絕緣子為什麼用矽橡膠
從十九世紀後半葉開始，在架設輸電線路時，**適用於高壓的絕緣材料是陶瓷和玻璃。進入廿世紀40年代，由於高分子材料的問世，陶瓷和玻璃已不再是優選的絕緣體材料，歐美國家著手研究聚合物絕緣子。而後對電絕緣體的物理性能、電性能、長期可靠性和*佳形狀進行了研究，且生產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，矽橡膠從60年代開始就有了實用業績，在幾種聚合物中脫穎而出。矽橡膠絕緣子比陶瓷絕緣子具有更多的優勢。首先，它重量輕，容易操作且**；另外，陶瓷絕緣子經常遭受破裂的困擾，一種衝擊它就會破損。而矽橡膠絕緣子則能抗擊車輛碰撞電線桿之類的機械衝擊。
雖然其它高分子材料也具有以上所介紹的優點，但隻有矽橡膠不會對環境造成太大的汙染。聚合物絕緣子能防水，因而就不會發生因水滴落下而發生漏電和表麵電弧現象。矽橡膠絕緣子的防水性比其它聚合物絕緣子恢複得快，是一種在惡劣環境中能長期使用的耐久性材料。
文中對高壓電絕緣用的矽橡膠的特征進行說明，並介紹*近的發展趨勢。
1 矽橡膠的特征
1.1 矽氧烷健的化學特征
1.1.1 化學性能穩定的化學鍵
矽橡膠的主鏈是由矽氧烷(Si-O)鏈構成的。由於這種鍵上的Si、O的負電性分彆為1.8與3.5，差異很大，所以形成如圖1(略)所示的極化結構，它具有離子鍵性質。這樣，Si-O的鍵能比C-C鍵能高(見表1)。另外，①由於主鏈離子鍵的性質，而使側鏈甲基C-H的離子性質減弱，不容易受其它分子攻擊，所以其化學穩定性好；②由於Si不會形成雙鍵和三鍵，所以難以形成主鏈分解的起點(由於這一原因致使Si-C鍵相當穩定)，進而導致矽橡膠的主鏈更加穩定。
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
矽氧烷的鍵角(Si-O-Si)大(130°-160°)，其自由度比有機聚合物(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，聚合物分子整體運動容易(容易變形)。
(3)螺旋結構(圖2(略))
由於聚矽氧烷呈螺旋結構，主鏈上的矽氧烷鍵因離子鍵引力向內，外側是側鏈相互作用弱的甲基，所以聚矽氧烷分子間引力變小。
1.2 矽橡膠的特性
根據1.1節介紹的化學特征，矽橡膠有如下特征，它可用於高壓電絕緣場合。
1.2.1 耐熱和耐寒性
由於矽橡膠的鍵能高、化學穩定性好，所以其耐熱性比有機聚合物的好。再者，由於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使用，其特性都不會變化。
1.2.2 防水性
由於聚矽氧烷的表麵為甲基基團，所以它具有疏水性，因而可用於防水。
1.2.3 電性能
矽橡膠分子中的碳原子數比有機聚合物的少，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矽，所以其電絕緣性優異。
1.2.4 耐天候性
如表1所示。由於矽氧烷鍵能比紫外線能大，所以不容易產生因紫外線導致的老化。在耐臭氧性加速老化試驗中，有機聚合物在數秒至數小時時間內就會因老化而產生龜裂，而矽橡膠即使老化4周後隻是強度稍有下降，並冇有產生龜裂，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(500倍)中采用了表3中的溶液。矽橡膠具有表4所示的優良的抗化學藥品性，雖然將矽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 矽橡膠的耐臭氧性
老化時間/d | 硬度變化/度 | 拉伸強度變化率/% | 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，在這種狀態下即使老化28 d表麵仍無龜裂。
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 矽橡膠(VMQ)的抗化學藥品性(25℃，7d)
| 質量變化/% | 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
矽橡膠在室溫/高溫下的長久變形特性(長久伸長率和壓縮長久變形)比有機聚合物的好。
2 矽橡膠的分類
根據硫化前的特性矽橡膠可分為固態和液態兩類，還可以根據硫化機理分為過氧化物硫化、加成反應硫化和縮合反應硫化三類。固態和液態矽橡膠的差異在於聚矽氧烷的分子量。固態矽橡膠可以用過氧化物硫化和加成反應中的任何一種反應進行硫化，通常稱為高溫硫化橡膠(HTV)和熱硫化橡膠(HCR)(見表5、6)。雖然用加成反應硫化的液態矽橡膠材料在室溫下也可以硫化，但由於成型方法和硫化溫度不同而被稱為液態矽橡膠(LSR)、低溫硫化橡膠(LTV)和雙組分室溫硫化橡膠(RTV)等。在製造聚合物絕緣子時，通?？刹捎米⑸涑尚头ê蜐沧⒊尚头?。
表5 矽橡膠的種類和簡稱
HTV：高溫硫化橡膠 |
HCR：熱硫化橡膠(高稠度橡膠) |
LSR：液態矽橡膠 |
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 硫化溫度和矽橡膠種類
硫化溫度 | 矽橡膠的種類 |
高溫：140℃-200℃以上 | HTV、HCR、LSR |
低溫：40℃-140℃ | LSR、LTV |
室溫：0℃-40℃ | RTV2，RTV1 |
單組分縮合反應型(濕空氣硫化)矽橡膠，可用於建築用密封膠和電氣、電子產品等、在電力用途方麵有用溶劑稀釋的常溫硫化型矽橡膠塗料，通過噴塗用作陶瓷絕緣體的保護材料。
3 聚合物絕緣體用矽橡膠
根據用途矽橡膠可分為若乾種。表7、8列出了具有代表性的矽橡膠材料(固體型和液態型)。
表7 絕緣子用固體矽橡膠的特性
| HER-① | HCR-② | HCR-③ | HCR-④ | HCR-⑤ | HCR-⑥ | |
| 絕緣子用 | 製備零部件用 | |||||
抗高壓電弧 | 室內用 | 室外用 | |||||
適用於4.5 kV | 高撕裂強度 | 高模量 | 低模量 | 適用於9.5 kV | 適用於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 |
拉伸強度 | MPa | 7.1 | 9.6 | 9.7 | 10 | 7.8 | 8.6 |
100%定伸應力 | MPa | - | 0.6 | 0.9 | 0.5 | 0.6 | 1 |
伸長率 | % | 250 | 1030 | 750 | 1000 | 760 | 720 |
撕裂強度(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型矽橡膠的特性
| LSR-① | LSR-② | LSR-③ | LSR-④ | |
| 絕緣子·製備零部件用 | ||||
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 |
拉伸強度 | MPa | 7.0 | 11.0 | 10.0 | 9.0 |
伸長率 | % | 250 | 460 | 550 | 760 |
撕裂強度(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 |
絕緣破壞強度 | kV/mm | 27 | 27 | 26 | 24 |
電容率(100Hz) | - | 2.7 | 2.8 | 2.8 | 2.8 |
介質損耗角正切(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型旋轉粘度計，No.7轉子，10rpm；
b)CaiumedCSL粘度汁；
c)室溫/200%/48h。
3.1 含氫氧化鋁的矽橡膠
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矽橡膠。填充50質量份氫氧化鋁的矽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，可在鹽霧重的地區用作絕緣體材料。但是，由於這種矽橡膠為高填充ATH，所以其缺點是粘度高(可塑度)，機械強度低下等。
3.2 不含氫氧化鋁的矽橡膠
在冇有鹽霧的歐洲內陸等地區，由於其汙染程度小，所以可使用不填充ATH的矽橡膠。在這種場合，通過選擇適宜的矽橡膠，對白炭黑的表麵進行處理，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的矽橡膠相比，它粘度較低、物理機械性能和電特性較為優越。
3.3 室外電纜配件用
由於是室外用的電纜配件，所以必須具備耐漏電痕跡性。通過使用交聯密度經過調整的聚合物即可得到具有低長久伸長率特性的材料，用於常溫下收縮(低溫收縮)的製品。
3.4 室內電纜配件用
由於是室內用的電纜配件，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。在用於常溫下收縮(低溫收縮)的場合，仍然有必要具備低長久變形特性。
3.5 塗層用途
如果在汙染嚴重的部分噴塗矽橡膠塗層，則可以長期保持良好的疏水性。也可根據汙染程度對已設置的絕緣子進行塗層，以達到繼續使用，節約成本的目的。*近有報導說，如果對矽橡膠絕緣子進行塗層，則可進一步保持絕緣子的疏水性。目前有塗層絕緣子和橡膠型絕緣子兩種類型。
4 結束語
以上介紹了聚合物絕緣子用矽橡膠材料。目前各研究機構和廠家也在不斷地進行研究和試驗，如果在耐久性等試驗中能夠證明其可靠性高，則可以預測矽橡膠絕緣子的應用會進一步擴大。