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电力纳米级导电防腐涂料 |
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| 电力纳米级导电防腐涂料 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:03:30  |
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接地网是发电厂、变电站、输电线路等电力设备中，确保工作接地、防雷接地、保护接地的必要安全设施。随着我国经济飞速发展，新建变电站容量不断增加及投入运行的输电线路越来越多，对接地网的要求也越来越严格。在输电、变电、配电等电力系统中，要求接地网与大地的接触电阻越小越好。如果接地网遭受严重腐蚀，带电设备在运行满足不了要求时就会发生短路而烧断接地网，导致电位升高，高压窜入二次回路，造成人身设备事故，因此接地网是电力系统安全运行的重要保障之一，它能防止电网高压窜入二次回路及操作系统，从而保护人身和设备安全。
在我国由于资源、经济等原因，接地网所用的材质主要为普通碳钢，其抗腐蚀能力较差。另外，接地网埋设在地下，维修和改造成本很高。因此接地网设备的防护成为电力系统正常运行及经济生产所迫切需要解决的问题。
1 接地网腐蚀的方式
埋在土壤中的接地网，其表面的不同部位因接触介质的理化性质的不同而形成了不同的电极电位。这种接地网金属构件的不同及电位的差异是引起接地网土壤腐蚀的根本原因，其腐蚀机理在本质上是电化学性质的。接地网的主要电化学腐蚀形式有点腐蚀、局部腐蚀、宏观腐蚀、电解腐蚀和微弱的交流腐蚀等。
接地网金属材料的土壤腐蚀除了受碳钢材料本身的影响外，更多的是受土壤理化性质及其他一些外界因素的影响。土壤成分中含有的气体、细菌及酸度等化学因素和土壤颗粒的尺寸、透气性、含水量等物理因素都是重要的。特别是土壤的电阻率及去极化性质往往对腐蚀速度起决定性作用。土壤电阻率取决于含水量，而去极化性质则取决于透气性和微生物的作用，还有雨水、温度、空气流动和阳光等气候因素都能引起土壤性质的显著变化，进而直接影响到土壤中金属腐蚀速度，尤其是各种因素的相互作用使得金属的土壤腐蚀规律变得更复杂。
2 接地网的主要防护措施
由于接地网处于严酷的腐蚀环境中，所以如何解决接地网的防护问题成为电力系统面临的重大课题。我国现有接地网的主要防护措施有：热镀锌、导电水泥和防腐导电涂料。热镀锌法原理是锌的标准还原电极电势比铁的标准还原电极电势低，在锌和铁构成的腐蚀原电池中，锌作为牺牲阳极保护了接地网，但由于镀锌层的厚度极其有限，因此接地网运行的寿命也有限。导电水泥虽然可以永久性保护接地网，但防水性差，因而电化学腐蚀依然存在。防腐导电涂料用于接地网防腐已有十余年的运行经验，它具有设计简单和施工方便等特点，已逐渐成为接地网的重要防护手段。
3 导电防腐涂料的现状及趋势
3.1 导电防腐涂料的类型及机理
物质的导电性能可以按照电导率的大小来区分：电导率小于10-8 S/m的是绝缘体，电导率大于104 S/m的是导体，处于二者之间的是半导体。导电涂料是指电导率大于10-8 S/m以上的具有导体和半导体性能的涂料。
导电涂料按照导电的机理可以分为添加型和结构型两种。添加型导电涂料是指将导电的无机粒子或有机抗静电剂加入到非导电的树脂中，利用有机树脂的物理机械性能和填料的导电能力。添加型导电涂料的导电机理主要有二个方面：导电通道学说和隧道效应，导电通道机理是指涂层中的部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道，使复合材料得以导电。隧道效应是指在电场作用下，电子可以越过很低的势垒而流动的现象。在导电涂料中表现为穿过较薄的聚合物包覆层，因此认为涂层导电不是靠导电粒子直接接触导电，而是由于热振动或内部电场作用，使电子在粒子间迁移而形成电流。在低导电填料含量低于外加电压下，导电粒子的间距较大，直接形成导电通道的几率较小，此时隧道效应起主要作用。
结构型导电涂料是指利用本身或经过“掺杂”之后具有导电功能的高分子材料，直接成膜或与其他有机高分子混合。一些特殊的有机高分子中如果有足够大的共轭结构，此时化合物即可提供自由电子，从而能够导电，通过掺杂在聚合物结构中引入比较易于流动的载流子，载流子沿共轭聚合物链段的流动以及电荷在各链间的跃迁起到了导电作用。
3.2 添加型导电涂料
添加型导电涂料是目前使用的主要种类，它的配方一般包括基料、导电填料、溶剂或其他助剂。主要的成膜物包括：环氧树脂、聚氨脂、丙烯酸、醇酸树脂、有机／无机硅、纤维素、氯化聚合物等。导电填料包括金属填料(银、镍、铜、铝、锌、锡、不锈钢等)，碳系填料(石墨、碳黑、碳纤维)，金属化合物(氧化锡、氧化锌、硫化铁等)，包覆型复合材料(氧化锡包裹的云母、聚合物表面沉积金属等)，抗静电剂。在制作这类涂料的树脂中，以丙烯酸树脂和聚氨脂树脂效果明显，应用较多，尤其是丙烯酸树脂有很好的附着力和硬度，而且耐热、耐候、耐化学试剂和防水性等综合性能较好。
国内用于接地网防腐的涂料，按导电添加剂分类有金属填料型和碳系填料型。金属填料主要使用的是银粉、铜粉和镍粉。银填充涂料是研究较早的一种，导电性好，不易氧化，但是价格高，不利于推广。铜的电导率高，价格相对便宜，材料易得，是研究较多的一个品种，但是容易氧化，且其氧化物电导率低，造成电导率下降。镍粉的导电性能介于银和铜之间，但是在涂料中易发生迁移，可能导致电导率下降，性能不稳定，需要对镍进行表面改性，工艺比较复杂。
碳系填料价格便宜，原料易得，对它的研究也比较成熟。碳系填料主要包括碳黑和石墨，按形状来划分，有粉体和纤维两大类。用作碳系导电涂料的导电填料主要有人造石墨、天然石墨、石墨纤维、碳纤维、高温煅烧石油焦、各种碳黑，以及碳化硅等。其中，应用最为广泛的是碳黑。一些高性能的碳黑，如乙炔碳黑和炉法碳黑，其粒子链和网络易形成导电性配合体，因而导电性能较好。大量研究表明，碳黑粒子的尺寸越小，结构越复杂，碳黑粒子表面积越大，表面活性基团越少，极性越强，所制备的导电复合材料的导电性就越好。
3.3 结构型导电涂料
目前，导电高分子用于导电涂料的制备方法，大多集中在直接利用导电高分子做成膜树脂、导电高分子与其他树脂混合使用、导电高分子材料作为导电填料使用等方面。但目前用于导电涂料中的导电高分子存在加工和涂装施工困难且价格昂贵等问题。在与其他树脂溶液聚合时，树脂会对导电高分子的结构产生影响，甚至破坏其共轭结构。因而目前只处于实验研究及小规模采用阶段，其性能还有待于检验，目前无法在接地网中使用。
3.4 导电涂料的发展趋势
随着纳米技术在各领域的广泛应用，其在导电涂料中的应用也受到充分的重视。
1991年被日本的电镜专家饭岛教授首次发现以来，这种纳米尺寸的碳纳米管就引起了全球物理、化学和材料等科学界的广泛兴趣。碳纳米管具有很好的导电性，同时又拥有较大的长径比，因而很适合做导电填料，相对于其他金属颗粒和石墨颗粒，用很少的量就能形成导电网链，且其密度比金属颗粒小得多，不易因重力的作用而聚沉。利用碳纳米管的特性将其作为导电介质加入到涂料中，碳纳米管含量为0.5％～8％时，涂料处于抗静电区域，碳纳米管含量大于8％时，涂料处于导电区域。
烃类气体在氮气保护下与氢气发生氧化还原反应，得到导电性很好的纳米碳和微米碳混合物。该混合物在静电场中被极化，并在电场力的作用下发生电泳而达到分级目的，将纳米碳与无机有机高分子材料复配，即得到纳米碳防腐导电涂料。以纳米碳作为导电添加剂，比石墨粉和镍粉赋予涂料更好的导电性。当导电材料的粒径≥100 nm时，它与成膜物质之间只是一种简单的物理混合，界面分明，补强性和封闭性差；当导电材料的粒径≤100 nm时，其表面积很大，表面能也很大，具备纳米材料的共性。此时，纳米导电材料与成膜材料以几乎同一数量级的粒径相互渗透，彼此无明显的界面。纳米涂料封闭功能好，电解质溶液无法渗透到涂层内部，由于采用纳米技术，纳米碳防腐导电涂料的防腐性比一般涂料更好，其耐老化、防渗漏、耐洗刷等性能均得到很大提高，而且延长了涂膜的使用寿命。
4 结束语
电力系统接地网的腐蚀与防护研究关乎电力工业安全生产，其对电力系统的重要性不言而喻。而导电涂料在对接地网腐蚀的保护中发挥着重要的作用，随着纳米技术的发展，其在电力系统中将会得到更加广泛的应用。
参考文献
[1] 刘国杰. 现代涂料工艺新技术. 北京: 中国轻工业出版社,2000,4.
[2] 高南，华家栋,等.特别涂料.上海:上海科学技术出版社,1984.
[3] 胡学文.接地网腐蚀与防护的研究.湖北电力，2002，26（3）:31～34.
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