在現代電力傳輸系統中，玻璃絕緣子作為一種關鍵部件，發揮著至關重要的作用。其能夠有效支撐輸電線路，同時確保電流在導線與杆塔之間實現可靠絕緣，保障電力的安全、穩定傳輸。然而，在低溫高濕條件下，玻璃絕緣子表面容易發生結冰，這不僅會改變其電氣性能，降低絕緣效果，甚至可能引發閃絡事故，造成電力傳輸中斷，給電力系統帶來嚴峻的挑戰。因此，研究和開發有效的防冰技術，提升玻璃絕緣子的防冰性能，對於保障電力系統的安全運行具有重要意義。
《2025-2030年中國玻璃絕緣子行業發展趨勢及競爭策略研究報告》玻璃絕緣子在低溫高濕環境下容易覆冰，覆冰會改變其電氣性能，降低絕緣效果，甚至引發閃絡事故，造成電力傳輸中斷。傳統的除冰方法主要有兩種：人工機械除冰和熱力融冰。人工機械除冰通過工作人員利用工具直接對絕緣子上的冰層進行剷除，但這種方法在操作過程中極易對絕緣子表面造成損傷，影響其後續的正常使用和絕緣性能。熱力融冰則是通過加熱裝置，利用熱量融化冰層，但在一些複雜的野外環境下，設備的安裝和維護存在諸多困難，難以實現高效、便捷的除冰目的。
玻璃絕緣子行業性能分析提到近年來，隨著材料表面工程技術的蓬勃發展，超疏水防冰塗層作為一種極具創新性和應用前景的解決方案，逐漸受到了廣泛關注。超疏水塗層具有獨特的微觀結構和化學成分，呈現出卓越的疏水性。當水滴接觸到超疏水表面時，會形成近乎球形的液滴，與表面的接觸角極大，滾動角極小，水滴能夠在極小的外力作用下迅速從表面滾落，極大地減少了水滴在表面停留並凍結成冰的可能性。超疏水塗層表面的微納米粗糙結構有助於形成隔熱的空氣層，有效降低熱傳遞且抑制冰晶成核，極大延緩了水滴的凍結。同時，低表面能物質的微納米粗糙結構減小了冰與塗層的實際接觸面積，減弱了氫鍵、靜電力及分子間作用力，顯著降低冰粘附強度。
本研究提出了一種摻雜混合納米粒子的超疏水塗層，用於提升玻璃絕緣子的防冰性能。使用乙酸乙酯作為溶劑，製備出環氧樹脂、納米聚四氟乙烯及納米二氧化矽的混合溶液，結合噴塗法在玻璃載玻片上製備出多種參數的塗層。通過調控聚四氟乙烯/二氧化矽質量比(1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1)，研究了塗層的微觀結構、潤濕性及防冰性能。
採用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分別表徵了塗層的微觀結構及化學成分。結果表明，添加的納米聚四氟乙烯及二氧化矽粒子質量對塗層表面微納米結構的構建存在顯著影響。當聚四氟乙烯/二氧化矽質量比為1∶3時，塗層表面觀察到了較為均勻的粗糙結構，杆狀的聚四氟乙烯粒子和球狀的二氧化矽粒子互相包裹在一起，構建出了典型的微納米二元結構，有利於超疏水特性的實現。此外，塗層表面檢測到了高含量的C、O、F和Si元素，表明環氧樹脂、聚四氟乙烯和二氧化矽粒子之間的充分混合。
使用水接觸角測量儀評估了不同聚四氟乙烯/二氧化矽質量比製備塗層表面的潤濕性。當聚四氟乙烯/二氧化矽質量比為1∶3時，塗層的接觸角大幅增加至160.6°，滾動角降至3.3°，展現出優異的超疏水性能。接觸角大於150°且滾動角小於10°的表面被認為是超疏水。因此，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化矽質量比可以製備出超疏水塗層。此外，超疏水塗層表面的水滴彈跳行為也得到了評估。當水滴從高處釋放後，水滴自由下落撞擊超疏水塗層，在表面發生鋪展、收縮，然後開始反彈，返回到一定高度後又開始下落。如此循環，水滴在超疏水塗層表面重複反彈了6次後才保持穩定的球狀靜止在表面，展現出了優異的水滴彈跳性能。
為了評估塗層的防冰性能，測量了塗層的水滴凍結時間及冰粘附強度。結果表明，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化矽質量比製備出的超疏水塗層展現出了最優的防冰性能，具有高達1215.7秒的水滴凍結時間和低至40.4千帕的冰粘附強度。超疏水塗層表面的微納米粗糙結構形成了大量的氣墊，有效降低了傳熱速率和實際接觸面積，從而延緩凍結並降低冰粘附強度。此外，表面大量的低表面能基團也有利於降低冰與表面的靜電力及分子間作用力，進而降低冰粘附強度。
持久性是塗層材料走向應用要面臨的關鍵問題之一。使用磨損測試評估了超疏水塗層的防冰持久性。隨著磨損次數的增加，超疏水塗層的疏水性逐漸退化。超疏水塗層的接觸角由初始的160.6°緩慢下降至157.9°，滾動角則由初始的3.3°上漲至13.8°。在磨損16次後，超疏水塗層的滾動角開始大於10°，意味著超疏水塗層的動態疏水性在逐漸喪失。這是因為磨損對超疏水塗層表面的微納米結構造成了較為嚴重的損傷。重複的磨損會破壞那些結合不牢固的微納米結構，還會磨損較軟的聚四氟乙烯粒子。此外，表面的低表面能物質也容易受到砂紙的磨損而被帶離表面。因此，多次的磨損導致粗糙結構的損傷和低表面能物質的損失引發了疏水性的退化。
五、總結
本研究基於環氧樹脂、納米聚四氟乙烯及納米二氧化矽，利用噴塗法在玻璃載玻片上成功製備出不同聚四氟乙烯/二氧化矽質量比的塗層，評估了聚四氟乙烯/二氧化矽質量比對微觀結構、潤濕性、水滴彈跳行為及防冰性能的影響。當聚四氟乙烯/二氧化矽質量比按1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1的順序變化時，塗層的疏水性及防冰性能展現出先提升後下降的趨勢。使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化矽質量比製備出的塗層具有均勻的微納米結構，呈現出優異的超疏水性能和水滴彈跳特性，其接觸角高達160.6°、滾動角低至3.3°，撞擊表面的水滴可以反彈6次。此外，超疏水塗層還具有優異的防冰性能，水滴凍結時間大幅延長至1215.7秒，冰粘附強度顯著下降至40.4千帕。超疏水塗層表現出一定的抗磨損性能，經歷了24次的磨損仍然表現出良好的疏水性及潛在的防冰性能。綜上所述，本研究提出的超疏水防冰塗層具有良好的應用潛力，能夠有效提升玻璃絕緣子的防冰性能，保障電力系統的安全運行。
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