Gomma siliconica nei isolatori ad alta tensione: proprietà classificazioni e applicazioni
Dalla seconda metà del XIX secolo, gli unici materiali isolanti adatti per le linee di trasmissione ad alta tensione erano la ceramica e il vetro. A partire dagli anni '40, con l'emergere dei materiali polimerici, la ceramica e il vetro non sono più state le scelte preferite, spingendo i paesi europei e americani a iniziare la ricerca sugli isolatori polimerici. Successivamente, sono stati condotti ampi studi sulle proprietà fisiche, le caratteristiche elettriche, la affidabilità a lungo termine e le forme ottimali degli isolatori elettrici, e l'efficienza di produzione è continuamente migliorata.
Tra i materiali a peso molecolare elevato in grado di sostituire la ceramica e il vetro, la gomma silicone ha dimostrato prestazioni pratiche di applicazione a partire dagli anni '60 e si è distinta tra vari polimeri. Gli isolatori in gomma silicone offrono diversi vantaggi rispetto agli isolatori in ceramica: in primo luogo, sono leggeri, facili da maneggiare e più sicuri; in secondo luogo, gli isolatori in ceramica sono soggetti a crepe sotto impatto, mentre gli isolatori in gomma silicone possono resistere efficacemente a shock meccanici come collisioni di veicoli con pali di supporto.
Anche se altri materiali polimerici possiedono i vantaggi menzionati, solo la gomma silicone causa minima inquinamento ambientale. Gli isolatori polimerici sono resistenti all'acqua, prevenendo correnti di fuga e archi superficiali causati da gocce d'acqua. Inoltre, l'idrofobicità degli isolatori in gomma silicone si ripristina più rapidamente rispetto a quella di altri isolatori polimerici, rendendoli un materiale duraturo adatto per l'uso a lungo termine in ambienti difficili. Questo articolo spiega le caratteristiche della gomma silicone utilizzata nell'isolamento elettrico ad alta tensione e introduce le tendenze di sviluppo recenti.
1 Caratteristiche della gomma silicone
1.1 Caratteristiche chimiche del legame silossanico
1.1.1 Legame chimicamente stabile
La struttura principale della gomma silicone è costituita da legami silossanici (Si-O). A causa della differenza significativa di elettronegatività tra Si (1.8) e O (3.5), si forma una struttura polarizzata, come mostrato nella Figura 1 (omessa), che presenta caratteristiche di legame ionico. Di conseguenza, l'energia del legame Si-O è superiore a quella del C-C (vedi Tabella 1). Inoltre: (1) a causa della natura ionica della catena principale, la polarità dei gruppi metilici C-H nelle catene laterali è ridotta, rendendoli meno suscettibili all'attacco da parte di altre molecole, quindi risultando in eccellente stabilità chimica; (2) poiché lo Si non forma facilmente doppi o tripli legami, la catena principale è meno soggetta a decomposizione, e i legami Si-C sono quindi molto stabili, ulteriormente aumentando la stabilità della struttura principale della gomma silicone.
1.1.2 Polimero ad alta flessibilità
L'angolo di legame del silossano (Si-O-Si) è grande (130°–160°), conferendogli maggiore libertà rispetto ai polimeri organici (angolo di legame C-C ~110°). Inoltre, la lunghezza del legame Si-O (1.64 Å) è superiore a quella del C-C (1.5 Å). Ciò significa che la molecola polimerica complessiva è più mobile e più facile da deformare.
1.1.3 Struttura elicoidale
A causa della struttura elicoidale del polisilossano, i legami silossanici sulla catena principale sono attratti verso l'interno per attrazione ionica, mentre l'esterno è costituito da gruppi metilici con interazioni intermolecolari deboli, risultando in forze intermolecolari deboli.
1.2 Proprietà della gomma silicone
In base alle caratteristiche chimiche descritte nella Sezione 1.1, la gomma silicone possiede le seguenti proprietà adatte per l'isolamento elettrico ad alta tensione.
1.2.1 Resistenza al caldo e al freddo
A causa della sua alta energia di legame e della sua eccellente stabilità chimica, la gomma silicone ha una migliore resistenza al calore rispetto ai polimeri organici. Inoltre, a causa delle forze intermolecolari deboli, ha una temperatura di transizione vetrosa bassa e un'eccellente resistenza al freddo. Pertanto, le sue prestazioni rimangono stabili indipendentemente dalla regione geografica in cui viene utilizzata.
1.2.2 Resistenza all'acqua
La superficie del polisilossano è composta da gruppi metilici, conferendogli proprietà idrofobiche e quindi eccellente resistenza all'acqua.
1.2.3 Proprietà elettriche
La gomma silicone contiene meno atomi di carbonio rispetto ai polimeri organici, risultando in eccellente resistenza all'arco e alla traccia. Inoltre, anche quando brucia, forma silice isolante, garantendo ulteriormente ottime prestazioni di isolamento elettrico.
1.2.4 Resistenza atmosferica
Come mostrato nella Tabella 1, l'energia del legame silossanico è superiore all'energia della luce ultravioletta (UV), rendendola resistente all'invecchiamento causato dalle UV. Nei test accelerati di resistenza all'ozono, i polimeri organici si incrinano in pochi secondi fino a diverse ore, mentre la gomma silicone mostra solo una leggera riduzione della resistenza dopo quattro settimane di invecchiamento, senza incrinature, indicando eccellente resistenza all'ozono (vedi Tabella 2). La pioggia acida è una soluzione ionica mista con pH di circa 5.6. È stato condotto un test di pioggia acida artificiale concentrata 500 volte utilizzando la soluzione elencata nella Tabella 3. La gomma silicone mostra eccellente resistenza chimica come mostrato nella Tabella 4. Anche se l'esposizione a soluzioni miste come la pioggia acida può causare alcune modifiche, l'impatto è previsto essere minimo.
Nota: A temperatura ambiente, con una concentrazione di ozono di 200 ppm e una sollecitazione di trazione del 50% applicata alla gomma, la superficie non mostra incrinature anche dopo 28 giorni di invecchiamento.
Unità: g per 2 L di acqua deionizzata.
1.2.5 Deformazione permanente
La gomma silicone presenta migliori caratteristiche di deformazione permanente (inclusa l'allungamento permanente e l'insediamento di compressione) sia a temperatura ambiente che a temperature elevate rispetto ai polimeri organici.
2 Classificazione della gomma silicone
La gomma silicone può essere classificata in tipi solidi e liquidi in base allo stato prima della vulcanizzazione, e in vulcanizzazione per ossidazione, aggiunta e condensazione in base al meccanismo di vulcanizzazione. La principale differenza tra la gomma silicone solida e liquida risiede nel peso molecolare del polisilossano. La gomma silicone solida può essere vulcanizzata tramite vulcanizzazione per ossidazione o aggiunta, ed è comunemente chiamata gomma vulcanizzata ad alta temperatura (HTV) o gomma curata al calore (HCR) (vedi Tabelle 5 e 6).
Anche se la gomma silicone liquida curata per aggiunta può vulcanizzare a temperatura ambiente, viene designata come gomma silicone liquida (LSR), gomma vulcanizzata a bassa temperatura (LTV) o gomma a due componenti curata a temperatura ambiente (RTV), a seconda del metodo di lavorazione e della temperatura di vulcanizzazione. Nella fabbricazione degli isolatori polimerici, sono comunemente utilizzati processi di iniezione e colata.
La gomma silicone a una componente di tipo condensazione (curata per umidità) può essere utilizzata nei sigillanti da costruzione, così come nei prodotti elettrici ed elettronici. Nelle applicazioni elettriche, rivestimenti di gomma silicone RTV diluiti con solvente sono comunemente spruzzati sugli isolatori in ceramica come materiali protettivi.
2.1 Gomma silicone con idrossido di alluminio (ATH)
Una gomma silicone con buona resistenza alla traccia e all'arco può essere ottenuta incorporando un alto carico di idrossido di alluminio (ATH). La gomma silicone riempita con 50 parti in massa di ATH mostra una resistenza accettabile alla traccia ad alta tensione (4.5 kV), oltre a eccellenti resistenza all'arco, resistenza atmosferica, resistenza alla nebbia salina e resistenza alla pioggia acida, rendendola adatta come materiale isolante in aree con forte nebbia salina. Tuttavia, a causa dell'alto carico di ATH, questo materiale soffre di alta viscosità (bassa plasticità) e bassa resistenza meccanica.
2.2 Gomma silicone senza idrossido di alluminio (ATH)
In aree interne dell'Europa e simili, con minima nebbia salina e bassi livelli di inquinamento, può essere utilizzata la gomma silicone senza riempitivo ATH. In tali casi, una selezione appropriata della gomma silicone di base, il trattamento di superficie della silice fumigata e l'aggiunta di agenti di composizione che migliorano la resistenza alla traccia possono migliorare l'idrofobicità per soddisfare i requisiti di resistenza alla traccia ad alta tensione. Rispetto alla gomma silicone riempita con ATH, questo tipo ha una viscosità inferiore e proprietà meccaniche ed elettriche superiori.
2.3 Per accessori di cavi esterni
Poiché gli accessori di cavi esterni sono esposti a ambienti duri, devono possedere buona resistenza alla traccia. Materiali con bassa allungamento permanente possono essere ottenuti utilizzando polimeri con densità di reticolazione ottimizzata, adatti per prodotti retrattili a temperatura ambiente (cold-shrink).
2.4 Per accessori di cavi interni
Gli accessori di cavi interni sono poco probabili di essere influenzati dalla nebbia salina, quindi la resistenza alla traccia non è spesso richiesta. Tuttavia, quando utilizzati in applicazioni retrattili a temperatura ambiente (cold-shrink), sono ancora necessarie caratteristiche di bassa deformazione permanente.
2.5 Applicazioni di rivestimento
Lo spruzzo di rivestimenti di gomma silicone in aree fortemente inquinate può mantenere buona idrofobicità a lungo termine. I rivestimenti possono anche essere applicati su isolatori già installati in base ai livelli di inquinamento, consentendo un servizio continuativo e risparmiando costi. Recentemente, si segnalano che il rivestimento di isolatori in gomma silicone può ulteriormente migliorare la conservazione dell'idrofobicità. Attualmente, esistono due tipi principali: isolatori rivestiti e isolatori di tipo gomma.
3 Conclusione
Questo articolo ha introdotto i materiali di gomma silicone per isolatori polimerici. Sono in corso ricerche e test da varie istituzioni e produttori. Se una alta affidabilità può essere dimostrata attraverso test di durata e altre prestazioni, si prevede che l'applicazione degli isolatori in gomma silicone si espanderà ulteriormente.
