CN108538427A - 一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法 - Google Patents

一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法，属于电力传输领域。该表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，架空电线的截面积为0.1～300mm2，防冰雪碳层的厚度为100nm～50μm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。其制备方法为：将金属电线作为阴极；石墨棒与不锈钢棒相连作为阳极；将熔盐熔化，通入惰性气体，并将阴极和阳极浸入熔体中，构成两电极电解体系，一定温度下施加电场，进行碳源离子的还原电沉积过程，清洗干燥后，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线。该方法为架空金属电线表面无损伤电沉积碳基涂层方法，具有低成本、环境友好、操作简单，易于工业生产的特点。

Description

一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力传输领域架空电线防冰雪碳涂层制备技术，具体涉及一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法。
背景技术
电力在室外传输过程中使用的架空电线多为裸线，在寒冷的天气经常出现的冰、雪和冻雨等气候会导致输电线积雪、结冰。输电线的积雪和结冰会引起绝缘端子短路，加重输电线的负担，冰雪融化、坠落时还会引起输电线的舞动会导致电线线闪络，造成杆塔倒塌、导线断线电力中断等事故，给生产和生活带来巨大的损失。这些事故多发生于冬季，严苛、多变的天气和物理条件，使快速、安全的维修和维护变得困难，维修人员安全也得不到保障。目前，对于提高架空电线抗冰雪能力的研究已经有一定报道和应用。如使用轻型铝合金与碳纤维复合而成的高强度轻质电力导线，提高电线的抗拉强度，减轻冰雪影响；通过调整同心绞架空电线的结构，加入玻璃纤维和碳纤维等材料，使架空电线绞合更紧密，表面更光滑，减小冰雪附着；采用镍-铬-硅-铁合金等低居里合金，利用其低温下的磁性，在交变磁场下产生的涡流放热融冰；在电力传输电线上铺设额外的自动控温加热电线或原件，电线工作温度恒定，避免冰雪危害；另外，在电线表面涂覆有机氟和硅等材料组成的防冰雪涂料，能够增加电线疏水性，改善电线表面的细微裂纹和凹坑易结冰状况，减缓冰雪的附着。
碳材料具有质轻、耐蚀和疏水性好等特征，尤其无定型碳、石墨烯、碳纳米管等性能更为突出。如石墨烯对水的润湿角为95～100°，经过修饰后更可达到140°，远高于商业铝对水的润湿性(约72°)。因此，在架空电线上涂覆碳材料能很好的解决防冰抗雪的问题。
发明内容
本发明的目的是开发一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法。本发明利用电化学沉积技术，使用碱金属卤化物作为电介质，以碳酸盐作为碳源，形成熔盐体系，或以碱金属共晶碳酸盐体系作为电解质，碳酸根离子作为碳源，形成熔盐体系，将金属电线作为阴极，石墨材料作为对电极，一定温度下(温度随熔盐成分变化)施加规律性电场(恒压、恒流或脉冲)，在一段时间内于金属架空电线表面沉积碳涂层。沉积后在水去除熔盐，干燥，实现碳涂层的制备。该方法为架空金属电线表面无损伤电沉积碳基涂层方法，具有低成本、环境友好、操作简单，易于工业生产的特点。
本发明的一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，架空电线的截面积为0.1～300mm2，防冰雪碳层的厚度为100nm～50μm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。
其中，
所述的架空电线为铝丝或铝合金丝，当为铝合金丝时，铝的质量百分含量≥98wt.％。
所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为90～140°，有效减小水的附着，且抗结冰性能优良。
本发明的一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，电化学反应的准备
(1)将用于架空电线的裸露金属电线作为阴极；石墨棒与不锈钢棒相连作为阳极；
(2)将熔盐烘干除水，置于坩埚中，放入反应器，通入惰性气体，形成连续流动保护气氛；
步骤2，电沉积涂覆碳层
反应器加热，使熔盐熔化形成熔体，通入惰性气体，并将阴极和阳极浸入熔体中，构成两电极电解体系，阴极和阳极的水平间距为5～30mm，在阴极和阳极间施加电场，进行碳源离子的还原；
3min～120min后，将阴极移出熔盐，进行冷却，并继续浸入后续的金属电线，进行电沉积过程，得到涂覆有碳层的金属电线；
所述的电沉积过程中，在阴极和阳极之间施加电场分为恒电压、恒电流或脉冲电场中的一种；
当为恒电压时，其电压为1.1V～2.4V；
当为恒电流时，电流为0.01A/cm2～5A/cm2；
当为脉冲电场时，脉冲沉积时，频率为10HZ～1000HZ；
步骤3，后处理
将冷却的涂覆有碳层的金属电线，浸入水中，超声清洗，去除附着盐，干燥，封装，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线。
所述的步骤1(1)中，所述的用于架空电线的裸露金属电线为铝和铝合金丝，其截面积为0.1～300mm2，直径最优选为0.5～10mm。
所述的步骤1(1)中，所述的石墨棒为高纯石墨，直径为3～100mm，最优选为6～15mm，浸入熔盐深度为1～30cm。
所述的步骤1(1)中，所述的不锈钢管棒的直径为1～15mm，最优选为2.5±0.5mm。
所述的步骤1(2)中，熔盐的烘干温度为根据熔盐体系确定。
所述的步骤1(2)中，所述的惰性气体为Ar、CO2中的一种或两种混合。
所述的步骤1(2)中，所述的熔盐为含碳酸根的碱金属卤化物体系、或碱金属碳酸盐混合熔盐体系；
当熔盐为含碳酸根的碱金属卤化物体系时，包括电介质和碳源，电介质具体为任意摩尔比例的LiCl-KCl混合物或LiF-KF混合物，优选为按摩尔比，LiCl：KCl＝3：2；按摩尔比，LiF：KF＝1：1；
所述的碳源为碳酸盐，优选为碳酸钾，碳源在碱金属卤化物体系的摩尔百分比为0.5～30mol％，优选为0.5～5mol％。
当熔盐为碱金属碳酸盐混合熔盐体系时，具体包括碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠，按摩尔比，碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠＝(10～80)：(45～10)：(45～10)，优选为按摩尔比，碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠＝1:1:1，当按摩尔比，碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠＝1:1:1时，形成共晶碳酸盐体系，可有效降低熔体工作温度。
所述的步骤1(2)中，反应器中的连续流动保护气氛的目的是惰性气体携带出反应器中的水蒸气和阳极反应气体，保证电化学反应顺利进行。
所述的步骤2中，当熔盐为碱金属卤化物体系时，反应温度为395～605℃，当熔盐为碱金属碳酸盐混合熔盐体系时，反应温度为445～655℃。
所述的步骤2中，所述的电沉积过程中，在阴极和阳极之间施加电场优选为脉冲电场，其原因为通过控制不同电场形式控制产物结构和形貌。
所述的步骤2中，所述的反应器的加热装置优选为坩埚电阻丝炉。
所述的步骤3中，所述的超声清洗，用水作为超声介质，水的pH值为6～8，超声波频率为10～50kHZ。
本发明的一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法，其制备方法原理是：
碳酸盐在熔化状态是以碱金属阳离子和碳酸根离子状态存在，其在同阳离子卤化物熔盐中都有较高的溶解度。当熔盐熔化后，通过施加外加电场，碳酸根离子能够在Al及铝合金表面还原，生长，成膜。并且，沉积过程中，碳和铝的能够发生化合反应，生成碳化铝，在碳膜和铝基体之间形成化学键结合，保证了碳膜具有良好的附着强度。通过电场施加方式，工作温度等条件的控制，能够在电线上沉积处无定型碳、石墨、纳米碳管(颗粒)和石墨烯等不同结构的碳，可以提高碳涂层的疏水性和导电性。沉积过程中，金属电线作为阴极，处于电解池中负电位一端，沉积过程不会损害电线。
本发明的一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线及其制备方法，其有益效果在于：
1.采用本发明的方法可以在金属电线表面制备出抗冰雪效果好的碳涂层，可以提高架空裸露金属电线表面抗冰雪性能，改善其导电能力，且制备低成本，对环境友好，操作简单，对电线无损伤，易于工业生产。
2.本发明表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，通过调整碳涂层的结构，涂层和电线之间的化学键结合，提高碳涂层的结合强度、疏水性和导电性，达到增强电线抗冰雪能力和传输效率的目的。
3.本发明将金属电线作为阴极，外加电场能够避免电线电化学腐蚀，合适的熔盐体系和工作温度也可避免熔盐对电线的化学腐蚀，实现碳基涂层的无损伤制备，将对电工行业的发展具有积极意义。
附图说明
图1为本发明的电沉积过程的装置结构示意图。
其中，1为金属电线，2为石墨棒，3为不锈钢棒，4为熔盐，5为坩埚，6为反应器，7为耐火材料，8-1为惰性气体进气口，8-2为惰性气体出气口，9为O型圈。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，除非特殊说明，所用的原料和设备均为市购，原料纯度为分析纯及以上。
以下实施例中，采用的铝电线直径1±0.1mm，为市购产品。
以下实施例中，采用的氧化铝坩埚为市购产品，纯度为99％。
以下实施例中，采用的石墨电极为市购产品。
以下实施例中，采用的石墨棒直径10±0.1mm～30±0.1mm，纯度为高纯、高致密石墨。
以下实施例中，采用的不锈钢丝的直径在2.5±0.01mm，型号为304。
以下实施例中，采用的电源为直流稳压电源型号为CT-4008-5V6A-S1恒电位仪。
以下实施例中，将熔盐烘干去除水分是将熔盐置于真空干燥箱中，在温度300℃和压力10Pa条件下干燥24h，除去吸附水和可能的结晶水。
以下实施例中，对反应器内的物料进行加热是将反应器置于电阻丝炉中加热。
实施例1
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的截面积为0.5mm2，防冰雪碳层的厚度为100nm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。其中，架空电线为铝丝。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1，电化学反应的准备
(1)将直径1±0.1mm×长1800±0.01mm的金属电线1—铝丝经过缠绕后作为阴极，与直径15±0.1mm×高120±0.01mm的高纯石墨棒2与直径2.5±0.01mm×长120±0.01mm的304不锈钢棒3连接制成阳极；
(2)将质量为0.56公斤的LiCl-KCl(摩尔比为1:1)熔盐4烘干除水，置于直径95±0.01mm×高120±0.01mm的氧化铝坩埚5中，同时加入1mol％的K2CO3；
将氧化铝坩埚5放入不锈钢反应器6中，氧化铝坩埚5和不锈钢反应器6间隔处设置耐火材料7，阴极和阳极悬挂与坩埚上方，在不锈钢反应器的腔体和上盖接触处设置O型圈9，封闭不锈钢反应器，从惰性气体进气口8-1持续通入氩气保护气氛，从惰性气体出气口8-2将阳极气体排出，形成连续流动保护气氛；其整体装置结构示意图见图1。
步骤2，电沉积涂覆碳层
不锈钢反应器加热，并升温至500±5℃，使熔盐熔化形成熔体，通入惰性气体，并将阴极和阳极浸入熔体中，构成两电极电解体系，阴极和阳极的水平间距为15±2mm，在阴极和阳极间施加2.0±0.1V恒电压，进行碳源离子的还原；
5min后，将阴极移出熔盐，进行冷却，并继续浸入后续的金属电线，进行电沉积过程，得到涂覆有碳层的铝电线。
步骤3，后处理
将冷却的涂覆有碳层的铝电线，浸入水中，用水作为超声介质，水的pH值为6～8，超声波频率为10～50kHZ进行超声清洗，去除附着盐，干燥，封装，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为90°。
实施例2
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的截面积为300mm2，防冰雪碳层的厚度为50μm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。其中，架空电线为铝丝。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)熔盐为0.56公斤的LiCl-KCl(摩尔比为3:2)，同时加入5mol％的K2CO3；
(2)阴极和阳极的水平间距为10mm，电沉积时间为120min；
其他方法相同，得到的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为130°。。
实施例3
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的截面积为100mm2，防冰雪碳层的厚度为5μm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。其中，架空电线为铝合金丝，其中，铝的含量为99.5wt％。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)将步骤2中的恒电压，改为脉冲沉积，电压值仍为2.0±0.1V，频率为200HZ，占空比为50％。
(2)步骤2的沉积时间为1h；其他方法相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为140°。
实施例4
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)将步骤2中的恒电压，改为施加0.1A恒定电流，并监控电压在1.8±0.5V之间；
(2)阴极和阳极的水平间距为5mm，电沉积时间为3min；
其他方法相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为100°。
实施例5
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)将步骤2的两电极间施加0.1A的恒定脉冲电流，占空比为50％，频率为200HZ，并监控电压1.8±0.5V之间；
(2)步骤2沉积时间为2h；
(3)步骤1中，所用的气体为CO2；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为138°。
实施例6
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为1:1:1)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的沉积时间为20min；
(3)步骤2中，操作温度控制在500℃；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为140°。
实施例7
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为1:1:1)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的恒电压沉积方式改为脉冲沉积，电压值仍为2.0±0.1V，频率为200HZ，占空比为50％，沉积时间为40min；
(3)步骤2中，操作温度控制在450±5℃；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为140°。
实施例8
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为2:9:9)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的两电极间施加0.1A的恒定电流，并监控电压在1.8±0.5V之间；
(3)步骤2的沉积时间为20min；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为117°。
实施例9
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为8:1:1)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的两电极间施加0.1A的恒定脉冲电流，占空比为50％，频率为200HZ，并监控电压1.8±0.5V之间；
(3)步骤2的沉积时间为40min；
(4)操作温度控制在650±5℃；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为128°。
实施例10
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)熔盐为0.56公斤的LiF-KF(摩尔比为1:1)，同时加入30mol％的K2CO3；
(2)步骤2的两电极间水平间距为30mm；
(3)步骤2的沉积时间为60min；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为95°。
实施例11
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1熔盐为0.56公斤的LiF-KF(摩尔比为1:1)，同时加入0.5mol％的K2CO3；；
(2)步骤2的恒电压沉积方式改为脉冲沉积，电压值为2.3±0.1V，频率为10HZ，占空比为50％；
(3)步骤2的反应温度为400±5℃；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为135°。
实施例12
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为8:1:1)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的两电极间施加0.01A的恒定脉冲电流，占空比为50％，频率为1000HZ，并监控电压1.6±0.5V之间；
(3)步骤2的沉积时间为40min；
(4)操作温度控制在650±5℃；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为105°。
实施例13
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，同实施例1。
一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤1使用560g的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3(摩尔比为2:9:9)，不另外加入碳酸盐；
(2)步骤2的两电极间施加0.5A的恒定电流，并监控电压在1.8±0.5V之间；
(3)步骤2的沉积时间为20min；
其他方式相同，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为125°。

Claims (10)

1.一种表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其特征在于，该表面涂覆防冰雪碳层的架空电线包括架空电线和涂覆在架空电线外层的防冰雪碳层，架空电线的截面积为0.1～300mm2，防冰雪碳层的厚度为100nm～50μm，架空电线和防冰雪碳层以化学键进行连接。
2.如权利要求1所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其特征在于，所述的架空电线为铝丝或铝合金丝，当为铝合金丝时，铝的质量百分含量≥98wt.％。
3.如权利要求1所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其特征在于，所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线，其表面润湿角为90～140°。
4.权利要求1～3中任意一项所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1，电化学反应的准备
(1)将用于架空电线的裸露金属电线作为阴极；石墨棒与不锈钢棒相连作为阳极；
(2)将熔盐烘干除水，置于坩埚中，放入反应器，通入惰性气体，形成连续流动保护气氛；
步骤2，电沉积涂覆碳层
反应器加热，使熔盐熔化形成熔体，通入惰性气体，并将阴极和阳极浸入熔体中，构成两电极电解体系，阴极和阳极的水平间距为5～30mm，在阴极和阳极间施加电场，进行碳源离子的还原；
3min～120min后，将阴极移出熔盐，进行冷却，并继续浸入后续的金属电线，进行电沉积过程，得到涂覆有碳层的金属电线；
所述的电沉积过程中，在阴极和阳极之间施加电场分为恒电压、恒电流或脉冲电场中的一种；
当为恒电压时，其电压为1.1V～2.4V；
当为恒电流时，电流为0.01A/cm2～5A/cm2；
当为脉冲电场时，脉冲沉积时，频率为10HZ～1000HZ；
步骤3，后处理
将冷却的涂覆有碳层的金属电线，浸入水中，超声清洗，去除附着盐，干燥，封装，得到表面涂覆防冰雪碳层的架空电线。
5.如权利要求4所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，所述的用于架空电线的裸露金属电线为铝和铝合金丝，其截面积为0.1～300mm2；
所述的石墨棒为高纯石墨，直径为3～100mm，浸入熔盐深度为1～30cm；
所述的不锈钢管棒的直径为1～15mm。
6.如权利要求4所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，所述的熔盐为含碳酸根的碱金属卤化物体系、或碱金属碳酸盐混合熔盐体系；
当熔盐为含碳酸根的碱金属卤化物体系时，包括电介质和碳源，电介质具体为任意摩尔比例的LiCl-KCl混合物或LiF-KF混合物；
所述的碳源为碳酸盐，碳源在碱金属卤化物体系的摩尔百分比为0.5～30mol％；
当熔盐为碱金属碳酸盐混合熔盐体系时，具体包括碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠，按摩尔比，碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠＝(10～80)：(45～10)：(45～10)。
7.如权利要求6所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，当熔盐为含碳酸根的碱金属卤化物体系时，电介质为LiCl-KCl混合物，按摩尔比，LiCl：KCl＝3：2；或电介质为LiF-KF混合物，按摩尔比，LiF：KF＝1：1；
所述的碳源为碳酸钾，碳酸盐在碱金属卤化物体系的摩尔百分比为0.5～5mol％。
8.如权利要求6所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，当熔盐为碱金属碳酸盐混合熔盐体系时，按摩尔比，碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠＝＝1:1:1。
9.如权利要求4所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，当熔盐为碱金属卤化物体系时，反应温度为395～605℃，当熔盐为碱金属碳酸盐混合熔盐体系时，反应温度为445～655℃。
10.如权利要求4所述的表面涂覆防冰雪碳层的架空电线的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的超声清洗，用水作为超声介质，水的pH值为6～8，超声波频率为10～50kHZ。
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