Karet Silikon dalam Penghantar Tegangan Tinggi: Sifat Khas Penjenisan dan Aplikasi

Sejak separuh kedua abad ke-19, bahan isolasi yang sesuai untuk laluan penghantaran tenaga elektrik ber voltan tinggi hanya terhad kepada seramik dan kaca. Bermula pada tahun 1940-an, dengan munculnya bahan polimer, seramik dan kaca tidak lagi menjadi pilihan utama, mendorong negara-negara di Eropah dan Amerika untuk memulakan penyelidikan tentang insulator polimer. Selanjutnya, pelbagai kajian telah dijalankan mengenai sifat fizikal, ciri-ciri elektrik, kebolehpercayaan jangka panjang, dan bentuk optimum insulator elektrik, dan kecekapan pengeluaran terus meningkat.

Di antara bahan bermolekul tinggi yang boleh menggantikan seramik dan kaca, karet silikon telah menunjukkan prestasi aplikasi praktikal sejak tahun 1960-an dan telah menonjol di kalangan pelbagai polimer. Insulator karet silikon menawarkan beberapa kelebihan berbanding insulator seramik: pertama, ia ringan, mudah ditangani, dan lebih selamat; kedua, insulator seramik mudah retak apabila dipukul, manakala insulator karet silikon dapat menahan dengan efektif goncangan mekanikal seperti perlanggaran kenderaan dengan tiang utiliti.

Walaupun bahan polimer lain juga mempunyai kelebihan yang disebutkan, hanya karet silikon yang menyebabkan pencemaran alam sekitar minimal. Insulator polimer tahan air, mencegah arus bocor dan arcing permukaan akibat titisan air. Selain itu, hidrofobik insulator karet silikon pulih lebih cepat daripada insulator polimer lain, menjadikannya bahan yang tahan lama dan sesuai untuk digunakan dalam jangka masa yang panjang dalam persekitaran yang keras. Artikel ini menerangkan ciri-ciri karet silikon yang digunakan dalam isolasi elektrik ber voltan tinggi dan memperkenalkan trend perkembangan terkini.

1 Ciri-ciri Karet Silikon

1.1 Ciri-ciri Kimia Ikatan Siloksan

1.1.1 Ikatan yang Kimiawi Stabil

Tulang belakang karet silikon terdiri daripada ikatan siloksan (Si-O). Disebabkan perbezaan besar dalam elektro negatif antara Si (1.8) dan O (3.5), struktur yang dipolar terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1 (dihindari), menunjukkan ciri-ciri ikatan ion. Oleh itu, tenaga ikatan Si-O adalah lebih tinggi daripada C-C (lihat Jadual 1). Selain itu: (1) kerana sifat ionik tulang belakang, polaritas kumpulan C-H metil di ranting sisi dikurangkan, membuatnya kurang rentan terhadap serangan molekul lain, sehingga memberikan kestabilan kimia yang luar biasa; (2) kerana Si tidak mudah membentuk ikatan berganda atau tiga kali, tulang belakang kurang cenderung untuk mendekomposisi, dan ikatan Si-C sangat stabil, meningkatkan lagi kestabilan tulang belakang karet silikon.

1.1.2 Polimer yang Sangat Fleksibel

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

1.1.3 Struktur Heliks

Disebabkan oleh struktur heliks polisiloksan, ikatan siloksan pada tulang belakang ditarik ke dalam oleh tarikan ion, manakala sisi luar terdiri daripada kumpulan metil dengan interaksi antara molekul yang lemah, menghasilkan daya interaksi antara molekul yang lemah.

1.2 Sifat-sifat Karet Silikon

Berdasarkan ciri-ciri kimia yang diterangkan dalam Bahagian 1.1, karet silikon mempunyai sifat-sifat berikut yang sesuai untuk isolasi elektrik ber voltan tinggi.

1.2.1 Ketahanan Panas dan Sejuk

Kerana tenaga ikatan yang tinggi dan kestabilan kimia yang luar biasa, karet silikon mempunyai ketahanan panas yang lebih baik daripada polimer organik. Selain itu, kerana daya interaksi antara molekul yang lemah, ia mempunyai suhu transisi kaca yang rendah dan ketahanan sejuk yang luar biasa. Oleh itu, prestasinya tetap stabil tidak kira di mana ia digunakan.

1.2.2 Ketahanan Air

Permukaan polisiloksan terdiri daripada kumpulan metil, memberikan sifat hidrofobik dan ketahanan air yang luar biasa.

1.2.3 Sifat Elektrik

Karet silikon mengandungi atom karbon yang lebih sedikit daripada polimer organik, menghasilkan ketahanan busur dan jejak yang luar biasa. Selain itu, walaupun terbakar, ia membentuk silika yang mengasingkan, memastikan prestasi pengasingan elektrik yang luar biasa.

1.2.4 Ketahanan Cuaca

Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, tenaga ikatan siloksan adalah lebih tinggi daripada tenaga cahaya ultraviolet (UV), menjadikannya tahan terhadap penurunan akibat UV. Dalam ujian ketahanan ozon yang dipercepat, polimer organik retak dalam hitungan saat hingga jam, manakala karet silikon hanya menunjukkan penurunan kekuatan yang sedikit selepas empat minggu usia, tanpa retakan, menunjukkan ketahanan ozon yang luar biasa (lihat Jadual 2). Hujan asam adalah larutan ion campuran dengan pH kira-kira 5.6. Ujian hujan asam buatan 500 kali pekat telah dijalankan menggunakan larutan yang disenaraikan dalam Jadual 3. Karet silikon menunjukkan ketahanan kimia yang luar biasa seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 4. Walaupun paparan kepada larutan campuran seperti hujan asam mungkin menyebabkan beberapa perubahan, impaknya diharapkan akan minimal.

Nota: Pada suhu bilik, dengan kepekatan ozon 200 ppm dan tegangan tarikan 50% dikenakan kepada getah, permukaan tidak retak walaupun selepas 28 hari usia.

Unit: g setiap 2 L air deionized.

1.2.5 Deformasi Kekal

Karet silikon menunjukkan ciri-ciri deformasi kekal (termasuk elongasi kekal dan set kompresi) yang lebih baik pada suhu bilik dan suhu tinggi berbanding polimer organik.

2 Pengelasan Karet Silikon

Karet silikon boleh dikelaskan kepada jenis pepejal dan cecair berdasarkan keadaannya sebelum vulkanisasi, dan kepada vulkanisasi peroksida, vulkanisasi penambahan, dan vulkanisasi kondensasi berdasarkan mekanisme vulkanisasi. Perbezaan utama antara karet silikon pepejal dan cecair terletak pada berat molekul polisiloksan. Karet silikon pepejal boleh vulkanisasi melalui vulkanisasi peroksida atau penambahan, dan sering dirujuk sebagai getah vulkanisasi suhu tinggi (HTV) atau getah yang dipanaskan (HCR) (lihat Jadual 5 dan 6).

Walaupun karet silikon cecair yang vulkanisasi melalui reaksi penambahan juga boleh vulkanisasi pada suhu bilik, ia diberi nama karet silikon cecair (LSR), getah vulkanisasi suhu rendah (LTV), atau dua bahagian getah vulkanisasi suhu bilik (RTV), bergantung pada kaedah pemprosesan dan suhu vulkanisasi. Dalam pembuatan insulator polimer, proses injeksian dan pengecoran sering digunakan.

Getah silikon satu komponen tipe kondensasi (penyembuhan kelembaban) boleh digunakan dalam sealant pembinaan, serta dalam produk elektrik dan elektronik. Dalam aplikasi elektrik, lapisan getah silikon RTV yang dilemahkan dengan pelarut sering disemprotkan ke atas insulator seramik sebagai bahan pelindung.

2.1 Karet Silikon dengan Trihidroksida Aluminium (ATH)

Karet silikon dengan ketahanan jejak dan busur yang baik boleh diperoleh dengan menambah beban tinggi trihidroksida aluminium (ATH). Karet silikon yang diisi dengan 50 bahagian berat ATH menunjukkan ketahanan jejak yang dapat diterima pada voltan tinggi (4.5 kV), bersama dengan ketahanan busur, cuaca, kabut garam, dan hujan asam yang luar biasa, menjadikannya sesuai sebagai bahan isolasi di kawasan dengan kabut garam yang parah. Namun, disebabkan beban ATH yang tinggi, bahan ini mengalami viskositi yang tinggi (plastisiti yang buruk) dan kekuatan mekanikal yang rendah.

2.2 Karet Silikon tanpa Trihidroksida Aluminium (ATH)

Di kawasan pedalaman Eropah dan kawasan serupa dengan kabut garam minimal dan tahap pencemaran yang rendah, karet silikon tanpa isi padu ATH boleh digunakan. Dalam kasus seperti ini, pemilihan karet silikon asas yang sesuai, perlakuan permukaan silika fumed, dan penambahan agen penggabungan yang meningkatkan ketahanan jejak boleh meningkatkan hidrofobik untuk memenuhi keperluan ketahanan jejak voltan tinggi. Berbanding dengan karet silikon yang diisi ATH, jenis ini mempunyai viskositi yang lebih rendah dan sifat mekanikal dan elektrik yang lebih baik.

2.3 Untuk Aksesori Kabel Luar

Sebagai aksesori kabel luar terdedah kepada persekitaran yang keras, ia mesti mempunyai ketahanan jejak yang baik. Bahan dengan elongasi kekal yang rendah boleh dicapai dengan menggunakan polimer dengan ketumpatan silang yang dioptimumkan, sesuai untuk produk yang menguncup pada suhu ambien (penguncupan sejuk).

2.4 Untuk Aksesori Kabel Dalam

Aksesori kabel dalam tidak mungkin terjejas oleh kabut garam, jadi ketahanan jejak sering tidak diperlukan. Walau bagaimanapun, apabila digunakan dalam aplikasi penguncupan sejuk, ciri-ciri deformasi kekal yang rendah masih diperlukan.

2.5 Aplikasi Penapisan

Penyemprotan lapisan karet silikon ke atas kawasan yang sangat tercemar boleh mengekalkan hidrofobik yang baik dalam jangka masa yang panjang. Lapisan juga boleh diterapkan ke atas insulator yang sudah dipasang berdasarkan tahap pencemaran, membolehkan penggunaan berterusan dan penghematan kos. Laporan terkini menunjukkan bahawa penapisan insulator karet silikon boleh lebih meningkatkan retensi hidrofobik. Saat ini, terdapat dua jenis utama: insulator yang dilapis dan insulator jenis getah.

3 Kesimpulan

Artikel ini telah memperkenalkan bahan karet silikon untuk insulator polimer. Pelbagai institusi dan pengeluar sedang melakukan penyelidikan dan ujian. Jika kebolehpercayaan yang tinggi dapat ditunjukkan melalui ujian ketahanan dan prestasi lain, penggunaan insulator karet silikon dijangka akan berkembang lebih lanjut.