清华大学 张若兵 等：等离子体射流与表覆多孔无机污秽硅橡胶间的相互作用：表面憎水或亲水？
《Interaction between plasma jet and silicone rubber covered by porous inorganic contaminants: Surface hydrophobicity or hydrophilicity?》（点击阅读原文）
题目：等离子体射流与表覆多孔无机污秽硅橡胶间的相互作用：表面憎水或亲水？
作者：李爽，李健俊，付永强，张若兵
内容整理自《High Voltage》2022年第7卷第6期。
电力系统中大量使用的硅橡胶复合绝缘材料在严重积污后，表面覆盖多孔无机污秽导致其憎水性降低。前期研究发现，与常规空气气氛中放电降低清洁硅橡胶表面憎水性相反，等离子体射流处理能快速（<5s）提高染污硅橡胶的表面憎水性，具有广阔应用前景。然而其物理机理仍不甚明晰，需要进一步研究。
本文利用等离子体射流处理表面涂覆有多孔高岭土污秽的染污硅橡胶，研究其憎水性变化。
图1 实验装置
随着等离子体处理时间的增大，染污硅橡胶表面先迅速变为憎水，超过阈值时间后再变为亲水。灰密不同，处理后表面憎水性变化呈现相同的规律。等离子体的均匀性直接决定处理区域憎水角的径向分布。
图2 等离子体处理时染污硅橡胶表面处理区域中心点接触角（a）与距中心点不同距离处的接触角（b）
等离子体作用下染污硅橡胶表面憎水性提高主要由未交联小分子硅氧烷从硅橡胶向高岭土表面迁移引起，小分子的含量和处理后憎水性提高速度正相关。
（a）
（b）
（c）
（d）
图3 等离子体处理后不同小分子含量的染污硅橡胶的憎水迁移过程（由a到d小分子含量逐渐减少）
图4 等离子体处理后染污硅橡胶表面傅里叶红外光谱FTIR分析结果
图5 等离子体处理后染污硅橡胶表面XPS分析结果
等离子体提高染污硅橡胶表面憎水性有两个不同的效应。效应I发生在等离子体处理过程中，对小分子含量要求较高，提高憎水性所需时间短（小于10s），其可能的机理是等离子体穿透了硅橡胶表面的多孔灰层，直接作用于硅氧烷小分子，加速了其迁移扩散和吸附过程。效应II发生在等离子体处理后，对小分子含量要求较低，提高憎水性所需时间较长（小时级），其可能机理是等离子体增强了高岭土吸附小分子的能力，从而加速了硅氧烷小分子在高岭土层中的迁移。
图6 等离子体加速迁移的效应示意图
等离子体作用下同时存在对小分子硅氧烷的氧化作用，使硅橡胶表面趋向于亲水。等离子体处理期间高岭土层的表面憎水状态由等离子体加速迁移（效应I）和氧化作用之间的竞争决定。若加速作用强于氧化作用，染污硅橡胶表面憎水性提高，反之表面憎水性降低。等离子体处理时染污硅橡胶表面憎水性在不同处理时间和处理区域的复杂表现即与此有关。等离子体处理期间污染硅橡胶憎水性变化过程如图所示。
图7 等离子体加速迁移与氧化作用的竞争
本文研究了等离子体射流与表覆有多孔无机污秽的硅橡胶间的作用，揭示了等离子体处理促进小分子硅氧烷迁移进而快速提高染污硅橡胶憎水性的两种效应，以及加速迁移与氧化作用的竞争决定表面憎水还是亲水。本文的研究有助于加深对等离子体与表面相互作用的理解，并为证实硅橡胶的憎水迁移机理提供了一种有趣的方法。此外，快速提高染污硅橡胶憎水性可以避免因复合绝缘子憎水性丧失引起的闪络事故，在电力系统中具有广阔的应用前景。
Shuang Li, Jianjun Li, Yongqiang Fu, Ruobing Zhang.“Interaction between plasma jet and silicone rubber covered by porous inorganic contaminants: Surface hydrophobicity or hydrophilicity?”, High Volt., vol. 7, no. 6, pp. 1023-1033, Dec. 2022.
张若兵，工学博士，清华大学博士生导师，分别于2008、2015年晋升为清华大学副研究员和广东省研究员。2020年度清华大学年度教学优秀奖获得者，深圳市地方级高层次人才、南山区领航人才。IEEE会员、中国电机工程学会和中国物理学会高级会员，中国电工技术学会等离子体应用专委会委员、中国物理学会静电专委会委员（兼静电青年委员会秘书长）、全国静电标准化技术委员会委员、深圳市节能专家委员会专家、非热加工产业技术创新战略联盟理事，深圳市青年联合会第七届委员会委员。
主要从事高电压新技术相关的研究工作，研究方向包括智能纳秒脉冲激励技术、等离子体技术应用（高端集成电路&芯片刻蚀、食品保鲜、杀菌消毒、材料改性、生物医学应用等）、高压脉冲电场技术、气体绝缘及污秽放电、复合绝缘装备憎水性快速恢复、人工智能在输变电装备故障诊断和缺陷识别中的应用等。主持或参与国家973科技计划计划、国家重点研发计划“中国和美国政府间合作项目”重点专项、863项目课题及多项国家自然科学基金项目。目前主持在研国家自然科学基金面上项目、广东省基础研究（粤深重点）、深圳市自然基金（重点）、圳市科技攻关重点、深圳市基础研究学科布局项目及企业横向重大课题多项。近年来已在国内外等重要期刊及会议发表学术论文100余篇，授权PCT及国家发明专利多项，参编标准2项，合编专著1本。研究成果获深圳市科技创新奖（2008）、教育部高校科研成果自然科学类二等奖（2012），2019年中国电力科学技术二等奖（2019）、山东省科技进步二等奖（2019）、国家电网有限公司科学技术进步一等奖（2019）等多项。培养学生中3名获得清华大学“校级优秀硕士论文”。
清华大学深圳国际研究生院能源与电工新技术研究所长期从事高电压技术、绝缘材料、电工新技术等方向研究。目前研究所有专职教师教授3人，副教授4人，助理教授2人，双聘院士2人，海外合作教授1人，工程师3人，博士后4人，博士/硕士研究生70人。研究所建有电力系统国家重点实验室深圳分室、广东省工程技术中心、深圳市工程实验室和重点实验室等科研载体。研究所占地面积超过2000平方米，拥有完备的试验设备，团队研究方向涵盖了传统高电压技术诸多领域，如绝缘子技术、外绝缘与染污放电、电晕放电及其检测、工程电介质研发与测试、特高压输变电技术、风力发电技术、无线传能技术等，近年来团队还重视高电压技术与其他学科方向的交叉研究，如高电压与医学及生物科学、食品科学、环境技术和材料科学的交叉，形成了新的高电压研究方向，如高压脉冲电场非热加工、等离子体空气消杀、材料表面改性、陶瓷场致烧结等。截止2021年，研究所承担了国家973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等纵向课题，与国家电网、南方电网公司具有密切的技术合作，获得中国机械工业奖、中国电力科技奖、广东省等诸多省部级科技奖逾50项。
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编辑：郭世瑞
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文章来源：高电压
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