交联剂含量对硅橡胶耐电晕能力的影响

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：交联剂含量对硅橡胶耐电晕能力的影响学习中心： 内蒙古学习中心 学 号： 090F07123012 姓 名： 张 晓 龙专 业：电气工程及自动化 指导教师： 刘 真 2015 年 9 月 18 日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名： 张晓龙 学号：090F07123012 专业：电气工程及自动化 毕业设计（论文）题目：交联剂含量对硅橡胶耐电晕能力的影响 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请指导教师按以上要求填写意见，2.学生在上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，指导教师要重新填写意见及新的指导日期。（指导教师填写指导意见时请将填写要求删除,学生论文不及格后，每次重新撰写的论文指导老师都要重新填写指导意见，否则评阅老师不予以评阅！）指导教师结论： （合格、不合格）指导教师姓名所在单位指导时间中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名： 张晓龙 学号：090F07123012 专业：电气工程及自动化 毕业设计（论文）题目：交联剂含量对硅橡胶耐电晕能力的影响 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）填写要求：1.请评阅教师按以上要求填写意见，2.上传论文时不得将以上括号内的内容删除。3.当学生论文评阅成绩不及格重写时，评阅教师要重新填写意见及新的评阅日期。 （评阅教师填写评阅意见时请将填写要求删除，学生论文不及格后，由论文指导老师重新提交的论文，评阅老师都要重新填写评阅意见！）修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。）毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 评阅结论： （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名所在单位评阅时间论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文交联剂含量对硅橡胶耐电晕能力的影响，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：张晓龙日期：2015年9月18日摘 要硅橡胶合成绝缘子由于具有重量轻、机械强度高以及极好的耐湿闪和污闪性能等优点，在国内外得到了广泛的应用。但随着使用年限的增加，硅橡胶合成绝缘子也引发了不少危害输电线路可靠性的事故，合成绝缘子老化问题正越来越受到运行部门和研究单位的关注。本文综述了几十年来国内外对硅橡胶耐电晕老化机理的研究状况，并制备了室温硫化（Room Temperature Vulcanization，RTV）硅橡胶样品，对其进行了120h交流电晕。测量了硅橡胶在恢复不同时间下的静态接触角，测量了电晕完成及恢复后的ATR-FTIR（Attenuated Total Reflection Flourier Transformed Infrared Spectroscopy）。分析了交联剂含量对硅橡胶耐电晕老化能力的影响，发现电晕后的硅橡胶样品起初憎水性完全丧失，但随着时间的增加，憎水性逐渐恢复，憎水性基团含量逐渐增加。本文对于更好地理解合成绝缘子的耐电晕老化机理以及科学评估合成绝缘子的使用寿命具有重要意义。关键词：合成绝缘子；硅橡胶；电晕；老化；交联剂CROSS-LINKING AGENT CONTENT O-N THE CORONA-RESISTANT SILICO-N RUBBER AGING ABILITY AbstractAs a result of the performance advantages, for example light weight, high mechanical strength and excellent moisture flashover and pollution flashover, silicone rubber composite insulators has been widely used at home and abroad. But with the increase of the service life of the silicone rubber composite insulators, there are many accidents that endanger the reliability of transmission lines, composite insulators aging problem is more and more get the attention to run departments and research units. This paper reviews for decades at home and abroad on the study of silicone rubber corona resistant mechanism of aging, and prepares room temperature vulcanized (Room Temperature Vulcanization, RTV) silicone rubber samples and proceed 120h AC corona to it. Measuring the static contact angle of the silicone rubber at different times of recovery, measured the ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection Flourier Transformed the Infrared Spectroscopy) in corona completed and restored. The analysis of the influence of the cross linking agent on the resistance of silicone rubber corona aging, found that the hydrophobicity of silicone rubber samples after corona is completely bankrupt. But with the increased of time, hydrophobicity is gradually restored, hydrophobicity groups also increase gradually. This article has important significance for a better understanding of the composite insulator corona aging mechanism and the scientific assessment of the service life of the composite insulator.Key words: Composite insulators; silicon rubber; corona; aging; cross linking agentVI中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）目录一、绪论1（一）.论文的选题背景及意义1（二）.国内外的研究现状21、电晕放电22、影响因素23、机理分析2（三）.本论文的研究内容3（四）.小结3二、接触角及ATR-FTIR测量3（一）.固体绝缘材料耐电晕老化测试系统31、硬件系统的设计与实现42、软件系统的设计与实现5（二）.静态接触角法71、憎水性测试装置72、接触角测量仪的使用方法83、接触角测量94、接触角算法10（三）. ATR-FTIR的测量101、ATR-FTIR的背景102、红外光谱图像系统113、傅里叶变换红外光谱学原理114、ATR-FTIR的测量过程125、红外光谱仪的日常管理与维护13三、RTV的制备13（一）、RTV防污闪涂层技术要求131、憎水性132、憎水长效性13（二）、RTV的基本组成141、基胶142、交联剂143、 溶剂与填料15四、交联剂含量对电晕老化的影响16（一）交流电晕下RTV试片憎水性变化情况16（二）电晕后RTV试片的憎水性恢复情况171、电晕后时间对RTV试片的憎水性恢复的影响172、电晕后不同交联剂含量对RTV试片憎水性恢复程度的影响183、 ATR-FTIR结果分析21五、结论24参考文献25致谢2625中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）一、绪论（一） 论文的选题背景及意义随着输电电压的提高和电网分布总量的增加，电力架空输电线路覆盖面逐年扩大，电力系统对绝缘子的要求越来越高，其运行状态的好坏直接关系到电网的稳定与安全。用作绝缘子的材料可分为无机和有机两种。无机材料主要是电工陶瓷和钢化玻璃，随着大气污秽程度的加剧和输电电压的提高，以陶瓷和钢化玻璃为材料的绝缘子的老化问题表现的日益突出。这就急切要求有一种更好的材料代替陶瓷和钢化玻璃。随着高分子合成技术的迅速发展，20世纪中期，世界上一些发达国家研究和开始使用有机合成绝缘子。有机材料包括环氧树脂、聚四氟乙烯、乙丙橡胶和有机硅材料等 ,有些国家甚至还采用了丁基橡胶、聚烯烃类材料等。其中，以硅橡胶材料为外绝缘的合成绝缘子凭借自身具有耐高低温 ( - 110300 )、耐臭氧、耐紫外线、耐气候、电绝缘和疏水等优点。另外，硅橡胶重量轻、耐冲击，在运输和安装过程中不易损坏1。在国内外得到了广泛的应用。但随着使用年限的增加，合成绝缘子长期在户外带电运行，会受到日照、冰雪、高湿、温差等自然环境因素的影响，不可避免地会发生了电晕老化。电晕放电导致的合成绝缘子老化时有发生。夜间通过图像增强仪对输电线的观察得知，在潮湿条件下，每条线路都会发生电晕放电，据黑龙江牡丹江电业局、河北衡水供电局、浙江送变电公司等地区的现场多次反映，在污湿环境下运行的合成绝缘子，经常在杆塔下听见“吱吱”的声音，这就是合成绝缘子表面电晕放电发出的声音。贵州安顺地区运行3年多的合成绝缘子，背光伞裙下表面明显变白，并伴随表面粗糙度明显增大；广东佛山运行56年的合成绝缘子，在背光的伞裙下表面都呈轻微的粉化性痕迹。这些是电晕腐蚀合成绝缘子伞裙下表面而出现的老化现象。此外，金具端部的高场强引起空气电晕的电蚀老化将更为严重。天津电力局拆下的运行45年的220kV合成绝缘子，在产品高压端的护套上出现颜色较深的电腐蚀现象；浙江兰窑线运行近4年的500kV合成绝缘子，在产品高压端靠金具附近的护套上有明显电晕老化痕迹；浙江省从国外进口的多台复合绝缘设备就是因靠金属端部四周绝缘表面发生较深电蚀老化损坏而退出运行的2。因而许多绝缘子引发了不少危害输电线路可靠性的事故，硅橡胶绝缘子老化问题受到越来越多的人关注。有机合成绝缘子老化会影响其运行的稳定性,甚至影响电力系统的稳定性,因此有必要对硅橡胶材料的老化问题进行研究。放电(尤其是电晕放电)是导致合成绝缘子老化的重要因素,也是硅橡胶材料憎水性丧失的主要因素之一3。因此，有效地模拟电晕老化，针对性地开展电晕条件下硅橡胶老化特性的研究,探寻其老化机理，对于科学评估其使用寿命，指导材料配方改进等具有非常重要的理论意义和实践价值。（二）、国内外的研究现状1、电晕放电电晕放电主要是由于金具，绝缘子设计安装不当或者水煮污秽等畸变周围场强分布，以致超过空气击穿场强而引起的。电晕放电在轻度污秽或清洁条件下也能发生，并且这种放电持续时间很长，威胁更大。电晕放电使材料结构破坏，憎水性丧失，进一步引发电弧放电，使材料表面产生漏电起痕和电蚀损，导致其失去使用价值4。 国际上主要研究机构如IEC,美国的EPRI，意大利的CESI等都提出了各自的加速人工加速老化试验方法5。清华大学和中国科学电力研究院共同提出了一套新的加速老化试验方法，其主要思想是在盐雾中加入了不可溶盐成分，并延长了盐雾和氙灯的照射时间，以期更适合国内绝缘子的现场运行情况。2、影响因素（1）电压随着外加电压的升高，当外加电压形成的电场达到一定强度时，空气中便会产生稳定的电晕放电。电晕放电产生大量的电子，离子等带电粒子，同时气隙中含有氧氮，水蒸气时，还会形成臭氧和硝酸，这些因子共同作用于材料表面6。外加电压的不同可能会引起带电粒子能量，臭氧和硝酸含量的变化，继而对绝缘材料表面的老化性能产生影响。（2）湿度 在空气湿度相对较大的地区，合成绝缘子表面容易发生电晕放电，进而可能威胁到合成绝缘子的可靠运行7。可见，湿度是影响合成绝缘子电晕老化的一个重要因素。国外研究着对此进行了相关的研究，结果表明湿度不仅影响材料电晕老化的进程，而且会改变其电晕老化机理。（3）温度为研究温度对交流电晕导致硅橡胶憎水性丧失和恢复的影响，华北电力大学的徐志钮等人做了大量试验8。实验表明，温度是影响合成绝缘子电晕老化的一个重要因素，高温使电晕导致的憎水性丧失速度减慢，使电晕后憎水性恢复速度变快。3、机理分析 电晕导致硅橡胶憎水性下降的机理大致分为三种9：1、放电产生的臭氧与PDMS发生氧化反应生成硅醇和硅醇烷，而他们是亲水性物质，因此是憎水性下降。2、硅橡胶温度降低后裂解反应中产生的自由基会发生交联反应伴随生成氢气、乙烷等小分子物质和硅醇，硅醇导致其憎水性下降。3、若硅橡胶表面存在水珠，PDMS与水发生水解反应生成硅醇和硅醇烷，二者是其憎水性下降。 硅橡胶的憎水性只有当电压达到起晕电压时才会随电压作用的时间增加而逐渐减弱，通常在20min内会完全丧失，并且电晕电压越高，硅橡胶憎水性丧失速度越快。若电晕电压较低且作用时间不长，则硅橡胶的憎水性通常是可以完全恢复的。若长时间高强度作用后，硅橡胶的憎水性并不能完全恢复。电晕电压不同或作用时间不同，引起带电粒子能量或作用时间的改变，导致带电粒子轰击硅橡胶表面时对其表面形态的破坏作用和程度不同，进而影响了憎水性。 在电晕时间较短时（24h），试验表面的憎水性恢复速率与电晕时的相对湿度没有明确的联系。当电晕时间较长时（48h），试验表面的憎水性恢复速率与电晕时的相对湿度的增加而减慢。当电晕时间更长时（96h），试验表面的憎水性永久丧失。总体来看，电晕时的相对湿度越小，憎水性恢复的程度越高10。硅橡胶的憎水性恢复时所处的温度越高，其内部的小分子LMW迁移速度越快，故憎水性的恢复速率也越快。同样，处于电晕状态时的LMW也进行迁移，阻碍憎水性的丧失。因此，电晕是温度越高憎水性的丧失速度也越慢。（三）、本论文的研究内容本论文将主要研究交联剂含量对硅橡胶电晕老化的影响。将根据目前国内外学者的研究现状，结合电晕老化的发生特点，提出实验方案，设计具体的实验步骤。在根据实验方案进行实验，测量老化前硅橡胶试样的接触角，老化后随着恢复进行不断测量接触角，并对所测得的数据进行处理。测量老化前后硅橡胶试样的ATR-FTIR，从实验数据中进行深入的分析与探究，最终得出结论。（四）、小结本章是在参考了大量文献的基础上完成的，主要是介绍了本论文的研究意义，复合绝缘子在国内外的发展历史，在我国国内目前的应用运行情况及存在的问题，硅橡胶电晕老化的国内外研究现状，并在本章最后简要介绍了本论文的主要研究内容、方法。二、接触角及ATR-FTIR测量（一）固体绝缘材料耐电晕老化测试系统本文主要通过对HTV硅橡胶在不同电晕条件下的相关老化特性进行研究，探索电晕条件下HTV硅橡胶材料的老化机理，探寻评估其老化程度的有效方法。因此，根据实验需要，本文设计了一套固体绝缘材料耐电晕老化测试系统，该系统能够在设定的各种条件下对HTV硅橡胶进行电晕老化试验。本章将主要介绍该试验系统的研制及试验方法，并对试验中涉及到的相关特性评估方法，接触角测量、憎水性测试及FTIR等方法逐一进行介绍。为了研究HTV硅橡胶在电晕条件下的老化特性及机理，首要问题就是使HTV硅橡胶材料在一定的时间内发生电晕老化，即需要考虑试验周期的长短。为了缩短试验周期，有些研究者采用等离子体放电或辉光放电等高频放电形式对硅橡胶的老化问题进行研究，并将试验结果与电晕条件下的老化相等价。提高放电频率不失为加速固体绝缘材料电老化的一种方法，但与现场中工频条件下的电晕放电能否简单等价需要进一步研究；还有一些研究人员通过提高外加电压加速硅橡胶电晕老化，由于试验条件的不同及所采用的电极结构、试样尺寸等的差异，使得试验结果缺乏可对比性。目前，我国在固体绝缘材料的耐电晕性试验和测试方面前人已做了大量研究。因此，本文参照徐志钮等学者研究温度对硅橡胶憎水性的影响，设计了一套固体绝缘材料耐电晕老化测试系统，该系统有16个针板电极，采用有限元分析软件ANSYS建立了多针板电极模型并进行了电场分析，分析和试验结果验证了各针板电极之间电晕效果具有一致性。能够对HTV硅橡胶在不同条件下的电晕老化现象进行系统的试验研究。1、硬件系统的设计与实现系统用电压互感器产生高压，用调压器调节电压，用针板电极产生电晕需要的极不均匀电场，用采集卡采集施加于电极上的电压和电极间流过的电流信号。电晕测试系统的示意图如图2-1所示。图2-1中，T1为调压器，T2为电压互感器，R1为保护电阻，C1和C2组成电容分压器，R2为取样电阻。测量系统的实物图、针板电极及恒温恒湿箱如图2-2所示。电源为天津互感器厂生产的JDJ-10型电压互感器，电压比为10KV/100V；调压器为四方电器公司精密互感器厂生产的KG-50型控制柜，输入输出电压为220/(0250)V，容量为5KVA，同时它在实验回路中充当开关；保护电阻阻值为10K；电流信号通过20K无感电阻取样获得，电压信号通过电容分压器取样获得，分压器的变比为4270；采集卡为NI公司的USB-9215A高精度同步数据采集卡，最高采样频率为100kHz，采样分辨率达到16位，最大输入范围为-1010V，可同步采集4通道模拟输入数据。采用针板电极产生极不均匀电场，针电极的中心与板电极的中心对应。系统有16个针板电极，所有的针电极和板电极各自固定于环氧玻璃布板上，这样可方便调整极间距，板电级以及恒温恒湿箱工作室的铁壁接地，针电极接电源高压侧。恒温恒湿箱为ETH-100-20-SP-SD型可程式恒温恒湿试验机，该箱能实现温度在-20150C、相对湿度20%98%范围内可调。图2-1 电晕测试系统示意图（a）测试系统 （b）针板电极和恒温恒湿箱图2-2 电晕测试系统实物图2、软件系统的设计与实现基于NI公司的图形化编程语言LabVIEW 实现了1套硅橡胶电晕测试软件系统，系统实现了采样参数的设置、针板电极间施加电压和流过针板电极总泄漏电流的采集和显示、电压信号的滤波和显示、放电脉冲电流的提取和显示、放电累计电荷计算和显示、以及针板极间施加电压和电流信号的存储。软件流程图和主界面如图2-3所示。 （a）流程图 （b）程序主界面 图2-3 程序的流程图和主界面（二）、静态接触角法1、憎水性测试装置硅橡胶表面的憎水性测试用到接触角测量仪，本文采用美国科诺工业有限公司的 SL200A/B、动/静态接触角测量仪及其配套的分析软件，如图2-4所示。接触角测量仪硬件部分包括调整控制架、光学成像系统和进样系统。其中调整控制架有精度高、稳定性好、操作方便等优点。调整架是全部采用高级航空铝制成的精密光学平台，保证了高精度稳定控制各部件的移动。整体式旋转平台设计，尽量避免无单体旋转中心点丢失问题，更有利于分析滚动角以及前进后退角的测试。光学成像系统有无变形、清晰度高以及连续拍摄技术等优点。软件部分可适用于多种液滴，比如停滴、悬滴、气泡虏获法以及插板法。它还拥有6种计算接触角的方法和约20种曲线拟合技术，例如法、切线法、圆拟合法、椭圆拟合、杨氏方程拟合、曲线尺法，均适用于分析动/静态接触角值。此外，该软件还支持自动生成曲线图和备份、压缩、导出 EXCEL 表格。图2-4 接触角测量仪接触角测量仪的具体参数如下：（1）光学系统：硬件包括标准 CCD 摄像机（USB 接口）和显微镜静态系统（2）测试液滴状态：悬滴法、停滴法、气泡虏获法、插板法（3）接触角分析方法：/2 法（量高法）和切线法（4）接触角计算方法：人工计算和自动计算（5）拍摄图像方法：单张拍摄和连续拍摄（6）接触角测试范围：390时，材料表面是憎水的。 图2-6静态接触角定义通过静态接触角测量仪器、测量显微镜或照相等方法可测量静态接触角的大小。此方法测量简单，定量准确，可方便地用于材料表面憎水性的评估。相对于喷水分级法等方法，静态接触角法更适合于实验室中对面积小的材料的憎水性测量。本文中用于憎水性测试的试样均为直径不大于30mm的硅橡胶试样且表面无染污，因此选用了静态接触角法。具体测量过程如下：采用微量取样器摄入10uL去离子水，滴于试样表面；通过具有lcm微距功能的相机，垂直于试样表面在1min内拍下此水滴的照片；将所得图像传入计算机，通过计算软件即可求得静态接触角口的大小。电晕后表面变得粗糙且生成了亲水性物质，滴水后水珠处于亚稳态，接触角测量存在一些迟滞现象，具体表现为从水珠刚滴下很短时间内接触角变化速度较快。接触角测量时，由于不同组试验试样的厚度尤其是试样存在一定倾斜等因素的影响，导致虽然测试台已经处于水平状态了但此时试样表面未必处于水平状态，此时拍摄所得水珠图像是被遮挡或倾斜的，测量结果与实际情况下的可能会存在较大的误差，需要仔细调节测试台使试样上表面处于水平状态，同时要调节测试台高度使其与CCD相机的高度能很好配合，不至于过高或过低影响测量所得接触角的精确度。4、接触角算法切线法通过肉眼获得液滴在三重线处的切线，传统上通过背景上的量角器可以直接读出接触角，但目前大多基于数字图像，故常通过数值方式基于半角定理计算获得。切线法实现容易，计算量小，但没有很好利用液滴边缘信息，准确性和稳定性略差，比较适合于液滴不规则的情况。当液滴体积较小时，液滴呈球状，反映在图像上的液滴边缘为圆形的一部分，获得液滴边缘点后可利用最小二乘拟合算法获得圆方程，进而获得接触角，最小二乘的迭代算法可选择Levenberg-Mar-quardt算法。该算法在液滴体积较小的情况下具有较高的准确性。随着液滴体积的增加,液滴逐步接近于椭球，反映在图像上的液滴边缘为椭圆的一部分，获得液滴边缘点后可利用一种快速的直接椭圆拟合算法获得椭圆方程，进而获得接触角。椭圆拟合算法原理和实现略为复杂，它对液滴体积不是很大且接触角不是很小也不是很大的情况具有较高的准确性。综上所述，为了尽量消除滞后性给实验结果带来的影响，测量静态接触角（简称接触角）时等水珠接触到硅橡胶表面后等待5s左右，等水珠稳定后再进行测量，同时确保多次测量时操作手法尽量一致。（三）、 ATR-FTIR的测量1、ATR-FTIR的背景红外辐射是指频率1333310cm-1(0.751000pm)之间的电磁辐射。当红外辐射的能量恰好等于激发某一化学键从基态跃迁到激发态的某种振动能级所需要的能量时，红外线被样品吸收。红外光谱通常是指有机物质在红外线的照射下，选择性地吸收其中某些频率后，用红外光谱仪记录所形成的吸收谱带。在红外光谱图中，横坐标一般用波长(单位um)或波数(cm-1)表示，纵坐标常用百分透射率(T%)或吸光度(A)表示。根据光谱图中吸收峰的位置和形状可以推断未知物的结构，根据特征吸收峰的强弱能够测定有机物中各组分的含量等。随着近代科学技术的迅速发展，一般的红外光谱已经不能满足需要，例如它的扫描速度太慢，对吸收红外辐射较强的样品或吸收信号较弱的样品，以及痕量组分的分析等都受到限制，因此便有了Fourier变换红外光谱仪的问世。FTIR是基于干涉调频分光的最新红外光谱分析技术，它具有分辨能力高，扫描时间快，辐射通量大，波数准确度极高，杂散辐射极低，光谱范围宽等优点。对于不透明和反射率低的物质的表面分析，衰减全反射(Attenuated Total Reflection：ATR)附件因为样品制备简单而得到了广泛的应用，即所谓的ATRFTIR技术。它不需要透过样品的信号，而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成分的结构信息。由于本文中需要分析的硅橡胶为不透明物质，因此采用了ATR-FTIR技术对老化不同阶段的硅橡胶表面进行反射光谱分析，通过比较分析得到硅橡胶表面官能团的变化情况。2、红外光谱图像系统显微ATR红外光谱图像系统是由FTIR红外光谱仪，显微镜及摄像系统、显微ATR、计算机及图像软件组成。本次测量所用的红外光谱仪型号为：Thermo scientific Nicolet IS5红外光谱图像系统技术特点：1. 不损坏样品，对样品形状、大小没有特殊要求，属于样品表面无损测量。2. 可测量含水和潮湿的样品。3. 检测灵敏度高，测量区域小，检测点可为数微米。4. 能得到测量位置处物质的分子结构信息，微区中某化合物或官能团空间分的红外光谱图像及微区中的可见显微图像。5. 能进行红外光谱库检索以及化学官能团辅助解析，确定物质的种类和性质。6. 操作简单、自动化、用计算机进行聚焦、测量。3、傅里叶变换红外光谱学原理傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer）简称为傅里叶红外光谱仪。它不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。采用傅里叶变换红外光谱仪测定样品的红外光谱时，使用的红外光源是连续波长的光源。连续波长光源照射红外样品后，样品中的分子会吸收某些波长的光。没有被吸收的光到达检测器，检测器将检测到的光信号经过模数转换，再经过傅里叶变换，即可以得到样品的单光束光谱。为了得到样品的红外光谱，需要从样品的单光束光谱中扣除背景的单光束光谱，也就是需要测试红外光不经过样品的情况下得到的背景单光束光谱。这样得到的背景单光束光谱中包含了仪器内部各种零件和空气的信息。在测试样品的单光束光谱和测试背景的单光束光谱时，这些信息是完全相同的。所以，从样品的单光束光谱中扣除背景的单光束光谱后就得到样品的红外透射光谱。在红外光谱中，在被吸收的光的波长或波数位置会出现吸收峰。某一波长的光被吸收的越多，透射率就越低，吸收峰就越强。当样品分子吸收很多种波长的光时，在测得的红外光谱中就会出现许多吸收峰。红外光谱可以研究分子的结构和化学键，分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基、氰基、羟基、胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，白光照度计使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。将所得的图像与图库中标准图谱进行比较，就能确定该物质的种类及性质。4、ATR-FTIR的测量过程首先开启红外光谱仪，将其与电脑连接；随后要启动Omnic 软件，进入软件系统后，要对测试的一些参数进行设置，选择Id3 ATR ZnSe，扫描次数为32次，分辨率为4；参数设定完毕后，要进行背景采集，并将背景保存；然后将样品放在红外光谱仪的样品台上，进行样品采集（在扫描过程中，不能移动样品），测试结束后，保存数据，然后重复上述步骤再次进行测量。5、红外光谱仪的日常管理与维护红外光谱仪是一种可以连续工作的仪器。在国外，红外光谱仪在周末和节假日通常都不关机，只有在通知停电时才关机。现在的红外光谱仪，干涉仪如果是机械轴承干涉仪，在软件设计上都包含有睡眠模式，即在仪器停止采集光谱数据后，过了一段时间，干涉仪的动镜会自动地停止移动。这样可以延长干涉仪的使用寿命。红外光谱仪开机后很快就能稳定，光源通电15分钟后能量就能达到最高值。为了延长仪器的寿命，在仪器使用结束后最好关机，将供电电源全部断掉，这样能够确保仪器的安全。红外仪器的电源变压器、红外光源、聚光器以及线路板都是有寿命的，所以仪器不使用时，最好处于关机状态。在夏天，空气湿度大，对仪器非常不利。如果仪器天天使用，即使空气湿度大，对仪器也不会造成影响。如果仪器长期不使用，仪器很容易损坏。因此，在夏天，即使不使用仪器，每个星期至少给仪器通电几个小时，赶掉仪器内部各部件的潮气。三、RTV的制备（一）、RTV防污闪涂层技术要求一般而言，RTV防污闪涂料的耐污性主要通过憎水性和憎水迁移性来界定。为保证涂料的长期耐污性，憎水迁移性是RTV涂料防污闪长效性能的关键技术指标。1、憎水性憎水性是低表面能固体材料表面的一种物理性能。宏观上，憎水性表面不易被水分所浸润，水在憎水性表面的积聚状态为分离的水珠，而不是连续的水膜。静态接触角法是通过测量固体材料表面单一平衡水珠的接触角来反映材料表面憎水性状态的方法。在相同的水滴容量下，静态接触角越大，水滴与材料的接触面越小，憎水性越好。根据表面化学理论可知，与水的表面张力差值越大的物质，憎水性越好，所以实现涂层的耐污能力最基本的要求是涂层具有较低的表面能。除氟碳聚合物以外，有机硅材料是表面张力最小的物质，故含氟聚合物和有机硅材料是制备防污闪涂料的最佳基料。由于氟碳聚合物的价格较高，所以一般选择有机硅作为RTV防污闪涂料的基料。涂层的疏水性还受涂层结构的影响，在RTV硅橡胶防污闪涂料方面，对于涂层的结构设计研究较少，随着研究者对于涂层结构的认识以及对于涂层结构设计的深入，硅橡胶防污闪涂料的研究必将更加深入。2、憎水长效性防污闪涂料另一关键要求是保持涂料的长期疏水疏油性，也就要求涂料具有优良的憎水长效性。为获得憎水长效性，有两种思路，一种是使污物不能附着在涂层表面，这一般通过低表面能和特殊的表面结构来实现。另外一种思路是能够使污物及时疏水化，一般是在涂料中加入小分子量的聚硅氧烷来实现，研究工作者一般认为主要机理在于有机硅小分子首先进行扩散至涂料表面，小分子和污物结合，实现疏水性能。近年，研究者通过防污闪涂料的应用试验以及结果分析进一步验证了防污闪涂料的憎水长效性机理，该领域的研究有待于涂层内部组成和微相结构的深入研究。（二）、RTV的基本组成1、基胶RTV涂料是以具有羟基封端的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)为基胶，基胶一般采用双羟基封端的二有机硅氧烷。一般来说其中一个有机是甲基。溶剂可以为石油醚、甲苯、甲苯、溶剂汽油、卤代烷等。填料一般分为补强填料、半补强填料和弱补强或无补强，补强填料有相法或沉淀法的白炭黑，半补强一般用轻质碳酸钙，弱补强或无补强填料用作增量一般不考虑补强，常用石英粉、硅藻土、重质碳酸钙等。目前RTV的填料多选用白炭黑。阻燃剂有氢氧化铝、二氧化二锑、氢氧化镁、红磷等，日前多用氢氧化铝。偶联剂用于提高涂层与绝缘体附着力，以硅烷偶联剂较为常用。针对防污闪的技术要求引入特殊助剂，制成性能优异的RTV防污闪涂料。RTV根据硫化类型可分为缩合型和加成型，按照使用工艺又可分为单组分和多组分，前者将基胶、填料、交联剂和催化剂在一定条件下混合均匀密封包装于容器，在使用时遇到湿气后交联固化；后者将基胶与交联剂和催化剂分开包装，使用时按照一定比例混合后发生交联反应，与环境湿度无关。单组分RTV在现场使用上具有一定优势，本文根据前人的理解，制备了RTV，实现的就是单组分的脱肟型和脱羧型的RTV。2、交联剂除对聚硅氧烷改性外，研究新型交联剂也是RTV硅橡胶防污闪涂料的研究热点，不同结构和性能的交联剂对提高涂料的综合性能具有重要的影响，当前已有多种新型交联剂出现。北京化学所谢泽民课题组研究了新型聚硅氧烷交联剂(PCA)与沉淀法SiO2协同增强室温硫化硅橡胶及其增强机理。发现PCA的引入可有效降低PCASiO2PDMS硅橡胶的黏度，提高硫化胶的拉伸强度，保持良好的扯断伸长率，体系中原位生成的SiO2粒子和掺杂的SiO2粒子与PDMS聚合物之间有强烈的相互作用，协同补强效果好。韩雁明等制备了一种新型交联剂(PMOS)并将其作为RTV硅橡胶涂料的固化剂，研究发现，将聚甲基甲氧基硅氧烷(PMOS)作为交联剂，可在硅橡胶体系中原位形成一种高交联密度的PMOS相，这种结构可对硅橡胶产生显著地增强作用。由于常用的瓷绝缘子和玻璃绝缘子的绝缘材料是亲水性的瓷和玻璃，憎水性较差导致其在污湿环境下闪络电压低，为此人们提出了使用具有憎水性的材料涂在绝缘子外表面使其具有憎水性从而提高污湿环境下的闪络电压。从电力系统外绝缘防污涂料的发展历程上看经历了硅油、硅脂、地蜡和室温硫化硅橡胶(Room Temperature Vulcanized Silicone Rubber)，简称RTV等几个阶段，硅油是二甲基为主链三甲基封端的直链状有机聚硅氧烷，它具有较好的稳定性、绝缘性和憎水性，硅脂是硅油与二氧化硅粉末的混合物，它们防污闪的机理主要是基于吞食污秽的阿米巴作用，当污秽太多后则呈现饱和而失去憎水性而失效，因此使用寿命普遍偏低，尤其对于污秽严重地区。地蜡也具有强憎水性，使用寿命约3到4年，但失效后清除非常困难。室温硫化硅橡胶具有优异的憎水性、憎水迁移特性、长效性、耐侯、耐臭氧且免维护等特点，成为电力系统输变电设备防污闪的首选涂料，在电力系统外绝缘方面有着十分广泛的应用。华北电力大学电气与电子工程学院的徐志钮等人研究了脱肟和脱羧交联方式下交联剂的比例对固化后得到RTV涂层表面状况、硬度、固化时间和憎水性的影响。概述RTV硅橡胶防污涂料主要由基础胶料(简称基胶)、溶剂、变联剂、填料、阻燃剂、催化剂等组成。室温硫化硅橡胶之所以能在室温条件下固化是因为交联剂的作用，交联剂按照硫化形式可以分为脱醇型、脱肟型、脱羧型、脱胺型和脱酮型和脱酰胺型等。不同硫化类型和交联剂的比例对生成硅橡胶涂料的多种性能有着很大的影响。本文针对脱肟型和脱羧型不同交联剂比例的RTV测量了固化后RTV硅橡胶涂层的憎水性及其邵氏A硬度，同时观察了固化后涂层表面情况和固化时间，所得结果对RTV配方的研究具有重要参考意义。3、溶剂与填料 要使硅橡胶具有良好的电学性能，它内部的溶剂与填料组成尤为重要。研究表明：含氢硅油中氢的质量分数对硫化硅橡胶的力学性能的影响最显著，各因素按影响大小排序依次为含氢硅油中氢的质量分数集中交联剂填料。随着含氢硅油中氢的质量分数的增大，室温硫化硅橡胶的抗张强度趋于增大，而伸长率则趋于减小。随着多乙烯基硅油中乙烯基质量分数的增大，硫化硅橡胶的抗张强度先减小后增大，伸长率则先增大后减小。采用气相法白炭黑和处理气相法自炭黑为填料所得的硫化胶的强度较大，而用处理沉淀法自炭黑为填料所得的硫化胶的伸长率较大。随着含氢硅油中氢的质量分数的增大，室温硫化硅橡胶的抗张强度趋于增大，而伸长率则趋于减小。随着多乙烯基硅油中乙烯基质量分数的增大，硫化硅橡胶的抗张强度先减小后增大，伸长率则先增大后减小。采用气相法白炭黑和处理气相法自炭黑为填料所得的硫化胶的强度较大，而用处理沉淀法自炭黑为填料所得的硫化胶的伸长率较大。含氢硅油中氢的质量分数越大，交联密度越大，则硫化胶的抗张强度越大。多乙烯基硅油的类型对硫化后硅橡胶的性能有较大影响，实验中体系的多乙烯基硅油提供的乙烯基的量是一样的，多乙烯基硅油中乙烯基质量分数增大，硅橡胶的交联密度增大，则硅橡胶的抗张强度增大；但是交联密度过大，伸长率反而下降，导致抗张强度也下降。气相法白炭黑由燃烧法制得，质量分数大，硅羟基少，补强率高，得到的硫化胶透明度高，平性差，容易结构化。采用沉淀法白炭黑为填料得到的硫化胶加工性能好，胶料不容易结构化，但是因硅羟基过多，硫化胶强度较低。为了减小气相法白炭黑引起的结构化的影响，应对白炭黑进行表面处理。实验结果表明，处理后的气相法白炭黑与未处理的相比，硫化胶的结构化程度明显降低，而硫化胶的强度几乎保持不变。混合补强填料、交联剂、催化剂，在常温下与空气接触就可固化交联形成三维网状结构。PDMS分了结构的主链由硅原子与氧原子交替排列组成。侧链是对称分布的甲基(部分甲基可能被其它有机基团取代而改性)。RTV主链上甲基(-CH3)的作用是RTV硅橡胶材料具有憎水性的主要原因，而硅橡胶中大量的不同程度的未交联的低分子量硅氧烷链段LMW(Low Molecular Weight分子量小于l000)的迁移。是RTV硅橡胶材料具有憎水性恢复特性的主要原因。四、交联剂含量对电晕老化的影响室温硫化硅橡胶涂料（RTV 涂料）具有优异的憎水性和憎水迁移性，目前，RTV 涂料已在电力系统中得到广泛的使用。然而RTV 涂料绝缘子运行多年后，涂层表面的憎水性会发生变化，而涂层憎水性的好坏直接关系到RTV 涂料的防污闪性能。普遍认为憎水迁移速度越快，则老化速度也越快。本文着眼于RTV的配方中交联剂含量对RTV电晕后憎水性恢复情况的影响，实验中选用了一种类型的交联剂，且交联剂的含量不同。在对样品进行电晕实验后，通过测量样品的接触角和ATR-FTIR测量，分析其表面憎水性等特性的恢复情况，进而得到交联剂含量不同对硅橡胶耐电晕老化能力的影响结果。（一）、交流电晕下RTV试片憎水性变化情况对硅橡胶试品进行电晕，当外加电压形成的电场达到一定强度时，空气中便会产生稳定的电晕放电。电晕放电中将产生大量的电子、离子等带电粒子，同时，气隙中含有氧、氮和水蒸气时，还会形成臭氧和硝酸，这些因子共同作用于绝缘材料表面。外加电压的不同可能会引起带电粒子能量、臭氧和硝酸含量的变化，继而对绝缘材料表面的老化性能产生影响。本章利用第二章中自行研制的固体绝缘材料耐电晕老化测试系统，设计了RTV硅橡胶材料的电晕老化试验(排除了电晕放电中臭氧和硝酸的影响)，通过对RTV硅橡胶材料在同一电晕电压作用后的老化特性进行观测。图4-1给出了RTV硅橡胶材料电晕前后憎水性变化情况。 电晕前憎水性 电晕后憎水性图4-1 电晕前后憎水性对比（二）、 电晕后RTV试片的憎水性恢复情况1、电晕后时间对RTV试片的憎水性恢复的影响试验中，对RTV试片连续电晕120h后，将各试片从电晕系统中取出，自然放置2h、5h、8h、11h、24h、48h、74h、122h、192h，在每个时间段分别测量RTV试片的憎水性的恢复情况，测量结果表明：电晕2h后的试片，电晕接触角稳定在45左右；电晕5h后的试片，电晕接触角稳定在56左右；电晕8h后的试片，电晕接触角稳定在68左右；电晕11h后的试片，电晕接触角稳定在73左右；电晕24h后的试片，电晕接触角稳定在81左右；电晕48h后的试片，电晕接触角稳定在87左右；电晕74h后的试片，电晕接触角稳定在91左右；电晕122h后的试片，电晕接触角稳定在97左右；电晕192h后的试片，电晕接触角稳定在103左右。如图4-2和4-3所示 2h后的憎水性恢复 5 h后的憎水性恢复 8 h后的憎水性恢复11h后的憎水性恢复 24h后的憎水性恢复 48h后的憎水性恢复 74h后的憎水性恢复 122h后的憎水性恢复 192h后的憎水性恢复图4-2电晕后RTV样品随时间的憎水性恢复速度图4-3 电晕后样品接触角恢复曲线 图4-3中，横坐标为时间，纵坐标为接触角大小。国内外研究证实，电晕放电产生的紫外线，臭氧，硝酸等会使硅橡胶材料发生一系列的化学物理变化，结合本文试验条件和现象，电晕放电使RTV试片憎水性丧失的主要原因有：电晕放电产生的高能粒子的碰撞，造成硅橡胶分子中C-H化学键断裂，消耗了Si链上憎水性基团甲基(CH3)，同时也失去了对亲水性硅氧键的屏蔽作用。电晕放电产生臭氧与硝酸。硅橡胶分子中C-H、Si-O、Si-C化学键断裂后。在这些强氧化剂的作用下，产生了硅醇、硅烷醇、羰基等亲水性基团。电晕放电产生的硝酸与填料ATH(氮氧化铝)反应,产生的物质有利十水膜的形成使憎水性丧失，填料氧化分解产物的析出还能使硅橡胶表面形成裂缝。从图中静态接触角的恢复可以看到，电晕后RTV试片憎水性逐渐恢复，电晕后的静态接触角最后稳定的值相差很大，试样静态接触角的恢复随着电晕后时间的增加而增加，憎水性的恢复需要一定的时间，在该试验条件下，电晕120h后的试样静置192h后，试样表面的憎水性基本完全恢复。2、电晕后不同交联剂含量对RTV试片憎水性恢复程度的影响本文对自制的不同交联剂含量的RTV硅橡胶进行了电晕加压试验。电晕前，对洁净的硅橡胶样品进行接触角测量，因本文研究交联剂含量对硅橡胶电晕老化能力的影响，所以只列出试品S-01的接触角图像，所得图像及处理结果如下： 图4-4 电晕前S-01的接触角测量图像所得图像接触角依次为102、102、103说明：每个试品测量4次，每次测量试品表面上的任意6个点以上三个图像依次为三个试品：S-01-001-2、S-01-002-2、S-01-003-2 001、002、003表示交联剂含量依次增加，2表示对试品的第二次测量由图分析可知，电晕前的洁净样品中，交联剂含量对硅橡胶表面接触角影响不大。电晕后，对硅橡胶样品进行接触角测量，所得图像及处理结果如下： 电晕后2h 电晕后5h 电晕后8h 电晕后11h 电晕后24h 电晕后48h 电晕后74h