Des de la segona meitat del segle XIX, els únics materials aïllants adequats per a les línies d'alta tensió eren els ceràmics i el vidre. A partir dels anys 40, amb l'emergència dels materials polimèrics, els ceràmics i el vidre ja no van ser les opcions preferides, incloent-hi els països d'Europa i Amèrica que van començar a investigar els aïllants polimèrics. Posteriorment, es van realitzar extensos estudis sobre les propietats físiques, les característiques elèctriques, la fiabilitat a llarg termini i les formes òptimes dels aïllants elèctrics, i la eficiència de producció va continuar millorant.
Entre els materials de pes molecular elevat capaços de substituir els ceràmics i el vidre, el caucho de silicona ha demostrat un rendiment pràctic des dels anys 60 i s'ha destacat entre diversos polímers. Els aïllants de caucho de silicona oferixen diverses avantatges sobre els aïllants ceràmics: primer, són lleugers, fàcils de manipular i més segurs; segon, els aïllants ceràmics són propensos a trencar-se en cas d'impacte, mentre que els aïllants de caucho de silicona poden resistir eficientment xocs mecànics com col·lisions de vehicles amb postes d'elèctricitat.
Encara que altres materials polimèrics també posseeixen els avantatges mencionats, només el caucho de silicona provoca una mínima contaminació ambiental. Els aïllants polimèrics són resistent a l'aigua, prenent evitar la corrent de fuga i l'arc voltaïc causats per gotes d'aigua. A més, la hidrofòbia dels aïllants de caucho de silicona es recupera més ràpidament que la d'altres aïllants polimèrics, fent-los un material durader adequat per a l'ús a llarg termini en entorns severes. Aquest article explica les característiques del caucho de silicona utilitzat en l'aïllament elèctric d'alta tensió i introdueix les tendències de desenvolupament recents.
1 Característiques del Caucho de Silicona
1.1 Característiques Químiques de l'Enllaç Siloxà
1.1.1 Enllaç Químicament Estable
La cadena principal del caucho de silicona consta d'enllaços siloxà (Si-O). Degut a la gran diferència d'electronegativitat entre Si (1.8) i O (3.5), es forma una estructura polaritzada, com es mostra a la Figura 1 (omesa), que presenta característiques d'enllaç iònic. Conseqüentment, l'energia d'enllaç de Si-O és superior a la de C-C (vegeu Taula 1). A més: (1) degut a la naturalesa iònica de la cadena principal, la polaritat dels grups metil C-H en les cadenes laterals es redueix, fent-los menys susceptibles a l'atac per altres molècules, resultant en una excel·lent estabilitat química; (2) ja que Si no forma fàcilment enllaços dobles o triples, la cadena principal és menys propensa a la descomposició, i els enllaços Si-C són, per tant, molt estables, reforçant així la estabilitat de la cadena principal del caucho de silicona.
1.1.2 Polímer de Alta Flexibilitat
L'angle d'enllaç del siloxà (Si-O-Si) és gran (130°–160°), donant-li més llibertat que els polímers orgànics (angle d'enllaç C-C ~110°). A més, la longitud d'enllaç Si-O (1.64 Å) és més llarga que la de C-C (1.5 Å). Això significa que la molècula polimèrica total és més mòbil i més fàcil de deformar.
1.1.3 Estructura Helicoidal
Degut a l'estructura helicoidal del polisiloxà, els enllaços siloxà a la cadena principal són atraïts cap endins per atracció iònica, mentre que l'exterior consisteix en grups metil amb interaccions intermoleculars febles, resultant en forces intermoleculars febles.
1.2 Propietats del Caucho de Silicona
Basant-nos en les característiques químiques descrites a la Secció 1.1, el caucho de silicona posseeix les següents propietats adequades per a l'aïllament elèctric d'alta tensió.
1.2.1 Resistència al Calor i al fred
Degut a la seva alta energia d'enllaç i excel·lent estabilitat química, el caucho de silicona té millor resistència al calor que els polímers orgànics. A més, degut a les forces intermoleculars febles, té una temperatura de transició vítrea baixa i excel·lent resistència al fred. Per tant, el seu rendiment roman estable independentment de la regió geogràfica on s'utilitzi.
1.2.2 Resistència a l'Aigua
La superfície del polisiloxà està compost per grups metil, donant-li propietats hidrofòbiques i, per tant, excel·lent resistència a l'aigua.
1.2.3 Propietats Elèctriques
El caucho de silicona conté menys àtoms de carboni que els polímers orgànics, resultant en excel·lent resistència a l'arc voltaïc i a la traça. A més, fins i tot quan es quema, forma sílica aïllant, assegurant així un rendiment superior en aïllament elèctric.
1.2.4 Resistència Meteorològica
Com es mostra a la Taula 1, l'energia d'enllaç del siloxà és superior a l'energia de la llum ultravioleta (UV), fent-lo resistente a l'envejeciment provocat per UV. En proves accelerades de resistència a l'ozone, els polímers orgànics es creben en segons a hores, mentre que el caucho de silicona només mostra una reducció lleugera de la força després de quatre setmanes d'envejeciment, sense crebar, indicant excel·lent resistència a l'ozone (vegeu Taula 2). La pluja acídica és una solució iònica mixta amb un pH d'aproximadament 5.6. Es va realitzar una prova artificial de pluja acídica concentrada 500 vegades utilitzant la solució llistada a la Taula 3. El caucho de silicona presenta excel·lent resistència química, com es mostra a la Taula 4. Encara que l'exposició a solucions mixtes com la pluja acídica pot causar alguns canvis, l'impacte es espera que sigui mínim.
Nota: A temperatura ambiente, amb una concentració d'ozone de 200 ppm i una tensió de tracció del 50% aplicada al caucho, la superfície no mostra crebatures fins i tot després de 28 dies d'envejeciment.
Unitat: g per 2 L d'aigua desionitzada.
1.2.5 Deformació Permanent
El caucho de silicona presenta millors característiques de deformació permanent (incloent la deformació permanent d'allongament i compressió) a temperatures ambiente i elevades en comparació amb els polímers orgànics.
2 Classificació del Caucho de Silicona
El caucho de silicona es pot classificar en tipus sòlid i líquid basant-se en el seu estat abans de la vulcanització, i en tipus de vulcanització per peròxids, addició i condensació basant-se en el mecanisme de vulcanització. La principal diferència entre el caucho de silicona sòlid i líquid es troba en el pes molecular del polisiloxà. El caucho de silicona sòlid es pot vulcanitzar mitjançant vulcanització per peròxids o addició, i sovint es coneix com a caucho de vulcanització a alta temperatura (HTV) o caucho de cura per calor (HCR) (vegeu Taules 5 i 6).
Encara que el caucho de silicona líquid vulcanitzat per reacció d'addició també es pot vulcanitzar a temperatura ambiente, es designa com a caucho de silicona líquid (LSR), caucho de vulcanització a baixa temperatura (LTV) o caucho de vulcanització a temperatura ambiente de dos components (RTV), depenent del mètode de processament i la temperatura de vulcanització. En la fabricació d'aïllants polimèrics, els processos d'injecció i col·locació són comuns.
El caucho de silicona d'un component de tipus condensació (cura per humitat) es pot utilitzar en juntes de construcció, així com en productes elèctrics i electrònics. En aplicacions elèctriques, es pulveritzen sovint revestiments de caucho de silicona de vulcanització a temperatura ambiente (RTV) diluïts en solvent sobre aïllants ceràmics com a materials protectors.
2.1 Caucho de Silicona amb Trihidròxid d'Alumini (ATH)
Es pot obtenir un caucho de silicona amb bona resistència a la traça i a l'arc voltaïc incorporant una càrrega elevada de trihidròxid d'alumini (ATH). El caucho de silicona omplert amb 50 parts en massa d'ATH presenta una resistència acceptable a la traça d'alta tensió (4.5 kV), així com excel·lent resistència a l'arc voltaïc, a la meteorologia, a la boira salina i a la pluja acídica, fent-lo adequat com a material aïllant en zones amb forta boira salina. No obstant això, a causa de la càrrega elevada d'ATH, aquest material pateix d'alta viscositat (plasticitat pobra) i baixa resistència mecànica.
2.2 Caucho de Silicona sense Trihidròxid d'Alumini (ATH)
En regions interiors d'Europa i similars amb minúscula boira salina i baix nivell de contaminació, es pot utilitzar caucho de silicona sense omplir d'ATH. En aquests casos, la selecció apropiada del caucho de silicona base, el tractament superficial de la sílica fumigada i l'afegit de compòsits que milloren la resistència a la traça poden millorar la hidrofòbia per complir amb els requisits de resistència a la traça d'alta tensió. En comparació amb el caucho de silicona omplert d'ATH, aquest tipus té menor viscositat i propietats mecàniques i elèctriques superiors.
2.3 Per Accessoris de Cables Externs
Com que els accessoris de cables externs estan exposats a entorns severes, han de tenir bona resistència a la traça. Materials amb baixa deformació permanent es poden aconseguir utilitzant polímers amb densitat de reticulació optimitzada, adequats per a productes retràctils a temperatura ambiente (retràctils a fred).
2.4 Per Accessoris de Cables Interns
Els accessoris de cables interns són poc probables que siguin afectats per la boira salina, per tant, sovint no es requereix resistència a la traça. No obstant això, quan s'utilitzen en aplicacions retràctils a temperatura ambiente (retràctils a fred), encara són necessàries característiques de baixa deformació permanent.
2.5 Aplicacions de Revestiment
Pulveritzar revestiments de caucho de silicona en zones fortemente contaminades pot mantenir la hidrofòbia a llarg termini. Els revestiments també es poden aplicar a aïllants ja instal·lats basant-se en el nivell de contaminació, permetent la continuïtat del servei i l'estalvi de costos. Relats recents indiquen que el revestiment d'aïllants de caucho de silicona pot augmentar encara més la retenció de la hidrofòbia. Actualment, existeixen dos tipus principals: aïllants revestits i aïllants de tipus caucho.
3 Conclusió
Aquest article ha introduït materials de caucho de silicona per a aïllants polimèrics. Diverses institucions i fabricants estan realitzant investigacions i proves contínues. Si es pot demostrar una alta fiabilitat a través de proves de durabilitat i altres prestacions, s'espera que l'aplicació dels aïllants de caucho de silicona s'expandisca més enllà.