化处理方法所采用的绝缘子表面等离子体憎水改性处理装置结构示意图。

附图3是一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法的工作流程图。

附图4是实施例1中对PMMA式绝缘子表面憎水性改性前后表面水接触的对比图像。

附图5是实施例1中PMMA式绝缘子处理前表面FTIR分析图。

附图6是实施例1中PMMA式绝缘子处理后表面FTIR分析图。

附图7是实施例1中处理前PMMA式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像。

附图8是实施例1中处理后PMMA式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像。

附图9是实施例2中对环氧树脂式绝缘子表面憎水性改性前后表面水接触的对比图像。

附图10是实施例2中环氧树脂式绝缘子处理前表面FTIR分析图。

附图11是实施例2中环氧树脂式绝缘子处理后表面FTIR分析图。

附图12是实施例2中处理前环氧树脂式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像。

附图13是实施例2中处理后环氧树脂式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像。

附图中1-1是主气道调节阀、1-2是次气道调节阀、1-3是气体混合腔、1-4是气液两相混合腔、1-5是一级分流阀、1-6是二级分流调节阀、1-7是二级分流阀、1-8是等离子体反应器、1-9是绝缘子、1-10是机械卡盘、1-11是高压电源。

具体实施方式

一种绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法，该方法包括以下步骤：

（1）绝缘子表面等离子体清洁处理；

（2）绝缘子表面等离子体憎水性改性处理。

所述绝缘子表面等离子体憎水性改性一体化处理方法采用了绝缘子表面等离子体憎水性改性处理装置，该绝缘子表面等离子体憎水性改性处理装置包括主气道调节阀1-1、次气道调节阀1-2、气体混合腔1-3、气液两相混合腔1-4、一级分流阀1-5、二级分流调节阀1-6、二级分流阀1-7、等离子体反应器1-8、机械卡盘1-10、高压电源1-11；其中，主气道调节阀1-1位于主气道上，次气道调节阀1-2为与次气道上，次气道上串接有气液两相混合腔1-4，主气道与次气道分别与气体混合腔1-3相接，气体混合腔1-3依次通过一级分流阀1-5、二级分流调节阀1-6、二级分流阀1-7后与等离子体反应器1-8相接，等离子体反应器1-8外接高压电源1-11，等离子体反应器1-8上的喷射口与机械卡盘1-10对应放置。

所述步骤（1）绝缘子表面等离子体清洁处理，该过程包括以下步骤：

1）将绝缘子固定在机械卡盘上；

2）调节机械卡盘转速；

3）打开主气道调节阀；

4）打开二级分流调节阀；

5）施加高压产生第一等离子体；

6）停转机械卡盘撤去高压；

7）检查绝缘子表面清洁程度。

所述绝缘子被固定于最大直径在400mm的机械卡盘上。

所述步骤（1）中调节机械卡盘转速使绝缘子在绝缘子表面等离子体清洁过程中随机械卡盘以每秒1°至10°的角速度匀速转动。

所述步骤（1）中施加高压的类型包括施加高频高压或脉冲高压，其中高频高压的频率在20000赫兹至30000赫兹之间，电压幅值在8000伏特至12000伏特之间；脉冲高压的重复频率在300赫兹至2000赫兹之间，电压幅值在15000伏特至20000伏特之间。

所述打开主气道调节阀和打开二级分流调节阀后，在等离子体反应器中通入惰性气体，具体为氦气、氖气、氩气、氙气中的任一种或两种的混合气体或两种以上的混合气体；在等离子体反应器内对所通入的惰性气体施加高压产生第一等离子体；在施加高压放电过程中起主要作用的激发态、亚稳态的原子包括这些惰性气体产生的激发态和亚稳态的氦原子、氩原子、氖原子、氙原子；第一等离子体中具有强氧化性和去污能力的氧原子、氢氧根等活性粒子是由高能电子和激发态、亚稳态原子与周围空气中氧气和水蒸气分子碰撞电离产生的。

由于第一等离子体中存在大量的电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子，当等离子体羽作用于被清洗的物质表面时，会产生物理刻蚀、化学改性和表面交联的物理化学过程，从而分解或清除污染物；绝缘子表面最终的清洁程度依赖于所产生的第一等离子体中各种活性粒子的活性和绝对数量；产生的第一等离子体属于低温等离子体，不会损坏绝缘子基底材料。

第一等离子体中的高能电子以及激发态和亚稳态的原子撞击绝缘材料表面，在绝缘材料表面进行物理刻蚀，将大块连结的有机物拆解为小块状的有机物碎片；第一等离子体中的高活性氧原子和氢氧根可以与绝缘子表面的有机物污染物作用，将表面残留的有机物分解为二氧化碳和水分子，实现有机污染物从绝缘材料表明的脱离；同时第一等离子体中的活性粒子还撞击绝缘子表面，发生物理刻蚀和化学改性，增加绝缘子表面的粗糙程度，提高绝缘子表面能，为下一步的绝缘子表面憎水性改性提供一个高洁净度、高表面能的改性基材表面

第一等离子体处理绝缘子表面2分钟至5分钟后，停转机械卡盘，撤去高压并检查绝缘子表面清洁程度，若绝缘材料表面仍残留有杂质颗粒，则重复S102至S107的步骤，直至表面无尘埃、污垢和油脂等杂质的残留，可进入第二主要过程绝缘子表面憎水性改性S2。

绝缘子表面等离子体清洁过程主要作用是利用不含憎水性物质的第一等离子体去除绝缘子表面的尘埃、污垢和油脂等杂质，提高表面的清洁度，同时第一等离子体中的高能电子和活性重粒子撞击材料表面使得材料表面发生物理刻蚀，增加绝缘子表面的粗糙度，提高绝缘子的表面能，在活化后的材料表面更容易引入憎水性活性基团，进行表面憎水性改性。

所述步骤(2) 绝缘子表面等离子体憎水性改性处理,该过程包括以下步骤：

1）向气液两相混合器中添加憎水性物质；

2）打开次气道调节阀；

3）调节机械卡盘转速；

4）施加高压产生第二等离子体；

5）绝缘子表面憎水改性处理。

所述向气液两相混合器中添加憎水性物质S201中添加的憎水性物质包括四氯化硅、六甲基二硅醚、四甲基烷、三氯硅烷中的一种或几种；这些憎水性物质可以改变第二等离子体的作用活性。

所述打开次气道调节阀，在次气道中通入和主气道相同的惰性气体，次气道中的惰性气体流经气液两相混合器后进入气体混合腔，在气体混合腔内次气道中的惰性气体和主气道中的惰性气体混合形成工作气体，通过次气道调节阀调节次气道中惰性气体经过气液两相混合器时带走憎水性物质的量，进而控制最终工作气体中憎水性物质的比例含量，工作气体中憎水性物质的体积含量控制在0.01%至0.2%之间。

所述调节机械卡盘转速调节绝缘材料表面改性的速率，在憎水性改性过程中机械卡盘的转速在每秒钟1°至4°之间。

所述施加高压产生第二等离子体，为在等离子体反应器内对所通入的工作气体施加高压产生第二等离子体，产生的第二等离子体中除了含有电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子外，还含有电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子与憎水性物质分子碰撞电离产生的含氟、硅和氯的自由基团；控制和调节用于产生第二等离子体的工作气体流速、憎水性物质含量、工作电压和与绝缘子材料的作用时间和作用距离，可以达到调节绝缘子憎水处理效果的目的，进而优化绝缘子等离子体憎水改性的效果；贴近绝缘子表面的高能电子、正离子、自由基、亚稳态的分子和原子撞击绝缘子材料的表面，打开绝缘子材料表面的Si-O、Al-O和Ca-O键，并在绝缘子材料的表面引入含氟、硅和氯的活性基团，达到提高绝缘子材料表面憎水性的目的。

所述第二等离子体通过等离子体反应器1-8上的喷射口形成一种射流形式的等离子体源；所述的喷射口为单管射流喷射口或由若干单管射流喷射口组成的一维或二维或三维射流阵列羽喷射口；所述的单管射流为针环结构或环环结构或环板结构；这种等离子体源能够有效地清洁具有复杂形状的绝缘子的表面，提高绝缘材料表面的整洁度和表面能。

绝缘子表面等离子体憎水性改性过程主要作用是向工作气体中添加憎水性物质，通过调节外施电压种类和强度、憎水性物质的成分和含量、工作气体的流速和比例以及第二等离子体与绝缘材料之间的处理距离，均匀地改性绝缘材料表面。

所述施加高压产生第二等离子体和绝缘子表面憎水改性处理过程中，施加高压类型包括高频高压和脉冲高压，其中高频高压的频率在20000赫兹至30000赫兹之间，电压幅值在8000伏特至12000伏特之间，脉冲高压的重复频率在300赫兹至2000赫兹之间，电压峰值在15000伏特至20000伏特之间；第二等离子体处理进行材料表面憎水性改性4分钟至10分钟后停止。

施加高压产生第二等离子体是绝缘子表面憎水改性的关键；所述第二等离子体的工作气体是在第一等离子体的工作气体的基础上添加少量的含硅、含氯和含氟的物质；第二等离子体中除了包含第一等离子体中含有的高能电子、激发态和亚稳态的活性原子和分子，还包括含硅、含氯和含氟的活性基团；第二等离子体中的高能电子、激发态和亚稳态的原子和活性分子先撞击绝缘材料的表面，打开绝缘材料表面的Ca-O、Al-O和Si-O键，第二等离子体中携带的含硅、含氯和含氟的活性基团与断裂的化学键结合，进入绝缘材料表面分子层中，达到绝缘材料表面改性的目的；控制和调节外施电压的类型和幅值、主、次气道调节阀中流过的惰性气体的流速、添加憎水性物质的含量以及绝缘子憎水性改性的处理时间和处理间距，可以改变绝缘子表面憎水性改性的效果。

整个处理方法的关键在于施加高压产生第一等离子体、施加高压产生第二等离子体以及实现第一等离子体和第二等离子体一体化的等离子体发生技术。

实现产生第一等离子体和产生第二等离子体一体化处理的技术关键在于不同特性的低温等离子体的产生、控制和调节；本发明的方法中，改变等离子体中的工作气体的种类以及混合气体的组分，调节等离子体发生装置中不同等离子体单元的气体流速和外施电压幅值产生不同活性特性的等离子体；在本方法中，改变外施电压的特性和工作气体的特性可以分别产生用于绝缘子表面清洁的第一等离子体和用于绝缘子表面憎水改性的第二等离子体，整个过程不需要额外增加化学或物理手段，实现绝缘子表面等离子体憎水改性的一体化处理。

本方法涉及的装置和方法适合处理的绝缘子的直径间于140毫米至200毫米、高度间于100毫米至500毫米之间，可以处理瓷类绝缘子、钢化玻璃绝缘子和复合材质类绝缘子。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例中被处理的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）式绝缘子直径150毫米、高度300毫米。

1）将PMMA式绝缘子固定于最大直径在400mm的机械卡盘上，并随机械卡盘以每秒1°至10°的角速度匀速转动，安装过程中，需要保证柱状的绝缘子的轴线在垂直方向上与水平偏角不超过4°；

2）通过主气道向等离子体反应器中通入氩气，气体流量控制在5升/分钟至10升/分钟区间内；

3）在等离子体反应器的高压电极和接地电极上外施高频电压幅值为8kV~12kV，电源频率为22kHz~30kHz，产生的等离子体射流阵列羽的喷射口距离绝缘子处理面的距离是5mm至8mm，处理时间为4分钟；处理结束后关闭主气道调节阀1-1；

4）惰性的氩气在电场中电离产生了电子、亚稳态Ar原子，这些电子、亚稳态Ar原子与周围空气中氧气和水蒸气碰撞电离产生的氧原子、激发态的氮气分子、氢氧根粒子；产生的电子和亚稳态的Ar原子撞击材料表面的污渍，使其裂解成小块的污渍碎片；同时碰撞电离产生的氧原子和氢氧根粒子分解污渍中的有机物，并使污渍中的有机物氧化分解成二氧化碳和水蒸气分子；

5）绝缘子表面清洁工序完成后，再次打开主气道调节阀1-1，气体流量控制在7升/分钟至12升/分钟区间内，打开次气道调节阀1-2，另将一股200毫升/分钟至400毫升/分钟的小流量氩气，利用次气道通过一个盛有六甲基二硅醚的气液两相混合腔1-4，混有含六甲基二硅醚的小流量氩气与主气道中的气体充分混合后作为工作气体通入等离子体的反应腔中；所带出六甲基二硅醚的含量与小流量气体流速有关，通过调节次气道中小流量氩气的流速来调节六甲基二硅醚的含量，小流量氩气的气体流速越高，混入工作气体中的六甲基二硅醚含量越高；

6）调节机械卡盘以每秒6°的角速度匀速转动；

7）在等离子体反应器1-8的高压电极和接地电极上外施加频率为22kHz、幅值为8kV的高频高压，产生等离子体羽的喷口距离处理材料底部5mm，等离子体处理材料表面憎水性改性4分钟至10分钟后停止。

第二等离子体中除了包含第一等离子体中含有的高能电子、激发态和亚稳态的氩原子，还包括含硅和含甲基的活性基团；第二等离子体中的高能电子、激发态和亚稳态的原子和活性分子先撞击绝缘材料的表面，打开绝缘材料表面的C-C和C=C键，第二等离子体中携带的含硅和含甲基的活性基团与断裂的化学键结合，进入绝缘材料表面分子层中，达到绝缘材料表面改性的目的。

图3是PMMA式绝缘子表面憎水性改性前后表面水接触的图像，其中 (a)是未处理时表面水接触图像，此时水接触角为80°；(b)是利用产生的第一等离子体进行绝缘子表面清洁后表面水接触图像，经第一等离子体表面清洁后，表面水接触角降到70°，此时表面清洁度提升，表面能提高；(c)是利用第二等离子体进行绝缘子表面憎水改性后表面水接触图像，此时水接触角达到120°，未处理前的80°，水接触角有了明显的提升，绝缘子表面憎水性能提升。

图4-5是PMMA式绝缘子处理前后表面FTIR分析图，从图中可以发现处理前PMMA表面含有C-H键、-C=O键、C-O-C键等，而在进行表面憎水性改性后表面引入了Si-O-Si键、Si-CH₃和Si-H键，表明经绝缘子表面憎水性处理后，材料表面引入了含Si和含-CH₃的基团，表面憎水性能提高。

图6-7是处理前后PMMA式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像，处理前PMMA表面放大5000倍的图像中，微观平面平整，没有明显的凹凸形貌，这是PMMA处理前呈亲水性的主要原因；而在PMMA表面憎水性处理后的放大5000倍的电子扫描显微镜扫面图中发现PMMA表面形成了雪花状的结晶体，这些雪花状的结晶体结构是由珊瑚状的凹凸结构组成的，而这些珊瑚状的凹凸结构，是由微纳米级的颗粒堆积形成的。

实施例2

本实施例中被处理的环氧树脂式绝缘子直径100毫米、高度200毫米之间。

1）将环氧树脂式绝缘子固定于最大直径在400mm的机械卡盘上，并随机械卡盘以每秒3°至8°的角速度匀速转动；安装过程中，需要保证柱状的绝缘子的轴线在垂直方向上与水平夹角不超过2°；

2）通过主气道调节阀1-1向等离子体反应器中通入氩气，气体流量控制在7升/分钟至12升/分钟区间内；

3）在等离子体反应器的高压电极和接地电极的两端外施高频电压幅值为10kV~12kV，电源频率为25kHz~30kHz；产生的等离子体射流阵列羽的喷射口距离绝缘子处理面的距离是2mm至5mm，处理时间为4至5分钟；处理结束后关闭主气道调节阀1-1；

4）惰性的氩气在电场中电离产生了电子、亚稳态Ar原子和与周围空气中氧气和水蒸气碰撞电离产生的氧原子、激发态的氮气分子和氢氧根粒子；产生的电子和亚稳态的Ar原子撞击材料表面的污渍，使其裂解成小块的污渍碎片；同时碰撞电离产生的氧原子和氢氧根粒子分解污渍中的有机物，并使其氧化分解成二氧化碳和水蒸气分子；

5）绝缘子表面清洁工序完成后，再次打开主气道调节阀1-1，气体流量控制在7升/分钟至12升/分钟区间内，打开次气道调节阀1-2，另将一股200毫升/分钟至400毫升/分钟的小流量氩气,利用次气道通过一个盛有四氟化碳的气液两相混合腔1-4，混有四氟化碳分子的小流量氩气与主气道气流充分混合后作为工作气体通入等离子体的反应腔中；所带出四氟化碳的含量与小流量气体流速有关，通过调节小流量氩气的流速来调节四氟化碳含量，小流量氩气的气体流速越高，混入工作气体中的四氟化碳含量越高。6）调节机械卡盘以每秒6°的角速度匀速转动；

7) 在等离子体反应器1-8的高压电极和接地电极的两端外施加频率为22kHz、幅值为13kV的高频高压，产生等离子体羽的喷口距离处理材料底部5mm，等离子体处理材料表面憎水性改性4分钟至10分钟后停止。

第二等离子体中除了包含第一等离子体中含有的高能电子、激发态和亚稳态的氩原子，还包括含硅和含氯的活性基团；第二等离子体中的高能电子、激发态和亚稳态的原子和活性分子先撞击绝缘材料的表面，打开绝缘材料表面的C-C和C=C键，第二等离子体中携带的含硅和含甲基的活性基团与断裂的化学键结合，进入绝缘材料表面分子层中，达到绝缘材料表面改性的目的。

图8是环氧树脂式绝缘子表面憎水性改性前后表面水接触的图像，其中图(a)是未处理时表面水接触图像，此时水接触角为85°；图(b)是利用产生的第一等离子体进行绝缘子表面清洁后表面水接触图像，经第一等离子体表面清洁后，表面水接触角降到75°，此时表面清洁度提升，表面能提高；图(c)是利用第二等离子体进行绝缘子表面憎水改性后表面水接触图像，此时水接触角达到125°，对比未处理前的80°，水接触角有了明显的提升，绝缘子表面憎水性能提升。

图9-10是环氧树脂式绝缘子处理前后表面FTIR分析图，从图中可以发现处理前环氧树脂表面含有C-H键、-C=O键、C-O-C键等，而在进行表面憎水性改性后表面引入了Si-O-Si键、Si-Cl和Si-H键，表明经绝缘子表面憎水性处理后，材料表面引入了含Si和含Cl的基团，表面憎水性能提高。

图11-12是处理前后环氧树脂式绝缘子表面电子扫描显微镜的扫描图像，从放大5000倍的处理前环氧树脂表面图像中可以发现，未经处理的环氧树脂表面呈现光滑的片状结构，这是环氧树脂呈现亲水性的主要原因。而在放大5000倍的处理处理后环氧树脂电子扫描显微镜扫面图中发现环氧树脂表面形成了致密的网状结构，这些致密的网状结构是由微纳米级的颗粒组成的管状结构堆积形成的。