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绝缘子为什么用硅橡胶

日期:2020-01-19 02:28
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摘要:
绝缘子为什么用硅橡胶
成都森发橡塑有限公司专业生产硅橡胶混炼胶,乙丙橡胶混炼胶。www.seafar.cn
从十九世纪后半叶开始,在架设输电线路时,唯壹适用于高压的绝缘材料是陶瓷和玻璃。进入廿世纪40年代,由于高分子材料的问世,陶瓷和玻璃已不再是优选的绝缘体材料,欧美国家着手研究聚合物绝缘子。而后对电绝缘体的物理性能、电性能、长期可靠性和*佳形状进行了研究,且生产率也得到了不断的提高。

   可以代替陶瓷和玻璃的高分子材料中,硅橡胶从60年代开始就有了实用业绩,在几种聚合物中脱颖而出。硅橡胶绝缘子比陶瓷绝缘子具有更多的优势。首先,它重量轻,容易操作且安全;另外,陶瓷绝缘子经常遭受破裂的困扰,一种冲击它就会破损。而硅橡胶绝缘子则能抗击车辆碰撞电线杆之类的机械冲击。

   虽然其它高分子材料也具有以上所介绍的优点,但只有硅橡胶不会对环境造成太大的污染。聚合物绝缘子能防水,因而就不会发生因水滴落下而发生漏电和表面电弧现象。硅橡胶绝缘子的防水性比其它聚合物绝缘子恢复得快,是一种在恶劣环境中能长期使用的耐久性材料。

   文中对高压电绝缘用的硅橡胶的特征进行说明,并介绍*近的发展趋势。

    1  硅橡胶的特征

    1.1  硅氧烷健的化学特征

    1.1.1  化学性能稳定的化学键

   硅橡胶的主链是由硅氧烷(Si-O)链构成的。由于这种键上的Si、O的负电性分别为1.8与3.5,差异很大,所以形成如图1(略)所示的极化结构,它具有离子键性质。这样,Si-O的键能比C-C键能高(见表1)。另外,①由于主链离子键的性质,而使侧链甲基C-H的离子性质减弱,不容易受其它分子攻击,所以其化学稳定性好;②由于Si不会形成双键和三键,所以难以形成主链分解的起点(由于这一原因致使Si-C键相当稳定),进而导致硅橡胶的主链更加稳定。

    图1  电子分布(略)

    表1  链能比较  键能(kj/mol)

Si-O

420

C-C

350

紫外线(300 nm)

400

    1.1.2  高柔软性聚合物

   硅氧烷的键角(Si-O-Si)大(130°-160°),其自由度比有机聚合物(C-C,C:110°)的高。而Si-O键距离(1.64A)也比C-C的(1.5A)大。也就是说,聚合物分子整体运动容易(容易变形)。

    (3)螺旋结构(图2(略))

   由于聚硅氧烷呈螺旋结构,主链上的硅氧烷键因离子键引力向内,外侧是侧链相互作用弱的甲基,所以聚硅氧烷分子间引力变小。

    1.2  硅橡胶的特性

   根据1.1节介绍的化学特征,硅橡胶有如下特征,它可用于高压电绝缘场合。

    1.2.1  耐热和耐寒性

   由于硅橡胶的键能高、化学稳定性好,所以其耐热性比有机聚合物的好。再者,由于分子间相互作用力弱,所以玻璃化温度低,耐寒性也好。因此,在地球上的任何地区使用,其特性都不会变化。

    1.2.2  防水性

   由于聚硅氧烷的表面为甲基基团,所以它具有疏水性,因而可用于防水。

    1.2.3  电性能

   硅橡胶分子中的碳原子数比有机聚合物的少,所以其抗电弧性、耐漏电性非常好。加之,即便燃烧也会形成绝缘的硅,所以其电绝缘性优异。

    1.2.4  耐天候性

   如表1所示。由于硅氧烷键能比紫外线能大,所以不容易产生因紫外线导致的老化。在耐臭氧性加速老化试验中,有机聚合物在数秒至数小时时间内就会因老化而产生龟裂,而硅橡胶即使老化4周后只是强度稍有下降,并没有产生龟裂,即它的耐臭氧性好(见表2)。酸雨是PH值约5.6的离子混合液,在人工酸雨试验(500倍)中采用了表3中的溶液。硅橡胶具有表4所示的优良的抗化学药品性,虽然将硅橡胶放在酸雨之类的混合液中也可能有不同的变化,但恐怕影响不大。

    表2  硅橡胶的耐臭氧性

老化时间/d

硬度变化/度

拉伸强度变化率/%

伸长率变化率/%

7

3

-5

0

14

4

-15

-5

28

7

-15

-5

   注:在常温下,臭氧浓度为200PPm,向橡胶施加50%拉伸力,在这种状态下即使老化28 d表面仍无龟裂。

    表3  人工酸雨成分

成分

含量

NH­4Cl

1.00

NaCl

2.55

KCl

0.18

HNO3

0.90

MgSO4

1.05

CASO4·2H2O

0.90

    单位:g/2 L去离子水。

    表4  硅橡胶(VMQ)的抗化学药品性(25℃,7d)

 

质量变化/%

容积变化/%

硬度变化/度

 

 

 

浓硝酸

10

10

-30

7%硝酸

<

<1

-2

浓硫酸

-

分解

-

10%硫酸

<1

<1

-2

冰醋酸

2

3

-4

5%醋酸

4

4

8

浓盐酸

1

1

-6

10%盐酸

1

4

-4

3%盐酸

<1

1

-2

 

 

 

浓氨水

2

2

-4

10%氨水

3

2

-6

 

 

 

10%盐水

<1

<1

-2

其它

 

 

 

<1

<1

<1

    1.2.5  长久变形

   硅橡胶在室温/高温下的长久变形特性(长久伸长率和压缩长久变形)比有机聚合物的好。

    2  硅橡胶的分类

   根据硫化前的特性硅橡胶可分为固态和液态两类,还可以根据硫化机理分为过氧化物硫化、加成反应硫化和缩合反应硫化三类。固态和液态硅橡胶的差异在于聚硅氧烷的分子量。固态硅橡胶可以用过氧化物硫化和加成反应中的任何一种反应进行硫化,通常称为高温硫化橡胶(HTV)和热硫化橡胶(HCR)(见表5、6)。虽然用加成反应硫化的液态硅橡胶材料在室温下也可以硫化,但由于成型方法和硫化温度不同而被称为液态硅橡胶(LSR)、低温硫化橡胶(LTV)和双组分室温硫化橡胶(RTV)等。在制造聚合物绝缘子时,通常可采用注射成型法和浇注成型法。

    表5  硅橡胶的种类和简称

HTV:高温硫化橡胶

HCR:热硫化橡胶(高稠度橡胶)

LSR:液态硅橡胶

LTV:低温硫化橡胶

RTV2:双组分室温硫化橡胶

RTV1:单组分室温硫化橡胶

    表6  硫化温度和硅橡胶种类

硫化温度

硅橡胶的种类

高温:140℃-200℃以上

HTV、HCR、LSR

低温:40℃-140℃

LSR、LTV

室温:0℃-40℃

RTV2,RTV1

   单组分缩合反应型(湿空气硫化)硅橡胶,可用于建筑用密封胶和电气、电子产品等、在电力用途方面有用溶剂稀释的常温硫化型硅橡胶涂料,通过喷涂用作陶瓷绝缘体的保护材料。

    3  聚合物绝缘体用硅橡胶

   根据用途硅橡胶可分为若干种。表7、8列出了具有代表性的硅橡胶材料(固体型和液态型)。

    表7  绝缘子用固体硅橡胶的特性

 

HER-①

HCR-②

HCR-③

HCR-④

HCR-⑤

HCR-⑥

 

绝缘子用

制备零部件用

抗高压电弧

室内用

室外用

适用于4.5 kV

高撕裂强度

高模量

低模量

适用于9.5 kV

适用于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

拉伸强度

MPa

7.1

9.6

9.7

10

7.8

8.6

100%定伸应力

MPa

-

0.6

0.9

0.5

0.6

1

伸长率

%

250

1030

750

1000

760

720

撕裂强度(新月形试样)

N/mm

8

23

38

21

32

34

体积电阻率

Ω·cm

4.4E+14

-

-

8.7E+15

1.8E+16

2.8E+16

绝缘破坏强度

kV/mm

23

-

-

23

29

25

长久伸长率a)

%

-

6

3

8

8

8

电容率/110Hz

-

3.9

-

-

3.0

3.0

3.0

介质损耗角正切/110 Hz

-

0.03

-

-

5.00E-04

4.00E-03

2.70E-03

耐漏电痕迹性

IEC60587

1A4.5

-

-

-

1A3.5

1A4.5

   注:a)100/100%/7d。

    表8  绝缘子用LSR型硅橡胶的特性

 

LSR-①

LSR-②

LSR-③

LSR-④

 

绝缘子·制备零部件用

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邵尔A)

-

55

51

40

30

拉伸强度

MPa

7.0

11.0

10.0

9.0

伸长率

%

250

460

550

760

撕裂强度(ASTM口型B)

N/mm

28

52

45

33

长久伸长率c)

%

-

-

2

2

体积电阻率

Ω·cm

1.8E+15

5.0E+15

5.0E+15

5.0E+15

绝缘破坏强度

kV/mm

27

27

26

24

电容率(100Hz)

-

2.7

2.8

2.8

2.8

介质损耗角正切(100Hz)

-

6.E-04

1.E-03

1.E-03

1.E-03

耐漏电痕迹性

IEC60587

1A4.5

1A4.5

1A4.5

1A4.5

   注:a)B型旋转粘度计,No.7转子,10rpm;

    b)CaiumedCSL粘度汁;

    c)室温/200%/48h。

    3.1  含氢氧化铝的硅橡胶

   通过添加高填充量的氢氧化铝(ATH),可以获得具有良好耐漏电痕迹性和抗电弧性的硅橡胶。填充50质量份氢氧化铝的硅橡胶具有合格的耐高电压(4.5kV)的漏电痕迹性,而且具有良好的抗电弧性、耐天候性、耐盐雾性和耐酸雨性等,可在盐雾重的地区用作绝缘体材料。但是,由于这种硅橡胶为高填充ATH,所以其缺点是粘度高(可塑度),机械强度低下等。

    3.2  不含氢氧化铝的硅橡胶

   在没有盐雾的欧洲内陆等地区,由于其污染程度小,所以可使用不填充ATH的硅橡胶。在这种场合,通过选择适宜的硅橡胶,对白炭黑的表面进行处理,添加可提高耐漏电痕迹性的配合剂等来提高其疏水性,满足高压耐漏电痕迹性要求。与含ATH的硅橡胶相比,它粘度较低、物理机械性能和电特性较为优越。

    3.3  室外电缆配件用

   由于是室外用的电缆配件,所以必须具备耐漏电痕迹性。通过使用交联密度经过调整的聚合物即可得到具有低长久伸长率特性的材料,用于常温下收缩(低温收缩)的制品。

    3.4  室内电缆配件用

   由于是室内用的电缆配件,所以受盐雾影响的可能性很小,故往往不需要具有耐漏电痕迹性能。在用于常温下收缩(低温收缩)的场合,仍然有必要具备低长久变形特性。

    3.5  涂层用途

   如果在污染严重的部分喷涂硅橡胶涂层,则可以长期保持良好的疏水性。也可根据污染程度对已设置的绝缘子进行涂层,以达到继续使用,节约成本的目的。*近有报导说,如果对硅橡胶绝缘子进行涂层,则可进一步保持绝缘子的疏水性。目前有涂层绝缘子和橡胶型绝缘子两种类型。

    4  结束语

   以上介绍了聚合物绝缘子用硅橡胶材料。目前各研究机构和厂家也在不断地进行研究和试验,如果在耐久性等试验中能够证明其可靠性高,则可以预测硅橡胶绝缘子的应用会进一步扩大。