伊鐘毓 ，杜瑋，李海燕，王濤，于永利，郝衛(wèi)平，相若函，石振平

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081； 2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司衡水供電段，河北 衡水 053000）

復(fù)合絕緣子作為鐵道線路上的關(guān)鍵元器件，其絕緣性能直接影響到接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全。絕緣子由于長(zhǎng)期懸掛在戶外，其表面會(huì)附著大量污物，導(dǎo)致絕緣性能下降，形成污閃。污閃會(huì)破壞絕緣子的絕緣性，使絕緣子的絕緣性能進(jìn)一步下降，所以需要以專用的清洗劑進(jìn)行清洗。目前我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，隨著強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 38508-2020《清洗劑揮發(fā)性有機(jī)化合物含量限值》的頒布，清洗劑VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)的含量將是重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的絕緣子清洗劑種類繁多，質(zhì)量參差不齊，缺少性能優(yōu)異且符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。劉凱等[1]對(duì)絕緣子表面污漬及清洗機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明油脂及二氧化硅是絕緣子污物的主要成分，可以依靠清洗劑的低表面張力對(duì)絕緣子表面進(jìn)行潤(rùn)濕，達(dá)到清洗的目的。榮小平[2]提出了帶電清洗劑的開(kāi)發(fā)思路，認(rèn)為動(dòng)態(tài)絕緣性是帶電清洗劑的關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)加以重視。湯振鵬等[3]研究了幾種帶電清洗劑對(duì)絕緣子工頻閃絡(luò)電壓的影響，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)絕緣子清潔狀態(tài)下閃絡(luò)電壓的影響都不明顯。楊超[4]發(fā)明了一種絕緣子帶電清洗劑，可有效清除絕緣子防污閃涂料表面的污漬，恢復(fù)絕緣子表面優(yōu)良的憎水性和憎水遷移性。張煒婕[5]對(duì)退役復(fù)合絕緣子清洗工藝進(jìn)行了研究，證明了椰油酰胺丙基甜菜堿與脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鈉復(fù)配體系的穩(wěn)定性高，溶解性強(qiáng)，并設(shè)計(jì)了“潤(rùn)濕→刷洗→清洗”工藝，可以有效去除污漬。Krystian L.Chrzan等[6]研究了工業(yè)污染和沿海鹽類對(duì)瓷類及硅橡膠類絕緣子的影響，結(jié)果表明瓷類絕緣子在高污染環(huán)境下的漏電現(xiàn)象比橡膠類絕緣子少，可能是由于橡膠類絕緣子 老化導(dǎo)致其性能下降。Seog-Hyeon Kim等[7]研究了硅橡膠絕緣子表面的化學(xué)變化，證明潮濕等工況下服役的絕緣子表面容易受到電弧影響，從而導(dǎo)致性能下降。

本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)絕緣子表面污物成分進(jìn)行分析，并根據(jù)結(jié)果采用正交試驗(yàn)法研發(fā)出一款符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的斷電作業(yè)用絕緣子清洗劑，考察了它的清洗性能、橡膠浸泡膨脹率、金屬腐蝕性、VOC含量，為絕緣子清洗維護(hù)提供理論基礎(chǔ)及解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 藥品

二乙二醇丁醚(溶劑)、N-甲基吡咯烷酮(溶劑)、苯甲酸鈉(添加劑)，上海麥克林生化科技有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚(非離子表面活性劑)和防銹劑PC，巴斯夫股份公司。以上試劑均為市售分析純。

1.2 清洗劑基礎(chǔ)配方及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

清洗劑基礎(chǔ)配方(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)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%，防銹劑PC 0.6%，苯甲酸鈉0.2%，水81.2%。

采用三因素三水平正交試驗(yàn)確定配方中2種溶劑及表面活性劑的最佳含量，其主要成分含量均通過(guò)探索實(shí)驗(yàn)確定，具體方案見(jiàn)表1。

表1 清洗劑主要成分的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 Orthogonal design for optimization of main constituents of cleaning agent

1.3 表征及性能測(cè)試方法

1.3.1 絕緣子表面形貌及污物分析

在現(xiàn)場(chǎng)取下的絕緣子上取一塊樣品，采用蔡司儀器公司的Sigma 300場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡及其附帶的能譜儀對(duì)其表面狀態(tài)和成分進(jìn)行分析。

1.3.2 清洗性能測(cè)試

由于目前并沒(méi)有針對(duì)絕緣子清洗劑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考Q/CR 468-2015《動(dòng)車組外表面清洗劑》對(duì)產(chǎn)品的洗凈力進(jìn)行測(cè)試。采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的油污(N32機(jī)械油80%，泥土10%，氧化鐵紅5%，氫氧化鋁5%)涂刷清洗試片表面，隨后浸泡在40 °C的5%清洗劑溶液內(nèi)，5 min后進(jìn)行擺洗，擺洗5 min后在去離子水中再次擺洗30 s，隨后烘干。用METTLER TOLEDO的ME-204電子分析天平稱得涂油前試片的質(zhì)量為m，涂油后的質(zhì)量為m′，清洗后的質(zhì)量為m″，則洗凈力η的計(jì)算如式(1)所示。

1.3.3 金屬腐蝕性的評(píng)價(jià)

由于絕緣子清洗作業(yè)時(shí)，清洗劑有可能接觸到電器網(wǎng)絡(luò)的其他金屬部件，因此金屬腐蝕性應(yīng)考慮在內(nèi)，其實(shí)驗(yàn)方法參考Q/CR 468-2015《動(dòng)車組外表面清洗劑》。將打磨好的45鋼片、H62黃銅和LY12硬鋁試片(尺寸均為50 mm × 25 mm × 2.5 mm)分別浸泡在40 °C的5%清洗劑溶液內(nèi)4 h，取出后清洗并烘干，計(jì)算浸泡前后的質(zhì)量損失，記為Δm。

1.3.4 橡膠浸泡及疏水性實(shí)驗(yàn)

絕緣子橡膠的浸泡實(shí)驗(yàn)方法參考GB/T 14832-2008《標(biāo)準(zhǔn)彈性體材料與液壓液體的相容性試驗(yàn)》。分別稱量試塊在空氣中和水中的質(zhì)量，其中樣品在水中的質(zhì)量按如下步驟測(cè)量：首先稱量含水燒杯以及懸掛樣品的架子質(zhì)量，然后將樣品懸掛于架子上并浸沒(méi)在含水燒杯中，稱取總質(zhì)量，相減后即得樣品在水中的質(zhì)量。隨后稱量樣品在5%清洗劑中浸泡后，在空氣中和水中的質(zhì)量。記樣品在空氣中的質(zhì)量為m1，樣品在水中的質(zhì)量為m2，浸泡后樣品在空氣中的質(zhì)量為m3，浸泡后樣品在水中的質(zhì)量為m4，則體積變化率ΔV的計(jì)算如式(2)所示。

采用德國(guó)DataPhysics公司的JY-82B Kruss DSA接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)浸泡前后的絕緣子試塊進(jìn)行接觸角測(cè)量，考察其表面疏水性是否發(fā)生變化。

1.3.5 VOC含量的測(cè)定

VOC含量參考GB 38508-2020進(jìn)行測(cè)定。采用萬(wàn)通儀器的870 KF Titrino plus水含量分析儀對(duì)樣品的水含量進(jìn)行測(cè)定，然后將樣品放入105 °C的DHG101-2鼓風(fēng)干燥箱(春蘭儀器廠)中烘干4 h，計(jì)算其質(zhì)量損失。清洗劑的VOC含量VOCρ按式(3)計(jì)算。

其中w揮、w水、iw分別為樣品測(cè)試液中揮發(fā)性物質(zhì)、水分以及可扣減測(cè)試物質(zhì)i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ρ為樣品測(cè)試液的密度(單位：g/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 絕緣子表面污物的成分

將華北某線路上服役的絕緣子帶回進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取回的絕緣子(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 絕緣子表面元素的含量 Table 2 Contents of elements on surface of insulator

絕緣子表面污物的成分在很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境及污染情況，一般主要有二氧化硅(灰塵)、硫化物、氧化鋁、鈣鹽及有機(jī)物(油污)，沿海地區(qū)服役的絕緣子表面還會(huì)有較多的鹽類物質(zhì)存在。

2.2 清洗劑配方的設(shè)計(jì)

由表3中正交試驗(yàn)的極差分析可知，3個(gè)因素的影響程度為C ＞ A ＞ B，即表面活性劑對(duì)洗凈力的影響最大，其次為二乙二醇丁醚，影響較小的是N-甲基吡咯烷酮，增大表面活性劑的含量可顯著提高清洗效果。正交試驗(yàn)中7號(hào)配方的洗凈力最高，其組合為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%，與均值分析的結(jié)果一致，故采納之。在此基礎(chǔ)上，添加一定量的苯甲酸鈉、防銹劑PC及去離子水，配制成絕緣子清洗劑。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Orthogonal test result

2.3 清洗性能實(shí)驗(yàn)

經(jīng)測(cè)試，自研絕緣子清洗劑的洗凈力為94.66%，而2款市售產(chǎn)品的洗凈力分別為67.54%和72.33%，可見(jiàn)自研產(chǎn)品的清洗效果更理想。

2.4 金屬腐蝕性評(píng)價(jià)

由表4可知，在不添加防銹劑PC的情況下，自研產(chǎn)品對(duì)H62黃銅和LY12硬鋁的腐蝕性極低，試樣外觀無(wú)明顯變化，但對(duì)45鋼的表面會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕效果。為了解決這一問(wèn)題，加入防銹劑PC就可以起到保護(hù)鋼的作用，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。隨著防銹劑PC加入量的上升，鋼試片的腐蝕量逐步下降，當(dāng)防銹劑含量≥0.6%時(shí)，鋼片的點(diǎn)蝕已被抑制(如圖3所示)。故防銹劑PC在配方中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜為0.6%。

圖2 防銹劑PC含量對(duì)45鋼的緩蝕作用 Figure 2 Corrosion inhibition effectiveness of rust inhibitor PC for 45 steel

圖3 體系中未加入防銹劑PC(a)及加入0.6%防銹劑PC后(b)45鋼片在40 °C的清洗劑中浸泡4 h后的表面狀態(tài) 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%)

表4 自研產(chǎn)品對(duì)金屬的腐蝕性 Table 4 Corrosivity of home-developed product on metals

綜上所述，確定清洗劑的最佳配方如下：乙二醇丁醚6%，N-甲基吡咯烷酮2%，脂肪醇聚氧乙烯醚10%，防銹劑PC 0.6%，苯甲酸鈉0.2%，余量為水。

2.5 橡膠浸泡實(shí)驗(yàn)

將絕緣子試塊浸泡在清洗劑溶液中1 d，取出后測(cè)得其體積變化率為0.23%，證明自研清洗劑幾乎不會(huì)對(duì)絕緣子產(chǎn)生體積溶脹影響。從表5可知，浸泡1 d后絕緣子樣品的水接觸角并沒(méi)有明顯變化，證明自研產(chǎn)品對(duì)絕緣子表面疏水層沒(méi)有明顯影響。

表5 在自研清洗劑溶液中浸泡1 d前后試塊的水接觸角 Table 5 Contact angle of water on the specimen before and after immersion in the solution of home-developed cleaning agent

2.6 產(chǎn)品的VOC含量

產(chǎn)品為半水基清洗劑，經(jīng)測(cè)定其可揮發(fā)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.92%，水含量為69.04%，密度為987 g/L，不含可抵扣物質(zhì)。據(jù)此算得其VOC含量為255.44 g/L，低于GB 38508-2020對(duì)半水基清洗劑的VOC限值300 g/L。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)掃描電鏡分析，確定了絕緣子表面污物的成分大致為油污、灰塵及無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)。

(2) 通過(guò)正交試驗(yàn)確定了一種動(dòng)車組及接觸網(wǎng)用絕緣子清洗劑的最佳配方，其VOC含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 該產(chǎn)品的洗凈力達(dá)到94.66%，對(duì)45鋼、H62黃銅和LY12硬鋁的腐蝕量極小，也不影響絕緣子橡膠的性能。