Borracha de Silicone em Isoladores de Alta Tensão: Propriedades Classificações e Aplicações

Desde a segunda metade do século XIX, os únicos materiais isolantes adequados para linhas de transmissão de alta tensão eram cerâmica e vidro. A partir dos anos 1940, com o surgimento de materiais poliméricos, a cerâmica e o vidro deixaram de ser as escolhas preferenciais, levando países da Europa e América a começarem a pesquisar isoladores poliméricos. Posteriormente, foram realizados estudos extensivos sobre as propriedades físicas, características elétricas, confiabilidade a longo prazo e formas ótimas de isoladores elétricos, e a eficiência de produção continuou a melhorar.

Entre os materiais de alto peso molecular capazes de substituir a cerâmica e o vidro, o silicone tem demonstrado desempenho prático desde os anos 1960 e se destacou entre vários polímeros. Os isoladores de borracha de silicone oferecem várias vantagens em relação aos isoladores de cerâmica: primeiro, são leves, fáceis de manipular e mais seguros; segundo, os isoladores de cerâmica são propensos a rachaduras sob impacto, enquanto os isoladores de borracha de silicone podem resistir efetivamente a choques mecânicos, como colisões de veículos com postes de utilidade.

Embora outros materiais poliméricos também possuam as vantagens mencionadas, apenas a borracha de silicone causa mínima poluição ambiental. Os isoladores poliméricos são resistentes à água, evitando correntes de fuga e arcos superficiais causados por gotas d'água. Além disso, a hidrofobicidade dos isoladores de borracha de silicone recupera-se mais rapidamente do que a de outros isoladores poliméricos, tornando-os um material durável adequado para uso a longo prazo em ambientes rigorosos. Este artigo explica as características do silicone usado na isolação elétrica de alta tensão e introduz as tendências de desenvolvimento recentes.

1 Características da Borracha de Silicone

1.1 Características Químicas da Ligação Siloxano

1.1.1 Ligação Quimicamente Estável

A espinha dorsal da borracha de silicone consiste em ligações siloxano (Si-O). Devido à grande diferença de eletronegatividade entre Si (1,8) e O (3,5), forma-se uma estrutura polarizada, como mostrado na Figura 1 (omitida), exibindo características de ligação iônica. Consequentemente, a energia de ligação de Si-O é maior do que a de C-C (ver Tabela 1). Além disso: (1) devido à natureza iônica da cadeia principal, a polaridade dos grupos metil C-H nas cadeias laterais é reduzida, tornando-os menos suscetíveis ao ataque por outras moléculas, resultando em excelente estabilidade química; (2) como Si não forma facilmente ligações duplas ou triplas, a cadeia principal é menos propensa à decomposição, e as ligações Si-C são, portanto, muito estáveis, aumentando ainda mais a estabilidade da espinha dorsal da borracha de silicone.

1.1.2 Polímero de Alta Flexibilidade

O ângulo de ligação do siloxano (Si-O-Si) é grande (130°–160°), dando-lhe maior liberdade do que os polímeros orgânicos (ângulo de ligação C-C ~110°). Além disso, o comprimento da ligação Si-O (1,64 Å) é maior do que o de C-C (1,5 Å). Isso significa que a molécula do polímero no geral é mais móvel e mais fácil de deformar.

1.1.3 Estrutura Helicoidal

Devido à estrutura helicoidal do polissiloxano, as ligações siloxano na cadeia principal são atraídas para dentro pela atração iônica, enquanto o lado externo consiste em grupos metil com interações moleculares fracas, resultando em forças intermoleculares fracas.

1.2 Propriedades da Borracha de Silicone

Com base nas características químicas descritas na Seção 1.1, a borracha de silicone possui as seguintes propriedades adequadas para a isolação elétrica de alta tensão.

1.2.1 Resistência ao Calor e ao Frio

Devido à sua alta energia de ligação e excelente estabilidade química, a borracha de silicone tem melhor resistência ao calor do que os polímeros orgânicos. Além disso, devido às forças intermoleculares fracas, tem uma baixa temperatura de transição vítrea e excelente resistência ao frio. Portanto, seu desempenho permanece estável, independentemente da região geográfica em que é usada.

1.2.2 Resistência à Água

A superfície do polissiloxano é composta por grupos metil, conferindo-lhe propriedades hidrofóbicas e, portanto, excelente resistência à água.

1.2.3 Propriedades Elétricas

A borracha de silicone contém menos átomos de carbono do que os polímeros orgânicos, resultando em excelente resistência a arcos e rastreamento. Além disso, mesmo quando queimada, forma sílica isolante, garantindo ainda mais um desempenho superior de isolação elétrica.

1.2.4 Resistência ao Clima

Como mostrado na Tabela 1, a energia de ligação do siloxano é maior do que a energia da luz ultravioleta (UV), tornando-o resistente ao envelhecimento induzido por UV. Em testes acelerados de resistência ao ozônio, os polímeros orgânicos racham em segundos a horas, enquanto a borracha de silicone mostra apenas uma pequena redução na resistência após quatro semanas de envelhecimento, sem rachaduras observadas, indicando excelente resistência ao ozônio (ver Tabela 2). A chuva ácida é uma solução iônica mista com pH de aproximadamente 5,6. Foi realizado um teste de chuva ácida artificial concentrada 500 vezes usando a solução listada na Tabela 3. A borracha de silicone exibe excelente resistência química, como mostrado na Tabela 4. Embora a exposição a soluções mistas, como a chuva ácida, possa causar algumas mudanças, o impacto deve ser mínimo.

Nota: Em temperatura ambiente, com uma concentração de ozônio de 200 ppm e uma tensão de tração de 50% aplicada à borracha, a superfície não apresenta rachaduras mesmo após 28 dias de envelhecimento.

Unidade: g por 2 L de água destilada.

1.2.5 Deformação Permanente

A borracha de silicone exibe melhores características de deformação permanente (incluindo alongamento permanente e compressão fixa) tanto em temperatura ambiente quanto elevada, em comparação com os polímeros orgânicos.

2 Classificação da Borracha de Silicone

A borracha de silicone pode ser classificada em tipos sólidos e líquidos com base em seu estado antes da vulcanização, e em tipos de cura por peróxido, adição e condensação, com base no mecanismo de vulcanização. A principal diferença entre a borracha de silicone sólida e líquida reside no peso molecular do polissiloxano. A borracha de silicone sólida pode ser vulcanizada por cura por peróxido ou adição, e é comumente referida como borracha de vulcanização a alta temperatura (HTV) ou borracha termocurada (HCR) (ver Tabelas 5 e 6).

Embora a borracha de silicone líquida curada por reação de adição também possa ser vulcanizada em temperatura ambiente, ela é designada como borracha de silicone líquida (LSR), borracha de vulcanização a baixa temperatura (LTV) ou borracha de vulcanização a temperatura ambiente de dois componentes (RTV), dependendo do método de processamento e da temperatura de cura. Na fabricação de isoladores poliméricos, os processos de injeção e moldagem são comumente utilizados.

A borracha de silicone de um componente do tipo condensação (cura por umidade) pode ser usada em vedantes de construção, bem como em produtos elétricos e eletrônicos. Em aplicações elétricas, revestimentos de borracha de silicone RTV diluídos em solvente são comumente pulverizados sobre isoladores de cerâmica como materiais de proteção.

2.1 Borracha de Silicone com Hidróxido de Alumínio (ATH)

Pode-se obter borracha de silicone com boa resistência ao rastreamento e arco incorporando uma carga alta de hidróxido de alumínio (ATH). A borracha de silicone preenchida com 50 partes em massa de ATH exibe resistência aceitável ao rastreamento de alta tensão (4,5 kV), juntamente com excelente resistência ao arco, resistência climática, resistência à névoa salina e resistência à chuva ácida, tornando-a adequada como material isolante em áreas com forte névoa salina. No entanto, devido à alta carga de ATH, este material sofre de alta viscosidade (plasticidade ruim) e baixa resistência mecânica.

2.2 Borracha de Silicone sem Hidróxido de Alumínio (ATH)

Em regiões internas da Europa e similares, com pouca névoa salina e baixos níveis de poluição, pode-se usar borracha de silicone sem recheio de ATH. Nesses casos, a seleção apropriada da borracha de silicone base, o tratamento de superfície da sílica fumegante e a adição de agentes de composição que melhoram a resistência ao rastreamento podem melhorar a hidrofobicidade para atender aos requisitos de resistência ao rastreamento de alta tensão. Em comparação com a borracha de silicone preenchida com ATH, este tipo tem menor viscosidade e propriedades mecânicas e elétricas superiores.

2.3 Para Acessórios de Cabos Externos

Como os acessórios de cabos externos estão expostos a ambientes rigorosos, devem possuir boa resistência ao rastreamento. Materiais com baixo alongamento permanente podem ser obtidos usando polímeros com densidade de entrelaçamento otimizada, adequados para produtos retráteis a temperatura ambiente (cold-shrink).

2.4 Para Acessórios de Cabos Internos

Os acessórios de cabos internos são improváveis de serem afetados pela névoa salina, então a resistência ao rastreamento muitas vezes não é necessária. No entanto, quando usados em aplicações retráteis a temperatura ambiente (cold-shrink), ainda são necessárias características de baixa deformação permanente.

2.5 Aplicações de Revestimento

A pulverização de revestimentos de borracha de silicone em áreas altamente poluídas pode manter boa hidrofobicidade a longo prazo. Os revestimentos também podem ser aplicados a isoladores já instalados, com base nos níveis de poluição, permitindo o serviço contínuo e economia de custos. Relatórios recentes indicam que o revestimento de isoladores de borracha de silicone pode ainda mais aprimorar a retenção de hidrofobicidade. Atualmente, existem dois tipos principais: isoladores revestidos e isoladores do tipo borracha.

3 Conclusão

Este artigo introduziu materiais de borracha de silicone para isoladores poliméricos. Pesquisas e testes contínuos estão sendo conduzidos por várias instituições e fabricantes. Se a alta confiabilidade puder ser demonstrada através de testes de durabilidade e outros desempenhos, espera-se que a aplicação de isoladores de borracha de silicone se expanda ainda mais.