고전압 절연체에서의 실리콘 고무: 특성, 분류 및 응용

19세기 후반부터 고압 전력 송전선에 적합한 유일한 절연 재료는 세라믹과 유리였습니다. 1940년대에 폴리머 재료가 등장하면서 세라믹과 유리는 더 이상 선호되지 않게 되었고, 이로 인해 유럽과 미국의 국가들은 폴리머 절연체를 연구하기 시작했습니다. 그 후 물리적 특성, 전기적 특성, 장기 신뢰성, 최적의 형태 등에 대한 광범위한 연구가 수행되었으며, 생산 효율성이 지속적으로 향상되었습니다.

세라믹과 유리를 대체할 수 있는 고분자 재료 중 실리콘 러버는 1960년대부터 실제 적용 성능을 보여주며 다양한 폴리머 중에서 두각을 나타냈습니다. 실리콘 러버 절연체는 세라믹 절연체보다 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다: 첫째, 가볍고 처리하기 쉽고 안전합니다; 둘째, 세라믹 절연체는 충격에 쉽게 금이 갈 수 있지만, 실리콘 러버 절연체는 차량과 전신주 충돌과 같은 기계적 충격을 효과적으로 견딜 수 있습니다.

다른 폴리머 재료도 위와 같은 장점을 가지고 있지만, 실리콘 러버만이 최소한의 환경 오염을 일으킵니다. 폴리머 절연체는 물에 강하여, 물방울로 인한 누설 전류 및 표면 방전을 방지합니다. 또한 실리콘 러버 절연체의 소수성이 다른 폴리머 절연체보다 빠르게 회복되므로, 혹독한 환경에서도 장기간 사용하기에 적합한 내구성 있는 재료입니다. 이 글은 고압 전기 절연에 사용되는 실리콘 러버의 특성을 설명하고 최근 개발 동향을 소개합니다.

1 실리콘 러버의 특성

1.1 실리콘 결합의 화학적 특성

1.1.1 화학적으로 안정된 결합

실리콘 러버의 주요 체인은 실록산(Si-O) 결합으로 구성됩니다. Si(1.8)와 O(3.5) 사이의 전기 부족도 차이가 크기 때문에 극성 구조가 형성되어, 도 1(생략)과 같이 이온 결합 특성을 나타냅니다. 따라서 Si-O 결합 에너지는 C-C 결합 에너지보다 높습니다(표 1 참조). 또한: (1) 주 체인의 이온성으로 인해 측쇄 메틸 C-H 그룹의 극성이 감소하여 다른 분자로부터 공격받기 어려워, 매우 우수한 화학적 안정성을 가지게 됩니다; (2) Si는 이중 또는 삼중 결합을 쉽게 형성하지 않기 때문에, 주 체인은 분해되기 어렵고, Si-C 결합은 매우 안정적이어서 실리콘 러버 체인의 안정성을 더욱 높입니다.

1.1.2 고유연성 폴리머

실록산(Si-O-Si)의 결합 각도는 크다(130°–160°)고, 유기 폴리머(C-C 결합 각도 ~110°)보다 자유도가 높습니다. 또한, Si-O 결합 길이(1.64 Å)는 C-C(1.5 Å)보다 길어, 전체 폴리머 분자가 더 활동적이고 변형하기 쉬워집니다.

1.1.3 나선형 구조

폴리실록산의 나선형 구조로 인해, 주 체인의 실록산 결합은 이온적 인력에 의해 내부로 당겨지고, 외부는 약한 분자 간 상호 작용을 가진 메틸 그룹으로 구성되어, 분자 간 힘이 약해집니다.

1.2 실리콘 러버의 특성

1.1절에서 설명한 화학적 특성에 기초하여, 실리콘 러버는 고압 전기 절연에 적합한 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다.

1.2.1 열과 저온 저항성

높은 결합 에너지와 우수한 화학적 안정성으로 인해, 실리콘 러버는 유기 폴리머보다 더 높은 열 저항성을 가지고 있습니다. 또한, 약한 분자 간 힘으로 인해 유리 전이 온도가 낮아서, 매우 우수한 저온 저항성을 가지고 있습니다. 따라서 사용되는 지리적 지역에 관계없이 성능이 안정적입니다.

1.2.2 방수성

폴리실록산의 표면은 메틸 그룹으로 구성되어 있어, 소수성 특성을 가지며, 이를 통해 우수한 방수성을 갖습니다.

1.2.3 전기적 특성

실리콘 러버는 유기 폴리머보다 탄소 원자가 적어, 매우 우수한 아크 저항성과 추적 저항성을 가지고 있습니다. 또한, 불에 타더라도 절연 실리카를 형성하여, 우수한 전기 절연 성능을 유지합니다.

1.2.4 날씨 저항성

표 1에서 볼 수 있듯이, 실록산의 결합 에너지는 자외선(UV) 빛의 에너지보다 높아, UV 노화에 저항성이 있습니다. 가속화된 오존 저항 시험에서 유기 폴리머는 몇 초에서 몇 시간 내에 금이 가지만, 실리콘 러버는 4주간 노화 후에도 약간의 강도 감소만 나타나며, 금이 가지 않아, 매우 우수한 오존 저항성을 나타냅니다(표 2 참조). 산성 비는 pH가 약 5.6인 혼합 이온 용액입니다. 표 3에 나열된 용액을 사용하여 500배 집중된 인공 산성 비 시험이 수행되었습니다. 실리콘 러버는 표 4에서 보듯이 우수한 화학 저항성을 나타냅니다. 혼합 용액과 같은 산성 비에 노출되어도 일부 변화는 있을 수 있지만, 영향은 미미할 것으로 예상됩니다.

참고: 실온에서 오존 농도 200 ppm, 고무에 50% 인장 변형을 가했을 때, 28일 동안 노화 후에도 표면에 금이 가지 않습니다.

단위: 디오니제이트수 2L당 g.

1.2.5 영구 변형

실리콘 러버는 실온과 고온에서 유기 폴리머보다 더 우수한 영구 변형 특성(영구적인 연장과 압축 설정 포함)을 나타냅니다.

2 실리콘 러버의 분류

실리콘 러버는 가교 반응 전 상태에 따라 고체형과 액체형으로, 그리고 가교 메커니즘에 따라 과산화물 경화형, 가법 경화형, 응축 경화형으로 분류할 수 있습니다. 고체형과 액체형 실리콘 러버의 주요 차이는 폴리실록산의 분자량에 있습니다. 고체형 실리콘 러버는 과산화물 경화 또는 가법 경화를 통해 경화될 수 있으며, 일반적으로 고온 경화 고무(HTV) 또는 열 경화 고무(HCR)라고 합니다(표 5 및 6 참조).

가법 반응으로 경화되는 액체형 실리콘 러버는 실온에서도 경화될 수 있지만, 처리 방법과 경화 온도에 따라 액체형 실리콘 러버(LSR), 저온 경화 고무(LTV), 또는 두 부분 실온 경화 고무(RTV)로 지칭됩니다. 폴리머 절연체 제조에서는 주입 성형과 주조가 주로 사용되는 공정입니다.

하나의 컴포넌트 응축형(습기 경화형) 실리콘 러버는 건설용 밀봉재뿐만 아니라 전기 및 전자 제품에도 사용됩니다. 전기 응용 분야에서는 용매로 희석된 실온 경화(RTV) 실리콘 러버 코팅이 세라믹 절연체에 보호재로 스프레이됩니다.

2.1 알루미늄 트리히드록사이드(ATH)를 함유한 실리콘 러버

알루미늄 트리히드록사이드(ATH)를 고농도로 첨가하면 추적 저항성과 아크 저항성이 우수한 실리콘 러버를 얻을 수 있습니다. 50 parts by mass의 ATH를 첨가한 실리콘 러버는 4.5 kV의 고압 추적 저항성과 함께 우수한 아크 저항성, 날씨 저항성, 염안 저항성, 산성비 저항성을 나타내며, 염안이 심한 지역에서 절연 재료로 적합합니다. 그러나 고농도의 ATH로 인해 이 재료는 점도가 높아(플라스틱성이 떨어짐) 기계적 강도가 낮다는 단점이 있습니다.

2.2 알루미늄 트리히드록사이드(ATH)를 함유하지 않은 실리콘 러버

유럽과 같은 내륙 지역이나 염안과 오염이 적은 지역에서는 ATH 필러를 첨가하지 않은 실리콘 러버를 사용할 수 있습니다. 이러한 경우, 기본 실리콘 러버의 적절한 선택, 프라이메드 실리카의 표면 처리, 추적 저항성을 향상시키는 첨가제의 추가로 소수성을 향상시켜 고압 추적 저항 요구 사항을 충족할 수 있습니다. ATH를 첨가한 실리콘 러버와 비교하여, 이 유형은 점도가 낮고 기계적 및 전기적 특성이 우수합니다.

2.3 야외 케이블 부품용

야외 케이블 부품은 혹독한 환경에 노출되기 때문에, 좋은 추적 저항성이 필요합니다. 최적화된 교차 연결 밀도를 가진 폴리머를 사용하여, 주변 온도 수축(냉수축) 제품에 적합한 낮은 영구적 연장을 달성할 수 있습니다.

2.4 실내 케이블 부품용

실내 케이블 부품은 염안의 영향을 받지 않기 때문에, 추적 저항성이 종종 필요하지 않습니다. 그러나 주변 온도 수축(냉수축) 응용 분야에서는 여전히 낮은 영구 변형 특성이 필요합니다.

2.5 코팅 응용

오염이 심한 지역에 실리콘 러버 코팅을 스프레이하면 장기적으로 우수한 소수성을 유지할 수 있습니다. 이미 설치된 절연체에도 오염 수준에 따라 코팅을 적용하여 계속 사용하고 비용을 절감할 수 있습니다. 최근 보고서에 따르면, 실리콘 러버 절연체에 코팅을 하면 소수성 유지가 더욱 향상됩니다. 현재 두 가지 주요 유형이 있습니다: 코팅 절연체와 고무형 절연체.

3 결론

이 논문은 폴리머 절연체를 위한 실리콘 러버 재료를 소개하였습니다. 다양한 기관과 제조사에서 지속적으로 연구와 시험이 진행되고 있습니다. 내구성 및 기타 성능 시험을 통해 높은 신뢰성이 입증되면, 실리콘 러버 절연체의 적용은 더욱 확대될 것으로 예상됩니다.