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1、接地网用防腐导电涂料研究摘要：以固体环氧树脂、导电石墨、碳纳米管、聚乙烯醇缩丁醛等为主要原料制备防腐导电涂料。通过研究固化温度和时间对涂层性能的影响，得到涂料固化条件为:150-300，15-30min。通过化学介质浸泡实验，表明涂层具有优异的防腐性能。涂层的主要性能为：结合强度大于5.0MPa，电阻率小于0.5m，完全可以满足接地网的性能要求，预计寿命20-30年。关键词：防腐导电涂料 接地网 电阻率 环氧树脂 导电石墨1 引言近年来，随着我国电力容量的增大和电压等级的升高，经常发生因接地网腐蚀而引起的电力运行安全事故，交流接地网的腐蚀、烧毁和重建造成的直接经济损失是巨大的，大面积和长时间停
2、电造成的间接损失也是难以估量的1-5。为了保证电力系统的正常运行和安全，发电厂和变电站的电气设备都要做到可靠接地，目前，接地网主要有普通钢铁、镀锌钢、铜包钢或电镀铜、纯铜等材料。各种接地网材料的性能比较示于表16-9。表1各类接地材料性能比较接地材料优点缺点钢材价格低廉效果差、施工量大、使用时限短。镀锌钢价格较低寿命为7-13年。铜材使用时限长、30-40年。价格昂贵、效果较好、施工量大、铜离子污染环境。铜包钢（镀铜钢）使用时限较长（铜层厚度大于0.25mm）、价格较贵。效果较差、施工量大，容易产生电偶腐蚀，有时会加速钢芯腐蚀速度，导致实际寿命缩短。铝及铝合金价格适中，使用时间较长。不耐含氯土
3、壤、海水、海洋大气腐蚀。接地降阻剂价格较低、效果较好、使用时限较长。施工量较大，大多数化学降阻剂有腐蚀性。接地模块价格较低、效果好、施工量小。价格昂贵，应用受限。离子接地极效果极好、使用时限较长。价格极贵、施工量大。各种接地网材料性价比差异很大，普通钢铁接地网价格低廉，但是裸露钢铁材料的缺点是耐蚀性差，腐蚀产物使表面接触电阻增大至几百欧姆至几千欧姆，使地线泄放危险电流的能力大幅降低。钢铁接地网寿命一般为13年，需要经常更换。镀锌钢铁接地网的耐蚀性能与镀锌层厚度有关，耐土壤腐蚀性能远不及耐大气腐蚀，土壤中有氯离子时尤为突出。纯铜接地网本身具有耐酸腐蚀性能，但是很容易产生氧化，氧化亚铜和氧化铜等氧
4、化产物电阻大，很容易导致断路；另外，铜材价格昂贵和铜离子严重污染环境。采用镀铜和铜包钢接地网可以提高耐蚀性，缺点是容易氧化，一旦裸露钢铁基体很容易发生电偶腐蚀，加速接地网失效。以钢铁为基体材料，依次制备铜、锡镀层，得到铜锡复合镀层金属接地网材料10。总之，金属导电网的耐蚀性和稳定性直接影响接地网的应用性能，金属接地网的腐蚀是电力接地系统的难题。国内，北京、上海、江苏、浙江、山东、辽宁、天津等开始选用采用铜材和镀铜钢为接地体材料，国家电网公司“25项重大举措”中明文规定：“在腐蚀性比较严重的枢纽变电站宜采用铜材接地网”，电阻率小于100m时采用铜材接地网。国外，铜材和镀铜钢材为接地网材料，已经有
5、100多年的工程应用历史，而且被IEEE和IEC推荐为主要接地材料。IEEE80-2000在导体的选择方面明确规定：铜材为主要的水平接地导体材料，30%和40%的镀铜钢材也可以作为水平接地导体材料，垂直接地体的材料则主要为厚度大于0.25mm的镀铜接地棒。全球，50%变电站采用镀铜钢接地棒，60%变电站采用放热焊接方法作为连接系统。导电导热涂料是伴随现代科学技术而迅速发展起来的特种功能涂料，至今约有半个世纪的发展历史。1984年，美国公布了将银和环氧树脂制成导电胶的专利，这是最早公开的导电涂料，我国也在五十年代开始研究和应用导电导热涂料。导电涂料是电导率在10-12s/m以上，具有半导体至导体
6、性能的涂料。根据成膜物质是否具有导电性，导电涂料可分为添加型导电涂料与非添加型导电涂料。成膜物本身是绝缘体，通过填料或助剂使涂层具有导电性，这种涂料称为添加型导电涂料。成膜物本身具有导电性（导电聚合物），不需添加导电性组分，称为非添加型导电涂料。本文为石墨添加型导电涂料。采用导电涂料对钢铁导电网进行防腐处理以提高其耐蚀性，常用石墨粉、镍粉和纳米碳做导电做导电填料11，12。采用石墨做填料的导电涂层防腐性能较差，原因是石墨为片状结构，在使用过程中涂层容易沿石墨片开裂，腐蚀介质沿裂纹渗入到基体表面，而加速腐蚀；大于1微米的石墨粉与树脂间存在明显界面，封闭性差和防腐性不理想。镍粉存在与石墨粉相同的问
7、题，通常采用200目镍粉，此镍粉非常容易氧化，另外镍粉价格昂贵。2 实验2.1涂料制备以固体环氧树脂及固化剂为主要成膜物质，采用导电石墨和碳纳米管混合物为导电填料制备导电涂料，防腐导电涂料制备包括如下步骤：1）硅烷偶联剂水解硅烷偶联剂采用KH550，以20%50%乙醇为溶剂，用植酸和磷酸混合酸调节pH为3.0-5.0，控制温度为50-80水解2-5小时，得到硅烷偶联剂水解液。2）导电填料预处理将导电填料分散于硅烷偶联剂水解液中，室温浸泡5-15min，经过静置、分离、干燥等工序得到改性导电填料，以提高导电填料与环氧树脂的相容性，改善涂层导电性能。3）涂料制备根据配方组成称取各种组分，采用高速粉
8、碎、搅拌和球磨方法使各组分混合均匀，过200筛，得到导电防腐涂料。2.2接地网制备针对电力系统接地网特点，以普通碳钢为基体材料，经过表面处理、涂料涂覆和涂料固化得到具有防腐性能的导电金属接地网，具体制备经过如下步骤：1）材料预加工下料焊接成金属接地网，去除焊渣、毛刺和对棱角进行倒角处理。2）表面预处理除油、除锈和植酸盐处理，使表面形成一层植酸盐转化膜。3）涂料涂覆采用静电流化床浸涂方法涂覆，通过控制工艺参数控制涂层厚度为50-250um，具体厚度选择与基体材料等有关。4）涂料固化涂层固化工艺参数为：温度150-250，时间1530min，加热温度和时间的选择取决于环氧树脂类型和涂层厚度。3、实
9、验结果和讨论根据电力系统用金属接地网的施工和应用特点，要求导电防腐涂层不尽具有优异的导电性能和防腐性能，而且与金属基体的结合强度高和抗冲击剥离性能好。导电涂层的导电性能主要取决于导电填料的种类和添加量，防腐性能与成膜树脂密切相关，而结合强度和抗冲击性能与增塑剂、金属基体表面处理和固化工艺条件有关。3.1涂料配方防腐导电涂料主要成膜物质为环氧树脂及固化剂，环氧树脂是E8、E10、E12、E14和E20中的至少一种，固化剂由质量比为1:4的葵二酸二酰肼和双氰胺组成。为了提高导电涂层的抗冲击性能和结合强度，采用聚乙烯醇缩丁醛为增塑剂和辅助粘合剂，增塑剂的添加量为环氧树脂质量的10-20%。导电电料采
10、用片状导电石墨（800目）和碳纳米管（100纳米）的混合物，提高导电填料中碳纳米管管的含量，导电率提高，缺点是分散困难和价格高，综合考虑采用导电填料中片状导电石墨和碳纳米管的质量分比为9:1。通过大量实验得到了导电防腐涂料的基本配方13：环氧树脂55%65%，导电填料25%35%，增塑剂5%10%，固化剂35%。3.2固化温度对环氧树脂熔融性能的影响根据3.1中的涂料配方，优选和固定导电涂料的配方为：环氧树脂58%，导电填料28%，聚乙烯醇缩丁醛10%，固化剂4%；固化时间控制为20min。实验固化温度对不同环氧树脂涂料流平性能的影响，实验结果示于表2。表2固化温度对不同环氧树脂涂料流平性能的
11、影响固化温度，环氧树脂E8E10E12E14E20100未熔融未熔融基本未熔融部分熔融熔融，表面粗糙150未熔融基本未熔融部分熔融熔融，表面粗糙熔融，表面光滑200基本未熔融部分熔融熔融，表面粗糙熔融，表面光滑熔融，表面光滑250部分熔融熔融，表面粗糙熔融，表面光滑熔融，表面光滑熔融，表面光滑300熔融，表面粗糙熔融，表面光滑熔融，表面光滑熔融，表面光滑表面略变色350熔融，表面光滑熔融，表面光滑熔融，表面光滑表面略变色表面变色，部分明显从表2中看出：温度低于100时，只有E20能够熔融，而E8则高于300才能熔融，都远高于树脂的相应熔融温度，这是因为导电填料粒度小和加入量大所致。涂层变色与树
12、脂老化和分解有关，熔熔温度越低，高温下分解越明显。综合考虑加热能耗和树脂的热稳定性，可以选择选择E10、E12、E14以及三者混合物为主要成膜物质，控制加热温度为150300可以得到完全流平的光滑涂层。3.3固化温度对涂层物理机械性能的影响根据3.2中的实验结果，固定导电涂料的配方为：环氧树脂58%，导电填料28%，聚乙烯醇缩丁醛10%，固化剂4%；环氧树脂采用等质量E10、E12和E14混合物，固化时间优选20min。实验固化温度对物理和机械性能的影响，实验结果示于表3。前期大量实验证明：涂层结合强度大于5.0MPa和电阻率小于0.5m时，即可以满足电力系统接地网的基本要求。表3固化温度对涂
13、层性能的影响固化温度，涂层物理和机械性能流平性光滑度结合强度，MPa电阻率，m抗冲击性能，50kg.cm100基本熔融表面粗糙/10/150完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落200完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落250完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落300完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落350完全流平表面光滑，变色5.01.0局部剥落从表3中看出：当温度低于100时，涂层未能完全熔融流平，无法测出真实的导电性；当温度高于350时，涂层的性能明显恶化，这与树脂的老化和分解有关。综合考虑，控制固化温度为150-300，加热15min中即可以得到性能优异的涂层。3.4固化时间对
14、涂层物理和机械性能的影响根据3.3中的实验结果，在涂料配方不变条件下，固定温度为200，实验固化时间对涂层物理和机械性能的影响，实验结果示于表4。表4固化时间对涂层性能的影响固化时间，min涂层物理和机械性能流平性光滑度结合强度，MPa电阻率，m抗冲击性能，50kg.cm5部分熔融未形成连续涂层/100/10基本全熔，流平性差表面粗糙/1.0/15表面光滑5.00.5未出现剥落20完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落25完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落30完全流平表面光滑5.00.5未出现剥落35完全流平表面光滑，略变色5.00.5未出现剥落40完全流平表面光滑，明显变色5.05.0局
15、部剥落从表4中看出：当固化时间小于10min时，涂层未能完全熔融流平，无法测出真实的导电性；当固化时间大于35min时，涂层的性能开始恶化，这与树脂的老化和分解有关。综合考虑，控制固化温度为150-300，加热15-30min中即可以得到性能优异的涂层。3.5涂层耐蚀性根据3.2-3.4的实验结果，在涂料配方不变条件下，涂料固化条件为200和20min以普通碳钢为基体材料制备涂层。实验涂层的耐腐蚀性能，实验结果示于表5。表5固化时间对涂层性能的影响腐蚀介质涂层物理和机械性能实验温度，浸泡时间，天结合强度，MPa电阻率，m涂层外观10%氢氧化钠251805.00.5略变色10%盐酸251805.
16、00.5无变化10%硫酸251805.00.5无变化3.5%氯化钠251805.00.5无变化从表5中看出，该导电防腐涂料具有良好的耐蚀性能，涂层的导电性能稳定，达到导电涂料性能指标，可用作各种接地网防腐处理，在土壤中的预计使用寿命可达20-30年。3.6导电涂料防腐金属接地网价格以普通碳钢为基体材料制备防腐导电网，与不同金属接地网性价比示于表6。表6不同金属接地网性价比基体材料防腐导电涂层厚度，m性价比钢铁150-250价格比钢铁提高20-30%,导电性能与不锈钢相近，使用寿命为铜包钢提高3倍以上。铝和铝合金100-200价格比铝和铝合金提高10-20%，导电性能基本不变，使用寿命比铝和铝合
17、金提高2倍以上。铜和铜合金50-100价格比铜和铜合金提高5-10%，导电性能基本不变，使用寿命比铜和铜合金提高2倍以上。4、结论4.1导电涂料配方：环氧树脂55%65%，导电填料25%35%，聚乙烯醇缩丁醛5%10%，固化剂35%。环氧树脂为E10、E12、E14或三者混合物，导电填料采用质量比为9:1的片状导电石墨和碳纳米管。4.2涂层固化条件为：150-300，15-30min，涂层光滑致密，结合强度大于5.0MPa，电阻率小于0.5m4.3涂层具有优异的耐酸碱盐性能，可以用作钢材接地网防腐，预计在土壤中寿命达到20-30年。参考文献1. 赵煜，500kV输电线路接地网腐蚀分析及防护措施
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21、inyl butyral ，Conductive Graphite Powder ,carbon tube and others. The heating conditions is 150-30015-30min,and it is obtained by studying the influence of heating temperature and time on the coating properties. The main properties of the coating are : adhesion strength 5.0MPa,conductive resistance 0.5m,anti-corrosion .It can be used as anti-corrosion of grounded grid for 20-30 years.key words：Anti-corrosion Conductive Coating, Grounded Grid , conductivity，Epoxy Resin，Conductive Graphite
