在现代电力传输系统中，玻璃绝缘子作为一种关键部件，发挥着至关重要的作用。其能够有效支撑输电线路，同时确保电流在导线与杆塔之间实现可靠绝缘，保障电力的安全、稳定传输。然而，在低温高湿条件下，玻璃绝缘子表面容易发生结冰，这不仅会改变其电气性能，降低绝缘效果，甚至可能引发闪络事故，造成电力传输中断，给电力系统带来严峻的挑战。因此，研究和开发有效的防冰技术，提升玻璃绝缘子的防冰性能，对于保障电力系统的安全运行具有重要意义。
《2025-2030年中国玻璃绝缘子行业发展趋势及竞争策略研究报告》玻璃绝缘子在低温高湿环境下容易覆冰，覆冰会改变其电气性能，降低绝缘效果，甚至引发闪络事故，造成电力传输中断。传统的除冰方法主要有两种：人工机械除冰和热力融冰。人工机械除冰通过工作人员利用工具直接对绝缘子上的冰层进行铲除，但这种方法在操作过程中极易对绝缘子表面造成损伤，影响其后续的正常使用和绝缘性能。热力融冰则是通过加热装置，利用热量融化冰层，但在一些复杂的野外环境下，设备的安装和维护存在诸多困难，难以实现高效、便捷的除冰目的。
玻璃绝缘子行业性能分析提到近年来，随着材料表面工程技术的蓬勃发展，超疏水防冰涂层作为一种极具创新性和应用前景的解决方案，逐渐受到了广泛关注。超疏水涂层具有独特的微观结构和化学成分，呈现出卓越的疏水性。当水滴接触到超疏水表面时，会形成近乎球形的液滴，与表面的接触角极大，滚动角极小，水滴能够在极小的外力作用下迅速从表面滚落，极大地减少了水滴在表面停留并冻结成冰的可能性。超疏水涂层表面的微纳米粗糙结构有助于形成隔热的空气层，有效降低热传递且抑制冰晶成核，极大延缓了水滴的冻结。同时，低表面能物质的微纳米粗糙结构减小了冰与涂层的实际接触面积，减弱了氢键、静电力及分子间作用力，显著降低冰粘附强度。
本研究提出了一种掺杂混合纳米粒子的超疏水涂层，用于提升玻璃绝缘子的防冰性能。使用乙酸乙酯作为溶剂，制备出环氧树脂、纳米聚四氟乙烯及纳米二氧化硅的混合溶液，结合喷涂法在玻璃载玻片上制备出多种参数的涂层。通过调控聚四氟乙烯/二氧化硅质量比(1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1)，研究了涂层的微观结构、润湿性及防冰性能。
采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分别表征了涂层的微观结构及化学成分。结果表明，添加的纳米聚四氟乙烯及二氧化硅粒子质量对涂层表面微纳米结构的构建存在显著影响。当聚四氟乙烯/二氧化硅质量比为1∶3时，涂层表面观察到了较为均匀的粗糙结构，杆状的聚四氟乙烯粒子和球状的二氧化硅粒子互相包裹在一起，构建出了典型的微纳米二元结构，有利于超疏水特性的实现。此外，涂层表面检测到了高含量的C、O、F和Si元素，表明环氧树脂、聚四氟乙烯和二氧化硅粒子之间的充分混合。
使用水接触角测量仪评估了不同聚四氟乙烯/二氧化硅质量比制备涂层表面的润湿性。当聚四氟乙烯/二氧化硅质量比为1∶3时，涂层的接触角大幅增加至160.6°，滚动角降至3.3°，展现出优异的超疏水性能。接触角大于150°且滚动角小于10°的表面被认为是超疏水。因此，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅质量比可以制备出超疏水涂层。此外，超疏水涂层表面的水滴弹跳行为也得到了评估。当水滴从高处释放后，水滴自由下落撞击超疏水涂层，在表面发生铺展、收缩，然后开始反弹，返回到一定高度后又开始下落。如此循环，水滴在超疏水涂层表面重复反弹了6次后才保持稳定的球状静止在表面，展现出了优异的水滴弹跳性能。
为了评估涂层的防冰性能，测量了涂层的水滴冻结时间及冰粘附强度。结果表明，使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅质量比制备出的超疏水涂层展现出了最优的防冰性能，具有高达1215.7秒的水滴冻结时间和低至40.4千帕的冰粘附强度。超疏水涂层表面的微纳米粗糙结构形成了大量的气垫，有效降低了传热速率和实际接触面积，从而延缓冻结并降低冰粘附强度。此外，表面大量的低表面能基团也有利于降低冰与表面的静电力及分子间作用力，进而降低冰粘附强度。
持久性是涂层材料走向应用要面临的关键问题之一。使用磨损测试评估了超疏水涂层的防冰持久性。随着磨损次数的增加，超疏水涂层的疏水性逐渐退化。超疏水涂层的接触角由初始的160.6°缓慢下降至157.9°，滚动角则由初始的3.3°上涨至13.8°。在磨损16次后，超疏水涂层的滚动角开始大于10°，意味着超疏水涂层的动态疏水性在逐渐丧失。这是因为磨损对超疏水涂层表面的微纳米结构造成了较为严重的损伤。重复的磨损会破坏那些结合不牢固的微纳米结构，还会磨损较软的聚四氟乙烯粒子。此外，表面的低表面能物质也容易受到砂纸的磨损而被带离表面。因此，多次的磨损导致粗糙结构的损伤和低表面能物质的损失引发了疏水性的退化。
五、总结
本研究基于环氧树脂、纳米聚四氟乙烯及纳米二氧化硅，利用喷涂法在玻璃载玻片上成功制备出不同聚四氟乙烯/二氧化硅质量比的涂层，评估了聚四氟乙烯/二氧化硅质量比对微观结构、润湿性、水滴弹跳行为及防冰性能的影响。当聚四氟乙烯/二氧化硅质量比按1∶0、1∶1、3∶1、1∶3和0∶1的顺序变化时，涂层的疏水性及防冰性能展现出先提升后下降的趋势。使用1∶3的聚四氟乙烯/二氧化硅质量比制备出的涂层具有均匀的微纳米结构，呈现出优异的超疏水性能和水滴弹跳特性，其接触角高达160.6°、滚动角低至3.3°，撞击表面的水滴可以反弹6次。此外，超疏水涂层还具有优异的防冰性能，水滴冻结时间大幅延长至1215.7秒，冰粘附强度显著下降至40.4千帕。超疏水涂层表现出一定的抗磨损性能，经历了24次的磨损仍然表现出良好的疏水性及潜在的防冰性能。综上所述，本研究提出的超疏水防冰涂层具有良好的应用潜力，能够有效提升玻璃绝缘子的防冰性能，保障电力系统的安全运行。
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