סיליקון גומי במעלים בעלי מתח גבוה: תכונות מיון ויישומים

מאחר שהמחצית השנייה של המאה ה-19, החומרים המבודדים היחידים שמתאימים לקוות העברה חשמליות בעוצמה גבוהה היו קרמיקה וזכוכית. החל בשנות הארבעים, עם הופעת חומרים полимерные, керамика и стекло больше не были предпочтительными выборами, что побудило страны Европы и Америки начать исследования полимерных изоляторов. Впоследствии были проведены обширные исследования физических свойств, электрических характеристик, долговременной надежности и оптимальных форм электрических изоляторов, а производственная эффективность продолжала расти.

בין החומרים הפולימריים בעלי מסת מולקולה גבוהה הנמצאים ביכולתם להחליף את הקרמיקה והזכוכית, גומי סיליקון הוכיח יכולת שימוש מעשית מאז שנות השישים ובלט מבין הפולימרים השונים. לגומי סיליקון יש מספר יתרונות על פני כוסיות קרמיקה: ראשית, הם קלים יותר לנשיאה, קלים יותר לשימוש ובטוחים יותר; ושנית, כוסיות קרמיקה נוטות לפיצוץ תחת פגיעות, בעוד שכוסיות גומי סיליקון יכולות להתנגד בצורה יעילת לפגיעות מכניות כגון התנגשויות רכב בעמודי חשמל.

אם כי חומרים פולימריים אחרים גם הם يتمנים בתכונות האמורות, רק גומי הסיליקון גורם למינימום זיהום סביבתי. כוסיות פולימריות עמידות במים, מה שמונע זרמים צדדיים ושפירות משטח שנגרמות מהנפילת טיפות מים. בנוסף, ההידרופוביות של כוסיות גומי הסיליקון מתאוששת מהר יותר מאשר זו של כוסיות פולימריות אחרות, מה שהופך אותן לחומר עמיד המתאים לשימוש ממושך בסביבות קשות. מאמר זה מסביר את התכונות של גומי הסיליקון המשמש לבודד חשמל בעוצמה גבוהה ומציג את מגמות התפתחות האחרונות.

1 תכונות גומי סיליקון

1.1 תכונות כימיות של קשר הסילוקסן

1.1.1 קשר כימי יציב

השרשרת הראשית של גומי הסיליקון מורכבת מקשרי סילוקסן (Si-O). בשל ההבדל המשמעותי בין אלקטרונגטיביות של Si (1.8) לבין O (3.5), נוצרת מבנה מוטה, כפי שמוצג בתרשים 1 (נדחה), המציג תכונות קשר אוני. כתוצאה מכך, אנרגיית הקשר של Si-O גבוהה יותר מאשר זו של C-C (ראו טבלה 1). בנוסף: (1) בשל האופי האוני של השרשרת הראשית, הקוטביות של קבוצות C-H בשרשראות הצד היא נמוכה יותר, מה שגורם להן להיות פחות פגיעות לפגיעה על ידי מולקולות אחרות, ובכך מתקבלת יציבות כימית מצוינת; (2) מכיוון ש-Si אינו נוטה ליצור קשרים כפולים או משולשים, השרשרת הראשית היא פחות פגיעה בפירוק, וקשרי Si-C הם לכן מאוד יציבים, מה שמסייע להגדלת יציבות השרשרת הראשית של גומי הסיליקון.

1.1.2 פולימר גמיש מאוד

זווית הקשר של סילוקסן (Si-O-Si) גדולה (130°–160°), מה שנותן לה חופש גבוה יותר מאשר לפולימרים אורגניים (זווית קשר C-C ~110°). בנוסף, אורך הקשר Si-O (1.64 Å) ארוך יותר מאשר C-C (1.5 Å). זה אומר שהמולקולה הפולימרית כולה היא ניידת יותר וקל יותר לעצב אותה.

1.1.3 מבנה הליקלי

בגלל המבנה הליקלי של פוליסילוקסן, קשרי הסילוקסן על השרשרת הראשית מושכים פנימה על ידי משיכה איונית, בעוד שהצד החיצוני מורכב מקבוצות מתיל עם קשרים בין-מולקולריים חלשים, מה שמביא לקשרים בין-מולקולריים חלשים.

1.2 תכונות גומי סיליקון

על בסיס התכונות הכימיות המתוארות בפרק 1.1, לגומי סיליקון יש את התכונות הבאות שמתאימות לבידוד חשמל בעוצמה גבוהה.

1.2.1 עמידות בחום ובקור

בגלל אנרגיית הקשר הגבוהה והיציבות הכימית המצוינת, לגומי סיליקון יש עמידות טובה יותר בחום מאשר לפולימרים אורגניים. בנוסף, בשל הקשרים בין-מולקולריים החלשים, יש לו טמפרטורת מעבר זכוכית נמוכה ועמידות מצוינת בקור. לכן, הביצועים שלו נשארים יציבים ללא קשר לאזור הגאוגרפי בו הוא נמצא בשימוש.

1.2.2 עמידות במים

השטח של פוליסילוקסן מורכב מקבוצות מתיל, מה שנותן לו תכונות הידרופוביות ולכן עמידות מצוינת במים.

1.2.3 תכונות חשמליות

לגומי סיליקון יש פחות אטומי פחמן מאשר לפולימרים אורגניים, מה שנותן לו עמידות מצוינת בפני קשתות ומעקב. בנוסף, אפילו כאשר הואไหมה, הוא יוצר סיליקה מבודדת, מה שמבטיח ביצועים מצוינים של בידוד חשמלי.

1.2.4 עמידות באקלים

כפי שמוצג בטבלה 1, אנרגיית הקשר של סילוקסן גבוהה מהאנרגיה של אור UV, מה שנותן לו עמידות כנגד הזדקנות עקב UV. בבדיקות עמידות לתאוצה של אוזון, לפולימרים אורגניים יש פיצוצים תוך שניות עד שעות, בעוד שלגומי סיליקון יש רק ירידה קלה בה חוזק לאחר ארבעה שבועות של הזדקנות, ללא פיצוצים, מה שמראה עמידות מצוינת לאוזון (ראו טבלה 2). גשם חומצי הוא محلול יוני מעורבב עם pH של כ-5.6. בוצע ניסוי של גשם חומצי מלאכותי מרוכז פי 500 באמצעות המحلول המפורט בטבלה 3. לגומי סיליקון יש עמידות כימית מצוינת כפי שמוצג בטבלה 4. אם כי חשיפה למحلول מעורבבים כמו גשם חומצי יכולה לגרום לשינויים מסוימים, הציפייה היא שההשפעה תהיה מינימלית.

הערה: בטמפרטורת החדר, עם ריכוז אוזון של 200 ppm ואתיחה של 50% ברובבר, השטח אינו מראה פיצוצים אפילו לאחר 28 ימי הזדקנות.

יחידת מידה: גרם עבור 2 ליטר של מים מזוהמים.

1.2.5 עיוות קבוע

לגומי סיליקון יש תכונות טובות יותר של עיוות קבוע (כולל מתיחה קבועה ו-compression set) הן בטמפרטורת החדר והן בטמפרטורות גבוהות לעומת פולימרים אורגניים.

2 מיון גומי סיליקון

גומי סיליקון ניתן למיין לסוגים מוצקים ו액יים בהתאם למצב שלו לפני ואולכניזציה, ולסוגי ואולכניזציה באמצעות פרוקסיד, תוספת, וקונדנסציה בהתאם למכניזם הוואלקניזציה. ההבדל העיקרי בין גומי סיליקון מוצק ל액י הוא במשקל המולקולרי של הפוליסילוקסן. גומי סיליקון מוצק יכול להתוולכניזציה באמצעות ואולכניזציה פרוקסידית או תוספת, והוא נקרא בדרך כלל גומי וואלקניזציה טמפרטורה גבוהה (HTV) או גומי וואלקניזציה חום (HCR) (ראו טבלאות 5 ו-6).

למרות שאפשר לוואלקניזציה של גומי סיליקון נוזלי באמצעות תוספת בתגובה גם בטמפרטורת החדר, הוא נקרא גומי סיליקון נוזלי (LSR), גומי וואלקניזציה טמפרטורה נמוכה (LTV), או גומי וואלקניזציה טמפרטורת החדר בשני חלקים (RTV), בהתאם לטכניקת עיבוד וטמפרטורת ואולכניזציה. בייצור כוסיות פולימריות, תהליכי הדבקה ויציקה נמצאים בשימוש נרחב.

גומי סיליקון חד-רכיבי קונדנזציה (וואלקניזציה לחות) יכול לשמש במדבקים בנייה, וכן במוצרים חשמליים ואלקטרוניים. ביישומים חשמליים, נוזלי וואלקניזציה טמפרטורת החדר (RTV) של גומי סיליקון מפורטים נפוצים על כוסיות קרמיקה כחומרים מגינים.

2.1 גומי סיליקון עם הידרוקסיד אלומיניום (ATH)

ניתן לקבל גומי סיליקון עם עמידות טובה ל_tracking_ וקשתות על ידי הוספת מטען גבוה של הידרוקסיד אלומיניום (ATH). גומי סיליקון מלא 50 חלקים מסה של ATH מפגין עמידות מקובלת ל_tracking_ בעוצמה גבוהה (4.5 kV), יחד עם עמידות מצוינת לקשתות, אקלים, מלחים, וגשם חומצי, מה שהופך אותו לחומר מבודד מתאים באזורים עם מלחים קשים. עם זאת, בשל המטען הגבוה של ATH, החומר סובל מ牯胶硅橡胶具有良好的耐漏电起痕性和抗弧性，可以通过添加大量氢氧化铝（ATH）来获得。填充50质量份ATH的硅橡胶表现出可接受的高电压（4.5 kV）耐漏电起痕性，以及优异的抗弧性、耐候性、耐盐雾性和耐酸雨性，使其成为严重盐雾地区的理想绝缘材料。然而，由于ATH含量高，这种材料粘度高（可塑性差）且机械强度低。 **2.2 不含氢氧化铝（ATH）的硅橡胶** 在欧洲内陆等几乎没有盐雾和污染水平较低的地区，可以使用不含ATH填料的硅橡胶。在这种情况下，适当选择基础硅橡胶，对气相二氧化硅进行表面处理，并添加增强耐漏电起痕性的配合剂，可以提高疏水性以满足高电压耐漏电起痕的要求。与含ATH的硅橡胶相比，这种类型粘度较低，机械性能和电气性能更优。 **2.3 用于户外电缆附件** 由于户外电缆附件暴露在恶劣环境中，因此必须具有良好的耐漏电起痕性。通过使用优化交联密度的聚合物，可以实现低永久伸长率的材料，适用于常温收缩（冷缩）产品。 **2.4 用于室内电缆附件** 室内电缆附件不太可能受到盐雾的影响，因此通常不需要耐漏电起痕性。然而，在常温收缩（冷缩）应用中，仍然需要低永久变形特性。 **2.5 涂层应用** 在重污染区域喷涂硅橡胶涂层可以长期保持良好的疏水性。根据污染程度，也可以对已安装的绝缘子进行涂层，从而延长其使用寿命并节省成本。最近的报告显示，涂覆硅橡胶绝缘子可以进一步增强疏水性的保持。目前主要有两种类型：涂层绝缘子和橡胶型绝缘子。 ### **3 结论** 本文介绍了用于聚合物绝缘子的硅橡胶材料。各机构和制造商正在进行持续的研究和测试。如果通过耐久性和其他性能测试证明了高可靠性，硅橡胶绝缘子的应用预计将进一步扩大。 请注意，翻译过程中保持了原文的结构和格式，包括换行、段落、列表、样式等。