武漢大學(xué)科研人員在硝酸對(duì)硅橡膠的老化作用機(jī)理方面取得研究進(jìn)展

【橡膠技術(shù)網(wǎng) - 科技動(dòng)態(tài)】

　　硅橡膠復(fù)合絕緣子因具有質(zhì)量輕、憎水好、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。截至2018年底，在我國(guó)各電壓等級(jí)的電網(wǎng)體系中運(yùn)行服役的復(fù)合絕緣子總量超過(guò)900萬(wàn)支。其中，廣東電網(wǎng)110kV以上各電壓等級(jí)輸電線路中的復(fù)合絕緣子使用量已超過(guò)57萬(wàn)支。因此，研究復(fù)合絕緣子運(yùn)行失效過(guò)程中的主要老化因素及其作用機(jī)理對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

　　目前，復(fù)合絕緣子的運(yùn)行失效形式主要有內(nèi)絕緣擊穿和芯棒斷裂兩大類(lèi)，其中，脆性斷裂是較早發(fā)現(xiàn)的復(fù)合絕緣子斷裂失效形式且進(jìn)行了較多研究。目前認(rèn)為，硝酸引起的應(yīng)力腐蝕作用是導(dǎo)致絕緣子脆性斷裂的主要因素。同時(shí)，硝酸對(duì)硅橡膠護(hù)套的老化及硝酸在硅橡膠中的滲透對(duì)絕緣子脆斷起到了一定的促進(jìn)作用。因此，研究硝酸對(duì)硅橡膠的老化機(jī)理對(duì)闡明硅橡膠阻隔性能的下降及絕緣子的脆斷過(guò)程具有重要意義。

　　在運(yùn)行過(guò)程中，硝酸是由空氣中的氮?dú)�、氧氣在放電及潮濕條件下反應(yīng)生成，主要以液體形式存在。梁英在不同濕度下對(duì)硅橡膠進(jìn)行電暈放電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電暈放電電壓為10kV時(shí)產(chǎn)生的硝酸pH范圍在1.2～3.5之間。孫偉忠將復(fù)合絕緣子浸泡在不同濃度的硝酸溶液中發(fā)現(xiàn)，絕緣子表面憎水性出現(xiàn)不同程度的下降;J. Y. Koo等發(fā)現(xiàn)，硝酸會(huì)使復(fù)合絕緣子擊穿電壓大幅降低;楊堃等研究表明，硅橡膠在硝酸溶液的作用下，平滑、致密的表面被破壞，產(chǎn)生空洞等缺陷。

　　由此可見(jiàn)，目前的研究主要集中在硝酸對(duì)硅橡膠性能及表面結(jié)構(gòu)的影響，而硝酸對(duì)硅橡膠體內(nèi)聚二甲基硅氧烷(PDMS)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的影響則關(guān)注不足。作為一種復(fù)合材料，硅橡膠中PDMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是包裹無(wú)機(jī)填料的主體，也是決定硅橡膠表面憎水性的重要結(jié)構(gòu)因素。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解聚會(huì)導(dǎo)致硅橡膠機(jī)械、介電性能的大幅下降。

因此，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院等單位的研究人員主要了探討硝酸老化條件下，硅橡膠體內(nèi)PDMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。然而，現(xiàn)有的化學(xué)結(jié)構(gòu)研究手段，主要以高能電磁波或電子為探針，只能獲得材料表面局部信息，比如傅里葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）等，無(wú)法獲得硅橡膠內(nèi)部PDMS網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的信息。

　　研究人員將索氏抽提與氣相色譜-質(zhì)譜(Gas Chromatography- Mass Spectrometry, GC-MS)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)硅橡膠中未交聯(lián)的硅氧烷小分子進(jìn)行了量化測(cè)試，從硅氧烷小分子演化角度對(duì)硅橡膠中PDMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)狀態(tài)進(jìn)行研究。同時(shí)，索氏抽提使用硅橡膠樣品量相對(duì)較大，克服了微觀測(cè)試分析樣本較小、獲取信息過(guò)于局部的缺陷。

圖1 硝酸溶液浸泡試驗(yàn)示意圖

　　他們將硅橡膠浸泡在pH=1的硝酸溶液中不同時(shí)間，并利用GC-MS、熱重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)等方法，從PDMS主鏈降解及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物、側(cè)鏈氧化兩個(gè)方面分析了硝酸對(duì)硅橡膠的老化作用機(jī)理，為解釋硅橡膠在硝酸作用下的性能變化提供了扎實(shí)的試驗(yàn)依據(jù)。

　　研究人員最后得出結(jié)論如下：

　　1)硝酸的酸性條件使硅橡膠中的Si-O鍵斷裂，最終隨機(jī)生成硅氧烷小分子，導(dǎo)致硅橡膠中D4～D7含量明顯增多。進(jìn)一步的分析證實(shí)，生成的D4～D7來(lái)源于硅橡膠中主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中PDMS的解聚而非D8～D20小分子的分解。

　　2)硝酸的強(qiáng)氧化性使硅橡膠中PDMS側(cè)鏈Si-C鍵斷裂，導(dǎo)致Si元素的相對(duì)含量增加，C元素的相對(duì)含量減少。Si-C鍵經(jīng)過(guò)斷裂交聯(lián)后，使硅橡膠表面生成類(lèi)似SiOx(x=3, 4)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)硅氧層，最終導(dǎo)致硅橡膠表面無(wú)機(jī)化，憎水性減弱。

　　3)硝酸的強(qiáng)氧化性也會(huì)將硅橡膠表面甲基中的C-H氧化成極性的C-OH，使硅橡膠中的甲基含量減少，進(jìn)一步導(dǎo)致硅橡膠表面憎水性下降。