1、多针-平板介质阻挡放电提高玻璃表面憎水性的研究绝缘材料 2005No.4 查笠!盐二堑敦电提高玻璃表面憎水性的研究多针一平板介质阻挡放电提高玻璃表面憎水性的研究方志,王辉,邱毓曰 2 曰(1.南京工业大学自动化学院,南京 210009;2 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安 710049)摘要:用大气压空气中多针一平板电极结构的 DBD 对玻璃表面进行憎水性改性.通过测量水接触角,表面电阻和湿闪电压等研究了这两种形式 DBD 产生的等离子体处理前后玻璃的表面特性以及处理电压和处理时间对改性效果的影响.结果表明:在玻璃表面涂一层二甲基硅油并经等离子体处理后 .能在玻璃表面生成一层长
2、效,致密的憎水膜.随处理电压和处理时间的不同,改性效果不同,当处理电压 10kV,处理时间 8min 时提高憎水性效果最明显.关键词:常压低温等离子体;介质阻挡放电;多针一平板电极; 表面改性;憎水性中图分类号:TM213;TM203:TQ171.12 文献标识码:A 文章编号:1009 9239(2005)04002305Researchonimprovinghydr0ph0bicityofglasssurfaceusingmultineedle?-to?-planeelectrodedielectricbarrierdischargetreatmentFANGZhi,WANGHui,OIU
3、Yuchang(1.SchoolofAutomation,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China2.StatekeyLaboratoryofElectricalInsulationforPowerEquipment,XianJiaotongUniversity,Xia7l710049,China)Abstract:Surfacetreatmentofaglasssurfaceforimprovinghydrophobicityusingthenonthermalplasmageneratedbyamultineedletoplanee
4、lectrodearrangementdielectricbarrierdischarge(DBD)atatmosphericpressureisconducted,andthesurfacepropertiesoftheglassbeforeandaftertheDBDtreatmentarestudiedusingcontactanglemeasurement,surfaceresistancemea-surementandwetflashovervoltagetests.Theeffectsoftheappliedvoltageandtimedurationofthesetwodisch
5、argesonthesurfacemodificationarestudied,andtheoptimalconditionsforthetreatmentareobtained.ItiSfoundthatalayerofhydrophobiccoatingisformedontheglasssurfaceaftersprayingathinlayerofsiliconeoilandundergoingtheDBDtreatment,andtheimprovementofhydrophobicitydependsonDBDvoltageandtreatmenttime.Itseemsthatt
6、hereexistsanoptimumplasmadoseforthesurfacetreatment.ItiSconcludedthatCH3andlargemoleculeradicalscanreactwiththeradicalsintheglasssurfacetoreplaceOH.andthehy-drophobicityoftheglasssurfaceiSimprovedaccordingly.Keywords:atmosphericpressurenon-thermalplasma:dielectricbarrierdischarge(DBD);multineedie.to
7、.planeelectrode;surfacetreatment;hydrophobicity收稿日期:20050519作者简介:方志,男.博士.主要从事高电压绝缘和气体放电技术在材料处理方面的研究工作(Email:). 邱毓昌,男,教授,博士生导师,美国电气与电子工程师学会会员(IEEEFellow),从事高电压技术与气体放电应用等方面研究工作,发表论文 400 余篇(E.mail:ycqiumail.xjtu.edu.on).1 引言介质阻挡放电(DBD)是一种由固体绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式.DBD 在大气压下就能产生大量具有较高电子能量的化学反应所需的活性粒子而无需真空设备
8、,在工业化应用上具有广阔的前景,十分适合大规模,连续化工业应用.目前,这丝查笠:垒二振介质阻挡放电提高玻璃表面憎水性的研究绝缘材料 2005N0.4种放电在臭氧合成,准分子光源,激光发生器,环境保护等方面都获得了广泛应用,同时 DBD 用于材料表面改性方面的研究工作在国际上已经广泛地开展起来.处理的材料主要集中在聚合物,纺织品和金属等,通过 DBD 处理来改善它们表面的吸湿性,可染性,粘接性及导电性等,从而提高它们的应用价值 nqI.在一些工业应用的场合,常常要求材料表面具有良好的憎水性.例如,绝缘子污闪是电力系统常见故障之一,研究防止绝缘子污闪的方法主要是提高绝缘子表面的憎水性 H】.在这些
9、应用场合中,具有较长运行间隙范围和较高运行气压范围的 DBD 等离子体就体现出其独特的优点.在以前的研究中,本文作者曾用平板一平板电极 DBD 等离子体对 PTFE 和 PET薄膜进行表面改性,使薄膜的亲水性明显增强51I.但是工程中使用的绝缘子形状复杂,用平板一平板DBD 产生的等离子体来进行表面改性并不适用.为克服平板一平板电极 DBD 的缺点而设计了一种多针一平板电极结构的 DBD,兼有传统 DBD 的特性和针一板电极电晕放电的特性,适合于对表面形状复杂的材料进行表面处理 1o 瓷绝缘子的主要成分由玻璃相,石英,莫来石结晶和气孔四部分组成,其表面釉主要是玻璃相,因此用玻璃片模拟陶瓷绝缘子
10、,研究多针一平板电极结构的 DBD 产生的常压低温等离子体对玻璃表面进行憎水性改性.2 试验装置及方法2.1 试验装置研究是在敞开的空气环境下进行的,试验装置及其电气接线如图 1 所示.啷1,多针电极 2.平板电极 3.阻挡介质图 1 表面改性处理的试验装置及其电气接线图电极布置采用多针一平板结构,多针电极面积为50mmx50mm,16x16 个不锈钢针均匀的分布其上,针与针之间的距离为 1.25mm,针尖直径约为60m.下电极为面积 50mmx50mm 的黄铜平板电极,待处理的玻璃作为阻挡介质覆盖在接地电极上,其厚度为 2mm,大小为 100mmx100mm.试验时,电极间隙的调节范围为 1
11、30mm,电源采用输出电压范围为 050kV 的工频试验变压器.放电的电压波形通过由电阻 R 和 R:构成的电阻分压器来测量 .放电电流波形通过在放电回路中串联一个阻值为100 的无感电阻 r 获得,电极的极板上电荷通过在放电回路中串联一个 2nF 的电容器 C.获得,试验中采用的记录仪器为 TDS 一 3052 示波器.试验时的温度为室温 18,气压为 95kPa.2.2 试验方法试验前先将试样放入蒸馏水和酒精中洗净,除去表面污染物,干燥后放入放电空间进行处理.试验步骤为:利用介质阻挡放电产生的等离子体先将试样表面预处理一次.然后在试样表面均匀地涂上一层二甲基硅油,再用等离子体处理一次后,擦
12、去表面油迹,得到改性后的试样.2.3 测试手段通过测量表面水接触角,表面电阻和湿闪络电压等手段研究 DBD 等离子体处理前后试样表面憎水性能和电气性能的变化.接触角测量在处理后立即进行,在试样表面滴上 2I 的去离子水,选取 9 个测量点分别测量后取平均值.表面电阻测量采用 ZC36 型高阻计,测量时用喷雾器向横置的玻璃片垂直喷洒自来水雾 n.湿闪络电压的测量方法,在放电处理过的区域两侧贴上宽度为 12mm 的铜箔,对试样表面进行垂直喷雾,测量此时的闪络电压值,处理前后试样的表面化学成分可通过红外光谱分析.3 结果与讨论3.1 处理电压对表面电阻和接触角的影响未经等离子体处理的玻璃片的水滴接触
13、角为53.,图 2 给出了多针一平板 DBD 改性前后玻璃试样的照片,对未处理的玻璃表面(照片右侧),水滴形成连片的水膜,而经过等离子体处理后(照片左侧),滴在表面的水珠是分立存在的,说明等离子体处理后玻璃表面的憎水性明显增强.一(右面为改性前.左面为改性后)图 2DBD 等离子体处理改性前后玻璃表面水滴照片丝堡塑整旦!:兰查箜查笪二塑亟礁皇提高玻璃表面憎水性的研究 25图 3 给出了试样表面的水接触角和表面电阻随多针一平板 DBD 处理电压变化的情况(处理时间保持为 llmin).从图中可以看出,随着处理电压的增加,处理后试样的表面水接触角和表面电阻均增大.接触角和表面电阻在处理电压为 8k
14、V 时分别达到最一:一躲重霸O2468lol2l4处理电压(kV)a 一接触角变化大值 121.和 1.4410on.处理电压继续升高,处理后的接触角和表面电阻均不再发生明显的变化,在12.5kV 下处理后测得的接触角和表面电阻甚至略有下降,分别为 114.和 1.3810on.3.2 处理时间对表面电阻和接触角的影响a,一巍恒45678910lll2l3处理电压(kV)b 一表面电阻变化图 3 表面电阻和接触角随处理电压变化的情况为了研究接触角和表面电阻随处理时间的变化规律,保持处理电压使之固定为 lOkV,测量试样表面的水接触角和表面电阻随等离子体处理时间变化的情况,所得到的结果如图 4
15、所示.从图中可以看出,接触角和表面电阻随等离子体处理时间的增加而增大.由图 4a 可见 ,等离子体作用 2min 时,接触角就有l3O1lO躲 9O重|簿 57050024681012l4l6处理时间(rain)a 一接触角变化了明显的上升,等离子体作用 8min 时,试样表面水接触角上升至最大值 121.,等离子体继续作用,接触角没有明显的变化.表面电阻的变化规律与接触角的变化规律有所不同,但也在处理时间为 8min 时达到1.4410on,与未做任何处理相比(4.1410),表面电阻上升 3 个数量级.1.610m1.2IO,Q巍8.0l恒辩4-0l0246810l214l6处理时间(ra
16、in)图 4 表面电阻和接触角随处理时间变化的情况3.3 处理时间对湿闪电压的影响湿闪电压是判断憎水性好坏的一个重要指标,如果试样的憎水性较差,在外加电压不高时就会形成导电通道,发生闪络.为了研究试样表面的湿闪电压等离子体处理电压和处理时间变化的规律,在保持处理电压和处理时间分别为 lOkV 和 8min 时测量了湿闪电压随处理电压和处理时间变化的情况,所得到的结b 一表面电阻变化果如图 5 所示.从图中可以看出,当处理时间一定时(8min),湿闪电压随处理电压的增加而上升,处理电压为 8kV 时,处理后试样的湿闪电压达到最高值19.1kv.同样,处理电压不变时(10kv),湿闪电压随处理时间
17、的增加而上升,在处理时间为 8min 时达到最大值 19.1kV,与未作任何处理(8.2kV)相比,提高了 133%.6 等:多针一平板介质阻挡放电提高玻璃表面憎水性的研究绝缘材料 2005N0.4墨 18赠邑坦罾硝165678910II1213处理电压(kV)a 一随处理电压变化的情况02468l0l2l4l6处理时间(rain)b 一随处理时间变化的情况图 5 湿闪电压随处理电压和处理时间变化的情况3.4 改性机理分析等离子体表面处理是等离子体与被处理表面之间相互作用的过程.玻璃的主要成分是 SiO,纯的SiO 表面是憎水的 .玻璃表面的亲水性来自于表面的碱金属离子,羟基,二氧化硅的水解倾
18、向和微小的裂缝.空气中 DBD 放电能产生大量的活性粒子,如正离子,原子氧,臭氧,氮氧化物,中性粒子,激励态分子,自由基和紫外线辐射等 nlo 它们中的一部分轰击玻璃表面,可以打开其表面化学键,形成溅射作用(如:正离子在空气中受到电场作用而运动,离子积聚了一定能量后轰击固体物质,一个正离子能够轰击出1 到 50 个表面原子),除去玻璃表面的碱金属离子和羟基等.因此,在涂敷硅油前要先用等离子体对试样表面进行预处理.试验中玻璃表面添加的憎水剂是二甲基硅油(CH3)3SiO【Si(CH3)20】Si(CH3)3,它在 DBD 等离子体作用下,可以发生化学键断裂,生成甲基(一 CH,),大分子自由基(
19、CH3)3Si0【Si(CH3)】Si(CH3 和其它的一些含有甲基的基团等【l.二甲基硅油在 DBD 等离子体作用下,其分子的化学键的主要断裂方式为:导 Oi-OCHCH,一 f_-卜 CH,LcH,jch,.lc,lc,一o0f_=i-CH,CH,CH,lCH,jc.H,甲基和大分子自由基可以在置换羟基的前提下与玻璃表面发生反应,在玻璃表面键合了一层致密的,含有甲基的憎水膜.图 6 给出了 DBD 等离子改性前后试样表面的FTIR 谱图 .从图中可以看出,等离子体处理后的试样表面出现了 3 个有机基团峰.查阅有关文献可知【l1,波数为 1460cm 的峰对应于 Si(CH,)中的 CH,非
20、对称振动峰;波数为 1355cm-1 的峰对应于 SiCH 一 Si 中的 CH 振动峰 ;波数为 2955cm 的峰对应于 CH,对称振动峰.同时 SO(SiOSi)峰在1070cm1 处,比等离子体处理前的 1030cm 处略有位移,说明这些有机基团已和 SI-O 发生了键合作用.这些基团阻止了水对内部极性键的侵袭,从而使玻璃表面憎水性得到了提高.冰V碍捌冰V碍翅煅400030002000l500l0006OO波数(cm)a 一处理前4000300020001500loo0600波数(em.)b 一处理后图 6 等离子体处理前后试样的红外光谱图随着放电的继续进行,反应还会发生,产生的活性粒子将越来越多,但由于可以置换的羟基是有限(下转第 31 页)
