بخشی از مقاله
اعمال نانو پوشش سرامیکی برروي مقره هاي پرسلانی 120 KN و بررسی خواص الکتریکی
واژه هاي کلیدي: نانو پوشش سرامیکی، مقرههاي پرسلانی، خودپالایندگی، ابرآبگریزي
چکیده :
ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانو لایهها داراي نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را براي استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهاي شیمیایی، تهیه دارو و
ذخیره انرژي ایدهآل میسازد. پیشبینی میشود که بهبود قابل
توجه در ساخت و توسعه محصولات به انقلابهاي صنعتی زیادي در قرن 21 منجر خواهد شد.
با پیشرفت تکنولوژي نانو در جهان، امروزه از یک نانو پوشش
سرامیکی برروي سطوحی مانند شیشه استفاده میشود که این
پوشش علاوه بر ایجاد خاصیت آبگریزي خاصیت
خودپالایندگی را نیز ایفا میکند. از آنجا که یکی از مشکلات
مقرههاي پرسلانی به خصوص در مناطق آلوده و مرطوب، نشستن آلودگی بر سطح مقره و ایجاد یک مسیر هادي در سطح آن میباشد، به نظر میرسد با اعمال چنین پوششی بر
سطح بتوان از نشستن آلودگی و مشکلات ناشی از تخلیه الکتریکی جلوگیري به عمل آورد.
در این تحقیق پس از اعمال نانو پوشش سرامیکی برروي سطح مقره 120 KN بشقابی، آزمونهاي مختلف الکتریکی
برروي آن صورت پذیرفته است. نتایج نشان میدهد که در صورت اعمال نانو پوشش سرامیکی برروي مقرههاي
پرسلانی، نحوه قرار گرفتن قطره بر سطح به صورت کروي است و همچنین ولتاژ تصحیح شده جرقه خیس در شرایط آلودگی پس از 5 بار تکرار به 70 kV درمقابل 49 kV مقره
بدون نانو پوشش میرسد. همچنین جریان نشتی دو نوع مقره
هرماه با نانو پوشش و بدون نانو پوشش در بالاتر از 50mA،
به ترتیب برابر صفر و 595 گزارش گردید.
-1 مقدمه :
امروزه با ظهور نانوتکنولوژي نسبت تاثیر قیمت مواد اولیه در قیمت نهایی محصولات نسبت به گذشته بسیار کاهش یافته
است و با ظهور تکنولوژيهاي جدیدتر این روند نزولی همچنان ادامه دارد. بنابراین مزیتهاي نسبی یا به عبارت بهتر
مزیتهاي رقابتی جدید، نه در مواد اولیه بلکه در فرآیندهاي
مبتنی بر تکنولوژي بسیار پیشرفته خواهد بود.
با پیشرفت تکنولوژي نانو در جهان، امروزه از یک نانو پوشش
سرامیکی برروي سطوحی مانند مقره استفاده میشود که این پوشش علاوه بر ایجاد خاصیت آبگریزي خاصیت
خودپالایندگی را نیز ایفا میکند و از طرفی به دلیل کوچک
بودن ذرات پوشش، چسبندگی مناسبی با سطح بوجود
میآورد2]و.[1 از آنجا که در نواحی مختلف آب و هوایی به
خصوص در محیطهایی با آلودگی بالا، حضور آلودگی برروي سطح مقره همواره مشکل ساز بوده است، استفاده از این نوع
پوششها برروي مقره میتواند کمک شایانی به از بین رفتن
پدیده تخلیه جزئی که یکی از مهمترین مشکلات مقرهها در
نواحی آلوده و مرطوب است، نماید3]و.[2
در حال حاضر محصولاتی تولید گردیده اند که عمل پاکسازي خود را بدون نیاز به پاك کننده هاي شیمیایی انجام می دهند.
در پس مواد خودپالاینده دو اصل متضاد وجود دارد: تمایل
شدید نسبت به آب (فوق آبدوستی) و تنفر شدید نسبت به
آب (ابرآبگریزي).[3]
به طورکلی پوششها یکی از راههاي ایجاد تغییر خواص در سطوح است. در اثر ایجاد پوشش برروي سطح میتوان به خواص مناسبتري در سطح دست یافت و از آنجا که سطح
همیشه بیشترین نقطه تماس محسوب میشود، لذا بیشترین
تاثیر را در حین استفاده، به خصوص در مناطق آب و هوایی مختلف ایفا میکند. امروزه از پوششها جهت بهبود خواص سطحی استفاده زیادي میشود.[4] یکی از انواع پوششهایی
که امروزه براي ایجاد خاصیت مناسب در شیشهها مطرح است، پوششهاي نانو سرامیکی است. این نانو پوششهاي
سرامیکی سبب میشوند که در سطح مقره، دو خاصیت مهم
خودپالایندگی (Self Cleaning) و ابرآبگریزي ( Super (hydrophobisity بوجود آید4]و.[1
در اثر به وجود آمدن این دو خاصیت در صورت نشستن
آلودگی برروي سطح مقره، در اثر برخورد نور خورشید این
آلودگی به خودي خود تجزیه شده و با اولین بارندگی میتواند به طور خودکار شسته شود. قابل ذکر است که تجزیه
شدن آلودگی در صورت نبودن رطوبت نیز به مرور زمان از
سطح مقره کنده شده و سطح از حضور آلودگی پاك
میگردد6]و.[5
مقرههاي پرسلانی و شیشهاي که امروزه بصورت وسیعی در خطوط انتقال و توزیع استفاده میگردند، تحت تنشهاي
الکتریکی و محیطی قرار میگیرند. افت خواص، شکست و از
کار افتادگی این نوع مقرهها کهمعمولاً ناشی از آلودگی
میباشد، مشکلات زیادي را در بسیاري از کشورهاي جهان
خصوصاً در نواحی با آلودگی زیاد به همراه دارد. در مناطق آلوده و مرطوب، ایجاد جریان نشتی و تشکیل قوس باند
خشکمعمولاً منجر به از کارافتادگی مقرهها میگردد. توقف
جریان، خارج شدن خطوط از مدار و از کار افتادن خط در
این وضعیت بروز کرده که سبب ایجاد خسارات جدي و صدمات اقتصادي زیادي میشود. راهحل مناسب جهت جلوگیري از این امر ایجاد پوشش برروي مقرهها میباشد.
امروزه استفاده از پوششهاي RTV یکی از راههاي جلوگیري
از این امر به حساب میآید. اما نکته حائز اهمیت این است
که استفاده از این پوششها علاوه بر قیمت بالاي مواد، چسبندگی مناسبی از خود نشان نمیدهند و پس از مدتی از سطح مقره به راحتی جدا میگردند. همچنین در حین اعمال این پوشش برروي مقرهها اتلاف زیادي وجود دارد. امروزه
در بسیاري از نقاط دنیا (از جمله ژاپن، ایتالیا، آلمان و ...)
برروي سطحوحی مانند شیشه از یک نانو پوشش سرامیکی خود پالاینده و ابر آبگریز استفاده میکنند که این پوشش علاوه بر این خاصیت، چسبندگی بسیار مناسبی با سطح
مقرهها ایجاد میکند چرا که ذرات نانو داراي انرژي اکتیواسیون بالایی بوده و چسبندگی مناسبی با سطح، از خود
نشان میدهند7]و.[5
لازم به ذکر است که در صورت استفاده از این پوششها دیگر نیاز به شستشوي مقرهها در فصول مختلف سال نمیباشد.
ضمن اینکه مشکلات تخلیه جزئی و قطع شدن برق که
نارضایتیهاي زیادي را پدید میآورد، از بین میرود. همچنین
در مقایسه با اعمال پوششهاي RTV ضمن کاهش میزان تلفات، چسبندگی بسیار مناسبی از خود نشان میدهند که
تمامی این موارد نشان از کارآیی بسیار مناسب این پوشش
دارد. در ادامه به بررسی اجمالی در مورد خاصیت
خودپالایندگی و ابرآبگریزي پرداخته میشود و سپس
آزمونهاي الکتریکی صورت پذیرفته برروي مقره بشقابی KN
120 به همراه نانو پوشش سرامیکی ارائه میگردد.
مکانیزم فرآیند خود پالایندگی به صورت زیر میباشد:
-1 اشعه UV منتشر شده از خورشید برروي پوشش
سرامیکی به صورت پیوسته پیوندهاي آلی را میشکند و
آلودگی را تجزیه میکند (فرآیند فوتوکاتالیست).
-2 وقتی باران یا آب بر سطح شیشه برخورد کرد،
برروي سطح پوشش حرکت میکند و آلودگی را پاك
مینماید.
-3 با عمل فوتوکاتالیستی ، پوشش به کار رفته برروي سطح به طور کامل خشک و تمیز میشود و نقاط تر و یا آلوده بر جاي نمیگذارد.
براي این منظورمعمولاً از یک پوشش نازك نانوکریستالی (در
حدود 15 نانومتر) و اغلب از جنس TiO2 بر روي سطح
ایجاد میشود و قابلیت خود پالایندگی برروي سطح را براي مدت زمان طولانی ایجاد میکند. وقتی بر سطحی که پوشش فوتوکاتالیستی دياکسید تیتانیوم دارد اشعه UV (چه از طریق منبع ماوراء بنفش و چه از طریق نور خورشید) بتابد دو اتفاق
مهم براي دي اکسید تیتانیوم رخ میدهد:[8]
-1 نیروي اکسیدي قوي در آن ایجاد می شود. -2 پوشش، خاصیت آبدوستی پیدا میکند.
خاصیت اول سبب میشود باکتريها و یا آلودگیهاي سطحی
تخریب شوند و خاصیت دوم باعث میشود به سادگی
آلودگی و ناپاکیها از روي سطح در حضور آب شسته
شود5]و.[4
یکی از مسائل مطرح شده در زمینه این نانو پوششهاي سرامیکی، چسبیدن دو لایه آلی و غیرآلی به یکدیگر است که
براي رفع این مساله از یک بایندر به عنوان لایه میانی استفاده
میشود. این بایندر علاوه بر چسباندن دو لایه به یکدیگر،
سطح پایه را نیز از واکنشهاي فوتوکاتالیستی محافظت مینماید10]و.[9
مزایاي استفاده از نانو پوشش سرامیکی را میتوان به صورت
زیر برشمرد:
- کاهش هزینه هاي نگهداري و مشکلات پاکیزگی
- سازگاري با محیط زیست
- خروج اتوماتیک گازهاي نامناسب
خصوصیت ابرآبگریزي یکی دیگر از خصوصیات مهم و
منحصر به فرد در توسعه نانوتکنولوژي محسوب
میگردد.[11] در صورت حضور چنین پوشش ابرآبگریزي
برروي سطح، سطوح در مقابل آب ایمن شده و در نتیجه آلودگیهاي دیگر که در اثر حضور آب تمایل به حضور
برروي سطح خواهند داشت، از بین میروند. ضخامت
سطوحی که داراي پوشش ابرآبگریز هستند میتواند چندین
نانومتر تا 50 میکرون باشد همچنین این پوشش میتواند شفاف، کدر، رنگی و یا غیررنگی باشد.
در طبیعت سطوحی وجود دارند که داراي خاصیت خودپالایندگی هستند (از جمله برخی از گیاهان). از جمله
دانشمندانی که برروي این پدیده اظهار نظر کردند، Nelumbo
بود که بهترین نوع گیاهی را که داراي این خاصیت بود را برگ گل Lotis معرفی کرد.
این دانشمند ادعا کرد که این گیاه میتواند حتی وقتی این برگ گل در معرض آب گل آلود و کثیف قرار داشته باشد،
سطحی پاکیزه داشته باشد.[4]
قطره آبی که روي سطح برگ گل Lotus وجود دارد، آلودگی و ناپاکی را با خود حمل میکند و سطح کاملا پاکیزهاي بر جاي میگذارد.
بیولوژیستهاي انستیتوي Botanical در دانشگاه Bonn این
پدیده را به طور دقیق مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. آنها با
مشاهده سطح این برگ در زیر میکروسکوپ نوري به این
نتیجه رسیدند که یک مورفولوژي خاص برروي سطح برگ دلیل از بین رفتن آلودگی و آب میشود.[5]
مکانیزم فرآیند super hydrophobisity به این صورت است
که وقتی که یک قطره آب سطح جامد برگ Lotus را لمس
میکند، هم سطح جامد و هم قطره بوسیله هوا به طور
همزمان احاطه میشوند. پس سه فاز در تماس با یکدیگر قرار
میگیرند. جامد، مایع و گاز.
واکنش بین این سه باند فازي، شکل قطره را تعیین میکند.
اینکه قطره چگونه سطح را خیس میکند حائز اهمیت است.
یکی از راههاي اندازهگیري آن، محاسبه زاویه تماس است.
یک شیشه یا لعاب معمولی زاویه تماسی در حدود 30 درجه
ایجاد میکند. حال اگر سطح آن با یک تفلون یا هر ماده
هیدروفوبیکی پوشش داده شود این زاویه به 100 تا 110
درجه میرسد. در حالیکه یک سطح با ساختار نانو زاویه
تماسی بیش از 160 درجه پیدا میکند. لذا یک سطح خشن و
هیدروفوبیک با آب خیس نمیشود.
شکل 1 عدم تر شوندگی سطوح فلز، سرامیک و شیشه پوشش داده شده با نانو پوششهاي سرامیکی را نشان میدهد.
گرفت تا بایندر پلیمري از بین رفته و نانو پوشش سرامیکی بر
سطح باقی بماند.
شکل – 2 مقرههاي 120 KN بشقابی همراه با نانو پوشش سرامیکی
شکل -1 چگونگی قرار گرفتن قطره برروي سطوح مختلف پوشش
داده شده با نانو پوشش سرامیکی
-2 روش تحقیق :
با توجه به مطالب بیان شده و با توجه به اینکه سطوح مقرههاي پرسلانی همواره به دلیل آلودگیهاي محیطی در مناطق آلوده و مرطوب با مشکلاتی از جمله تخلیه الکتریکی
روبرو هستند در این تحقیق نانو پوشش سرامیکی اکسید
تیتانیوم برروي مقره بشقابی 120 KN اعمال گردید و
آزمونهاي الکتریکی مربوط به آلودگی برروي آن صورت
پذیرفت. شکل 2 مقرههاي 120 KN بشقابی همراه با نانو
پوشش سرامیکی را نشان میدهد.
براي این منظور نانو پودر اکسید تیتانیم با استفاده از یک بایندر پلیمري به صورت دوغاب درآمده و سطح مقره در آن
غوطه ور گردید و پس از چند ثانیه و نشستن پوشش برروي
سطح، مقره تحت یک عملیات حرارتی 400-500 oC قرار
