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导电涂料用于接地网防腐蚀的研究进展非编台

时间:2022年07月29日

导电涂料用于接地网防腐蚀的研究进展

电力系统中接地网主要用于疏散系统中的多余电荷,保障电网设备运行安全及工作人员的人身安全。接地网长期埋于地下,必然会受到土壤的腐蚀。实际经验表明,有些地区的镀锌扁钢接地网运行3 ~7 a就出现严重腐蚀,一些情况较好的接地网也在运行10 ~ 15 a 后出现相同问题okmart.com。腐蚀会导致接地网的接地性能变差,热稳定性达不到要求,在系统遭到雷击或发生短路事故时,瞬间的大电流可能导致地网烧毁,进而造成设备损毁,甚至危及人身安全。所以必须对接地网采取有效的防腐措施,保证接地网在设计使用寿命期内能够运行良好。接地网防腐蚀的方法主要有3 种:(1) 对接地网施加外部保护;(2) 改变土壤理化性质,降低土壤腐蚀性;(3)加强接地网材料耐腐蚀性能。根据国家电网重大反事故措施规定,对于钢制接地网要进行定期检查,通过开挖等手段抽查接地网的腐蚀情况。然而,该方法费时费力,对于已经严重损坏的接地网更换也十分困难,所以最好的解决办法就是加强接地网的耐腐蚀性能。作为第一类防腐蚀方法,在接地网表面涂刷导电涂料,既可以保证接地网良好的导电性,同时又可以起到防腐蚀的效果。

1 接地网的腐蚀环境接地网埋设于地下因而受到土壤的腐蚀。各地土壤环境的不同和气候的差异造成了接地网腐蚀情况的不同。影响土壤腐蚀的主要因素包括土壤的含水量、pH 等。1. 1 含水量土壤中的含水量会影响金属腐蚀的速率。实验表明,在一定范围内,金属在土壤中的腐蚀速率随着土壤含水量的增加呈现先增大后减小的趋势。在土壤含水量较小时,土壤中的水分不能有效地形成腐蚀回路;随着含水量的增加,形成了高效的腐蚀回路,加剧了金属的腐蚀;当土壤含水量进一步增加,水中的可溶性盐就会被稀释,电导率下降,引起金属腐蚀速率的下降。不同地区的土壤含水量不同,土壤中金属的腐蚀情况也各不相同。同一地区,随季节的变化,土壤含水量也会发生变化,一般夏季降水相对较多,金属的腐蚀也会更严重。1. 2 含盐量土壤含盐量对土壤腐蚀性的影响见表1。

如表1 所示,土壤的腐蚀性随土壤含盐量的增加不断增强。这与土壤中的盐在金属腐蚀中起到的作用有关。土壤中大量的盐分有效降低了金属腐蚀微电池回路的电阻,使得金属腐蚀更容易进行。除此之外,土壤中的一些离子还会直接参与金属的电化学腐蚀,特别是Cl - 和SO2 -4对金属的点蚀和腐蚀影响较大。土壤中的Cl - 和SO2 -4对金属的腐蚀存在既协同又竞争的关系[9]。土壤中Cl - 会选择性地吸附在金属的钝化膜上,造成金属表面性质差异,从而加速吸附区钝化膜的溶解。由于Cl - 的选择性吸附主要发生在钝化膜表面存在缺陷处,因此,在金属表面往往形成点蚀,而非均匀腐蚀。当土壤中同时含有SO2 -4时,将促进点蚀进一步发展。SO2 -4吸附在金属表面时,将替代部分Cl - ,被替代的Cl - 大量聚集,加之金属溶解后水解引起pH 下降,导致点蚀的进一步发展。当大量的SO2 -4代替Cl - 吸附在金属表面时,被排挤的Cl - 就无法造成金属的点蚀。而SO2 -4对钝化膜的破坏没有Cl - 剧烈,因此,大量的SO2 -4吸附在钝化膜表面起到保护金属,抑制Cl - 腐蚀的作用[10]。因此,金属的腐蚀速率与Cl - 和SO2 -4的总量密切相关。除以上影响因素外,土壤中的氧、二氧化碳、土壤微生物的活动、杂散电流的存在以及接地网的泄流作用都会造成接地网的腐蚀。而直流电流对接地网腐蚀的影响远超过交流电流。1. 3 pH在酸性土壤中,金属电化学腐蚀的阴极反应以析氢反应为主,并且土壤酸性越强,金属腐蚀速率越大,此时的腐蚀表现为金属的全面腐蚀。在碱性土壤中,金属电化学腐蚀的阴极反应以吸氧反应为主,并且土壤碱性越强,金属腐蚀速率越大,此时的腐蚀常常表现为金属的局部腐蚀。

2 导电涂料用于接地网防腐导电涂料分为本征型导电涂料和添加型导电涂料。本征型导电涂料是以导电高分子聚合物为基本成膜物质制备而成的涂料。像聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩就是比较典型的本征型导电高聚物。添加型导电涂料是在绝缘的高聚物中加入导电填料,用其作为基本成膜物质制备而成的涂料。碳纳米管导电涂料就是以碳纳米管为导电填料的添加型导电涂料。常用的导电填料主要有碳系填料、金属填料、金属氧化物填料和纳米导电填料等。添加型导电涂料是目前应用比较广泛的一种导电涂料,其导电机理尚无定论,主流观点认为添加型导电涂料是通过导电填料相互接触形成导电通路而实现导电的。对于应用在接地网防腐蚀中的碳纳米管导电涂料来说,涂料优良的导电性能对接地网在电力系统的正常运行意义重大;此外,涂料良好的耐腐蚀性能对保证接地网系统的完整性,有效地发挥接地网在电网中的作用也十分重要。2. 1 碳纳米管性能对导电涂料导电性的影响2. 1. 1 分散均匀性对导电涂料导电性的影响对于碳纳米管导电涂料来说,其导电性能与导电填料的分散均匀性密不可分。从一定程度上说,导电填料分散的越均匀,导电涂料的导电性能越好。冯永成等将5%、10 ~ 30 nm 的碳纳米管加入到环氧树脂中并进行不同的处理,一种方法是通过球磨,加入偶联剂超声分散1 h,再加入固化剂超声分散0. 5 h,使碳纳米管得到较好的分散,最后制备成膜,测量电阻值;另一种方法是不经过上述处理,只进行简单的机械搅拌,制备成膜后测量电阻值。实验结果表明,前一种方法得到的涂层电阻为2 × 107 Ω·m,后一种方法得到的涂层电阻为3. 2 × 109Ω·m。由此可见,导电填料分散的均匀性是影响涂料导电性的重要因素。但是,在这个实验中,球磨处理可能会将碳纳米管截断,导致碳纳米管的长径比发生改变,这种改变可能会影响涂料的涂层电阻。2. 1. 2 添加量对导电涂料导电性的影响冯永成等制得一系列含量不同的碳纳米管导电涂料并测定其体积电阻率。结果表明:在实验范围内,碳纳米管的含量越高,导电涂料的体积电阻率就越小,导电性能也就越好。除此之外,在碳纳米管含量小于0. 5%的时候,导电涂料的体积电阻率随碳纳米管含量的增加并没有明显地改变;在碳纳米管含量为0. 5%时,导电涂料的体积电阻率急剧减小。范凌云等的实验也得到了相似的结果,当碳纳米管的体积分数小于8% 时,电阻值不可测;当碳纳米管的体积分数为8% 时,出现可测电阻;当碳纳米管含量从8%增加到15%,涂层电阻值陡降3 个数量级。这是因为有渗流现象的存在。

在冯永成和范凌云等人的实验中,其渗流阈值分别为0. 5%和8%,这说明不同体系的渗流阈值是不同的。渗流阈值与体系内的导电网链密切相关,并依赖于基体的自身特性、加工条件等因素,其大小与填充粒子的形态也有关系。涂料中碳纳米管含量达到渗流阈值后,涂料的导电性随着碳纳米管添加量的增加而增加的趋势开始放缓,此时大量添加碳纳米管对涂料导电性的改变已不明显。因此,渗流阈值的大小对碳纳米管添加量及涂料的经济性有重要影响。2. 1. 3 长径比对导电涂料导电性的影响一般来讲,导电涂料的导电性能会随着碳纳米管长径比的增大而增强。根据无限网链理论,碳纳米管的长径比越大,越容易形成导电通道,导电涂料的导电性能也就越好。冯永成等[13]将碳纳米管进行球磨截短,从而得到长径比不同的碳纳米管。然后将其制成导电涂层并测定涂层导电性。试验结果表明,在一定范围内,涂料导电性随碳纳米管长径比的增大而增强;当长径比进一步增大时,涂料导电性随长径比的增大而减弱。这是因为在碳纳米管长径比过小时,导电填料不易形成导电网链,这也就是球状导电填料不如片状或线状填料更有效的原因;当碳纳米管长径比过大时,碳纳米管之间更加容易发生缠绕,使得碳纳米管的分散更加困难,碳纳米管分散不均匀就会导致涂料的导电性能变差。导电填料的长径比对导电涂料的渗流阈值也会产生影响,其与渗流阈值的关系如式(1)、式(2 )所示。

式中:Pc—导电涂料的渗流阈值;Vex—导电填料的排斥体系;L—导电填料的长度;R—导电填料的管径;sinr—取向程度参数。由式(1)和式(2)可以看出,对于管径固定的碳纳米管,其管长越长,长径比也就越大,导电涂料的渗流阈值就越小。有些导电复合材料的渗流阈值可以低至0. 04% ~0. 07%[18]。这意味着,只需要添加很少量的碳纳米管就可以大大改善涂料的导电性能。当然,更大的长径比意味着需要更高的制造工艺水平和制造成本,同时,如上文所述,碳纳米管的长径比过大会造成碳纳米管之间更加容易发生缠绕,使得碳纳米管的分散更加困难,反而会导致涂料的导电性能变差。2. 1. 4 管径对导电涂料导电性的影响从碳纳米管的添加量和长径比对导电涂料导电性的影响可以看出,碳纳米管管径的改变会对碳纳米管的添加量和长径比产生影响。对于一定质量的碳纳米管来说,管径越大,碳纳米管的长径比就越小,涂料的导电性能就会变差;同样地,管径越大,单个碳纳米管的质量就会越大,碳纳米管的数量就会减少,由于渗流作用的存在,涂料的导电性能也会变差。理论计算表明,当管径大于6 nm时,碳纳米管的导电性能出现下降[19]。相反,管径越小对碳纳米管的生产工艺要求越高,成本也会提高。因此,碳纳米管的管径应该控制在相对合理的范围内,这个范围要由具体的实验得出。

2. 2 涂料的防腐蚀机理2. 2. 1 涂料的防腐蚀性能与涂层附着力的关系涂料防腐蚀的机理主要是涂层的屏蔽作用。屏蔽作用是指涂层将水、氧气和其他离子等导致腐蚀的物质与金属基体隔离起来,从而起到防止金属腐蚀的作用。研究表明,将碳纳米管按照一定的方式排列会使得碳纳米管具有很好的疏水性。根据碳纳米管的这个性质,研究者们制备了用于不同场合的具有疏水性的涂层,比如导电疏水涂层、透明疏水涂层、导电透明疏水涂层等。

实际上,涂层对水、氧气和其他离子等物质的屏蔽作用是有限的,大部分涂层对水都会有一定的吸收量。这是因为在涂层的干燥和固化过程中会形成很多空隙,水分子通过空隙进入涂层内部,与涂层中的极性基团结合,并留在涂层中。同样地,氧与其他离子也可以通过空隙进入涂层内部,到达涂层/金属界面。当这些物质聚集在涂层/金属界面的缺陷部分会引起涂层下金属的电化学腐蚀,这种腐蚀会导致涂层表面出现小泡。在起泡之前,整个涂层的附着力就已经出现了明显的下降,此时,残余的附着力使得涂层可以包围在小泡的周围,避免涂层与金属的大面积剥离而引起更严重的腐蚀。为了研究涂层下金属的腐蚀与涂层附着力的关系,有研究者制作了有附着力的涂层金属试片和无附着力的涂层金属试片,将2 种试片浸泡在3%NaCl 溶液中,观察试片表面的状况。无附着力的涂层金属试片在浸泡10 h后出现腐蚀现象,而有附着力的涂层金属试片在浸泡25 h后出才现腐蚀现象;并且无附着力的涂层金属试片出现明显的阳极区和阴极区,而有附着力的涂层金属试片只出现了很小的阳极区。2. 2. 2 碳纳米管对涂层附着力的影响添加的碳纳米管对于改善涂层的附着力有一定的作用。叶华等的实验表明,添加了碳纳米管的导电涂料的附着力比未添加碳纳米管的导电涂料的附着力高一个等级,并且涂膜的耐冲击性也有一定程度的提升;随着碳纳米管添加量的增加,涂膜的附着力保持在同一较高的等级,而且涂膜的耐冲击性随之不断增强;但是,当碳纳米管的添加比例进一步提高时,涂料的附着力和耐冲击性同时出现下降。因此,碳纳米管的添加量不仅会影响涂料的导电性能,还会影响涂层附着力及耐冲击性等。2. 2. 3 接地网用金属耐腐蚀性能比较对4 种试片在2 种不同的土壤模拟液中的腐蚀情况进行了比较,结果如表2 所示。

从表2 可以看出,在高盐碱性土壤模拟溶液和酸性土壤模拟液中,涂料试片和紫铜试片均表现出良好的耐腐蚀性。

3 结语(1) 碳纳米管的添加量达到渗流阈值时,涂料的导电性能得到显著改善,随后则趋于平缓;渗流阈值的大小与碳纳米管的长径比正相关;碳纳米管的长径比要选取在一个合适的值,长径比过小或过大都会导致涂料的导电性能变差。(2) 涂料的防腐蚀性能与涂层的附着力密切相关。涂层的附着力随碳纳米管添加量的增加呈现先增加后减小的趋势。

(3) 电力系统在遭受雷击或发生短路事故时,产生大电流给接地网造成严重的电流冲击。这要求涂料在承受大电流的冲击后依然可以保持涂层的完整和对基底金属良好的附着力。(4) 导电涂料在大型接地工程中的应用实例并不多,其防腐导电性能需要在实际的应用中做进一步的检验。

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