Karet Silikon dalam Penghantar Tegangan Tinggi: Sifat Klasifikasi dan Aplikasi

Sejak paruh kedua abad ke-19, bahan isolasi yang cocok untuk garis transmisi listrik tegangan tinggi hanya terbatas pada keramik dan kaca. Mulai tahun 1940-an, dengan munculnya bahan polimer, keramik dan kaca tidak lagi menjadi pilihan utama, mendorong negara-negara di Eropa dan Amerika untuk mulai meneliti insulator polimer. Selanjutnya, penelitian ekstensif dilakukan mengenai sifat fisik, karakteristik listrik, keandalan jangka panjang, dan bentuk optimal insulator listrik, dan efisiensi produksi terus meningkat.

Diantara bahan berbobot molekul tinggi yang dapat menggantikan keramik dan kaca, karet silikon telah menunjukkan kinerja aplikasi praktis sejak tahun 1960-an dan telah menonjol di antara berbagai polimer. Insulator karet silikon memiliki beberapa keunggulan dibandingkan insulator keramik: pertama, mereka ringan, mudah ditangani, dan lebih aman; kedua, insulator keramik cenderung retak ketika terkena benturan, sementara insulator karet silikon dapat secara efektif menahan guncangan mekanis seperti tabrakan kendaraan dengan tiang utilitas.

Meskipun bahan polimer lainnya juga memiliki keunggulan yang disebutkan, hanya karet silikon yang menyebabkan polusi lingkungan minimal. Insulator polimer tahan air, mencegah arus bocor dan busur listrik permukaan yang disebabkan oleh tetesan air. Selain itu, hidrofobisitas insulator karet silikon pulih lebih cepat daripada insulator polimer lainnya, menjadikannya bahan yang tahan lama dan cocok untuk penggunaan jangka panjang dalam kondisi lingkungan yang keras. Artikel ini menjelaskan karakteristik karet silikon yang digunakan dalam isolasi listrik tegangan tinggi dan memperkenalkan tren perkembangan terbaru.

1 Karakteristik Karet Silikon

1.1 Karakteristik Kimia Ikatan Siloksan

1.1.1 Ikatan Kimia Stabil

Rangkaian utama karet silikon terdiri dari ikatan siloksan (Si-O). Karena perbedaan elektro negativitas yang signifikan antara Si (1.8) dan O (3.5), struktur terpolarisasi terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 (dihilangkan), menunjukkan karakteristik ikatan ion. Akibatnya, energi ikatan Si-O lebih tinggi daripada C-C (lihat Tabel 1). Lebih lanjut: (1) karena sifat ionik rantai utama, polaritas grup metil C-H di rantai samping berkurang, membuatnya kurang rentan terhadap serangan molekul lain, sehingga memberikan stabilitas kimia yang luar biasa; (2) karena Si tidak mudah membentuk ikatan rangkap atau rangkap tiga, rantai utama kurang rentan terhadap dekomposisi, dan ikatan Si-C sangat stabil, yang semakin meningkatkan stabilitas rangkaian utama karet silikon.

1.1.2 Polimer Fleksibel Tinggi

Sudut ikatan siloksan (Si-O-Si) besar (130°–160°), memberikan kebebasan yang lebih tinggi daripada polimer organik (sudut ikatan C-C sekitar 110°). Selain itu, panjang ikatan Si-O (1.64 Å) lebih panjang daripada C-C (1.5 Å). Ini berarti molekul polimer secara keseluruhan lebih mobile dan lebih mudah dideformasi.

1.1.3 Struktur Heliks

Karena struktur heliks polisiloksan, ikatan siloksan pada rantai utama tertarik ke dalam oleh tarikan ion, sementara sisi luar terdiri dari grup metil dengan interaksi molekul lemah, menghasilkan gaya intermolekul yang lemah.

1.2 Sifat Karet Silikon

Berdasarkan karakteristik kimia yang dijelaskan dalam Bagian 1.1, karet silikon memiliki sifat-sifat berikut yang sesuai untuk isolasi listrik tegangan tinggi.

1.2.1 Ketahanan Terhadap Panas dan Dingin

Karena energi ikatan yang tinggi dan stabilitas kimia yang luar biasa, karet silikon memiliki ketahanan terhadap panas yang lebih baik daripada polimer organik. Selain itu, karena gaya intermolekul yang lemah, ia memiliki suhu transisi kaca yang rendah dan ketahanan terhadap dingin yang luar biasa. Oleh karena itu, kinerjanya tetap stabil terlepas dari wilayah geografis tempat digunakannya.

1.2.2 Ketahanan Terhadap Air

Permukaan polisiloksan terdiri dari grup metil, memberikannya sifat hidrofobik dan karenanya ketahanan terhadap air yang luar biasa.

1.2.3 Sifat Listrik

Karet silikon mengandung atom karbon yang lebih sedikit daripada polimer organik, menghasilkan ketahanan terhadap busur listrik dan pelacakan yang luar biasa. Selain itu, bahkan ketika terbakar, ia membentuk silika isolator, yang semakin memastikan kinerja isolasi listrik yang superior.

1.2.4 Ketahanan Terhadap Cuaca

Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1, energi ikatan siloksan lebih tinggi daripada energi cahaya ultraviolet (UV), membuatnya tahan terhadap penuaan yang disebabkan UV. Dalam uji ketahanan ozon yang dipercepat, polimer organik retak dalam hitungan detik hingga jam, sementara karet silikon hanya menunjukkan penurunan kekuatan yang sedikit setelah empat minggu penuaan, tanpa retak, menunjukkan ketahanan ozon yang luar biasa (lihat Tabel 2). Hujan asam adalah larutan ion campuran dengan pH sekitar 5.6. Uji hujan asam buatan yang dikonsentrasikan 500 kali dilakukan menggunakan solusi yang tercantum dalam Tabel 3. Karet silikon menunjukkan ketahanan kimia yang luar biasa seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 4. Meskipun paparan terhadap larutan campuran seperti hujan asam dapat menyebabkan beberapa perubahan, dampaknya diharapkan minimal.

Catatan: Pada suhu ruangan, dengan konsentrasi ozon 200 ppm dan tegangan tarik 50% yang diterapkan pada karet, permukaan tidak retak bahkan setelah 28 hari penuaan.

Satuan: g per 2 L air desionisasi.

1.2.5 Deformasi Permanen

Karet silikon menunjukkan karakteristik deformasi permanen (termasuk elongasi permanen dan set kompresi) yang lebih baik pada suhu ruangan dan suhu tinggi dibandingkan dengan polimer organik.

2 Klasifikasi Karet Silikon

Karet silikon dapat diklasifikasikan menjadi jenis padat dan cair berdasarkan keadaannya sebelum vulkanisasi, dan menjadi jenis vulkanisasi peroksida, adisi, dan kondensasi berdasarkan mekanisme vulkanisasi. Perbedaan utama antara karet silikon padat dan cair terletak pada bobot molekul polisiloksan. Karet silikon padat dapat divulkanisasi melalui vulkanisasi peroksida atau adisi, dan umumnya disebut karet vulkanisasi suhu tinggi (HTV) atau karet tahan panas (HCR) (lihat Tabel 5 dan 6).

Meskipun karet silikon cair yang divulkanisasi melalui reaksi adisi juga dapat divulkanisasi pada suhu ruangan, namun disebut karet silikon cair (LSR), karet vulkanisasi suhu rendah (LTV), atau karet vulkanisasi suhu ruangan dua komponen (RTV), tergantung pada metode pemrosesan dan suhu vulkanisasi. Dalam pembuatan insulator polimer, proses pencetakan injeksi dan pengecoran umumnya digunakan.

Karet silikon satu komponen tipe kondensasi (penyembuhan lembab) dapat digunakan dalam sealant konstruksi, serta produk elektrik dan elektronik. Dalam aplikasi listrik, pelapis karet silikon RTV yang dicairkan dengan pelarut sering disemprotkan ke insulator keramik sebagai bahan pelindung.

2.1 Karet Silikon dengan Trihidroksida Aluminium (ATH)

Karet silikon dengan ketahanan terhadap pelacakan dan busur listrik yang baik dapat diperoleh dengan menambahkan beban tinggi trihidroksida aluminium (ATH). Karet silikon yang diisi dengan 50 bagian berat ATH menunjukkan ketahanan terhadap pelacakan tegangan tinggi (4.5 kV) yang dapat diterima, bersama dengan ketahanan busur listrik, cuaca, kabut asin, dan hujan asam yang luar biasa, menjadikannya cocok sebagai bahan isolasi di daerah dengan kabut asin yang parah. Namun, karena beban ATH yang tinggi, bahan ini memiliki viskositas tinggi (plastisitas buruk) dan kekuatan mekanis rendah.

2.2 Karet Silikon Tanpa Trihidroksida Aluminium (ATH)

Di daerah pedalaman Eropa dan daerah serupa dengan kabut asin minimal dan tingkat polusi rendah, karet silikon tanpa pengisi ATH dapat digunakan. Dalam kasus seperti itu, pemilihan karet silikon dasar yang tepat, perlakuan permukaan silika fumed, dan penambahan agen komposit yang meningkatkan ketahanan terhadap pelacakan dapat meningkatkan hidrofobisitas untuk memenuhi persyaratan ketahanan terhadap pelacakan tegangan tinggi. Dibandingkan dengan karet silikon yang diisi ATH, jenis ini memiliki viskositas lebih rendah dan sifat mekanis dan listrik yang lebih unggul.

2.3 Untuk Aksesori Kabel Outdoor

Karena aksesori kabel outdoor terpapar lingkungan yang keras, mereka harus memiliki ketahanan terhadap pelacakan yang baik. Bahan dengan elongasi permanen rendah dapat dicapai dengan menggunakan polimer dengan kepadatan crosslink yang dioptimalkan, cocok untuk produk penyusutan suhu ambien (cold-shrink).

2.4 Untuk Aksesori Kabel Indoor

Aksesori kabel indoor tidak mungkin terpengaruh oleh kabut asin, sehingga ketahanan terhadap pelacakan sering tidak diperlukan. Namun, ketika digunakan dalam aplikasi penyusutan suhu ambien (cold-shrink), karakteristik deformasi permanen rendah masih diperlukan.

2.5 Aplikasi Pelapisan

Menyemprotkan pelapis karet silikon ke daerah yang sangat tercemar dapat mempertahankan hidrofobisitas yang baik dalam jangka panjang. Pelapisan juga dapat diterapkan ke insulator yang sudah dipasang berdasarkan tingkat polusi, memungkinkan layanan berkelanjutan dan penghematan biaya. Laporan terbaru menunjukkan bahwa pelapisan insulator karet silikon dapat lebih meningkatkan retensi hidrofobisitas. Saat ini, ada dua jenis utama: insulator pelapis dan insulator jenis karet.

3 Kesimpulan

Artikel ini telah memperkenalkan bahan karet silikon untuk insulator polimer. Penelitian dan pengujian terus dilakukan oleh berbagai institusi dan produsen. Jika keandalan tinggi dapat ditunjukkan melalui uji ketahanan dan kinerja lainnya, diperkirakan penggunaan insulator karet silikon akan semakin meluas.