硅橡胶材料特有的润湿性能(憎水性和憎水迁移性)赋予其优良的耐污闪性能^[1,2]。然而实际发现，架在室外涂有防污闪涂料的绝缘子极易沾污，其表面的润湿性受到环境和污秽影响而发生变化。尤其在重度污染的环境中(如海雾和雾霾等)表面污层增厚，憎水小分子的迁移速度减慢，憎水效果越来越差，最终丧失了防污闪的效果^[3,4]。

近年来，国内对硅橡胶积污的研究较多，如刘洋等^[5]研究发现，硅橡胶并非对于所有类型的污秽及污秽度均具有良好迁移性，染污硅橡胶材料表面的润湿性与污秽的物理化学性质密切相关^[6]，H. Nishioka等人^[7]对处于烟雾环境下的硅橡胶样片表面的化学变化进行了XPS光电子能谱分析和ESDD检测，发现老化后的样片

表面Si-C键减少，而Si-O键增多，并且这种变化和盐密的变化都影响了表面润湿性。这些研究都对单个外界因素对润湿性的影响进行了研究，而长期服役过程中的不同积污阶段受到综合环境因素后的表面润湿行为特征的变化规律却甚少关注。所以只有深入研究硅橡胶材料在自然积污影响下表面润湿性特征的变化规律，才能更好的采取措施提高硅橡胶涂料的防污闪性能。 1 试 验 1.1 样片制备

取室温硫化硅橡胶涂料，在室温下铺膜，厚约3 mm，待干燥后，裁成样片。将样片分批次放置室外进行自然环境下的积污实验，并定期检测试样表面的接触角和润湿性。取出处于不同积污阶段的硅橡胶样片并分别标为S1(清洁样片)、S2(室外积污一个月的轻度积污样片)、S3(室外积污约六个月的中度积污样片)、S4(室外积污两年的严重板结样片)，如图 1所示。

图 1 不同积污阶段的硅橡胶样片Fig. 1 Silicone rubber samples at different stages of contamination

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采用的仪器为OCA20视频光学接触角测量仪，通过设定不同的测量模式记录静态接触角、前进角(θ_a)和后退角(θ_r)，并最后计算出接触角滞后Δθ=θ_a-θ_r。水为纯净水，水滴大小为3 μL，静态接触角记录时间是取滴水后5 s后的数值；利用加液/减液法测量动态接触角^[8,9,10,11]。

整个过程选择记录的参数有：左右接触角、水珠与样片的接触基线、接触面积、水珠体积等，注/抽水速度为0.5 μL/s，每秒记录5个数据点，具体测量过程如图 2所示。

图 2 加/减液法测量前进角和后退角示意图Fig. 2 Schematic diagrams of measuring the advancing or receding contact angle by increasing and decreasing liquid

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喷水法测样片的憎水性级别是参考瑞典输电研究所提出的喷水分级法和标准DL/T864-2004进行的^[12]。憎水性分为7个等级(即HC1～HC7)。 其中，HC1等级对应憎水性最好，HC2～HC7等级对应的憎水性依次减弱，HC7等级对应的憎水性最差。表面粗糙度是用德国马尔mahr PS1粗糙仪测量每个样本的5个样片，最后计算其平均值得到的，取样长度为0.8 mm。 2 结果与讨论 2.1 静态接触角和憎水性分级

从表 1中可知，积污后样片的静态接触角普遍明显增加，原来洁净硅橡胶样片的θ_CA约为108°，而不同积污程度的样片θ_CA约高达130°～140°。

但HC憎水性分级法测出的结果却与静态接触角的结果正好相反(如图 3)，清洁样片的表面憎水性等级较好为HC1级，而积污后的样片明显憎水性下降，并随着积污程度的加深，憎水性等级越来越差，即憎水性由大到小为：S1>S2>S3>S4。

图 3 HC分级法检验各样片的表面润湿性Fig. 3 HC characterization to test the wettability of samples

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检测方法不同，而检测润湿性状态的结果却有如此大的差别，考虑上述的这些变化跟表面物质成分的不均匀程度和表面微结构有关。图 4为积污不同程度的硅橡胶样片的表面扫描电镜分析图谱，原来的清洁样片表面平整，在轻度积污的样片表面被直径约为10～20 μm的污秽颗粒布满后，具有一定的粗糙度，而随着积污时间的延长，积污程度的加重，污秽之间形成的间隙随轻度积污到严重板结的程度也逐渐减小。中度积污样片但还仍然可以看到有一些区域未被污秽颗粒布满(如圈线标示处)，但是在板结样片上基本已经看不到原硅橡胶基体。

图 4 不同积污阶段的硅橡胶样片的形貌Fig. 4 Morphologies of the silicone rubber samples at different stages of contamination

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表 2是对样片粗燥度测量数据。随着积污程度的加大和程度加深，表面的粗糙度幅度参数R_a也逐渐的加大。由此可见，积污后的硅橡胶样片表面物质的复杂程度增加，表面微观粗糙程度加大，污秽的累积形成了有利于接触角增大的复合微观结构，加上硅橡胶憎水小分子的迁移作用，可以降低污秽的表面能^[13,14]，所以测得的表面静态接触角增大。对于HC憎水分级法所测的结果跟静态接触角的测试结果正好相反，考虑是由于其高粗糙度表面被喷水分级法所使用的水量和喷水的力度打破，被破坏的表面已不具有复合微观结构，所以出现与静态接触角相反的结论^[9]。但是考虑HC喷水分级法与实际工况运行条件相近，所以对于现场运行中的硅橡胶涂层建议可采用HC分级法检测。

此外，通过1 min连续检测水珠润湿硅橡胶样片的过程中的静态接触角变化来考察(如图 5)各样片表面的润湿特点。其他积污样片的表面在水珠浸润过程中没有特别明显的变化，而只有清洁样片接触角有一个明显的下降阶段，考虑前几秒是水珠从吸附于针管到吸附于材料表面的过渡过程，在此过程中水珠属于亚稳定状态，容易发生较大的接触角变化^[15]。

图 5 不同积污阶段硅橡胶样片的静态接触角随时间变化Fig. 5 Influences of time on measured static contact angle of silicon rubber samples at different stages of contamination

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接触角滞后的大小可看出表面粘附性的强弱，滞后越大，表面的粘附性越强，滞后越小，表面的粘附性越弱，

水珠或表面浮灰越易从表面滚落。从表 3可以看出中等积污和板结样片的滞后明显小于清洁和轻度积污样片的滞后，滞后程度其由小到大的顺序是：S3(中污)<'S4(板结)<S1(清洁)<S2(轻污)。

从微观上来理解这种变化类似于粗糙表面典型的Cassie模型状态缓慢向Wenzel模型状态转化现象(如图 6)，Wenzel模型是假设液滴能够进入到粗糙表面的微结构中，Cassie模型是假设液滴不能进入到微结构中，液滴与固体表面相接触的底部储存有空气。实际上根据液滴和固体表面粗糙程度的具体情况和变化，Wenzel状态和Cassie状态是可以并存的，也可以互相转化。可假设当硅橡胶表面是未积污或轻度积污时，液滴处于Wenzel状态，这时液滴的接触角滞后比较大，表面对水滴表现很强的粘附性，液滴在表面不容易移动，而随着硅橡胶表面不断积污，其表面物质的复杂程度的增加，表面状态有不断的从Wenzel模式转变为Cassie模型，这种转变降低了表面三相线的连续性并且有很大程度的扭曲，这时液滴比较容易移动，接触角滞后变小，表面对液滴的粘附性小，这时液滴比较容易移动^[16]。

图 6 表面润湿模型示意图Fig. 6 Schematic diagrams of the surface wetting models

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从上面一系列的表面润湿性的检测发现，硅橡胶在积污过程中的润湿性变化特点是：硅橡胶积污越重，表面粗糙度越大，静态接触角增大，接触角滞后变小，表面粘附性下降。积污后的硅橡胶的表面润湿特点跟润湿方式有关，当静态水珠润湿其表面时，接触角很大，表现很好的憎水性，而当以强烈水流冲击其表面润湿时，表面微结构被破坏，表现憎水性较差。 3 结 论

通过接触角法和喷水法等多种方式考察不同积污阶段的硅橡胶样片的表面润湿性及其润湿过程特征，通过研究得出积污过程中的硅橡胶的表面润湿性特征的变化规律有如下几点：

(1) 硅橡胶积污越重，表面粗糙度越大，随之静态接触角增大。

(2) 积污后硅橡胶接触角滞后变小，滞后程度的由小到大的顺序是：S3(中污) (3) 积污后的硅橡胶表面润湿特点与润湿方式有关，当静态水珠润湿其表面时，表现很好的憎水性，可高达130°以上，而当以强烈水流冲击其表面润湿时，表现憎水性较差，喷水分级多为HC5-HC6。