हाइ-वोल्टेज इंसुलेटर में सिलिकॉन रबर: गुण, वर्गीकरण और अनुप्रयोग

19वीं शताब्दी के दूसरे आधे से, उच्च-वोल्टेज विद्युत प्रसारण लाइनों के लिए योग्य अवकाशक सामग्री के रूप में केवल सिरामिक और कांच थे। 1940 के दशक से, पोलिमर सामग्रियों के उदय के साथ, सिरामिक और कांच पसंदीदा चुनाव नहीं रहे, जिससे यूरोप और अमेरिका के देशों ने पोलिमर अवकाशकों पर शोध शुरू किया। इसके बाद, विद्युत अवकाशकों के भौतिक गुण, विद्युत विशेषताओं, लंबे समय की विश्वसनीयता और इष्टतम आकारों पर व्यापक अध्ययन किया गया, और उत्पादन दक्षता लगातार सुधारी गई।

सिरामिक और कांच को बदलने वाली उच्च-आणविक-भार वाली सामग्रियों में, सिलिकॉन रबर ने 1960 के दशक से व्यावहारिक अनुप्रयोग के प्रदर्शन का प्रदर्शन किया है और विभिन्न पोलिमरों में उभरा है। सिलिकॉन रबर अवकाशकों के सिरामिक अवकाशकों की तुलना में कई फायदे हैं: पहला, वे हल्के, संचालन में आसान और सुरक्षित हैं; दूसरा, सिरामिक अवकाशक प्रहार पर टूटने की प्रवत्ति रखते हैं, जबकि सिलिकॉन रबर अवकाशक उपकरण स्तंभों के साथ वाहनों के टकराव जैसे यांत्रिक धक्कों को प्रभावी रूप से संभाल सकते हैं।

हालांकि अन्य पोलिमर सामग्रियों में भी उपरोक्त फायदे हैं, केवल सिलिकॉन रबर ही न्यूनतम पर्यावरणीय प्रदूषण का कारण बनता है। पोलिमर अवकाशक पानी-प्रतिरोधी होते हैं, जो पानी की बूंदों के कारण लीकेज धारा और सतह पर चालक धारा को रोकते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन रबर अवकाशकों की हाइड्रोफोबिसिटी अन्य पोलिमर अवकाशकों की तुलना में तेजी से बहाल होती है, जिससे यह एक दीर्घकालिक उपयोग के लिए उपयुक्त स्थायी सामग्री बन जाती है, खासकर कठिन पर्यावरणों में। यह लेख उच्च-वोल्टेज विद्युत अवकाशन में प्रयोग किए जाने वाले सिलिकॉन रबर के विशेषताओं को समझाता है और हाल के विकास प्रवृत्तियों का परिचय देता है।

1 सिलिकॉन रबर के विशेषताएँ

1.1 सिलोक्सेन बंध की रासायनिक विशेषताएँ

1.1.1 रासायनिक रूप से स्थिर बंध

सिलिकॉन रबर का आधार सिलोक्सेन (Si-O) बंध से बना होता है। Si (1.8) और O (3.5) के बीच विद्युत-ऋणात्मकता में बड़ा अंतर होने के कारण, एक ध्रुवीकृत संरचना बनती है, जैसा कि चित्र 1 (छोड़ा गया) में दिखाया गया है, जो आयनिक बंध की विशेषताएँ प्रदर्शित करती है। इस प्रकार, Si-O का बंध ऊर्जा C-C (देखें तालिका 1) से अधिक होता है। इसके अलावा: (1) मुख्य श्रृंखला की आयनिक प्रकृति के कारण, भागफल श्रृंखलाओं में मेथिल C-H समूहों की ध्रुवीकृतता कम हो जाती है, जिससे अन्य अणुओं द्वारा हमले की संभावना कम हो जाती है, जिससे उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता प्राप्त होती है; (2) क्योंकि Si आसानी से दोहरा या तिहरा बंध नहीं बनाता, मुख्य श्रृंखला विघटन की न्यूनतम प्रवत्ति रखती है, और Si-C बंध बहुत स्थिर होते हैं, जो सिलिकॉन रबर के आधार की स्थिरता को और बढ़ाते हैं।

1.1.2 उच्च लोच वाला पोलिमर

सिलोक्सेन (Si-O-Si) का बंध कोण (130°–160°) बड़ा होता है, जो इसे आयनिक बंधों (C-C बंध कोण ~110°) की तुलना में अधिक स्वतंत्रता प्रदान करता है। इसके अलावा, Si-O बंध की लंबाई (1.64 Å) C-C (1.5 Å) से अधिक होती है। यह इसका अर्थ है कि समग्र पोलिमर अणु अधिक गतिशील और आसानी से विकृत हो सकता है।

1.1.3 सर्पिल संरचना

बहु-सिलोक्सेन की सर्पिल संरचना के कारण, मुख्य श्रृंखला पर सिलोक्सेन बंध आयनिक आकर्षण द्वारा अंदर की ओर खींचे जाते हैं, जबकि बाहरी भाग में मेथिल समूह होते हैं, जिनकी अणु-अणु अंतरक्रियाएँ कमजोर होती हैं, जिससे अणु-अणु बल कमजोर होते हैं।

1.2 सिलिकॉन रबर के गुण

सेक्शन 1.1 में वर्णित रासायनिक विशेषताओं के आधार पर, सिलिकॉन रबर उच्च-वोल्टेज विद्युत अवकाशन के लिए निम्नलिखित गुणों का प्रदर्शन करता है।

1.2.1 गर्मी और ठंड का प्रतिरोध

उच्च बंध ऊर्जा और उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता के कारण, सिलिकॉन रबर की गर्मी का प्रतिरोध आयनिक पोलिमरों की तुलना में अधिक होता है। इसके अलावा, कमजोर अणु-अणु बलों के कारण, इसका ग्लास ट्रांसिशन तापमान कम होता है और यह ठंड का भी अच्छा प्रतिरोध करता है। इसलिए, इसका प्रदर्शन उपयोग किए जाने वाले भौगोलिक क्षेत्र के बावजूद स्थिर रहता है।

1.2.2 पानी का प्रतिरोध

बहु-सिलोक्सेन की सतह में मेथिल समूह होते हैं, जो इसे हाइड्रोफोबिक गुण देते हैं और इसलिए यह पानी का अच्छा प्रतिरोध करता है।

1.2.3 विद्युत गुण

सिलिकॉन रबर में आयनिक पोलिमरों की तुलना में कार्बन परमाणुओं की संख्या कम होती है, जिससे यह अच्छा चालक धारा और ट्रैकिंग प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, भले ही इसे जलाया जाए, यह इन्सुलेटिंग सिलिका बनाता है, जो विद्युत अवकाशन के लिए उत्कृष्ट प्रदर्शन की गारंटी देता है।

1.2.4 मौसम का प्रतिरोध

तालिका 1 में दिखाया गया है, सिलोक्सेन का बंध ऊर्जा अल्ट्रावायलेट (UV) प्रकाश की ऊर्जा से अधिक होती है, जिससे यह UV-प्रेरित विकृति का प्रतिरोध करता है। तेजी से ओजोन प्रतिरोध परीक्षणों में, आयनिक पोलिमर देर से घंटों में टूट जाते हैं, जबकि सिलिकॉन रबर चार सप्ताह की विकृति के बाद शक्ति में थोड़ी कमी दिखाता है, लेकिन कोई टूटने की घटना नहीं देखी जाती, जो अच्छा ओजोन प्रतिरोध प्रदर्शित करता है (देखें तालिका 2)। अम्लीय वर्षा एक मिश्रित आयनिक विलयन है, जिसका pH लगभग 5.6 होता है। तालिका 3 में सूचीबद्ध विलयन का उपयोग करके 500 गुना घनीफीकृत मानव-निर्मित अम्लीय वर्षा परीक्षण किया गया था। तालिका 4 में दिखाया गया है, सिलिकॉन रबर अच्छा रासायनिक प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। हालांकि, अम्लीय वर्षा जैसे मिश्रित विलयनों के संपर्क में आने से कुछ परिवर्तन हो सकते हैं, लेकिन प्रभाव न्यूनतम अपेक्षित है।

नोट: कमरे के तापमान पर, 200 ppm की ओजोन सांद्रता और रबर पर 50% टेंशनल स्ट्रेन लगाने पर, सतह पर 28 दिनों की विकृति के बाद भी कोई टूटने की घटना नहीं देखी जाती।

इकाई: 2 लीटर डी-आयोनाइज्ड पानी प्रति ग्राम।

1.2.5 स्थायी विकृति

सिलिकॉन रबर आयनिक पोलिमरों की तुलना में कमरे के तापमान और उच्च तापमान पर बेहतर स्थायी विकृति विशेषताएँ (स्थायी विस्तार और कंप्रेशन सेट) प्रदर्शित करता है।

2 सिलिकॉन रबर का वर्गीकरण

सिलिकॉन रबर को इसके वल्कनाइजेशन से पहले की स्थिति के आधार पर ठोस और द्रव प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है, और वल्कनाइजेशन तंत्र के आधार पर पेरोक्साइड वल्कनाइजेशन, एडिशन वल्कनाइजेशन और कंडेंसेशन वल्कनाइजेशन प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है। ठोस और द्रव सिलिकॉन रबर के बीच मुख्य अंतर बहु-सिलोक्सेन के आणविक भार में होता है। ठोस सिलिकॉन रबर को पेरोक्साइड वल्कनाइजेशन या एडिशन वल्कनाइजेशन द्वारा वल्कनाइज्ड किया जा सकता है, और इसे आमतौर पर उच्च-तापमान वल्कनाइजिंग रबर (HTV) या हीट-क्यूर्ड रबर (HCR) के रूप में जाना जाता है (देखें तालिका 5 और 6)।

हालांकि एडिशन अभिक्रिया द्वारा वल्कनाइज्ड द्रव सिलिकॉन रबर को कमरे के तापमान पर भी वल्कनाइज्ड किया जा सकता है, लेकिन इसे प्रक्रिया विधि और वल्कनाइजेशन तापमान के आधार पर द्रव सिलिकॉन रबर (LSR), कम-तापमान वल्कनाइजिंग रबर (LTV) या दो-भाग रूम-तापमान वल्कनाइजिंग रबर (RTV) के रूप में नामित किया जाता है। पोलिमर अवकाशकों के निर्माण में, इंजेक्शन मोल्डिंग और कास्टिंग सामान्य प्रक्रियाएँ हैं।

एक-भाग कंडेंसेशन-प्रकार (माइटी-क्यूर) सिलिकॉन रबर का उपयोग निर्माण निरोधकों, विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में किया जा सकता है। विद्युत अनुप्रयोगों में, विलायक-विलुप्त रूम-तापमान वल्कनाइजिंग (RTV) सिलिकॉन रबर कोटिंग आमतौर पर सिरामिक अवकाशकों पर स्प्रे किया जाता है और इसे सुरक्षा सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है।

2.1 अल्युमिनियम ट्रायहाइड्रोक्साइड (ATH) के साथ सिलिकॉन रबर

अल्युमिनियम ट्रायहाइड्रोक्साइड (ATH) की उच्च मात्रा को शामिल करके ट्रैकिंग और चालक धारा के लिए अच्छा सिलिकॉन रबर प्राप्त किया जा सकता है। 50 भाग द्रव्यमान अल्युमिनियम ट्रायहाइड्रोक्साइड (ATH) से भरा सिलिकॉन रबर उच्च-वोल्टेज (4.5 kV) ट्रैकिंग, अच्छी चालक धारा प्रतिरोध, मौसम का प्रतिरोध, नमक की महक का प्रतिरोध, और अम्लीय वर्षा का प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, जिससे यह गंभीर नमक की महक वाले क्षेत्रों में अवकाशक सामग्री के रूप में उपयुक्त होत