高電圧絶縁子におけるシリコーンゴム：特性、分類、および応用

19世紀後半から、高電圧送電線に適した絶縁材料はセラミックとガラスだけでした。1940年代に入り、ポリマー材料が登場すると、セラミックとガラスはもはや優先選択されなくなり、ヨーロッパとアメリカの国々はポリマー絶縁子の研究を開始しました。その後、絶縁子の物理的特性、電気的特性、長期信頼性、最適な形状について広範な研究が行われ、生産効率も継続的に向上しました。

セラミックとガラスに代わる高分子量材料の中では、シリコーンゴムが1960年代から実用的な性能を示し、様々なポリマーの中で目立つ存在となりました。シリコーンゴム絶縁子はセラミック絶縁子に対していくつかの利点があります：まず、軽量で取り扱いやすく安全です。第二に、セラミック絶縁子は衝撃で割れやすいですが、シリコーンゴム絶縁子は車両との衝突など機械的なショックに有効に対応できます。

他のポリマー材料も上記の利点を持っていますが、シリコーンゴムは最小限の環境汚染しか引き起こしません。ポリマー絶縁子は水に強く、水滴による漏れ電流や表面アークを防ぎます。また、シリコーンゴム絶縁子の撥水性は他のポリマー絶縁子よりも早く回復するため、厳しい環境下での長期使用に適した耐久性のある材料です。この記事では、高電圧絶縁に使用されるシリコーンゴムの特性と最近の開発動向を解説します。

1 シリコーンゴムの特性

1.1 シロキサン結合の化学的特性

1.1.1 化学的に安定した結合

シリコーンゴムの主鎖はシロキサン（Si-O）結合で構成されています。Si（1.8）とO（3.5）の電気陰性度の大きな差により、図1（省略）に示すように極性化された構造が形成され、イオン結合的な特性を示します。そのため、Si-Oの結合エネルギーはC-Cよりも高いです（表1参照）。さらに：(1) 主鎖のイオン性により、側鎖のメチルC-H基の極性が減少し、他の分子からの攻撃を受けにくくなり、優れた化学的安定性を示します。(2) Siは二重結合や三重結合を容易に形成しないため、主鎖は分解しにくく、Si-C結合は非常に安定であり、これによりシリコーンゴムの主鎖の安定性がさらに強化されます。

1.1.2 高柔軟性のポリマー

シロキサン（Si-O-Si）の結合角は大きく（130°-160°）、有機ポリマー（C-C結合角約110°）よりも自由度が高いです。また、Si-O結合長（1.64 Å）はC-C（1.5 Å）よりも長いです。これは全体としてポリマー分子がより可動的で変形しやすいことを意味します。

1.1.3 螺旋構造

ポリシロキサンの螺旋構造により、主鎖のシロキサン結合はイオン間引力によって内側に引き寄せられ、外側には弱い分子間相互作用を持つメチル基が存在し、分子間力が弱くなります。

1.2 シリコーンゴムの特性

1.1節で述べた化学的特性に基づき、シリコーンゴムは以下のような高電圧絶縁に適した特性を持ちます。

1.2.1 耐熱性と耐寒性

高い結合エネルギーと優れた化学的安定性により、シリコーンゴムは有機ポリマーよりも耐熱性に優れています。また、分子間力が弱いため、ガラス転移温度が低く、優れた耐寒性を持ちます。そのため、使用地域に関係なく性能が安定しています。

1.2.2 耐水性

ポリシロキサンの表面はメチル基で構成されているため、撥水性があり、優れた耐水性を示します。

1.2.3 電気的特性

シリコーンゴムは有機ポリマーよりも炭素原子が少ないため、優れたアーク抵抗とトラッキング抵抗を持ちます。さらに、燃焼しても絶縁体である珪酸を形成するため、優れた電気絶縁性能を保証します。

1.2.4 耐候性

表1に示すように、シロキサンの結合エネルギーは紫外線（UV）光のエネルギーよりも高く、UVによる劣化に耐えられます。加速オゾン耐性試験では、有機ポリマーは数秒から数時間でクラックが生じますが、シリコーンゴムは4週間の老化後にわずかに強度が低下するだけでクラックは見られず、優れたオゾン耐性を示します（表2参照）。酸性雨はpH約5.6の混合イオン溶液です。表3に示す溶液を使用して500倍濃縮の人工酸性雨試験を行った結果、シリコーンゴムは表4に示すように優れた化学的耐性を示します。酸性雨などの混合溶液への曝露は若干の影響があるかもしれませんが、その影響は最小限と予想されます。

注：常温でオゾン濃度200 ppm、ゴムに50%の引張り歪みを加えた状態で28日間老化させても表面にクラックは見られません。

単位：2 Lのイオン交換水あたりg。

1.2.5 永久変形

シリコーンゴムは、常温および高温において有機ポリマーよりも永久変形特性（永久伸長と圧縮永久変形を含む）に優れています。

2 シリコーンゴムの分類

シリコーンゴムは、硬化前の状態によって固体と液体に分類され、硬化機構によって過酸化物硬化型、付加反応硬化型、縮合反応硬化型に分類されます。固体と液体のシリコーンゴムの主な違いはポリシロキサンの分子量にあります。固体シリコーンゴムは過酸化物硬化または付加反応硬化で硬化でき、高温硬化ゴム（HTV）または加熱硬化ゴム（HCR）とも呼ばれます（表5と表6参照）。

付加反応硬化型の液体シリコーンゴムは室温でも硬化できますが、加工方法や硬化温度によって液状シリコーンゴム（LSR）、低温硬化ゴム（LTV）、または2液型室温硬化ゴム（RTV）と呼ばれます。ポリマーエルストマーアクセサリーの製造では、射出成形とキャスト成形が一般的に使用されます。

一液型凝縮型（湿気硬化型）シリコーンゴムは建築用シーリング材や電気・電子製品にも使用されます。電気用途では、溶剤希釈型室温硬化（RTV）シリコーンゴムコーティングがセラミック絶縁子に保護材としてスプレー塗装されます。

2.1 アルミニウムトリヒドロキサイド（ATH）配合シリコーンゴム

アルミニウムトリヒドロキサイド（ATH）を高含有量で配合することで、良好なトラッキング抵抗とアーク抵抗を持つシリコーンゴムを得ることができます。50質量部のATHを含有するシリコーンゴムは、高電圧（4.5 kV）トラッキングに対する十分な抵抗性、優れたアーク抵抗、耐候性、耐塩霧性、耐酸性雨性を示し、塩霧が厳しい地域での絶縁材料として適しています。ただし、ATH含有量が高いことから、粘度が高く（可塑性が低い）かつ機械強度が低いという欠点があります。

2.2 アルミニウムトリヒドロキサイド（ATH）非配合シリコーンゴム

ヨーロッパの内陸部や同様に塩霧が少なく汚染レベルが低い地域では、ATH充填剤を含まないシリコーンゴムを使用することができます。このような場合、ベースとなるシリコーンゴムの適切な選択、白煙シリカの表面処理、トラッキング抵抗を向上させる添加剤の配合により、高電圧トラッキング抵抗要件を満たす撥水性を達成できます。ATH充填シリコーンゴムと比較して、このタイプは粘度が低く、機械的および電気的特性に優れています。

2.3 屋外ケーブルアクセサリー用

屋外ケーブルアクセサリーは厳しい環境にさらされるため、良好なトラッキング抵抗が必要です。最適な架橋密度を持つポリマーを使用することで、低永久伸長の材料を得ることができ、常温収縮（冷収縮）製品に適しています。

2.4 屋内ケーブルアクセサリー用

屋内ケーブルアクセサリーは塩霧の影響を受けにくいため、トラッキング抵抗は通常必要ありません。ただし、常温収縮（冷収縮）用途では、低永久変形特性は依然として必要です。

2.5 コーティング用途

汚染が深刻な地域にシリコーンゴムコーティングをスプレー塗装することで、長期にわたって良好な撥水性を維持できます。既設の絶縁子にも汚染レベルに基づいてコーティングを施すことができ、継続的な使用とコスト削減が可能です。最近の報告によると、シリコーンゴム絶縁子にコーティングを施すことで、撥水性の保持がさらに向上することが示されています。現在、コーティング絶縁子とゴム型絶縁子の2つの主要なタイプがあります。

3 結論

本稿では、ポリマーエルストマーアクセサリー用のシリコーンゴム材料について紹介しました。様々な機関やメーカーが継続的に研究と試験を行っています。耐久性やその他の性能試験を通じて高信頼性が示されれば、シリコーンゴム絶縁子の応用はさらに拡大すると期待されます。