Nozemsotā gadsimta otrajā pusē vienīgie izolācijas materiāli, kas bija piemēroti augstsprieguma elektroapgādes līnijām, bija keramika un stikls. Sākot no 1940. gadiem, ar polimēru materiālu parādīšanos, keramika un stikls vairs nebija izvēles prioritāte, kas veica Eiropas un Amerikas valstis sākt pētījumus par polimēru izolātoriem. Tālāk tika veikti plaši pētījumi par fiziskajām īpašībām, elektriskajām raksturībām, ilgtermiņa uzticību un optimālajām formām elektroizolātoriem, un ražošanas efektivitāte turpināja uzlaboties.
No visiem aizvietojošajiem augsmolekulārās masas materiāliem, kas varētu aizstāt keramiku un stiklu, silikonrubbers kopš 1960. gadiem ir pierādījis praktisko lietošanas spēju un izcelts no daudziem polimēriem. Salīdzinājumā ar keramikas izolātoriem silikonrubbera izolātori piedāvā vairākas priekšrocības: pirmkārt, tie ir viegli, viegli apstrādājami un drošāki; otrkārt, keramikas izolātori ir noslāpējamīgi uzplūstu, bet silikonrubbera izolātori efektīvi iztur mehāniskus triecienus, piemēram, transportlīdzekļu sadursmes ar elektrotostos.
Lai arī citi polimēru materiāli arī izrāda minētās priekšrocības, tikai silikonrubbers izraisa minimālo vides piesārņojumu. Polimēru izolātori ir ūdensneprogāmi, kas novērš saliekamo strāvu un virsmas arkus, ko rada ūdens kapelītes. Turklāt silikonrubbera izolātoru hidrofobiskums atjaunojas ātrāk nekā citu polimēru izolātoru, padarot to par ilgstošu materiālu, kas piemērots lietošanai smagās vides apstākļos. Šajā rakstā tiek aprakstītas silikonrubbera īpašības, ko izmanto augstsprieguma elektroizolācijā, un ieviestas nesenās attīstības tendences.
1 Silikonrubbera īpašības
1.1 Siloksāna saites ķīmiskās īpašības
1.1.1 Ķīmiski stabils savienojums
Silikonrubbera pamatstruktūra sastāv no siloksāna (Si-O) saitiem. Tā kā starp Si (1.8) un O (3.5) pastāv būtiska elektonegativitātes atšķirība, rodas polarizēta struktūra, kā parādīts Figurē 1 (izlaista), kas izrāda joniskās saites raksturības. Tādējādi Si-O saites enerģija ir augstāka nekā C-C (sk. Tabulu 1). Turklāt: (1) tā kā galvenais šķiedra ir jonisks, metilgrupu C-H polāritāte blakuses ceļos samazinās, padarot tos mazāk iebrucīgi citiem molekulām, tādējādi nodrošinot izcilu ķīmisko stabilitāti; (2) tā kā Si neveido viegli dubultus vai trīskārtus savienojumus, galvenais šķiedris ir mazāk izpostījams, un Si-C saites ir ļoti stabili, kas papildus nostiprina silikonrubbera pamatstruktūras stabilitāti.
1.1.2 Augsta elastība polimērs
Siloksāna (Si-O-Si) saites leņķis ir liels (130°–160°), kas dod tam lielāku brīvību nekā organiskajiem polimēriem (C-C saites leņķis aptuveni 110°). Papildus tam, Si-O saites garums (1.64 Å) ir garāks nekā C-C (1.5 Å). Tas nozīmē, ka vispārīgā polimēra molekula ir labāk mobila un vieglāk deformējama.
1.1.3 Helikālā struktūra
Tā kā polisiloksāna helikālā struktūra, siloksāna saites galvenajā šķiedrī tiek iekļautas iekšā joniskā pievilcībā, savukārt ārpusē ir metilgrupas ar vājiem starpmolekulāriem mijiedarbībām, kas rada vājas starpmolekulāras spēces.
1.2 Silikonrubbera īpašības
Pamatojoties uz 1.1 punktā aprakstītajām ķīmiskajām īpašībām, silikonrubberam ir šādas īpašības, kas piemērotas augstsprieguma elektroizolācijai.
1.2.1 Siltuma un aukstuma noturība
Tā kā tā augstā saites enerģija un izcilā ķīmiskā stabilitāte, silikonrubberam ir labāka siltuma noturība nekā organiskajiem polimēriem. Tā kā starpmolekulārie spēki ir vāji, tā stikla pārejas temperatūra ir zema, un tā ir izcilā aukstuma noturība. Tādējādi tā darbība paliek stabila neatkarīgi no tā, kurā ģeogrāfiskā reģionā tā tiek izmantota.
1.2.2 Ūdensnoturība
Polisiloksāna virsma sastāv no metilgrupām, kas dod tai hidrofobiskas īpašības un tādējādi izcilu ūdensnoturību.
1.2.3 Elektriskās īpašības
Salīdzinājumā ar organiskajiem polimēriem silikonrubberā ir mazāk oglekļa atomu, kas nodrošina izcilu arkresistenci un slīpēšanas resistenci. Turklāt, pat ja tas deg, tā veido dielektrisku kvarcu, kas vēl vairāk nodrošina izcilu elektriskās izolācijas veiktspēju.
1.2.4 Laika apstākļu noturība
Kā parādīts Tabulā 1, siloksāna saites enerģija ir augstāka par ultravioleta (UV) gaismas enerģiju, kas padara to noturīgu pret UV izraisīto novecošanos. Pārākstrādātos ozona noturības testos organiskie polimēri plaukst ik pa sekundēm līdz stundām, bet silikonrubberam pēc četrām nedēļām novecošanas tikai nedaudz samazinās stipruma, un nav novērojamas plaukstības, kas liecina par izcilu ozona noturību (sk. Tabulu 2). Ūdenskrita ir miega ionijskā risinājuma sukmējums ar pH aptuveni 5.6. Tika veikts 500 reizes koncentrēts eksperimentāls ūdenskrita tests, izmantojot Tabulā 3 norādīto risinājumu. Silikonrubberam ir izcilas ķīmiskās noturības īpašības, kā parādīts Tabulā 4. Lai arī miegas risinājumu, piemēram, ūdenskrita, iedarbība varētu izraisīt dažas izmaiņas, tā ietekme gaidāma būt mazsvarīga.
Piezīme: Mērenā telpas temperatūrā, ar ozona koncentrāciju 200 ppm un ar 50% strāvas deformāciju, virsma nerāda plaukstību pat pēc 28 dienu novecošanas.
Vienība: g uz 2 L dejonizētā ūdens.
1.2.5 Pastāvīga deformācija
Salīdzinājumā ar organiskajiem polimēriem silikonrubberam ir labākas pastāvīgas deformācijas īpašības (ietverot pastāvīgu pagarinājumu un kompresijas izliekumu) gan mērenā, gan augstā temperatūrā.
2 Silikonrubbera klasifikācija
Silikonrubberu var klasificēt kā caurumu un šķidrumu tipus, balstoties uz to stāvokli pirms vulkanizācijas, un kā peroksīdu vulkanizācijas, pievienošanas vulkanizācijas un kondenzācijas vulkanizācijas tipus, balstoties uz vulkanizācijas mehānismu. Galvenā atšķirība starp caurumu un šķidrumu silikonrubberu ir polisiloksāna molekulārā svars. Cauru silikonrubberu var vulkanizēt gan peroksīdu vulkanizācijas, gan pievienošanas vulkanizācijas metodi, un to bieži sauc par augstās temperatūras vulkanizēto gumiju (HTV) vai siltuma vulkanizēto gumiju (HCR) (sk. Tabulas 5 un 6).
Lai arī šķidru silikonrubberu, vulkanizēto pievienošanas reakcijas, var vulkanizēt arī mērenā temperatūrā, to, atkarībā no apstrādes metodes un vulkanizācijas temperatūras, nosauc par šķidru silikonrubberu (LSR), zemas temperatūras vulkanizēto gumiju (LTV) vai divkomponentu mērenās temperatūras vulkanizēto gumiju (RTV). Polimēru izolātoru ražošanā bieži izmanto injekcijas formēšanu un lejplūšanu.
Vienskomponentu kondenzācijas tipa (mitrumkurināšanas) silikonrubberu var izmantot būvniecības sprādzienos, kā arī elektriskos un elektroniskos produktos. Elektriskajās lietojumās siltuma vulkanizēto (RTV) silikonrubberu, izdilītu solventā, parasti asā uz keramikas izolātoriem kā aizsardzības materiāls.
2.1 Silikonrubberis ar aluminia trihidroksīdu (ATH)
Izceltas slīpēšanas un arkresistences īpašības var iegūt, ievietojot augstu ATH daudzumu. Silikonrubberis ar 50 daļām ATH pēc masas rāda pieņemamu cīņu pret augstsprieguma (4.5 kV) slīpēšanu, kā arī izcilu arkresistenci, laika apstākļu, sāls jūras un ūdenskrita noturību, kas padara to piemērotu kā izolācijas materiālu reģionos ar smagu sāls jūras ietekmi. Tomēr, tā kā ATH daudzums ir augsts, šis materiāls cieš no augstām viskozitāti (sliktā plastiskitāte) un zema mehāniskā stipruma.
2.2 Silikonrubberis bez aluminia trihidroksīda (ATH)
Eiropas iekšzemē un līdzīgos reģionos ar minimālu sāls jūras un zemu piesārņojuma līmeni, var izmantot silikonrubberi bez ATH piepildījuma. Šādos gadījumos, izvēloties piemērotu pamatsilikona rubbru, virsmas apstrādājot pulverveida silikoni un pievienojot kompozīcijas, kas uzlabo slīpēšanas resistenci, var uzlabot hidrofobiskumu, lai atbilstu augstsprieguma slīpēšanas rezistences prasībām. Salīdzinājumā ar ATH piepildīto silikonrubberi, šis tips ir ar zemāku viskozitāti un labākiem mehāniskajiem un elektriskajiem rādītājiem.
2.3 Ārējie kabeļu piederumi
Kā ārējie kabeļu piederumi ir izpostīti smagiem apstākļiem, tiem jābūt ar labām slīpēšanas resistences īpašībām. Materiālus ar zemu pastāvīgo pagarinājumu var iegūt, izmantojot polimērus ar optimizētu krosslinku blīvumu, kas piemēroti mērenās temperatūras samazināšanai (salnākšanas) produktiem.
2.4 Iekšējie kabeļu piederumi
Iekšējie kabeļu piederumi reti tiek ietekmēti sāls jūras, tāpēc parasti nav nepieciešama slīpēšanas resistence. Tomēr, izmantojot mērenās temperatūras samazināšanu (salnākšanas) lietojumos, joprojām ir nepieciešamas zemas pastāvīgās deformācijas īpašības.
2.5 Krāsošanas lietojumi
Silikonrubbera krāsošana uz smagi piesārņotiem apgabaliem var uzturēt ilgstošu hidrofobiskumu. Krāsošana var tikt veikta arī uz jau instalētiem izolātoriem, atbilstoši piesārņojuma līmenim, ļaujot to turpināt izmantot un ietaupīt naudu. Nesenās ziņojumi liecina, ka silikonrubbera izolātoru apkrāsošana var vēl vairāk uzlabot hidrofobiskuma uzturēšanu. Pašlaik pastāv divi galvenie tipi: apkrāsoti izolātori un gumijas tipa izolātori.
3 Secinājumi
Šajā rakstā ir ieviesta silikonrubbera materiāli polimēru izolātoriem. Dažādas institūcijas un ražotāji turpina veikt pētījumus un testus. Ja tiks pierādīta augsta uzticamība, izmantojot ilgstošumu un citus veiktspējas testus, silikonrubbera izolātoru lietošanai gaida vēl lielāka izplatība.