ยางซิลิโคนในฉนวนไฟฟ้าแรงสูง: คุณสมบัติ การจำแนกประเภท และการใช้งาน

ตั้งแต่ครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 วัสดุฉนวนที่เหมาะสมสำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงมีเพียงเซรามิกและแก้วเท่านั้น ตั้งแต่ปี 1940 ด้วยการปรากฏตัวของวัสดุโพลิเมอร์ เซรามิกและแก้วไม่ได้เป็นทางเลือกที่ชื่นชอบอีกต่อไป ทำให้ประเทศในยุโรปและอเมริกาเริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับฉนวนโพลิเมอร์ ต่อมา มีการศึกษาอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพ คุณสมบัติทางไฟฟ้า ความน่าเชื่อถือในระยะยาว และรูปร่างที่เหมาะสมของฉนวนไฟฟ้า และประสิทธิภาพในการผลิตยังคงเพิ่มขึ้น

ในบรรดาวัสดุโมเลกุลใหญ่ที่สามารถแทนที่เซรามิกและแก้ว ยางซิลิโคนได้แสดงความสามารถในการใช้งานจริงตั้งแต่ทศวรรษ 1960 และได้โดดเด่นเหนือโพลิเมอร์ประเภทต่างๆ ฉนวนยางซิลิโคนมีข้อดีเหนือฉนวนเซรามิกหลายประการ: ประการแรก พวกเขามีน้ำหนักเบา ง่ายต่อการจัดการ และปลอดภัยมากขึ้น; ประการที่สอง ฉนวนเซรามิกมีแนวโน้มที่จะแตกเมื่อถูกกระแทก ในขณะที่ฉนวนยางซิลิโคนสามารถทนทานต่อแรงกระแทกเชิงกล เช่น การชนเสาไฟฟ้าโดยรถยนต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่าวัสดุโพลิเมอร์อื่นๆ จะมีข้อดีดังกล่าวเช่นกัน แต่เฉพาะยางซิลิโคนเท่านั้นที่ทำให้เกิดมลพิษทางสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด ฉนวนโพลิเมอร์มีความต้านทานต่อน้ำ ป้องกันกระแสไฟฟ้ารั่วไหลและการอาร์คไฟฟ้าบนผิวจากหยดน้ำ นอกจากนี้ ความต้านทานต่อน้ำของฉนวนยางซิลิโคนยังฟื้นฟูได้เร็วกว่าวัสดุโพลิเมอร์อื่นๆ ทำให้เป็นวัสดุที่ทนทานและเหมาะสมสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในระยะยาว บทความนี้อธิบายคุณสมบัติของยางซิลิโคนที่ใช้ในการฉนวนไฟฟ้าแรงสูงและแนะนำแนวโน้มการพัฒนาล่าสุด

1 คุณสมบัติของยางซิลิโคน

1.1 คุณสมบัติเคมีของพันธะซิโล็กซาน

1.1.1 พันธะที่มีความเสถียรทางเคมี

โครงสร้างหลักของยางซิลิโคนประกอบด้วยพันธะซิโล็กซาน (Si-O) เนื่องจากความแตกต่างของความอิเล็กโทรเนกาทีฟระหว่าง Si (1.8) และ O (3.5) ทำให้เกิดโครงสร้างที่มีขั้ว โดยแสดงในรูปที่ 1 (ไม่แสดง) ซึ่งมีลักษณะคล้ายพันธะไอออน ดังนั้น พลังงานพันธะของ Si-O จึงสูงกว่า C-C (ดูตาราง 1) นอกจากนี้: (1) เนื่องจากความเป็นไอออนของโซ่หลัก ความเป็นขั้วของกลุ่ม C-H ในโซ่ข้างลดลง ทำให้ยากต่อการโจมตีโดยโมเลกุลอื่น ทำให้มีความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม; (2) เนื่องจาก Si ไม่สามารถสร้างพันธะคู่หรือสามได้ง่าย โซ่หลักจึงไม่แตกตัวง่าย และพันธะ Si-C จึงมีความเสถียร ส่งผลให้โครงสร้างหลักของยางซิลิโคนมีความเสถียรมากขึ้น

1.1.2 พอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูง

มุมพันธะของซิโล็กซาน (Si-O-Si) มีขนาดใหญ่ (130°–160°) ทำให้มีความอิสระมากกว่าวัสดุโพลิเมอร์ออร์แกนิก (C-C มุมพันธะ ~110°) นอกจากนี้ ความยาวพันธะ Si-O (1.64 Å) ยาวกว่า C-C (1.5 Å) ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลพอลิเมอร์โดยรวมมีความเคลื่อนไหวมากขึ้นและง่ายต่อการเปลี่ยนรูป

1.1.3 โครงสร้างเกลียว

เนื่องจากโครงสร้างเกลียวของพอลิซิโล็กซาน พันธะซิโล็กซานบนโซ่หลักถูกดึงเข้าด้วยกันด้วยแรงดึงดูดไอออน ในขณะที่ด้านนอกประกอบด้วยกลุ่มเมทิลที่มีปฏิกิริยาทางโมเลกุลที่อ่อนแอ ทำให้มีแรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอ

1.2 คุณสมบัติของยางซิลิโคน

ตามคุณสมบัติทางเคมีที่อธิบายในส่วน 1.1 ยางซิลิโคนมีคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับการฉนวนไฟฟ้าแรงสูงดังต่อไปนี้

1.2.1 ความทนทานต่อความร้อนและความหนาว

เนื่องจากพลังงานพันธะสูงและความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม ยางซิลิโคนมีความทนทานต่อความร้อนมากกว่าวัสดุโพลิเมอร์ออร์แกนิก นอกจากนี้ เนื่องจากแรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอ ทำให้มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้วต่ำและมีความทนทานต่อความหนาวเย็นอย่างยอดเยี่ยม ดังนั้น ประสิทธิภาพของมันยังคงเสถียรไม่ว่าจะใช้งานในภูมิภาคใด

1.2.2 ความต้านทานต่อน้ำ

ผิวของพอลิซิโล็กซานประกอบด้วยกลุ่มเมทิล ทำให้มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำและมีความต้านทานต่อน้ำที่ยอดเยี่ยม

1.2.3 คุณสมบัติทางไฟฟ้า

ยางซิลิโคนมีอะตอมคาร์บอนน้อยกว่าวัสดุโพลิเมอร์ออร์แกนิก ทำให้มีความต้านทานต่ออาร์คไฟฟ้าและรอยรั่วที่ยอดเยี่ยม นอกจากนี้ เมื่อถูกเผา ยังเกิดเป็นซิลิกาที่เป็นฉนวน ทำให้มีประสิทธิภาพในการฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม

1.2.4 ความทนทานต่อสภาพอากาศ

ตามที่แสดงในตาราง 1 พลังงานพันธะของซิโล็กซานสูงกว่าพลังงานของแสงยูวี ทำให้ทนทานต่อการทำลายจากยูวี ในทดสอบความทนทานต่อโอโซนแบบเร่งด่วน วัสดุโพลิเมอร์ออร์แกนิกแตกภายในเวลาไม่กี่วินาทีถึงไม่กี่ชั่วโมง ในขณะที่ยางซิลิโคนมีการลดลงของความแข็งแรงเพียงเล็กน้อยหลังจากผ่านการทดสอบ 4 สัปดาห์ โดยไม่มีการแตก แสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อโอโซนที่ยอดเยี่ยม (ดูตาราง 2) ฝนกรดเป็นสารละลายไอออนผสมที่มี pH ประมาณ 5.6 ทดสอบด้วยฝนกรดเทียมที่มีความเข้มข้น 500 เท่า ตามที่ระบุในตาราง 3 ยางซิลิโคนมีความทนทานต่อสารเคมีอย่างยอดเยี่ยม ตามที่แสดงในตาราง 4 แม้ว่าการสัมผัสกับสารละลายผสมเช่น ฝนกรดอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง แต่ผลกระทบคาดว่าจะน้อย

หมายเหตุ: ที่อุณหภูมิห้อง ด้วยความเข้มข้นของโอโซน 200 ppm และแรงดึง 50% ที่นำไปใช้กับยาง ผิวยางไม่มีการแตกแม้กระทั่งหลังจากผ่านการทดสอบ 28 วัน

หน่วย: กรัมต่อ 2 ลิตรของน้ำ deinonized

1.2.5 การเปลี่ยนรูปอย่างถาวร

ยางซิลิโคนมีคุณสมบัติการเปลี่ยนรูปอย่างถาวร (รวมถึงการยืดออกอย่างถาวรและการบีบอัด) ที่ดีกว่าวัสดุโพลิเมอร์ออร์แกนิกทั้งที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง

2 ประเภทของยางซิลิโคน

ยางซิลิโคนสามารถแบ่งออกเป็นประเภทของแข็งและของเหลวตามสถานะก่อนการวัลคาไนซ์ และแบ่งออกเป็นประเภทการวัลคาไนซ์ด้วยเปอร์ออกไซด์ การวัลคาไนซ์ด้วยการเติมและการวัลคาไนซ์ด้วยการควบแน่น ตามกลไกการวัลคาไนซ์ ความแตกต่างหลักระหว่างยางซิลิโคนของแข็งและของเหลวอยู่ที่น้ำหนักโมเลกุลของพอลิซิโล็กซาน ยางซิลิโคนของแข็งสามารถวัลคาไนซ์ได้ทั้งการวัลคาไนซ์ด้วยเปอร์ออกไซด์และการวัลคาไนซ์ด้วยการเติม และมักเรียกว่ายางวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิสูง (HTV) หรือยางวัลคาไนซ์ด้วยความร้อน (HCR) (ดูตาราง 5 และ 6)

แม้ว่ายางซิลิโคนของเหลวที่วัลคาไนซ์ด้วยการเติมสามารถวัลคาไนซ์ได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่ก็ถูกกำหนดให้เป็นยางซิลิโคนของเหลว (LSR) ยางวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิต่ำ (LTV) หรือยางวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้องสองส่วน (RTV) ตามวิธีการผลิตและอุณหภูมิการวัลคาไนซ์ ในกระบวนการผลิตฉนวนโพลิเมอร์ มักใช้การฉีดขึ้นรูปและการหล่อ

ยางซิลิโคนประเภทคอนเดนเซชัน (การวัลคาไนซ์ด้วยความชื้น) สามารถใช้ในซีลก่อสร้าง ตลอดจนในผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ในกรณีของการใช้งานไฟฟ้า ยางซิลิโคน RTV ที่เจือจางด้วยตัวทำละลายมักถูกพ่นบนฉนวนเซรามิกเพื่อเป็นวัสดุป้องกัน

2.1 ยางซิลิโคนที่มีไฮดรอกไซด์อะลูมิเนียม (ATH)

ยางซิลิโคนที่มีความต้านทานต่อการติดตามและอาร์คไฟฟ้าที่ดีสามารถได้รับจากการใส่ไฮดรอกไซด์อะลูมิเนียม (ATH) ในปริมาณสูง ยางซิลิโคนที่เติม ATH 50 ส่วนมวล มีความต้านทานต่อการติดตามที่แรงสูง (4.5 kV) ที่ยอมรับได้ พร้อมกับความต้านทานต่ออาร์คไฟฟ้า ความทนทานต่อสภาพอากาศ ความทนทานต่อหมอกเกลือ และความทนทานต่อฝนกรด ทำให้เหมาะสมเป็นวัสดุฉนวนในพื้นที่ที่มีหมอกเกลือรุนแรง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีปริมาณ ATH สูง วัสดุนี้มีความหนืดสูง (พลาสติกต่ำ) และความแข็งแรงทางกลต่ำ

2.2 ยางซิลิโคนที่ไม่มีไฮดรอกไซด์อะลูมิเนียม (ATH)

ในพื้นที่ที่มีหมอกเกลือน้อยและมีระดับมลพิษต่ำ เช่น ภายในทวีปยุโรป ยางซิลิโคนที่ไม่มีสารเติมเต็ม ATH สามารถใช้ได้ ในกรณีนี้ การเลือกยางซิลิโคนฐาน การรักษาผิวของซิลิกาฟูม และการเติมสารเสริมที่เพิ่มความต้านทานต่อการติดตาม สามารถปรับปรุงความไม่ชอบน้ำเพื่อตอบสนองความต้องการความต้านทานต่อการติดตามที่แรงสูง เมื่อเทียบกับยางซิลิโคนที่เติม ATH ประเภทนี้มีความหนืดต่ำและมีคุณสมบัติทางกลและไฟฟ้าที่ดีกว่า

2.3 สำหรับอุปกรณ์สายเคเบิลกลางแจ้ง

เนื่องจากอุปกรณ์สายเคเบิลกลางแจ้งถูกสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง จึงต้องมีความต้านทานต่อการติดตามที่ดี วัสดุที่มีการยืดออกอย่างถาวรต่ำสามารถได้รับจากการใช้พอลิเมอร์ที่มีความหนาแน่นการเชื่อมโยงที่เหมาะสม สำหรับผลิตภัณฑ์ที่หดตัวในอุณหภูมิห้อง (cold-shrink)

2.4 สำหรับอุปกรณ์สายเคเบิลในร่ม

อุปกรณ์สายเคเบิลในร่มมีแนวโน้มที่จะไม่ได้รับผลกระทบจากหมอกเกลือ ดังนั้น ความต้านทานต่อการติดตามมักไม่จำเป็น อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ในผลิตภัณฑ์ที่หดตัวในอุณหภูมิห้อง (cold-shrink) คุณสมบัติการเปลี่ยนรูปอย่างถาวรต่ำยังจำเป็น

2.5 การใช้งานในการเคลือบ

การพ่นเคลือบยางซิลิโคนในพื้นที่ที่มีมลพิษสูงสามารถรักษาความไม่ชอบน้ำได้ในระยะยาว สามารถเคลือบฉนวนที่ติดตั้งแล้วตามระดับมลพิษ ทำให้สามารถใช้งานต่อไปได้และประหยัดค่าใช้จ่าย รายงานล่าสุดระบุว่าการเคลือบฉนวนยางซิลิโคนสามารถเพิ่มการรักษาความไม่ชอบน้ำได้ ปัจจุบัน มีสองประเภทหลัก: ฉนวนที่เคลือบและฉนวนประเภทยาง

3 สรุป

บทความนี้ได้แนะนำวัสดุยางซิลิโคนสำหรับฉนวนโพลิเมอร์ กำลังมีการวิจัยและทดสอบอย่างต่อเนื่องโดยสถาบันและผู้ผลิตต่างๆ หากสามารถแสดงความน่าเชื่อถือสูงผ่านการทดสอบความทนทานและประสิทธิภาพอื่นๆ การใช้งานฉนวนยางซิลิโคนคาดว่าจะขยายตัวเพิ่มขึ้น