کautomeچه کائوچو 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 مورد نظر نبودند که باعث شد کشورهای اروپا و آمریکا شروع به تحقیق درباره عایقات پلیمری کنند. در نتیجه، مطالعات گسترده‌ای درباره 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، رزین سیلیکونی از دهه ۱۹۶۰ عملکرد عملی را نشان داده و در میان انواع پلیمرها برجسته شده است. عایقات سیلیکونی چندین مزیت نسبت به عایقات سرامیکی دارند: اولاً، آنها سبک‌تر هستند، راحت‌تر مدیریت می‌شوند و امن‌تر هستند؛ ثانیاً، عایقات سرامیکی در مقابل ضربه آسیب‌پذیر هستند، در حالی که عایقات سیلیکونی می‌توانند به طور مؤثری ضربه‌های مکانیکی مانند برخورد خودرو با دکل‌های برق را تحمل کنند.

اگرچه مواد پلیمری دیگر نیز مزایای فوق را دارند، فقط رزین سیلیکونی آلودگی زیست‌محیطی کمتری ایجاد می‌کند. عایقات پلیمری مقاومت به آب دارند که جلوگیری از جریان نشتی و قوس الکتریکی ناشی از قطرات آب را فراهم می‌کند. علاوه بر این، هیدروفوبیتی عایقات سیلیکونی به سرعت‌تر از دیگر عایقات پلیمری بازیابی می‌کند، که آنها را به یک ماده دوامدار برای استفاده بلندمدت در محیط‌های سخت مناسب می‌کند. این مقاله خصوصیات رزین سیلیکونی استفاده شده در عایق‌بندی الکتریکی با ولتاژ بالا را توضیح می‌دهد و روندهای اخیر توسعه را معرفی می‌کند.

۱ خصوصیات رزین سیلیکونی

۱.۱ خصوصیات شیمیایی پیوند سیلیکسان

۱.۱.۱ پیوند شیمیایی پایدار

پشتیبان رزین سیلیکونی از پیوند سیلیکسان (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 مشخصات پیوند یونی را نشان می‌دهد. بنابراین، انرژی پیوند Si-O بیشتر از C-C (به جدول ۱ مراجعه کنید) است. علاوه بر این: (۱) به دلیل طبیعت یونی زنجیره اصلی، قطبیت گروه‌های متیل C-H در زنجیره‌های جانبی کاهش می‌یابد و آنها کمتر در معرض حمله مولکول‌های دیگر قرار می‌گیرند، که منجر به پایداری شیمیایی عالی می‌شود؛ (۲) چون Si به راحتی پیوند دوگانه یا سه‌گانه نمی‌سازد، زنجیره اصلی کمتر تمایل به تجزیه دارد و پیوند Si-C بسیار پایدار است که پایداری پشتیبان رزین سیلیکونی را افزایش می‌دهد.

۱.۱.۲ پلیمر با انعطاف‌پذیری بالا

زاویه پیوند سیلیکسان (Si-O-Si) بزرگ (۱۳۰°-۱۶۰°) است که آزادی حرکت 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 بدان معناست که مولکول پلیمر کلی متحرک‌تر و آسان‌تر قابل تغییر شکل است.

۱.۱.۳ ساختار حلقوی

به دلیل ساختار حلقوی پلی‌سیلیکسان، پیوند‌های سیلیکسان در زنجیره اصلی به داخل جذب می‌شوند در حالی که بخش خارجی شامل گروه‌های متیل با تعاملات میان مولکولی ضعیف است که منجر به نیروهای میان مولکولی ضعیف می‌شود.

۱.۲ خصوصیات رزین سیلیکونی

براساس خصوصیات شیمیایی توضیح داده شده در بخش ۱.۱، رزین سیلیکونی خصوصیات زیر را برای عایق‌بندی الکتریکی با ولتاژ بالا دارد.

۱.۲.۱ مقاومت در برابر گرما و سرما

به دلیل انرژی پیوند بالا و پایداری شیمیایی عالی، رزین سیلیکونی مقاومت بهتری در برابر گرما 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 استفاده می‌شود پایدار می‌ماند.

۱.۲.۲ مقاومت در برابر آب

سطح پلی‌سیلیکسان از گروه‌های متیل تشکیل شده است که به آن خاصیت هیدروفوبیک می‌دهد و بنابراین مقاومت به آب عالی دارد.

۱.۲.۳ خصوصیات الکتریکی

رزین سیلیکونی حاوی کربن‌های کمتری نسبت به پلیمرهای آلی است که منجر به مقاومت عالی در برابر قوس الکتریکی و ردیابی می‌شود. علاوه بر این، حتی وقتی سوخته، سنگفرش عایق‌بندی می‌کند که عملکرد عایق‌بندی الکتریکی را بیشتر می‌کند.

۱.۲.۴ مقاومت در برابر آب و هوای بد

همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده است، انرژی پیوند سیلیکسان بیشتر از انرژی نور ماوراءبنفش (UV) است که آن را مقاوم در برابر پیری ناشی از UV می‌کند. در آزمون‌های مقاومت به ازن سریع، پلیمرهای آلی در چند ثانیه تا چند ساعت ترک می‌خورند، در حالی که رزین سیلیکونی فقط پس از چهار هفته پیری یک کاهش کوچک در قدرت را نشان می‌دهد و هیچ ترکی مشاهده نمی‌شود که مقاومت عالی به ازن را نشان می‌دهد (به جدول ۲ مراجعه کنید). باران اسیدی یک محلول یونی مخلوط با pH حدود ۵.۶ است. یک آزمون مصنوعی باران اسیدی ۵۰۰ برابر غلظت با محلول ذکر شده در جدول ۳ انجام شد. رزین سیلیکونی مقاومت شیمیایی عالی را نشان می‌دهد (به جدول ۴ مراجعه کنید). اگرچه مواجهه با محلول‌های مخلوط مانند باران اسیدی ممکن است باعث تغییراتی شود، اما تأثیر آن مورد انتظار است که کم باشد.

یادداشت: در دمای اتاق، با غلظت ازن ۲۰۰ ppm و کشش کششی ۵۰٪ به کاوش، سطح حتی پس از ۲۸ روز پیری ترکی نمی‌خورد.

واحد: گرم برای هر ۲ لیتر آب دی‌ایونیزه.

۱.۲.۵ تغییر شکل دائمی

رزین سیلیکونی خصوصیات بهتری از تغییر شکل دائمی (از جمله کشش دائمی و کمپرسیون ست) در دمای اتاق و دماهای بالا نسبت به پلیمرهای آلی دارد.

۲ طبقه‌بندی رزین سیلیکونی

رزین سیلیکونی می‌تواند بر اساس وضعیت قبل از تبدیل به کاوش به دو نوع صلب و مایع تقسیم‌بندی شود و بر اساس مکانیسم تبدیل به کاوش به سه نوع تبدیل به کاوش با پeroxide، افزودن واکنش و تقطیر تقسیم‌بندی شود. تفاوت اصلی بین رزین سیلیکونی صلب و مایع در وزن مولکولی پلی‌سیلیکسان است. رزین سیلیکونی صلب می‌تواند از طریق تبدیل به کاوش با peroxide یا افزودن واکنش تبدیل به کاوش شود و معمولاً به عنوان کاوش با دمای بالا (HTV) یا کاوش با گرمایش (HCR) شناخته می‌شود (به جداول ۵ و ۶ مراجعه کنید).

اگرچه رزین سیلیکونی مایع که با افزودن واکنش تبدیل به کاوش می‌شود می‌تواند در دمای اتاق تبدیل به کاوش شود، اما به عنوان رزین سیلیکونی مایع (LSR)، کاوش با دمای کم (LTV) یا کاوش با دمای اتاق دو مرحله‌ای (RTV) طبق روش پردازش و دمای تبدیل به کاوش طبقه‌بندی می‌شود. در تولید عایقات پلیمری، روش‌های گرفتن قالب و ریخته‌گری معمولاً استفاده می‌شوند.

رزین سیلیکونی یک مولفه‌ای تقطیری (تبدیل به کاوش با رطوبت) می‌تواند در پوشش‌های ساختمانی، محصولات الکتریکی و الکترونیکی استفاده شود. در کاربردهای الکتریکی، پوشش‌های رزین سیلیکونی تبدیل به کاوش با دمای اتاق که با حلال ترکیب شده‌اند معمولاً روی عایقات سرامیکی به عنوان مواد محافظ پاشیده می‌شوند.

۲.۱ رزین سیلیکونی با هیدروکسید آلومینیوم (ATH)

رزین سیلیکونی با مقاومت به ردیابی و قوس الکتریکی خوب می‌تواند با افزودن بار بالایی از هیدروکسید آلومینیوم (ATH) به دست آید. رزین سیلیکونی که با ۵۰ بخش جرمی ATH پر شده است مقاومت قابل قبولی در برابر ردیابی با ولتاژ بالا (۴.۵ kV) را نشان می‌دهد و همچنین مقاومت عالی در برابر قوس الکتریکی، آب و هوای بد، نمک و باران اسیدی دارد که آن را برای استفاده به عنوان ماده عایق‌بندی در مناطق با تبخیر نمک شدید مناسب می‌کند. با این حال، به دلیل بار بالایی از ATH، این ماده دارای ویسکوزیته بالا (پلاستیسیته ضعیف) و قدرت مکانیکی کم است.

۲.۲ رزین سیلیکونی بدون هیدروکسید آلومینیوم (ATH)

در مناطق داخلی اروپا و مناطق مشابه با تبخیر نمک کم و سطح آلودگی کم، می‌توان از رزین سیلیکونی بدون پرکنده ATH استفاده کرد. در چنین مواردی، انتخاب مناسب رزین سیلیکونی پایه، پوشش‌دهی سیلیکا معلق و افزودن مخلوط‌کننده‌هایی 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 رزین سیلیکونی پر شده با ATH، این نوع دارای ویسکوزیته کمتر و ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی بهتری است.

۲.۳ برای لوازم جانبی کابل‌های خارجی

از آنجا که لوازم جانبی کابل‌های خارجی در محیط‌های سخت قرار دارند، باید مقاومت به ردیابی خوبی داشته باشند. مواد با کشش دائمی کم می‌توانند با استفاده از پلیمرهایی با چگالی متقاطع بهینه، برای محصولات انقباض در دمای محیط (سرمایش کم) مناسب باشند.

۲.۴ برای لوازم جانبی کابل‌های داخلی

لوازم جانبی کابل‌های داخلی به ندرت تحت تأثیر تبخیر نمک قرار می‌گیرند، بنابراین مقاومت به ردیابی معمولاً مورد نیاز نیست. با این حال، در کاربردهای انقباض در دمای محیط (سرمایش کم)، هنوز نیاز به ویژگی‌های کم تغییر شکل دائمی وجود دارد.

۲.۵ کاربردهای پوشش‌دهی

پاشیدن پوشش‌های رزین سیلیکونی در مناطق با آلودگی بالا می‌تواند هیدروفوبیتی را در طول مدت زمان طولانی حفظ کند. پوشش‌ها می‌توانند بر روی عایقات نصب شده بر اساس سطح آلودگی اعمال شوند تا خدمات را ادامه دهد و هزینه‌ها را کاهش دهد. گزارش‌های اخیر نشان می‌دهند که پوشش دادن عایقات رزین سیلیکونی می‌تواند حفظ هیدروفوبیتی را بیشتر کند. در حال حاضر، دو نوع اصلی وجود دارد: عایقات پوشش‌دار و عایقات نوع کاوش.

۳ نتیجه‌گیری

این مقاله مواد رزین سیلیکونی برای عایقات پلیمری را معرفی کرده است. مطالعات و آزمون‌های مداوم توسط نهادهای مختلف و تولیدکنندگان انجام می‌شود. اگر پایداری و عملکرد دیگری از طریق آزمون‌های پایداری و دیگر آزمون‌ها نشان داده شود، استفاده از عایقات رزین سیلیکونی می‌تواند بیشتر گسترش یابد.