Σιλικόνη Καουτσούκ σε Υψηλής Τάσης Αμβλυνούς: Ιδιότητες Ταξινομίες και Εφαρμογές

Από το δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, τα μόνα απολιθωμένα υλικά που ήταν κατάλληλα για τις υψηλής τάσης γραμμές μεταφοράς ρεύματος ήταν τα κεραμικά και το γυαλί. Από τη δεκαετία του '40, με την εμφάνιση πολυμερών υλικών, τα κεραμικά και το γυαλί δεν ήταν πλέον οι προτιμώμενες επιλογές, οδηγώντας τις χώρες της Ευρώπης και της Αμερικής να ξεκινήσουν την έρευνα για πολυμερή απολιθωμένα. Στη συνέχεια, έγιναν εκτεταμένες μελέτες για τις φυσικές ιδιότητες, τις ηλεκτρικές χαρακτηριστικές, τη μακροχρόνια αξιοπιστία και τις βέλτιστες μορφές ηλεκτρικών απολιθωμένων, και η αποδοτικότητα παραγωγής συνέχισε να βελτιώνεται.

Μεταξύ των υψηλού μοριακού βάρους υλικών που μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα κεραμικά και το γυαλί, το σιλικόνιο καουτσούκ έχει αποδείξει πρακτική εφαρμογή από τη δεκαετία του '60 και έχει ξεχωρίσει μεταξύ διαφόρων πολυμερών. Τα απολιθωμένα σιλικόνιου παρέχουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα κεραμικά απολιθωμένα: πρώτον, είναι ελαφρύ, εύκολο στην χειρισμό και ασφαλέστερο, δεύτερον, τα κεραμικά απολιθωμένα είναι ευάλωτα σε σπάσιμο υπό τύψη, ενώ τα απολιθωμένα σιλικόνιου μπορούν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά μηχανικές τύψεις όπως τυχόν σύγκρουση οχήματος με στύλους.

Παρόλο που άλλα πολυμερή υλικά διαθέτουν τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα, μόνο το σιλικόνιο καουτσούκ προκαλεί ελάχιστη ρύπανση του περιβάλλοντος. Τα πολυμερή απολιθωμένα είναι ανθεκτικά στο νερό, προστατεύοντας από την ροή ρεύματος και την επιφανειακή ανάφλεξη που προκαλείται από σταγόνες νερού. Επιπλέον, η αποφυγή του νερού στα απολιθωμένα σιλικόνιου αποκαθίσταται πιο γρήγορα από τα άλλα πολυμερή απολιθωμένα, κάνοντάς τα ένα διαρκές υλικό κατάλληλο για μακροχρόνια χρήση σε αυστηρά περιβάλλοντα. Αυτό το άρθρο εξηγεί τις ιδιότητες του σιλικόνιου που χρησιμοποιείται στην υψηλή τάση ηλεκτρική απολίθωση και παρουσιάζει πρόσφατες τάσεις ανάπτυξης.

1 Χαρακτηριστικά του Σιλικόνιου Καουτσούκ

1.1 Χημικά Χαρακτηριστικά της Σιλοξανικής Δεσμοποίησης

1.1.1 Χημικά Σταθερή Δεσμοποίηση

Η βασική δομή του σιλικόνιου καουτσούκ αποτελείται από σιλοξανικές (Si-O) δεσμοποιήσεις. Λόγω της σημαντικής διαφοράς στην ηλεκτρονεγατικότητα μεταξύ Si (1.8) και O (3.5), δημιουργείται μια πολωμένη δομή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (εκλείπει), που εκφράζει χαρακτηριστικά ιονικής δεσμοποίησης. Ως αποτέλεσμα, η ενεργειακή δεσμοποίηση Si-O είναι υψηλότερη από τη C-C (βλέπε Πίνακα 1). Επιπλέον: (1) λόγω της ιονικής φύσης της κύριας αλυσίδας, η πολωσιμότητα των μεθυλικών C-H ομάδων στις πλευρές αλυσίδες μειώνεται, κάνοντάς τις λιγότερο ευάλωτες σε επίθεση από άλλα μόρια, επομένως αποτελεί εξαιρετική χημική σταθερότητα, (2) αφού το Si δεν σχηματίζει εύκολα διπλές ή τριπλές δεσμοποιήσεις, η κύρια αλυσίδα είναι λιγότερο ευάλωτη σε διάσπαση, και οι Si-C δεσμοποιήσεις είναι συνεπώς πολύ σταθερές, ενισχύοντας περαιτέρω τη σταθερότητα της κύριας αλυσίδας του σιλικόνιου καουτσούκ.

1.1.2 Υψηλής Ευελιξίας Πολυμερές

Η γωνία δεσμοποίησης της σιλοξανικής (Si-O-Si) είναι μεγάλη (130°–160°), δίνοντάς της υψηλότερη ελευθερία από τα οργανικά πολυμερή (C-C γωνία δεσμοποίησης ~110°). Επιπλέον, το μήκος δεσμοποίησης Si-O (1.64 Å) είναι μεγαλύτερο από το C-C (1.5 Å). Αυτό σημαίνει ότι το συνολικό μόριο πολυμερούς είναι πιο κινητό και εύκολο να μεταμορφώνεται.

1.1.3 Ελικοειδής Δομή

Λόγω της ελικοειδούς δομής του πολυσιλοξανίου, οι σιλοξανικές δεσμοποιήσεις στην κύρια αλυσίδα είναι εσωτερικά ελκυστικές από την ιονική έλξη, ενώ το εξωτερικό μέρος αποτελείται από μεθυλικές ομάδες με αδύναμες διαμορφωτικές δυνάμεις, επομένως παράγει αδύναμες διαμορφωτικές δυνάμεις.

1.2 Ιδιότητες του Σιλικόνιου Καουτσούκ

Βάσει των χημικών χαρακτηριστικών που περιγράφονται στην Παράγραφο 1.1, το σιλικόνιο καουτσούκ διαθέτει τις ακόλουθες ιδιότητες κατάλληλες για υψηλή τάση ηλεκτρική απολίθωση.

1.2.1 Αντοχή σε Θερμότητα και Φρίκη

Λόγω της υψηλής ενεργειακής δεσμοποίησης και της εξαιρετικής χημικής σταθερότητας, το σιλικόνιο καουτσούκ έχει καλύτερη αντοχή στη θερμότητα από τα οργανικά πολυμερή. Επιπλέον, λόγω των αδύναμων διαμορφωτικών δυνάμεων, έχει χαμηλή θερμοκρασία μεταβολής φάσης και εξαιρετική αντοχή στη φρίκη. Συνεπώς, η απόδοσή του παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από τη γεωγραφική περιοχή στην οποία χρησιμοποιείται.

1.2.2 Αντοχή στο Νερό

Η επιφάνεια του πολυσιλοξανίου αποτελείται από μεθυλικές ομάδες, δίνοντάς της υδροφοβικές ιδιότητες και, επομένως, εξαιρετική αντοχή στο νερό.

1.2.3 Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά

Το σιλικόνιο καουτσούκ περιέχει λιγότερα άνθρακα από τα οργανικά πολυμερή, παράγοντας εξαιρετική αντοχή σε ανάφλεξη και ανάφλεξη παρακολούθησης. Επιπλέον, ακόμη και όταν καίγεται, δημιουργεί απολιθωμένο σιλικά, εξασφαλίζοντας ιδιαίτερα υψηλή ηλεκτρική απολίθωση.

1.2.4 Αντοχή στο Καιρό

Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, η ενεργειακή δεσμοποίηση της σιλοξανικής είναι υψηλότερη από την ενέργεια του υπεριώδους φωτός, κάνοντάς το ανθεκτικό στην ηλικία που προκαλείται από το UV. Σε επιταχυνόμενες δοκιμές αντοχής στο όζον, τα οργανικά πολυμερή σπάνε μέσα σε δευτερόλεπτα έως ώρες, ενώ το σιλικόνιο καουτσούκ δείχνει μόνο μια ανώτερη μείωση στην αντοχή μετά από τέσσερις εβδομάδες ηλικίας, χωρίς να παρατηρηθεί σπάσιμο, δείχνοντας εξαιρετική αντοχή στο όζον (βλέπε Πίνακα 2). Το οξυδωδές βροχή είναι μια μεικτή ιονική λύση με pH περίπου 5.6. Έγινε δοκιμή με τετρακοσιεπτακισή της τεχνητής οξυδωδούς βροχής με τη λύση που αναφέρεται στον Πίνακα 3. Το σιλικόνιο καουτσούκ επιδεικνύει εξαιρετική χημική αντοχή, όπως φαίνεται στον Πίνακα 4. Παρ' όλο που η έκθεση σε μεικτές λύσεις όπως η οξυδωδής βροχή μπορεί να προκαλέσει κάποιες αλλαγές, η επίδραση αναμένεται να είναι ελάχιστη.

Σημείωση: Σε δωμάτια θερμοκρασία, με συγκέντρωση όζον 200 ppm και 50% τάση διάτμησης εφαρμοσμένη στο καουτσούκ, η επιφάνεια δεν παρουσιάζει σπάσιμο ακόμη και μετά 28 ημέρες ηλικίας.

Μονάδα: g ανά 2 L αποιωνίστου νερού.

1.2.5 Μόνιμη Μεταμόρφωση

Το σιλικόνιο καουτσούκ επιδεικνύει καλύτερα χαρακτηριστικά μόνιμης μεταμόρφωσης (συμπεριλαμβανομένης της μόνιμης επιτάσεως και της μόνιμης συμπίεσης) σε δωμάτια και υψηλές θερμοκρασίες σε σύγκριση με τα οργανικά πολυμερή.

2 Ταξινόμηση του Σιλικόνιου Καουτσούκ

Το σιλικόνιο καουτσούκ μπορεί να ταξινομηθεί σε στερεό και υγρό τύπο βάσει του καταστάτου του πριν από την ομοιομορφοποίηση, και σε περιοξειδωτική ομοιομορφοποίηση, προσθετική ομοιομορφοποίηση και συσσωρευτική ομοιομορφοποίηση βάσει της μηχανικής ομοιομορφοποίησης. Η κύρια διαφορά μεταξύ του στερεού και του υγρού σιλικόνιου καουτσούκ βρίσκεται στο μοριακό βάρος του πολυσιλοξανίου. Το στερεό σιλικόνιο καουτσούκ μπορεί να ομοιομορφοποιηθεί μέσω περιοξειδωτικής ή προσθετικής ομοιομορφοποίησης, και συνήθως αναφέρεται ως υψηλής θερμοκρασίας ομοιομορφοποιημένο καουτσούκ (HTV) ή θερμοκαυτωμένο καουτσούκ (HCR) (βλέπε Πίνακες 5 και 6).

Παρόλο που το υγρό σιλικόνιο καουτσούκ που ομοιομορφοποιείται μέσω προσθετικής αντίδρασης μπορεί επίσης να ομοιομορφοποιηθεί σε δωμάτια θερμοκρασία, αναφέρεται ως υγρό σιλικόνιο καουτσούκ (LSR), χαμηλής θερμοκρασίας ομοιομορφοποιημένο καουτσούκ (LTV) ή διπλού τύπου ομοιομορφοποιημένο καουτσούκ σε δωμάτια θερμοκρασία (RTV), ανάλογα με την μέθοδο επεξεργασίας και τη θερμοκρασία ομοιομορφοποίησης. Στην κατασκευή πολυμερών απολιθωμένων, οι διαδικασίες που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι η ενέση και η χυσιμότητα.

Ο μονοσύστημα συσσωρευτικός τύπος (υγροομοιομορφοποίηση) σιλικόνιο καουτσούκ μπορεί να χρησιμο