سیلیکون رابر در عایق‌های فشار بالا: ویژگی‌ها، طبقه‌بندی‌ها و کاربردها

از نیمه دوم قرن نوزدهم، تنها مواد عایقی مناسب برای خطوط انتقال برق با ولتاژ بالا سرامیک و شیشه بودند. از دهه ۱۹۴۰ با ظهور مواد پلیمری، سرامیک و شیشه دیگر انتخاب مطلوب نبودند که باعث شد کشورهای اروپا و آمریکا به تحقیق درباره عایقات پلیمری بپردازند. سپس مطالعات گسترده‌ای روی خصوصیات فیزیکی، ویژگی‌های الکتریکی، قابلیت اطمینان بلندمدت و شکل‌های بهینه عایقات الکتریکی انجام شد و کارایی تولید به طور مداوم بهبود یافت.

در میان مواد پلیمری با وزن مولکولی بالا که می‌توانستند جایگزین سرامیک و شیشه شوند، کائوچوک سیلیکون از دهه ۱۹۶۰ عملکرد کاربردی خود را نشان داد و در میان انواع پلیمرها برجسته شد. عایقات کائوچوک سیلیکون بر عایقات سرامیک چندین مزیت دارند: اولاً، آنها سبک‌وزن، قابل حمل و ایمن‌تر هستند؛ ثانیاً، عایقات سرامیک تحت تأثیر ضربه آسان به ترک خوردگی هستند، در حالی که عایقات کائوچوک سیلیکون می‌توانند ضربه‌های مکانیکی مانند تصادف وسایل نقلیه با دکل‌های برق را مؤثرانه تحمل کنند.

اگرچه مواد پلیمری دیگر نیز دارای مزایای ذکر شده هستند، فقط کائوچوک سیلیکون آلودگی زیست‌محیطی کمتری ایجاد می‌کند. عایقات پلیمری مقاومت به آب دارند و از جریان‌های نشتی و قوس‌های سطحی ناشی از قطرات آب جلوگیری می‌کنند. علاوه بر این، هیدروفوبیتی عایقات کائوچوک سیلیکون نسبت به سایر عایقات پلیمری به سرعت‌تر بازیابی می‌یابد که آنها را به یک ماده مقاوم مناسب برای استفاده بلندمدت در محیط‌های سخت تبدیل می‌کند. این مقاله خصوصیات کائوچوک سیلیکون استفاده شده در عایق‌های الکتریکی با ولتاژ بالا را توضیح می‌دهد و روندهای اخیر توسعه را معرفی می‌کند.

۱ خصوصیات کائوچوک سیلیکون

۱.۱ خصوصیات شیمیایی پیوند سیلیکسیل

۱.۱.۱ پیوند شیمیایی پایدار

بن‌مایه کائوچوک سیلیکون از پیوندهای سیلیکسیل (Si-O) تشکیل شده است. به دلیل تفاوت قابل توجه در الکترونگاتیویت بین Si (۱.۸) و O (۳.۵)، یک ساختار قطبی شکل می‌گیرد که مشابه پیوند یونی است. بنابراین، انرژی پیوند Si-O بیشتر از C-C (جدول ۱) است. علاوه بر این: (۱) به دلیل طبیعت یونی بن‌مایه، قطبیت گروه‌های متیل C-H در شاخه‌ها کاهش می‌یابد و آنها کمتر مستعد حمله توسط مولکول‌های دیگر هستند که منجر به پایداری شیمیایی عالی می‌شود؛ (۲) چون Si به راحتی پیوند دوگانه یا سه‌گانه نمی‌سازد، بن‌مایه کمتر آسیب‌پذیر است و پیوندهای Si-C بسیار پایدار هستند که پایداری بن‌مایه کائوچوک سیلیکون را افزایش می‌دهد.

۱.۱.۲ پلیمر با انعطاف‌پذیری بالا

زاویه پیوند سیلیکسیل (Si-O-Si) بزرگ (۱۳۰°-۱۶۰°) است که آزادی بیشتری نسبت به پلیمرهای آلی (زاویه پیوند C-C حدود ۱۱۰°) دارد. علاوه بر این، طول پیوند Si-O (۱.۶۴ Å) بیشتر از C-C (۱.۵ Å) است. این به معنای متحرک‌تر بودن مولکول پلیمر و آسان‌تر شدن تغییر شکل آن است.

۱.۱.۳ ساختار لوله‌ای

به دلیل ساختار لوله‌ای پلی‌سیلیکسیل، پیوندهای سیلیکسیل در بن‌مایه به داخل جذب می‌شوند در حالی که بخش خارجی از گروه‌های متیل با تعاملات میان مولکولی ضعیف تشکیل شده است که منجر به نیروهای میان مولکولی ضعیف می‌شود.

۱.۲ خصوصیات کائوچوک سیلیکون

بر اساس خصوصیات شیمیایی توضیح داده شده در بخش ۱.۱، کائوچوک سیلیکون خصوصیات زیر را برای عایق‌های الکتریکی با ولتاژ بالا دارد.

۱.۲.۱ مقاومت به گرمی و سرما

به دلیل انرژی پیوند بالا و پایداری شیمیایی عالی، کائوچوک سیلیکون مقاومت به گرمی بیشتری نسبت به پلیمرهای آلی دارد. علاوه بر این، به دلیل نیروهای میان مولکولی ضعیف، دمای انتقال شیشه‌ای پایینی دارد و مقاومت به سرما عالی دارد. بنابراین، عملکرد آن مستقل از منطقه جغرافیایی که در آن استفاده می‌شود پایدار می‌ماند.

۱.۲.۲ مقاومت به آب

سطح پلی‌سیلیکسیل از گروه‌های متیل تشکیل شده است که آن را هیدروفوبیک و در نتیجه مقاومت به آب عالی می‌کند.

۱.۲.۳ خصوصیات الکتریکی

کائوچوک سیلیکون شامل کربن‌های کمتری نسبت به پلیمرهای آلی است که منجر به مقاومت عالی به قوس الکتریکی و ردیابی می‌شود. علاوه بر این، حتی در صورت سوختن، آن سیلیکا عایقی را تشکیل می‌دهد که عملکرد عایق الکتریکی عالی را تضمین می‌کند.

۱.۲.۴ مقاومت به آب‌وهوایی

همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده است، انرژی پیوند سیلیکسیل بیشتر از انرژی نور ماوراء بنفش (UV) است که آن را مقاوم در برابر پیری ناشی از UV می‌کند. در آزمون‌های مقاومت به ازن با سرعت بالا، پلیمرهای آلی در چند ثانیه تا چند ساعت ترک می‌خورند، در حالی که کائوچوک سیلیکون تنها کاهش کمی در قدرت پس از چهار هفته پیری نشان می‌دهد و ترکی نمی‌خورد که نشان‌دهنده مقاومت عالی به ازن (جدول ۲) است. باران اسیدی یک محلول یونی مخلوط با pH حدود ۵.۶ است. یک آزمون مصنوعی باران اسیدی با غلظت ۵۰۰ برابر با محلول موجود در جدول ۳ انجام شد. کائوچوک سیلیکون مقاومت شیمیایی عالی را نشان می‌دهد (جدول ۴). اگرچه مواجهه با محلول‌های مخلوط مانند باران اسیدی ممکن است برخی تغییرات ایجاد کند، اما تأثیر آن مورد انتظار کم است.

یادداشت: در دمای اتاق، با غلظت ازن ۲۰۰ ppm و تنش کششی ۵۰٪ که به کائوچوک اعمال می‌شود، سطح حتی پس از ۲۸ روز پیری ترکی نمی‌خورد.

واحد: گرم در هر ۲ لیتر آب دی‌آیونیزه.

۱.۲.۵ تغییر شکل دائمی

کائوچوک سیلیکون خصوصیات تغییر شکل دائمی (شامل تغییر شکل دائمی و تغییر شکل فشرده) بهتری در دمای اتاق و دماهای بالاتر نسبت به پلیمرهای آلی دارد.

۲ طبقه‌بندی کائوچوک سیلیکون

کائوچوک سیلیکون می‌تواند بر اساس حالت آن قبل از سفت شدن به دو نوع جامد و مایع تقسیم‌بندی شود و بر اساس مکانیسم سفت شدن به سه نوع سفت شدن با پراکسید، سفت شدن با افزودن و سفت شدن با تراکم تقسیم‌بندی شود. تفاوت اصلی بین کائوچوک سیلیکون جامد و مایع در وزن مولکولی پلی‌سیلیکسیل است. کائوچوک سیلیکون جامد می‌تواند از طریق سفت شدن با پراکسید یا سفت شدن با افزودن سفت شود و معمولاً به عنوان کائوچوک سفت شونده در دمای بالا (HTV) یا کائوچوک سفت شونده با گرما (HCR) (جدول ۵ و ۶) شناخته می‌شود.

اگرچه کائوچوک سیلیکون مایع که با واکنش افزودن سفت می‌شود می‌تواند در دمای اتاق نیز سفت شود، اما به ترتیب با توجه به روش پردازش و دمای سفت شدن به عنوان کائوچوک سیلیکون مایع (LSR)، کائوچوک سفت شونده در دمای پایین (LTV) یا کائوچوک سفت شونده در دمای اتاق دو جزئی (RTV) طبقه‌بندی می‌شود. در تولید عایقات پلیمری، روش‌های گرفتن قالب و ریخته‌گری معمولاً استفاده می‌شوند.

کائوچوک سیلیکون یک‌جزئی خشک (با سفت شدن با رطوبت) می‌تواند در ملات‌های ساختمانی و محصولات الکتریکی و الکترونیکی استفاده شود. در کاربردهای الکتریکی، پوشش‌های کائوچوک سیلیکون RTV که با حلال‌ها تردید شده‌اند معمولاً بر روی عایقات سرامیک به عنوان مواد محافظ پاشیده می‌شوند.

۲.۱ کائوچوک سیلیکون با هیدروکسید آلومینیوم (ATH)

کائوچوک سیلیکون با مقاومت ردیابی و قوس الکتریکی عالی می‌تواند با اضافه کردن بار زیادی از هیدروکسید آلومینیوم (ATH) به دست آید. کائوچوک سیلیکون که با ۵۰ بخش جرمی ATH پر شده است مقاومت قابل قبولی در برابر ردیابی با ولتاژ بالا (۴.۵ kV) و مقاومت عالی به قوس الکتریکی، آب‌وهوایی، اب‌نمک و باران اسیدی دارد که آن را مناسب به عنوان ماده عایق در مناطق با اب‌نمک شدید می‌کند. با این حال، به دلیل بار زیاد ATH، این ماده دارای ویسکوزیته بالا (پلاستیسیته ضعیف) و قدرت مکانیکی کم است.

۲.۲ کائوچوک سیلیکون بدون هیدروکسید آلومینیوم (ATH)

در مناطق داخلی اروپا و مناطق مشابه با اب‌نمک کم و سطح آلودگی پایین، می‌توان از کائوچوک سیلیکون بدون پرکننده ATH استفاده کرد. در چنین مواردی، انتخاب مناسب کائوچوک سیلیکون پایه، پوشش سطحی سیلیکا خاکستری و افزودن عوامل ترکیبی که مقاومت به ردیابی را افزایش می‌دهند، می‌تواند هیدروفوبیتی را بهبود بخشد تا نیازهای مقاومت به ردیابی با ولتاژ بالا را برآورده کند. نسبت به کائوچوک سیلیکون پر شده با ATH، این نوع دارای ویسکوزیته کمتر و خصوصیات مکانیکی و الکتریکی بهتری است.

۲.۳ برای لوازم جانبی کابل‌های بیرونی

به دلیل آنکه لوازم جانبی کابل‌های بیرونی به محیط‌های سخت مواجه هستند، باید دارای مقاومت به ردیابی خوبی باشند. با استفاده از پلیمرهای با چگالی متقاطع بهینه، می‌توان مواد با تغییر شکل دائمی کم را برای محصولات انقباض در دمای محیط (کلد شرینک) به دست آورد.

۲.۴ برای لوازم جانبی کابل‌های داخلی

لوازم جانبی کابل‌های داخلی به احتمال زیاد تحت تأثیر اب‌نمک قرار نمی‌گیرند، بنابراین نیاز به مقاومت به ردیابی اغلب وجود ندارد. با این حال، در کاربردهای انقباض در دمای محیط (کلد شرینک)، هنوز نیاز به خصوصیات تغییر شکل دائمی کم است.

۲.۵ کاربردهای پوششی

پاشیدن پوشش‌های کائوچوک سیلیکون بر روی مناطق با آلودگی شدید می‌تواند هیدروفوبیتی را در طول مدت طولانی حفظ کند. پوشش‌ها می‌توانند بر روی عایقات نصب شده بر اساس سطح آلودگی اعمال شوند که اجازه می‌دهد خدمات ادامه یابد و هزینه‌ها کاهش یابند. گزارش‌های اخیر نشان می‌دهند که پوشش عایقات کائوچوک سیلیکون می‌تواند حفظ هیدروفوبیتی را بیشتر کند. در حال حاضر، دو نوع اصلی وجود دارد: عایقات پوششی و عایقات نوع کائوچوک.

۳ نتیجه‌گیری

این مقاله مواد کائوچوک سیلیکون برای عایقات پلیمری را معرفی کرده است. مطالعات و آزمون‌های مداوم توسط مؤسسات و سازندگان مختلف انجام می‌شود. اگر قابلیت اطمینان بالا از طریق آزمون‌های مقاومت و عملکرد دیگر نشان داده شود، استفاده از عایقات کائوچوک سیلیکون می‌تواند بیشتر گسترش یابد.