CN110504062A - 一种防冰架空铝绞线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防冰架空铝绞线及其制备方法，属于电力传输领域。本发明首先通过阳极氧化在铝绞线表面形成纳米孔结构，然后将修饰剂接枝在纳米孔表面，最后再向纳米孔中注入润滑液体，得到一种防冰架空铝绞线，具有冰黏附力低、自修复功能强以及耐磨性能好的优点，在电力传输领域具有更好的应用；同时一种防冰架空铝绞线的制备方法工艺简单，适合铝绞线大规模连续化生产，有利于防冰架空铝绞线的应用推广。

Description

一种防冰架空铝绞线及其制备方法
技术领域
本发明属于电力传输领域，具体涉及一种防冰架空铝绞线及其制备方法。
背景技术
输电线路的覆冰灾害严重危害电力系统的安全。架空线路覆冰使导线载荷过重，引起杆塔受力过重或不平衡，导致导线舞动、断线、倒塔(杆)等事故，这些事故造成电力长时间中断，严重影响社会生产和生活，造成巨大经济损失。发生严重冰灾时，会导致输电线路大面积、长时间停运，导致巨大的直接经济损失。因此，相关人员对输电线路防冰除冰进行了大量研究。
输电线路防覆冰主要分为主动除冰和被动防冰技术：①主动除冰技术包括电流热力融冰、机械除冰等。电流热力融冰能耗高，且融冰时不均匀脱冰也易造成倒塔事故，此外长时间热力融冰也可能使金属导线显微组织结构发生演变，致使强度降低，更易发生导线断线，而机械除冰(如：人力除冰)操作困难，安全性能不高，效率也低；②被动防冰主要是憎水防覆冰涂层，如超疏水涂层通过减小固液接触面积，防止雨滴在导线表面停留来防止覆冰，但目前制备超疏水表面的设备以及工艺复杂，制造成本高，且有研究表明在低温高湿情况下，空气中水蒸气在超疏水涂层表面空气间隙凝结，导致其失去超疏水性能，丧失防冰性能，同时其表面微纳米粗糙结构在导线架设、绞制过程中极易损坏，从而失去防冰性能。
目前电力系统的防覆冰涂料主要针对绝缘子和架空铝绞线进行。但由于铝绞线结构复杂，涂料结合力不强，持久性差，且作为输电导体，由于趋肤效应，使得损耗增大，故很多制备绝缘子防冰涂料的方法难以应用到铝绞线。仿猪笼草超润滑表面是在材料表面微纳米孔或管结构中浸入一层润滑液体(含氟聚醚、含硅润滑油、离子液体等)，由于均相性质和超滑性，能降低过冷水形核温度，减少冰核形成，延缓覆冰，同时极大降低冰粘附力，进而具有优良的防冰性能；同时，由于毛细效应，超润滑表面消耗或被损伤后能自行修复，提高了导线表面防冰的持久性。
现有工程应用的输电导线防覆冰技术主要包括高强铝导线和大电流融冰，部分涂料法由于防冰有效性和持久性问题并未在工程实际中大范围采用。然而高强铝合金绞线成本高，且对于输电等级尚有一定的限制，无法大范围使用，同时大电流热力除冰能耗高，且融冰时不均匀脱冰也易造成倒塔事故。而现有防覆冰涂层制备工艺复杂，难以加工到结构复杂的架空铝绞线，或涂层与基底结合力不强，难以经受绞制和安装的物理磨损。超疏水涂层在低温高湿度环境中防冰性能易失效，由于微纳米结构的钉扎作用，使得冰粘附力增大：专利CN 102290147 A采用化学刻蚀再化学改性的方法制备超疏水防冰铝绞线，但是超疏水表面微纳米粗糙结构难以经受绞制和安装的物理磨损，同时在低温高湿环境中，超疏水铝绞线防覆冰性能失效，同时化学刻蚀会损害铝绞线使得铝绞线物理化学性质发生变化；专利CN 104217785 A采用刻蚀法再复合液体的方式制备防覆冰铝绞线，但是刻蚀铝表面粗糙结构较不规则，液体容易从铝绞线脱落，耐久性差，同时化学刻蚀会损害铝绞线使得铝绞线物理化学性质发生变化。
因此需要对具有防覆冰功能的铝绞线及其制备方法进行进一步的深入研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种防冰架空铝绞线；本发明的目的之二在于提供一种防冰架空铝绞线的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种防冰架空铝绞线，所述防冰架空铝绞线包括具有纳米孔结构的铝绞线、接枝在纳米孔表面的修饰剂以及注入到纳米孔中的润滑液体。
优选的，所述铝绞线为铝制裸导线。
进一步优选的，所述铝制裸导线为钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线、铝合金绞线或者碳纤维芯铝绞线中的任意一种。
优选的，所述修饰剂为表面能在20mN/m以下的含碳长链的烷烃、含氟化合物或者含硅化合物。
进一步优选的，所述修饰剂为硅烷、氟硅烷或者硬脂酸中的任意一种。
优选的，所述润滑液体为非挥发润滑液，所述非挥发润滑液为全氟聚醚、硅油或者离子液体中的任意一种。
2、上述一种防冰架空铝绞线的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)阳极氧化：将铝绞线作为阳极进行阳极氧化处理，使所述铝绞线形成纳米孔结构的铝绞线；
(2)修饰纳米孔：向步骤(1)中得到的所述纳米孔结构的铝绞线中加入修饰剂溶液，通过共价键作用将所述修饰剂接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将润滑液体注入步骤(2)中得到的所述修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
优选的，步骤(1)中所述阳极氧化处理时阴极为环形不锈钢电极；电解液为0.1～1mol/L的磷酸水溶液、0.1～1mol/L的草酸水溶液或者0.1～1mol/L的硫酸水溶液中的任意一种或几种混合物；电流为0.01～1.0A/cm2；电压为5～130V；温度为0～70℃，阳极氧化处理的时间为2～120min。
进一步优选的，所述电流为直流电流、交流电流或者脉冲电流。
优选的，步骤(2)中所述修饰纳米孔的方法为浸泡或者气相沉积。
进一步优选的，所述浸泡的具体方法为：配置一定浓度的修饰溶液，将制备的铝绞线浸泡在修饰液中一段时间，烘干即可。
进一步优选的，所述气相沉积的具体方法为：将一定量的修饰溶液放入一定容积的密闭容器中，再将铝绞线放入密闭容器，随后在一定温度下处理一段时间。
优选的，步骤(2)中所述修饰剂溶液的溶剂为乙醇或水，所述修饰剂溶液中修饰剂的质量分数为1～100％。
优选的，步骤(3)中所述注入的方法为浸泡、喷涂或涂刷中的任意一种。
进一步优选的，所述浸泡的具体方法为：将铝绞线浸入润滑液体，一定时间后取出。
进一步优选的，所述喷涂的具体方法为：采用喷枪将润滑液体均匀喷涂至铝绞线表面。
进一步优选的，所述涂刷的具体方法为：用毛刷将润滑液体均匀刷在铝绞线表面。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开了一种防冰架空铝绞线，具有以下优点：①冰黏附力低，能有效延缓覆冰，测试防冰架空铝绞线的冰黏附强度仅为处理前的4.9％；②具有自修复功能：防冰架空铝绞线表面损伤或润滑液脱落后，在毛细力作用下纳米孔内储存的润滑液能及时补充，实现自愈功能，使防冰架空铝绞线具有更加持久防冰性能；③耐磨性好：通过阳极氧化得到的具有纳米孔的铝绞线具有硬度高、耐磨好、氧化膜与基体结合力强等优点，且纳米孔状结构磨损后依然保持纳米孔，因此阳极氧化法制备的超滑铝绞线具有优良抗损伤性和持久性。
2、本发明还公开了一种防冰架空铝绞线的制备方法，工艺简单，适合铝绞线大规模连续化生产；同时阳极氧化作为铝合金常用表面耐磨，防腐表面处理方法，成本低，适合铝绞线大规模连续化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种防冰架空铝绞线的制备的流程图；
图2为本发明通过阳极氧化制备的具有纳米孔的铝绞线的SEM图；
图3为实施例1中制备得到的铝绞线和未经处理的铝绞线的覆冰试验图。
图4为经过不同方式处理的铝绞线的冰黏附强度测试结果图。
图5为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中制备得到的铝绞线经过不同次数磨损后的冰黏附强度测试结果图。
图6为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中制备得到的铝绞线磨损后再自修复处理后的冰黏附强度测试结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
准备一种防冰架空铝绞线，制备方法如下，其制备流程如图1所示：
(1)阳极氧化：将铝合金绞线作为阳极、304不锈钢板制成的环形电极为阴极，0.3mol/L的磷酸水溶液为电解液，在电流为0.167A/cm2的直流电流、电压为80～130V、温度为25℃的条件下进行阳极氧化处理20min，在铝绞线的表面形成纳米多孔氧化膜，处理结束后在水中超声清洗5min后烘干，形成纳米孔结构的铝绞线(如图2所示)；
(2)修饰纳米孔：将步骤(1)中得到的纳米孔结构的铝绞线中浸泡在质量分数为2％修饰剂溶液(其中修饰剂为十六烷基三甲氧基硅烷，溶剂为乙醇)中30min，将修饰剂含有的低表面能基团通过共价键作用接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线，降低其的表面能，具有超疏水性能，同时有利于后续有润滑液的注入以及排斥水滴进入纳米孔内，从而提高防水和防冰性能；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将杜邦公司生产的krytox GPL100型全氟聚醚润滑油作为润滑液体涂刷在步骤(2)中得到的修饰的纳米孔铝绞线的表面，使润滑油在铝绞线表面形成一层润滑层并进入纳米孔中，同时在真空度为50pa的真空烘箱中浸油10min，使润滑液体充分进入到修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
实施例2
准备一种防冰架空铝绞线，制备方法如下：
(1)阳极氧化：将钢芯铝绞线作为阳极、304不锈钢板制成的环形电极为阴极，0.1mol/L的草酸水溶液为电解液，在电流为0.01A/cm2的直流电流、电压为40～70V、温度为50℃的条件下进行阳极氧化处理10min，在铝绞线的表面形成纳米多孔氧化膜，形成纳米孔结构的铝绞线；
(2)修饰纳米孔：向步骤(1)中得到的纳米孔结构的铝绞线中加入质量分数为100％修饰剂溶液(其中修饰剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷)，采用气相沉积的方法将修饰剂含有的低表面能基团通过共价键作用接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线，降低其的表面能，具有超疏水性能，同时有利于后续有润滑液的注入以及排斥水滴进入纳米孔内，从而提高防水和防冰性能；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将硅油作为润滑液体通过浸泡的方式注入步骤(2)中得到的修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，注入后放入真空烘箱中使润滑液体充分进入到修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
实施例3
准备一种防冰架空铝绞线，制备方法如下：
(1)阳极氧化：将碳纤维芯铝绞线作为阳极、304不锈钢板制成的环形电极为阴极，1mol/L的磷酸水溶液为电解液，在电流为1.0A/cm2(其中电流为交流)、电压为50～90V、温度为0℃的条件下进行阳极氧化处理5min，在铝绞线的表面形成纳米多孔氧化膜，形成纳米孔结构的铝绞线；
(2)修饰纳米孔：将步骤(1)中得到的纳米孔结构的铝绞线浸泡在质量分数为10％的修饰剂溶液(其中修饰剂为硬脂酸，溶剂为水)中1h，使修饰剂含有的低表面能基团通过共价键作用接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线，降低其的表面能，具有超疏水性能，同时有利于后续有润滑液的注入以及排斥水滴进入纳米孔内，从而提高防水和防冰性能；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将步骤(2)中得到的修饰的纳米孔铝绞线浸泡在离子液体的润滑液体中，使润滑液体通过喷涂的方式注入到纳米孔中，注入后放入真空烘箱中使润滑液体充分进入到修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
实施例4
准备一种防冰架空铝绞线，制备方法如下：
(1)阳极氧化：将铝包钢芯铝绞线作为阳极、304不锈钢板制成的环形电极为阴极，0.5mol/L的硫酸水溶液为电解液，在电流为0.5A/cm2的脉冲电流、电压为5～25V、温度为30℃的条件下进行阳极氧化处理60min，在铝绞线的表面形成纳米多孔氧化膜，形成纳米孔结构的铝绞线；
(2)修饰纳米孔：配制质量分数为20％修饰剂溶液(其中修饰剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷，溶剂为乙醇)，加入步骤(1)中得到的纳米孔结构的铝绞线，采用浸泡的方法使修饰剂含有的低表面能基团通过共价键作用接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线，降低其的表面能，具有超疏水性能，同时有利于后续有润滑液的注入以及排斥水滴进入纳米孔内，从而提高防水和防冰性能；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将杜邦公司生产的krytox GPL130型全氟聚醚润滑油作为润滑液体，将步骤(2)中得到的修饰的纳米孔铝绞线浸泡在润滑液体中，放入真空烘箱中使润滑液体充分进入到修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
性能测试：
以上述方法制备得到防冰架空铝绞线为例，测试其冰黏附强度、耐磨性、自修复能力和耐酸雨腐蚀性等性能。
1、雨凇覆冰试验测试
雨凇覆冰试验在人工气候实验室中进行，环境温度为-7℃～-8℃，湿度为50％～70％，过冷却水滴温度为-1℃～0℃，倾斜角度20°。连续覆冰1小时后，未经过处理的铝绞线表面很快覆上一层致密冰层，覆冰厚度和冰棱长度随着覆冰时间而增加；而对于通过本发明的方法制备得到的防冰架空铝绞线而言，过冷却水滴容易从铝绞线上滑落，结冰疏松，存在大量未结冰空白区域，如图3所示。
由于通过本发明的方法制备得到的防冰架空铝绞线的表面存在润滑液体，故冰与防冰架空铝绞线表面之间存在一层液体润滑液，导致铝绞线的冰黏附强度大幅度降低，从而使结冰过程中冰在重力和风力作用下脱落，增加铝绞线的防冰能力。
2、冰黏附强度测试：
将铝绞线垂直放入一装水的圆柱桶，在温度为-10℃，湿度为50％～60％下冰冻12小时，用拉力计测试冰粘附强度。普通铝绞线(空白)、普通铝绞线涂润滑液(空白+oil)、实施例1～4的铝绞线冰黏附强度如附图4所示。由于实施例1～4中防冰架空铝绞线表面含有的润滑油凝固温度远低于水，因此冰与铝绞线表面存在一层润滑液，能够极大降低冰黏附作用，其中实施例1制备得到的防冰架空铝绞线的黏附强度最低，仅为原始铝绞线的4.9％。
3、耐磨性能和自修复性能测试
用1000目砂纸在实施例1～4中的铝绞线表面进行循环打磨，确保铝绞线表面磨损均匀。实施例1～4的耐磨性能如附图5所示。经过砂纸打磨后，实施例1～4中制备得到的防冰铝绞线仍然具有低冰黏附强度，其中实施例1～4经过6次打磨后的冰黏附强度值依然远低于未经处理的铝绞线，说明本发明制备得到防冰架空铝绞线具有良好的耐磨性能。
将上述打磨6次后的实施例1～4中的铝绞线，在60℃烘箱中加热2小时处理得到自修复后的铝绞线。实施例1～4铝绞线自修复性能如附图6所示，测得经过磨损导致下降的冰黏附强度得到了进一步恢复至接近打磨前，说明本发明制备的防冰铝绞线在损伤后具有良好防冰自修复性能。
由此可以看出本发明的防冰架空铝绞线具有良好的耐磨性能和自修复性能。
4、耐酸雨腐蚀和耐紫外老化性能
将铝绞线浸泡在PH＝4.6的硫酸溶液中，模拟酸雨腐蚀。经过48小时浸泡后，实施例1～4的防冰架空铝绞线仍具有较低冰黏附性能，其中实施例1～4中防冰架空铝绞线的冰黏附强度分别为41kP、62.3kP、55.8kP和52.1kP，仅为未处理铝表面的8.5％、12.8％、11.5％和10.7％。
依据IEC-61109-2008标准，试验采用的为500W高压汞灯为紫外光源，中心波长为365nm，紫外光强度为162.5W/m2，紫外照射时间为15小时。紫外老化后实施例1～4铝绞线仍具有低冰黏附性能，其中实施例1～4中铝绞线冰黏附强度分别为24.1kP、38.4kP、33.8kP和33.2kP，仅为未处理铝表面的4.97％、7.9％、7.0％和6.8％。
由此可以看出本发明的防冰架空铝绞线具有良好的耐酸雨腐蚀和耐紫外老化性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种防冰架空铝绞线，其特征在于，所述防冰架空铝绞线包括具有纳米孔结构的铝绞线、接枝在纳米孔表面的修饰剂以及注入到纳米孔中的润滑液体。
2.根据权利要求1所述一种防冰架空铝绞线，其特征在于，所述铝绞线为铝制裸导线；所述铝制裸导线为钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线、铝合金绞线或者碳纤维芯铝绞线中的任意一种。
3.根据权利要求1所述一种防冰架空铝绞线，其特征在于，所述修饰剂为表面能在20mN/m以下的含碳长链的烷烃、含氟化合物或者含硅化合物。
4.根据权利要求3所述一种防冰架空铝绞线，其特征在于，所述修饰剂为硅烷、氟硅烷或者硬脂酸中的任意一种。
5.根据权利要求1所述一种防冰架空铝绞线，其特征在于，所述润滑液体为非挥发润滑液，所述非挥发润滑液为全氟聚醚、硅油或者离子液体中的任意一种。
6.权利要求1～5任一项所述一种防冰架空铝绞线的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)阳极氧化：将铝绞线作为阳极进行阳极氧化处理，使所述铝绞线形成纳米孔结构的铝绞线；
(2)修饰纳米孔：向步骤(1)中得到的所述纳米孔结构的铝绞线中加入修饰剂溶液，通过共价键或氢键作用将所述修饰剂接枝到纳米孔表面，得到修饰的纳米孔铝绞线；
(3)向纳米孔中注入润滑液体：将润滑液体注入步骤(2)中得到的所述修饰的纳米孔铝绞线的纳米孔中，即可得到防冰架空铝绞线。
7.根据权利要求6所述一种防冰架空铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述阳极氧化处理时阴极为环形不锈钢电极；电解液为0.1～1mol/L的磷酸水溶液、0.1～1mol/L的草酸水溶液或者0.1～1mol/L的硫酸水溶液中的任意一种或几种混合物；电流为0.01～1.0A/cm2；电压为5～130V；温度为0～70℃，阳极氧化处理的时间为5～120min。
8.根据权利要求6所述一种防冰架空铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述修饰纳米孔的方法为浸泡、气相沉积、等离子体法或浸涂法。
9.根据权利要求6所述一种防冰架空铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述修饰剂溶液的溶剂为乙醇、水、甲醇、甲苯、丙酮、氯仿或环己烷，所述修饰剂溶液中修饰剂的质量分数为1～100％。
10.根据权利要求6所述一种防冰架空铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述注入的方法为浸泡、喷涂或涂刷中的任意一种。
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