Thời sự - Văn hóa - Thể thao

Tính chất tự làm sạch của Silicone siêu kỵ nước dùng cho cách điện cao áp.

Chủ nhật, 22/5/2022 | 21:51 GMT+7
Nguồn : Bài “Self-Cleaning Properties of Super-Hydrophobic Silicone for High Voltage Insulators” của các tác giả : K. Maghsoudi, G. Momen, R. Jafari và M. Farzaneh hợp tác với A.J. (Tony) Carreira, đăng trên tạp chí INMR, Canada, 2019; tái đăng : 11/3/2022.

Nhiều sự cố lưới điện đã được ghi nhận là do bám bẩn trên bề mặt của cách điện cao áp đặt ngoài trời. Mặc dù ô nhiễm thường nghiêm trọng nhất ở các khu vực ven biển và sa mạc, các khu công nghiệp và khu vực đô thị, nhưng hầu như tất cả các cách điện ngoài trời cuối cùng đều bị nhiễm bẩn sau vài năm sử dụng. Khi các bề mặt đã bị nhiễm bẩn như vậy lại bị thấm ướt do mưa, sương mù hoặc giọt sương, chất bẩn  hòa tan tạo ra một lớp điện phân dẫn điện. Tiếp theo là sự hình thành hồ quang băng khô (dry-band) có thể gây phóng điện phát triển thành sự cố.

Cách điện cao áp bằng silicone lưu hóa ở nhiệt độ cao được biết đến với đặc tính kỵ nước đặc biệt : các giọt nước đứng riêng biệt trên bề mặt rắn và không tạo thành màng liên tục. Bài viết của các tác giả: K. Maghsoudi, G. Momen, R. Jafari và M. Farzaneh thuộc Khoa Khoa học Ứng dụng tại Đại học Quebec ở Chicoutimi hợp tác với A.J. (Tony) Carreira của K-Line Insulators ở Toronto đăng trên tạp chí IMR năm 2019,  xem xét các cơ hội để cải thiện hơn nữa hành vi phóng điện trong điều kiện ô nhiễm của cách điện loại đó.

(*) Cao su silicone là vật chất kỵ nước, sử dụng phổ biến để làm cách điện composite. Bài viết này nói về cao su silicone “siêu kỵ nước”: cách tạo ra nó và những ưu việt về kỵ nước của nó…Việc phân biệt 2  loại này với nhau trên thị trường là vấn đề chưa rõ và không dễ. Tuy nhiên, chúng tôi chọn bài viết này để giới thiệu, bên cạnh mục đích thông tin rằng “có cao su silicone siêu kỵ nước tốt hơn cao su silicone kỵ nước nữa”, thì cái chính là cùng người đọc hiểu rõ hơn cơ chế bản chất của tính năng “chống nhiễm bẩn” của cách điện bằng vật liệu silicone cũng như biết các thông số quyết định cho tính năng của chúng,  cũng qua đó rút ra vài suy luận hữu ích dùng cho công việc thực tế. Để dễ phân biệt thì những nội dung dịch từ bài viết đăng trên tạp chí INMR, chúng tôi dùng chữ đứng; các nội dung diễn giải, suy luận… chúng tôi dùng chữ in nghiêng và đọan văn sẽ bắt đầu bằng “(*)”.

Vài khái niệm quan trọng, là  góc tiếp xúc của nước (WCA: Water Contact Angle) và góc trượt (SA : Sliding Angle )  hay còn gọi là Độ trễ góc tiếp xúc (CAH : Contact Angle Hysteresis), như sau: 

WCA: góc hình thành giữa mặt phẳng (ngang) và đường tiếp tuyến với đường bao giọt nước tại điểm tiếp xúc ngoài cùng nhất .

CAH : là hiệu số góc tiếp xúc phía dưới dốc(ϴAdv) với góc tiếp xúc phía trên dốc (ϴRec), khi giọt chất lỏng đặt trên 1 mặt phẳng bị cho nghiêng dần thành mặt dốc ; hiệu số này tính ngay khi giọt chất lỏng bắt đầu lăn xuống dốc .Lưu ý là khi mặt phẳng nằm ngang thì ϴAdv = ϴRec CAH nhỏ chứng tỏ giọt chất lỏng rất linh động trên mặt phẳng, “sẵn sàng” lăn đi ngay.

Các bề mặt siêu kỵ nước có góc tiếp xúc với nước (WCA)> 150˚ và độ trễ góc tiếp xúc (CAH) hoặc góc trượt (SA) <10˚. Tính năng này hấp dẫn với các ứng dụng đòi hỏi bề mặt chống ăn mòn, chống bám băng, chống bám cặn sinh học, không đóng ẩm và tự làm sạch. Lấy cảm hứng từ khả năng tự làm sạch độc đáo của lá sen, còn được gọi là “hiệu ứng lá sen”, đặc tính này đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Vì các hạt ô nhiễm nói chung là háo nước, chúng có xu hướng kết dính với các giọt nước hơn là bám dính trên bề mặt siêu kỵ nước, tự làm sạch.

(*) Trên đây là ‘bí quyết” của vật liệu cách điện cao su silicone : nước trên bề mặt cao su “đứng” thành từng giọt riêng, lại dễ dàng lăn đi với góc nghiêng nhẹ + khi lăn, các giọt nước kéo theo các chất ô nhiễm bám trên bề mặt cao su, tức là “tự làm sạch bề mặt”.

Hai cách tiếp cận chính được sử dụng để tạo ra bề mặt siêu kỵ nước: 1. làm nhám bề mặt vật liệu có năng lượng bề mặt thấp và 2. “đắp” vật liệu năng lượng bề mặt thấp trên bề mặt đã gồ ghề. Cao su silicone là vật liệu có năng lượng bề mặt thấp và nó có thể được tạo nhám đủ để tạo ra bề mặt siêu kỵ nước. Bề mặt cao su silicone tự làm sạch có khả năng đẩy các giọt nước ra và do đó loại bỏ các hạt ô nhiễm bám vào nó, tức là mọi bụi bẩn và ô nhiễm đều có thể dễ dàng loại bỏ khi các giọt nước lăn ra khỏi bề mặt siêu kỵ nước của nó. Do đó, việc chế tạo bề mặt siêu kỵ nước có đặc tính tự làm sạch có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan đến bề mặt cách điện bị nhiễm  bẩn.
(*) Giải thích về thuật ngữ “vật liệu có năng lượng bề mặt thấp” : là vật liệu mà năng lượng cần thiết để tạo ra bề mặt mới (ví dụ cắt một khối theo mặt cắt nào đó), ở mức thấp. Sở dĩ cần bỏ ra năng lượng thì mới tạo được 2 bề mặt mới vì năng lượng của các phân tử nằm trên bề mặt luôn lớn hơn năng lượng các phân tử nằm trong lòng khối vật chất.  Vật chất có năng lượng bề mặt thấp thì lực lôi kéo của lớp phân tử trên bề mặt với vật chất “rơi” trên đó là yếu; kết dính thấp. Người ta đo năng lượng bề mặt (rắn) thông qua đo góc tiếp xúc của giọt chất lỏng đặt trên mặt vật liệu rắn đó. Chất lỏng thường dùng là nước hoặc diiodomethane.Góc tiếp xúc càng lớn, năng lượng bề mặt càng thấp và ngược lại.

Năng lượng bề mặt thấp là ưu điểm nhưng cũng có thể là khuyết điểm của cao su silicone: phân tử vật chất trên bề mặt cách điện sẽ dễ dàng rời khỏi đó khi có năng lượng kích thích (như ánh nắng, điện trường…) và tình trạng “mất phân tử” không đồng đều sẽ dẫn đến rạn; đồng đều thì sẽ làm mòn, nhẵn mặt (giảm WCA).

Một chi tiết cũng đáng lưu ý  ở đây : silicone có bề mặt nhẵn mịn lại kém silicone có bề mặt “gồ ghề” về khả năng tự làm sạch. Có vẻ như ngược với cảm nhận thông thường. Tuy vậy , cần lưu ý”nhám” hay ‘gồ ghề” ở đây là mức “nano”, chỉ có thể phân biệt qua SEM ( kính hiển vi điện tử dạng quét) như sẽ đọc thấy trong phần tiếp theo.  

Có sẵn nhiều phương pháp để sản xuất các bề mặt siêu kỵ nước nhưng người ta hay chọn nhân bản trực tiếp vì nó đơn giản, hiệu quả , rẻ tiền và cũng có thể dễ dàng được công nghiệp hóa. Sử dụng phương pháp này, bề mặt không trải qua các thay đổi hóa học. Đúng hơn, một cấu trúc nano vi mô thích hợp được tạo ra trên bề mặt của một bản sao âm. Một bản sao dương (cao su silicone) sau đó được tạo ra bằng phương pháp ép phun (xem H. 1). Do đó, các bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước được tạo ra thể hiện khả năng chống thấm nước cực cao cũng như các đặc tính tự làm sạch trong các điều kiện ô nhiễm khác nhau.

H.1 Phương pháp nhân bản trực tiếp để sản xuất bề mặt cao su silicon siêu kỵ nước sử dụng phương pháp ép phun.

(*)  màu xám là vật liệu làm khuôn được tạo cấu trúc Micro-nano trên mặt; màu vàng là cao su silicone được phun vào và ép; tách cao su ra khỏi khuôn thì trên cao su có 1 bề mặt siêu kỵ nước).

Đánh giá tính chất siêu kỵ nước :

Mẫu cao su silicone mịn ban đầu có WCA (góc tiếp xúc) ~ 116º ± 2º và CAH (góc trượt) > 30º (xem Hình 2a & c) trong khi bề mặt silicone được nhân bản mới có WCA ~ 161º ± 1.3º và CAH ~ 7º (xem H. 2b & d). Do CAH thấp, các giọt nước trên bề mặt siêu kỵ nước dễ dàng lăn ra, thể hiện khả năng tự làm sạch.

H.2. Góc tiếp xúc tĩnh của nước với (a) bề mặt cao su silicone trơn và (b) bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước và góc tiếp xúc động của nước trên (c) bề mặt cao su silicone trơn và (d) bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước.

Các cấu trúc nano siêu nhỏ trên bề mặt cao su silicone cho phép đạt được WCA cao và CAH thấp như vậy. Việc tạo ra các cấu trúc nano siêu nhỏ sau quá trình nhân bản trực tiếp trên bề mặt silicone đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân tích SEM (Scanning Electron Microscope: kính  hiển vi điện tử quét) (xem H. 3).

H.3. Ảnh SEM của (a) bề mặt cao su silicone mịn và (b) bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước.

Bề mặt cao su silicone siêu chống thấm nước

Để chứng minh đặc tính siêu kỵ nước, một mẫu bề mặt cao su silicone có cấu trúc nano vi mô được nhúng vào đĩa Petri chứa đầy nước. Bề mặt silicone siêu kỵ nước vẫn khô ráo trong khi chiều cao của nước đạt đến ~ 3 mm (gọi là Hiệu ứng Moses). Những giọt nước màu xanh lam chứng tỏ bề mặt khô ráo.

H.4. ‘Hiệu ứng Moses’ của bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước.

Kiểm tra bằng tia nước để xác nhận đặc tính chống thấm nước cực cao của bề mặt. Ở đây, tia nước được tạo ra bằng một ống tiêm có gắn kim, dưới lực tác dụng bình thường, lên cả mẫu kỵ nước và siêu kỵ nước được đặt trên một bề mặt phẳng. Khi tia nước được phun vào lớp cao su silicone mịn, nước sẽ tích tụ trên bề mặt của nó (xem Hình 5a). Nhưng khi một tia nước tác động vào bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước, nó sẽ nẩy bật ra (xem Hình 5b). Điều này chứng tỏ rằng dòng nước áp suất cao không thể tồn tại trên bề mặt của các cấu trúc nano vi mô, tức là tính siêu kỵ nước của bề mặt được sản xuất ( nhân bản ra) là ổn định.

H.5. Tính năng của (a) bề mặt cao su silicone mịn và (b) bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước chống lại tác động của tia nước.

Hành vi của bề mặt tiếp xúc với tác động liên tục của các giọt nước là đại diện cho tính đẩy nước và hành vi này có thể được nhận biết khi đặt bề mặt trong mưa. Trong thử nghiệm với mưa, các giọt nước có đường kính nhất định được phóng ra từ độ cao và tác động lên 2 loại bề mặt cao su silicone được đặt trên giá đỡ nghiêng 10˚. Như đã thấy trong Hình 6a, hai giọt nước liên tiếp dính vào bề mặt cao su silicone mịn khi va chạm. Tuy nhiên, các giọt nước nẩy ra khỏi bề mặt cao su silicon siêu kỵ nước mà không để lại cặn (Hình 6b). Điều đáng chú ý là sự hình thành giọt thứ cấp hoặc vệ tinh cũng được quan sát thấy trong trường hợp bề mặt siêu kỵ nước được sản xuất ( kiểu nhân bản) và nhấn mạnh thêm đặc tính đẩy nước siêu việt của nó.

H.6. Hình ảnh tuần tự của hai giọt nước liên tiếp trên bề mặt (a) cao su mịn và (b) cao su silicone siêu kỵ nước. (Video được quay ở tốc độ 240 khung hình / giây).

(*) Xem hình H.6 thì cần mở lớn lên và xem theo trình từ từ bên phải sang bên trái. H.6a (ở trên) cho thấy giọt nước màu xanh thứ 2 nhập vào giọt thứ nhất , còn H.6b bên dưới thì giọt thứ nhất lăn đi mất  và giọt thứ hai thì tạo ra “vệ tinh” nhỏ hơn rồi cùng lăn mất.

Một thí nghiệm khác chứng minh bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước với đặc tính chống thấm nước và CAH thấp có khả năng tự làm sạch, bằng cách thêm cùng một lượng hạt cao lanh mịn làm vai trò chất gây ô nhiễm vào mỗi bề mặt. Như đã thấy trong Hình 7a, một màng nước hình thành trên bề mặt cao su mịn với cao lanh. Ngược lại, các giọt nước dễ dàng làm sạch bề mặt của cao su silicone siêu kỵ nước dọc theo dòng chảy của chúng. Như đã thấy trong Hình 7b, chỉ một vài giọt nước là đủ để làm sạch bề mặt.

H.7. Đặc tính tự làm sạch của (a) bề mặt cao su silicone mịn và (b) siêu kỵ nước với lớp bột cao lanh (các vệt màu sẫm là mặt silicone lộ ra sau khi các giọt nước kéo trôi cao lanh-xem từ trái sang phải).

Một huyền phù đa thành phần bẩn gồm các hạt SiO2, muối, muội than và glycerine được thêm vào nước để đánh giá chức năng của bề mặt siêu kỵ nước trong điều kiện ô nhiễm ẩm ướt. Các mẫu silicone kỵ nước và siêu kỵ nước được ngâm trong các lượng huyền phù bằng nhau và sau đó được duy trì ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 70 ° C trong 2 giờ. H. 8a và b cho thấy hình dạng bề mặt của mỗi mẫu sau khi làm bay hơi nước. Trong khi bề mặt của mẫu silicone mịn được bao phủ hoàn toàn bởi lớp cặn bẩn, thì hầu hết bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước vẫn sạch sẽ. Sau khi làm sạch từng bề mặt bằng cách sử dụng cùng một lượng nước khử ion, có thể quan sát thấy nước tích tụ trên bề mặt mịn, tạo thành một màng liên tục (xem H. 8c). Trong khi đó, bề mặt của silicone siêu kỵ nước dễ dàng làm sạch các chất cặn bẩn còn sót lại. Hành vi tự làm sạch đáng chú ý như vậy của các bề mặt siêu kỵ nước rất được mong đợi khi vật liệu cách điện làm việc  trong các khu vực ô nhiễm cao.

(*) Huyền phù: chất lỏng có chứa các hạt bé chất rắn lơ lửng, không tan nhưng cũng không lắng xuống đáy bình chứa .

H.8. Huyền phù bẩn đa thành phần lắng lại trên (a) cao su mịn nhẵn và (b) bề mặt cao su silicon siêu kỵ nước. Làm sạch bề mặt bằng cách sử dụng cùng một lượng nước khử ion cho (c) bề mặt cao su silicone mịn và (d) siêu kỵ nước.

Kết luận

Các bề mặt cao su silicone có cấu trúc nano vi mô được sản xuất bằng cách tái tạo trực tiếp bằng quy trình ép phun với mục tiêu giúp khắc phục hiện tượng phóng điện do  nhiễm bẩn cách điện. Các bề mặt cao su silicone này cho thấy đặc tính siêu kỵ nước, tức là WCA> 150˚ và CAH <10˚, và cũng chứng minh khả năng chống thấm nước đặc biệt, được xác nhận bằng cách ngâm trong nước thử nghiệm cũng như thử nghiệm tác động tia nước và sự va đập của  nước. Những thí nghiệm này hữu ích  trong việc khảo sát tính năng của các bề mặt cao su silicone siêu kỵ nước đặt dưới mưa. Các bề mặt được sản xuất bằng cách này cũng thể hiện đặc tính tự làm sạch do CAH thấp:  Bột cao lanh dễ dàng bị loại bỏ khỏi bề mặt siêu kỵ nước bằng cách sử dụng ít giọt nước và bề mặt siêu kỵ nước cho thấy đặc tính tự làm sạch tuyệt vời khi đặt trong  điều kiện ẩm ướt, bẩn. Mặc dù chúng có tích tụ cặn  (không đáng kể) trên bề mặt, nhưng cặn bẩn vẫn dễ dàng được làm sạch bằng cách sử dụng vài giọt nước. Điều này khẳng định rằng bề mặt siêu kỵ nước có thể được coi là một lựa chọn hiệu quả cao để giảm nguy cơ phóng điện do nhiễm bẩn của vật liệu cách điện trong các khu vực ô nhiễm cao.

(*) Suy luận:

Trên đây là kết luận của tác giả bài viết : tóm tắt những thử nghiệm chứng minh tính ưu việt của cao su silicone siêu kỵ nước thích hợp dùng làm vật liệu cách điện tự làm sạch, hiệu quả cho mục đích giảm thiểu sự cố phóng điện bề mặt trong vùng nhiễm bẩn.Tuy vậy, vài vấn đề của thực tiễn sẽ là:

  1. Cách điện composite (cao su silicone ) ngày càng được sử dụng phổ biến trên lưới điện. Vậy tất cả chúng có đang ở mức tốt nhất của thuộc tính quan trọng nhất là kỵ nước ? Hoặc là cách điện composite trên các trang bị khác nhau, thuộc các dự án khác nhau đều đã như nhau về thuộc tính này, không cần xem xét gì thêm? Trong các tiêu chí lựa chọn vật liệu, đang có các thông số như WCA và CAH , hoặc có yêu cầu thử nghiệm “hiệu ứng Moses”, hoặc mưa nhân tạo,…hay không?
  2. Cần vệ sinh định kỳ hay “theo tình trạng”(CBM) bề mặt cách điện bằng cao su silicone không? Nếu đang dùng “cao su silicone siêu kỵ nước” thì như trình bày qua bài viết, rất không cần. Nhưng cách điện ta đang sử dụng chắc không phải loại đó. Vậy trước khi quyết định  áp dụng đại trà (vệ sinh/không vệ sinh) , có nên thử nghiệm không? Biện pháp vệ sinh (nếu áp dụng) nên là gì (lau rửa/phun mưa…)?
  3. Theo thời gian, tính năng kỵ nước trên bề mặt cao su silicone có giảm đi không? Nếu giảm thì do yếu tố nào quyết định? Như vậy cần có thí nghiệm các thông số WCA,CAH…theo định kỳ và theo môi trường làm việc hay không và nếu có thì  thí nghiệm như thế nào?
  4. Sẽ xuất hiện công nghệ và chất liệu kiểu “nano vi mô”-sơn phủ, giúp biến bề mặt kỵ nước hoặc không kỵ nước thành bề mặt siêu kỵ nước, dễ áp dụng cho cách điện đã được lắp đặt trên lưới, hơn cách “nhân bản” hay đúc phun nêu trong bài viết. Đó chính là ứng dụng nguyên tắc ““đắp” vật liệu năng lượng bề mặt thấp lên bề mặt…” . Do đó, nên sớm chuẩn bị: áp dụng thử nghiệm loại này ở đâu, theo trình tự nào, các tiêu chí đánh giá là gì?...
  5. Về “siêu kỵ nước”, có vẻ còn xa vời nhưng có lẽ điều bổ ích ở bài viết này là giúp người đọc hiểu được bản chất tính năng chống chịu ô nhiễm của cách điện bằng cao su silicone . Mọi người có công việc liên quan đến cách điện đều hiểu rõ thì rất tốt : tiếp cận cách điện ở mức “vi mô”; ý niệm định lượng rõ và gần hơn : không còn là “chống ô nhiễm” chung chung mà có tầm mức, tốt/ xấu khác nhau qua con số…để có sự thận trọng cần thiết với mác “composite”, “silicone” có thể đã gây ra tâm lý chủ quan/ tin tưởng thái quá. Cũng là lúc nên nhìn lại những tiêu chuẩn đánh giá cách điện hiện hành đủ đảm bảo chọn được cách điện cao su silicone tốt cho vùng ô nhiễm hay chưa./.