絕緣子為什么用硅橡膠
從十九世紀(jì)后半葉開始，在架設(shè)輸電線路時(shí)，**適用于高壓的絕緣材料是陶瓷和玻璃。進(jìn)入廿世紀(jì)40年代，由于高分子材料的問世，陶瓷和玻璃已不再是優(yōu)選的絕緣體材料，歐美國家著手研究聚合物絕緣子。而后對電絕緣體的物理性能、電性能、長期可靠性和*佳形狀進(jìn)行了研究，且生產(chǎn)率也得到了不斷的提高。
可以代替陶瓷和玻璃的高分子材料中，硅橡膠從60年代開始就有了實(shí)用業(yè)績，在幾種聚合物中脫穎而出。硅橡膠絕緣子比陶瓷絕緣子具有更多的優(yōu)勢。首先，它重量輕，容易操作且**；另外，陶瓷絕緣子經(jīng)常遭受破裂的困擾，一種沖擊它就會破損。而硅橡膠絕緣子則能抗擊車輛碰撞電線桿之類的機(jī)械沖擊。
雖然其它高分子材料也具有以上所介紹的優(yōu)點(diǎn)，但只有硅橡膠不會對環(huán)境造成太大的污染。聚合物絕緣子能防水，因而就不會發(fā)生因水滴落下而發(fā)生漏電和表面電弧現(xiàn)象。硅橡膠絕緣子的防水性比其它聚合物絕緣子恢復(fù)得快，是一種在惡劣環(huán)境中能長期使用的耐久性材料。
文中對高壓電絕緣用的硅橡膠的特征進(jìn)行說明，并介紹*近的發(fā)展趨勢。
1 硅橡膠的特征
1.1 硅氧烷健的化學(xué)特征
1.1.1 化學(xué)性能穩(wěn)定的化學(xué)鍵
硅橡膠的主鏈?zhǔn)怯晒柩跬?Si-O)鏈構(gòu)成的。由于這種鍵上的Si、O的負(fù)電性分別為1.8與3.5，差異很大，所以形成如圖1(略)所示的極化結(jié)構(gòu)，它具有離子鍵性質(zhì)。這樣，Si-O的鍵能比C-C鍵能高(見表1)。另外，①由于主鏈離子鍵的性質(zhì)，而使側(cè)鏈甲基C-H的離子性質(zhì)減弱，不容易受其它分子攻擊，所以其化學(xué)穩(wěn)定性好；②由于Si不會形成雙鍵和三鍵，所以難以形成主鏈分解的起點(diǎn)(由于這一原因致使Si-C鍵相當(dāng)穩(wěn)定)，進(jìn)而導(dǎo)致硅橡膠的主鏈更加穩(wěn)定。
圖1 電子分布(略)
表1 鏈能比較 鍵能(kj/mol)
Si-O | 420 |
C-C | 350 |
紫外線(300 nm) | 400 |
1.1.2 高柔軟性聚合物
硅氧烷的鍵角(Si-O-Si)大(130°-160°)，其自由度比有機(jī)聚合物(C-C，C：110°)的高。而Si-O鍵距離(1.64A)也比C-C的(1.5A)大。也就是說，聚合物分子整體運(yùn)動容易(容易變形)。
(3)螺旋結(jié)構(gòu)(圖2(略))
由于聚硅氧烷呈螺旋結(jié)構(gòu)，主鏈上的硅氧烷鍵因離子鍵引力向內(nèi)，外側(cè)是側(cè)鏈相互作用弱的甲基，所以聚硅氧烷分子間引力變小。
1.2 硅橡膠的特性
根據(jù)1.1節(jié)介紹的化學(xué)特征，硅橡膠有如下特征，它可用于高壓電絕緣場合。
1.2.1 耐熱和耐寒性
由于硅橡膠的鍵能高、化學(xué)穩(wěn)定性好，所以其耐熱性比有機(jī)聚合物的好。再者，由于分子間相互作用力弱，所以玻璃化溫度低，耐寒性也好。因此，在地球上的任何地區(qū)使用，其特性都不會變化。
1.2.2 防水性
由于聚硅氧烷的表面為甲基基團(tuán)，所以它具有疏水性，因而可用于防水。
1.2.3 電性能
硅橡膠分子中的碳原子數(shù)比有機(jī)聚合物的少，所以其抗電弧性、耐漏電性非常好。加之，即便燃燒也會形成絕緣的硅，所以其電絕緣性優(yōu)異。
1.2.4 耐天候性
如表1所示。由于硅氧烷鍵能比紫外線能大，所以不容易產(chǎn)生因紫外線導(dǎo)致的老化。在耐臭氧性加速老化試驗(yàn)中，有機(jī)聚合物在數(shù)秒至數(shù)小時(shí)時(shí)間內(nèi)就會因老化而產(chǎn)生龜裂，而硅橡膠即使老化4周后只是強(qiáng)度稍有下降，并沒有產(chǎn)生龜裂，即它的耐臭氧性好(見表2)。酸雨是PH值約5.6的離子混合液，在人工酸雨試驗(yàn)(500倍)中采用了表3中的溶液。硅橡膠具有表4所示的優(yōu)良的抗化學(xué)藥品性，雖然將硅橡膠放在酸雨之類的混合液中也可能有不同的變化，但恐怕影響不大。
表2 硅橡膠的耐臭氧性
老化時(shí)間/d | 硬度變化/度 | 拉伸強(qiáng)度變化率/% | 伸長率變化率/% |
7 | 3 | -5 | 0 |
14 | 4 | -15 | -5 |
28 | 7 | -15 | -5 |
注：在常溫下，臭氧濃度為200PPm，向橡膠施加50%拉伸力，在這種狀態(tài)下即使老化28 d表面仍無龜裂。
表3 人工酸雨成分
成分 | 含量 |
NH-4Cl | 1.00 |
NaCl | 2.55 |
KCl | 0.18 |
HNO3 | 0.90 |
MgSO4 | 1.05 |
CASO4·2H2O | 0.90 |
單位：g/2 L去離子水。
表4 硅橡膠(VMQ)的抗化學(xué)藥品性(25℃，7d)
| 質(zhì)量變化/% | 容積變化/% | 硬度變化/度 |
酸 |
|
|
|
濃硝酸 | 10 | 10 | -30 |
7%硝酸 | < | <1 | -2 |
濃硫酸 | - | 分解 | - |
10%硫酸 | <1 | <1 | -2 |
冰醋酸 | 2 | 3 | -4 |
5%醋酸 | 4 | 4 | 8 |
濃鹽酸 | 1 | 1 | -6 |
10%鹽酸 | 1 | 4 | -4 |
3%鹽酸 | <1 | 1 | -2 |
堿 |
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濃氨水 | 2 | 2 | -4 |
10%氨水 | 3 | 2 | -6 |
鹽 |
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10%鹽水 | <1 | <1 | -2 |
其它 |
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水 | <1 | <1 | <1 |
1.2.5 長久變形
硅橡膠在室溫/高溫下的長久變形特性(長久伸長率和壓縮長久變形)比有機(jī)聚合物的好。
2 硅橡膠的分類
根據(jù)硫化前的特性硅橡膠可分為固態(tài)和液態(tài)兩類，還可以根據(jù)硫化機(jī)理分為過氧化物硫化、加成反應(yīng)硫化和縮合反應(yīng)硫化三類。固態(tài)和液態(tài)硅橡膠的差異在于聚硅氧烷的分子量。固態(tài)硅橡膠可以用過氧化物硫化和加成反應(yīng)中的任何一種反應(yīng)進(jìn)行硫化，通常稱為高溫硫化橡膠(HTV)和熱硫化橡膠(HCR)(見表5、6)。雖然用加成反應(yīng)硫化的液態(tài)硅橡膠材料在室溫下也可以硫化，但由于成型方法和硫化溫度不同而被稱為液態(tài)硅橡膠(LSR)、低溫硫化橡膠(LTV)和雙組分室溫硫化橡膠(RTV)等。在制造聚合物絕緣子時(shí)，通常可采用注射成型法和澆注成型法。
表5 硅橡膠的種類和簡稱
HTV：高溫硫化橡膠 |
HCR：熱硫化橡膠(高稠度橡膠) |
LSR：液態(tài)硅橡膠 |
LTV：低溫硫化橡膠 |
RTV2：雙組分室溫硫化橡膠 |
RTV1：單組分室溫硫化橡膠 |
表6 硫化溫度和硅橡膠種類
硫化溫度 | 硅橡膠的種類 |
高溫：140℃-200℃以上 | HTV、HCR、LSR |
低溫：40℃-140℃ | LSR、LTV |
室溫：0℃-40℃ | RTV2，RTV1 |
單組分縮合反應(yīng)型(濕空氣硫化)硅橡膠，可用于建筑用密封膠和電氣、電子產(chǎn)品等、在電力用途方面有用溶劑稀釋的常溫硫化型硅橡膠涂料，通過噴涂用作陶瓷絕緣體的保護(hù)材料。
3 聚合物絕緣體用硅橡膠
根據(jù)用途硅橡膠可分為若干種。表7、8列出了具有代表性的硅橡膠材料(固體型和液態(tài)型)。
表7 絕緣子用固體硅橡膠的特性
| HER-① | HCR-② | HCR-③ | HCR-④ | HCR-⑤ | HCR-⑥ | |
| 絕緣子用 | 制備零部件用 | |||||
抗高壓電弧 | 室內(nèi)用 | 室外用 | |||||
適用于4.5 kV | 高撕裂強(qiáng)度 | 高模量 | 低模量 | 適用于9.5 kV | 適用于4.5 kV | ||
可塑度 | mm×100 | 300 | 210 | 270 | 180 | 210 | 210 |
密度 | - | 1.52 | 1.11 | 1.12 | 1.09 | 1.18 | 1.19 |
硬度(JIS-A) | - | 68 | 35 | 42 | 32 | 42 | 44 |
拉伸強(qiáng)度 | MPa | 7.1 | 9.6 | 9.7 | 10 | 7.8 | 8.6 |
100%定伸應(yīng)力 | MPa | - | 0.6 | 0.9 | 0.5 | 0.6 | 1 |
伸長率 | % | 250 | 1030 | 750 | 1000 | 760 | 720 |
撕裂強(qiáng)度(新月形試樣) | N/mm | 8 | 23 | 38 | 21 | 32 | 34 |
體積電阻率 | Ω·cm | 4.4E+14 | - | - | 8.7E+15 | 1.8E+16 | 2.8E+16 |
絕緣破壞強(qiáng)度 | kV/mm | 23 | - | - | 23 | 29 | 25 |
長久伸長率a) | % | - | 6 | 3 | 8 | 8 | 8 |
電容率/110Hz | - | 3.9 | - | - | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
介質(zhì)損耗角正切/110 Hz | - | 0.03 | - | - | 5.00E-04 | 4.00E-03 | 2.70E-03 |
耐漏電痕跡性 | IEC60587 | 1A4.5 | - | - | - | 1A3.5 | 1A4.5 |
注：a)100℃/100%/7d。
表8 絕緣子用LSR型硅橡膠的特性
| LSR-① | LSR-② | LSR-③ | LSR-④ | |
| 絕緣子·制備零部件用 | ||||
硬度55度 | 硬度50度 | 硬度40度 | 硬度10空 | ||
透明度 | - | 半透明 | 半透明 | 半透明 | 半透明 |
粘度(0.9s-1) | Pa.s | 80a) | 1500b) | 1200b) | 1000b) |
粘度(10.0s-1) | Pa.s | - | 360b) | 320b) | 285b) |
密度 | - | 1.11 | 1.14 | 1.13 | 1.13 |
硬度(ASIV邵爾A) | - | 55 | 51 | 40 | 30 |
拉伸強(qiáng)度 | MPa | 7.0 | 11.0 | 10.0 | 9.0 |
伸長率 | % | 250 | 460 | 550 | 760 |
撕裂強(qiáng)度(ASTM口型B) | N/mm | 28 | 52 | 45 | 33 |
長久伸長率c) | % | - | - | 2 | 2 |
體積電阻率 | Ω·cm | 1.8E+15 | 5.0E+15 | 5.0E+15 | 5.0E+15 |
絕緣破壞強(qiáng)度 | kV/mm | 27 | 27 | 26 | 24 |
電容率(100Hz) | - | 2.7 | 2.8 | 2.8 | 2.8 |
介質(zhì)損耗角正切(100Hz) | - | 6.E-04 | 1.E-03 | 1.E-03 | 1.E-03 |
耐漏電痕跡性 | IEC60587 | 1A4.5 | 1A4.5 | 1A4.5 | 1A4.5 |
注：a)B型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，No.7轉(zhuǎn)子，10rpm；
b)CaiumedCSL粘度汁；
c)室溫/200%/48h。
3.1 含氫氧化鋁的硅橡膠
通過添加高填充量的氫氧化鋁(ATH)，可以獲得具有良好耐漏電痕跡性和抗電弧性的硅橡膠。填充50質(zhì)量份氫氧化鋁的硅橡膠具有合格的耐高電壓(4.5kV)的漏電痕跡性，而且具有良好的抗電弧性、耐天候性、耐鹽霧性和耐酸雨性等，可在鹽霧重的地區(qū)用作絕緣體材料。但是，由于這種硅橡膠為高填充ATH，所以其缺點(diǎn)是粘度高(可塑度)，機(jī)械強(qiáng)度低下等。
3.2 不含氫氧化鋁的硅橡膠
在沒有鹽霧的歐洲內(nèi)陸等地區(qū)，由于其污染程度小，所以可使用不填充ATH的硅橡膠。在這種場合，通過選擇適宜的硅橡膠，對白炭黑的表面進(jìn)行處理，添加可提高耐漏電痕跡性的配合劑等來提高其疏水性，滿足高壓耐漏電痕跡性要求。與含ATH的硅橡膠相比，它粘度較低、物理機(jī)械性能和電特性較為優(yōu)越。
3.3 室外電纜配件用
由于是室外用的電纜配件，所以必須具備耐漏電痕跡性。通過使用交聯(lián)密度經(jīng)過調(diào)整的聚合物即可得到具有低長久伸長率特性的材料，用于常溫下收縮(低溫收縮)的制品。
3.4 室內(nèi)電纜配件用
由于是室內(nèi)用的電纜配件，所以受鹽霧影響的可能性很小，故往往不需要具有耐漏電痕跡性能。在用于常溫下收縮(低溫收縮)的場合，仍然有必要具備低長久變形特性。
3.5 涂層用途
如果在污染嚴(yán)重的部分噴涂硅橡膠涂層，則可以長期保持良好的疏水性。也可根據(jù)污染程度對已設(shè)置的絕緣子進(jìn)行涂層，以達(dá)到繼續(xù)使用，節(jié)約成本的目的。*近有報(bào)導(dǎo)說，如果對硅橡膠絕緣子進(jìn)行涂層，則可進(jìn)一步保持絕緣子的疏水性。目前有涂層絕緣子和橡膠型絕緣子兩種類型。
4 結(jié)束語
以上介紹了聚合物絕緣子用硅橡膠材料。目前各研究機(jī)構(gòu)和廠家也在不斷地進(jìn)行研究和試驗(yàn)，如果在耐久性等試驗(yàn)中能夠證明其可靠性高，則可以預(yù)測硅橡膠絕緣子的應(yīng)用會進(jìn)一步擴(kuò)大。