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六氟化硫在氧化及还原高周波电浆试验中的应用

发布时间：2020-07-10 来源：jsydl 浏览次数：411次

六氟化硫，分子式SF6，相对分子质量为146.06，常温常压下为无色、无味、无毒、无腐蚀性、不燃、不爆炸的气体，密度约为空气的5倍，标准状态下密度为6.0886kg立方米.在低温和加压情况下呈液态，冷冻后变成白色固体。升华温度为-63.9℃,熔点-50.8℃,临界温度45.55℃，临界压力为3.759MPa。六氟化硫具有良好的化学稳定性和热稳定性，卓越的电绝缘性和灭弧性能。

六氟化硫气体液化温度它在一个大气压下(即0.1MPa)，液化温度为-62℃；在1.2MPa压力下，液化温度为0℃；一般充入断路器的六氟化硫气体压力为0.35～0.65MPa范围(由充气时的环境温度具体确定)，其液化温度为-40℃。

临界温度是六氟化硫气体出现液化的高温度临界压力表示在这个温度下出现液化所需的气体压力。六氟化硫只有在温度高于45度以上时才能保持气态，在通常使用条件下，它有液化的可能性，因此六氟化硫不能在低温度和过低压力下使用。

六氟化硫的电气强度约为空气的2 . 5 倍，灭弧能力更高达空气的100 倍以上，所以在超高压和特高压的范畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为断路器灭弧媒质。

六氟化硫(化学式SF6)是一种无色、无味、无毒的气体,不可燃,微溶于水，同时它也是温室气体中的一员。解决SF6尾气排放的问题，对于保护环境有极大的意义。研究人员利用高周波电浆系统，添加氧化剂(O2)或还原剂(H2或H2S)，将六氟化硫(SF6)于室温环境下进行分解。主要操作参数为输入功率及反应物进流比(O2SF6、H2SF6与H2SSF6比例)。研究内容包括探讨反应物分解反应及最终产物分布，氧化电浆与还原电浆产物之毒性当量分析，并推论电浆系统之反应路径，建构SF6Ar电浆模型进行数值模拟及比较与实验值差异，最后，提出SF6较佳处理方法之建议。

结果显示，输入功率与反应物进流比皆为影响分解率(ηSF6)及产物分布之主要因素。分解率方面，在氧化与还原系统中，ηSF6皆随著功率提高而增加，然而，当输入功率小于40W时，ηSF6于氧化与还原系统则有不同趋势。随著进流O2SF6比提高，抑制电子碰撞形成自由基，使得SF6分解降低。由于氟自由基容易与氢形成稳定HF产物，因此，当进流H2SF6或H2SSF6比提高时，促使ηSF6随之明显增加，然而，当功率增加至40W时，氧化与还原系统中ηSF6受到反应物进流比影响较不明显。

产物分布方面，氧化与还原电浆系统主要共同分解产物为SiF4、SO2、SO2F2、SOF2、SOF4。然而，HF及硫元素沉积只有在还原电浆系统中发现。氧化电浆系统中，F2为SF6分解时含氟主要产物，且随著功率提高而明显增加。还原电浆系统中，HF为SF6分解时含氟之主要产物，同样随著功率提高而增加。SiF4来自氟自由基对SiO2反应器蚀刻作用产生，在氧化与还原电浆系统中，SiF4随著功率提高皆有增加趋势。然而，还原电浆系统中，HF形成与SiO2蚀刻作用彼此竞争氟自由基，因此，SiF4生成较不明显。还原电浆系统中，硫元素沉积为含硫主要产物，且随著功率提高而增加。然而，在氧化电浆系统中，并未发现硫沉积物。输入功率是影响系统中SO2生成重要参数，氧化电浆系统中，低功率下，含硫产物以氟氧硫化物及SO2为主，而高功率下，含硫产物则从氟氧硫化物转成以SO2为主。还原电浆系统中，SO2或是氟氧硫化物生成受制于SiO2蚀刻作用。

反应物进流比也是影响产物分佈重要因子氧化电浆系统中，SF6分解率随著加氧比提高而降低，使得F2生成降低，同时，蚀刻生成SiF4也随之下降。氟氧硫化物随著O2SF6比提高而逐渐增加，然而，SO2生成随著O2SF6比提高而逐渐降低。当氢气或硫化氢加入还原电浆系统时，HF生成随著加氢比提高明显急速上升，F2也由于氢之竞争反应而从系统消失，同时，蚀刻作用受到抑制，使得SiF4生成明显下降。还原电浆系统中，由于蚀刻作用释出之氧供应量不足，SO2生成则明显受到抑制，且大部分含硫产物皆以元素硫存在。此外，随H2SF6比提高，氟氧硫化物则从还原电浆系统中消失。

氧化电浆与还原电浆产物毒性当量(TEQ)方面，SF6O2Ar电浆系统皆高于SF6H2Ar电浆系统。SF6O2Ar电浆系统中，TEQ毒性随著功率提高急速增加，然而，SF6H2Ar电浆系统中，TEQ毒性随著输入功率提高，未有明显增加。进流H2SF6与O2SF6比对于氧化及还原电浆系统TEQ毒性则无明显影响。由于回收HF可减少系统毒性，回收元素硫可减少SO2排放，同时避免后续处理大量排放气体之困扰，因此，以还原式RF电浆处理含SF6排放气体，将是较佳的选择。

高纯六氟化硫还能够对高分子材料表面进行处理，使材料表面的结构发生变化。电浆表面处理是一种极为有效的高分子材料表面处理技术，使用电浆表面处理，可以在高分子材料的表面，导入特定的表面性质，而且不会影响高分子材料的本身原有的总体性。而六氟化硫电浆对软性材料就能进行很好的处理。

在实验中，我们使用高频电浆(Electron Cyclotron Resonance)对软性基材(Poly ethylene terephthalate , PET)进行表面改质的研究，我们观察到使用六氟化硫气体SF6时，对薄膜表面改质效果的变化趋势与反应气体、功率、反应时间关系密切。在製程中于基材表面放置遮罩并控制基材与遮罩间之距离，可同时获得亲水与疏水的表面特性，显示处理后的遮闭区域，曝在大气中，可与大量的氧原子反应形成亲水性的表面特性，其水接触角差异可达到100 度以上，我们也将进一步研究亲疏水与表面化学结构的变化。

化学小常识：六氟化硫气体以其良好的绝缘性能和灭弧性能，被广泛应用于电器工业；作为冷冻工业作为致冷剂，致冷范围可在-45℃～0℃之间；因其化学惰性、无毒、不燃及无腐蚀性，还被广泛应用于金属冶炼（如镁合金熔化炉保护气体）、航空航天、医疗（Ｘ光机、激光机）、气象（示踪分析）、化工（高级汽车轮胎、新型灭火器）等。