动车组复合绝缘子用清洗剂及其性能

2022-01-08伊钟毓杜玮李海燕王涛于永利郝卫平相若函石振平

电镀与涂饰 2021年24期

伊钟毓，杜玮，李海燕，王涛，于永利，郝卫平，相若函，石振平

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081； 2.中国铁路北京局集团有限公司衡水供电段，河北衡水 053000）

复合绝缘子作为铁道线路上的关键元器件，其绝缘性能直接影响到接触网系统的安全。绝缘子由于长期悬挂在户外，其表面会附着大量污物，导致绝缘性能下降，形成污闪。污闪会破坏绝缘子的绝缘性，使绝缘子的绝缘性能进一步下降，所以需要以专用的清洗剂进行清洗。目前我国对环境保护越来越重视，随着强制性标准GB 38508-2020《清洗剂挥发性有机化合物含量限值》的颁布，清洗剂VOC(挥发性有机化合物)的含量将是重点关注的指标。现在市场上的绝缘子清洗剂种类繁多，质量参差不齐，缺少性能优异且符合环保标准的产品。刘凯等[1]对绝缘子表面污渍及清洗机理进行了研究，结果表明油脂及二氧化硅是绝缘子污物的主要成分，可以依靠清洗剂的低表面张力对绝缘子表面进行润湿，达到清洗的目的。荣小平[2]提出了带电清洗剂的开发思路，认为动态绝缘性是带电清洗剂的关键指标，应加以重视。汤振鹏等[3]研究了几种带电清洗剂对绝缘子工频闪络电压的影响，发现它们对绝缘子清洁状态下闪络电压的影响都不明显。杨超[4]发明了一种绝缘子带电清洗剂，可有效清除绝缘子防污闪涂料表面的污渍，恢复绝缘子表面优良的憎水性和憎水迁移性。张炜婕[5]对退役复合绝缘子清洗工艺进行了研究，证明了椰油酰胺丙基甜菜碱与脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠复配体系的稳定性高，溶解性强，并设计了“润湿→刷洗→清洗”工艺，可以有效去除污渍。Krystian L.Chrzan等[6]研究了工业污染和沿海盐类对瓷类及硅橡胶类绝缘子的影响，结果表明瓷类绝缘子在高污染环境下的漏电现象比橡胶类绝缘子少，可能是由于橡胶类绝缘子老化导致其性能下降。Seog-Hyeon Kim等[7]研究了硅橡胶绝缘子表面的化学变化，证明潮湿等工况下服役的绝缘子表面容易受到电弧影响，从而导致性能下降。

本文采用扫描电子显微镜(SEM)对绝缘子表面污物成分进行分析，并根据结果采用正交试验法研发出一款符合环保标准的断电作业用绝缘子清洗剂，考察了它的清洗性能、橡胶浸泡膨胀率、金属腐蚀性、VOC含量，为绝缘子清洗维护提供理论基础及解决方案。

1 实验

1.1 药品

二乙二醇丁醚(溶剂)、N-甲基吡咯烷酮(溶剂)、苯甲酸钠(添加剂)，上海麦克林生化科技有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚(非离子表面活性剂)和防锈剂PC，巴斯夫股份公司。以上试剂均为市售分析纯。

1.2 清洗剂基础配方及正交试验设计

清洗剂基础配方(以质量分数表示)如下：乙二醇丁醚6%，N-甲基吡咯烷酮2%，脂肪醇聚氧乙烯醚10%，防锈剂PC 0.6%，苯甲酸钠0.2%，水81.2%。

采用三因素三水平正交试验确定配方中2种溶剂及表面活性剂的最佳含量，其主要成分含量均通过探索实验确定，具体方案见表1。

表1 清洗剂主要成分的正交试验设计 Table 1 Orthogonal design for optimization of main constituents of cleaning agent

1.3 表征及性能测试方法

1.3.1 绝缘子表面形貌及污物分析

在现场取下的绝缘子上取一块样品，采用蔡司仪器公司的Sigma 300场发射电子显微镜及其附带的能谱仪对其表面状态和成分进行分析。

1.3.2 清洗性能测试

由于目前并没有针对绝缘子清洗剂的相关标准，参考Q/CR 468-2015《动车组外表面清洗剂》对产品的洗净力进行测试。采用标准规定的油污(N32机械油80%，泥土10%，氧化铁红5%，氢氧化铝5%)涂刷清洗试片表面，随后浸泡在40 °C的5%清洗剂溶液内，5 min后进行摆洗，摆洗5 min后在去离子水中再次摆洗30 s，随后烘干。用METTLER TOLEDO的ME-204电子分析天平称得涂油前试片的质量为m，涂油后的质量为m′，清洗后的质量为m″，则洗净力η的计算如式(1)所示。

1.3.3 金属腐蚀性的评价

由于绝缘子清洗作业时，清洗剂有可能接触到电器网络的其他金属部件，因此金属腐蚀性应考虑在内，其实验方法参考Q/CR 468-2015《动车组外表面清洗剂》。将打磨好的45钢片、H62黄铜和LY12硬铝试片(尺寸均为50 mm × 25 mm × 2.5 mm)分别浸泡在40 °C的5%清洗剂溶液内4 h，取出后清洗并烘干，计算浸泡前后的质量损失，记为Δm。

1.3.4 橡胶浸泡及疏水性实验

绝缘子橡胶的浸泡实验方法参考GB/T 14832-2008《标准弹性体材料与液压液体的相容性试验》。分别称量试块在空气中和水中的质量，其中样品在水中的质量按如下步骤测量：首先称量含水烧杯以及悬挂样品的架子质量，然后将样品悬挂于架子上并浸没在含水烧杯中，称取总质量，相减后即得样品在水中的质量。随后称量样品在5%清洗剂中浸泡后，在空气中和水中的质量。记样品在空气中的质量为m1，样品在水中的质量为m2，浸泡后样品在空气中的质量为m3，浸泡后样品在水中的质量为m4，则体积变化率ΔV的计算如式(2)所示。

采用德国DataPhysics公司的JY-82B Kruss DSA接触角测量仪对浸泡前后的绝缘子试块进行接触角测量，考察其表面疏水性是否发生变化。

1.3.5 VOC含量的测定

VOC含量参考GB 38508-2020进行测定。采用万通仪器的870 KF Titrino plus水含量分析仪对样品的水含量进行测定，然后将样品放入105 °C的DHG101-2鼓风干燥箱(春兰仪器厂)中烘干4 h，计算其质量损失。清洗剂的VOC含量VOCρ按式(3)计算。

其中w挥、w水、iw分别为样品测试液中挥发性物质、水分以及可扣减测试物质i的质量分数，ρ为样品测试液的密度(单位：g/L)。

2 结果与讨论

2.1 绝缘子表面污物的成分

将华北某线路上服役的绝缘子带回进行扫描电镜及能谱分析，结果见图1和表1。

图1 现场取回的绝缘子(a)及其SEM照片(b) Figure 1 Photo (a) of the insulators retrieved from the field and its SEM image (b)

表2 绝缘子表面元素的含量 Table 2 Contents of elements on surface of insulator

绝缘子表面污物的成分在很大程度上取决于当地的气候环境及污染情况，一般主要有二氧化硅(灰尘)、硫化物、氧化铝、钙盐及有机物(油污)，沿海地区服役的绝缘子表面还会有较多的盐类物质存在。

2.2 清洗剂配方的设计

由表3中正交试验的极差分析可知，3个因素的影响程度为C ＞ A ＞ B，即表面活性剂对洗净力的影响最大，其次为二乙二醇丁醚，影响较小的是N-甲基吡咯烷酮，增大表面活性剂的含量可显著提高清洗效果。正交试验中7号配方的洗净力最高，其组合为A3B1C3，即乙二醇丁醚6%、N-甲基吡咯烷酮2%、脂肪醇聚氧乙烯醚10%，与均值分析的结果一致，故采纳之。在此基础上，添加一定量的苯甲酸钠、防锈剂PC及去离子水，配制成绝缘子清洗剂。

表3 正交试验结果 Table 3 Orthogonal test result

2.3 清洗性能实验

经测试，自研绝缘子清洗剂的洗净力为94.66%，而2款市售产品的洗净力分别为67.54%和72.33%，可见自研产品的清洗效果更理想。

2.4 金属腐蚀性评价

由表4可知，在不添加防锈剂PC的情况下，自研产品对H62黄铜和LY12硬铝的腐蚀性极低，试样外观无明显变化，但对45钢的表面会产生点蚀效果。为了解决这一问题，加入防锈剂PC就可以起到保护钢的作用，其试验结果如图2所示。随着防锈剂PC加入量的上升，钢试片的腐蚀量逐步下降，当防锈剂含量≥0.6%时，钢片的点蚀已被抑制(如图3所示)。故防锈剂PC在配方中的质量分数宜为0.6%。

图2 防锈剂PC含量对45钢的缓蚀作用 Figure 2 Corrosion inhibition effectiveness of rust inhibitor PC for 45 steel

图3 体系中未加入防锈剂PC(a)及加入0.6%防锈剂PC后(b)45钢片在40 °C的清洗剂中浸泡4 h后的表面状态 Figure 3 Surface state of 45 steel sheet after being immersed in the solution of cleaning agent at 40 °C without (a) and with (b) rust inhibitor PC (0.6%)