HU197763B - Electric insulating material composition based on silicone rubber - Google Patents

Description

A találmány tárgya szilikongumi alapú villamos szigetelő kompozíció.

A szilikongumi villamos szigetelésként való alkalmazása mindjobban terjed. Kiváló hő-, nedvesség- és klímaállósága és igen jó villamos szigetelőképessége lehetővé teszi a megnövekedett követelmények kielégítését. A szilikongumi térhódítását segíti az a mind receptúrabeli, mind földolgozástechnikai fejlődés is, amelynek köszönhetően ma már a legjobb tulajdonságú szilikongumi termékeket is viszonylag kisebb beruházást igénylő berendezésekkel és aránylag egyszerűen lehet előállítani (Elastomerics (1980) Feb.

18., Gummi, Asbest, Kunstsoffe 36(1983) No.

9., 458—466). A földolgozás és a fölhasználás szempontjait messzemenően figyelembevevő szilikongumi alapanyagokat ugyanis a nagy cégek ma már számos, korábban hagyományos anyagokra és technológiára alapozott alkalmazás számára is elviselhető áron hozzák forgalomba. Mivel a szilikongumit egyébként is kiváló villamos szigetelőanyagként tartják számon, az eddigi fejlesztési törekvések inkább a nagyobb piaci szektorként jelentkező nem-villamos fölhasználok igényeit vették figyelembe, elsősorban az ár és a föl dolgozhatóság tekintetében. A másik oldalon, a kisebb fölvevőpiacot jelentő villamos szigeteléstechnika területén a szerkesztők gyorsan kihasználták a szilikongumi adta lehetőségeket és ma már olyan szilikongumiból készült szigetelő szerkezetek, pl. középfeszültségű kábel végelzárók kerülnek forgalomba, amelyek kimerítik a szilikongumival biztonsággal elérhető szigetelési lehetőségeket. De amint ismeretes, az erősáramú szigeteléstechnikában a kényszerítőén egyre nagyobb konstrukciók és anyagok újabb és újabb megjelenése a meghatározó irány és ezért a tervezők nem állhatnak meg az eddigi és gazdaságosan nagy tömegben gyártott szilikongumi kompozíciók adta szigeteléstechnikai lehetőségek korlátjánál. A továbblépés eddig egyetlen elvileg ismert iránya a szilikongumi szokásos kémiai összetételének olyan módosítása lehetnek, amely a kompozíciót ellenállóbbá tehetné a tartós, elsősorban nagyfeszültségű igénybevétellel szemben. Ilyen ismert elvi lehetőség pl. fenilcsoportok bevitele a polimerbe, oly módon, hogy a szilícium és oxigén atomokból álló lánchoz kapcsolódó szerves, általában metilcsoportok egy részét, kémiai reakcióval fenilcsoporttal helyettesítik, vagy méginkább, így építik fel. A villamos tartamszilárdság ilyen elven való, tehát recepturális javítása az irodalom szerint, csupán szilikon olajoknál („Study to Determine the Potential Use of Silicone Fluids in Transformers” Prepared by General Electric fór the US Department of Energy (1979) Contact No. EX-76-C-01-2115) hozott a valóságban is használható eredményt, amelyhez legalább kb. 25 mól% fenilcsoport alkalmazása szükséges. Az ehhez hasonló fölépítésű szilikongumik azonban, az elvileg 2 várható jobb villamos tartamszilárdság ellenére, a gyakorlatban mégsem terjedtek el, egyrészt jóval nagyobb áruk és szűkebb alkalmazhatósági körük, másrészt kevésbé előnyös mechanikai tulajdonságaik miatt (Lynch,

W.: Handbook of Silicone Rubber Fabrication, Van Nostrand, N. Y., 1978). A fenilcsoport, mint aromás szerkezetet mutató kémiai összetevő villamos tartamszilárdságot növelő hatása más területről, a közép- és nagyfeszültségű polietilén kábelszigetelések köréből is, önmagában jól ismert tény. Ezt a fenilcsoport elektronbefogó hajlamával magyarázzák (Eichorn, R. M.: IEEE Trans. on Electrical Insulation, EI-12, (1977) No.l.,

2—18.). Ugyancsak ezen szakterület gyakorlatából és irodalmából ismerjük azt is, hogy másféle, nem aromás jellegű adalékok, amelyek a polietilén mátrix anyagával korlátozottan összeférhetők, abban való vándorlási hajlamuk, azaz migrálásuk által javítják a villamos tartamszilárdságot. Ezt a védőhatást az óhatatlanul előforduló technológiai hibahelyek, pl. üregek — a szigetelés gyönge pontjai — migrálássai való kitöltésével magyarázzák (McMahon, E. J.: IEEE Trans. on Electrical Insulation, EI-16., (1981) No.

4., 304—318). Ugyancsak önmagában ismert tény, hogy a fenilcsoportot képviselő adalékanyagoknak már 0,1 —1,0%-os bevitele a polietilén szigetelőanyagba, a villamos tartamszilárdság tetemes javulását idézi elő (Aschraft, A. C. — Eichorn, R. M. — Shaw, R. G.: Proc. International IEEE Symposium on Electrical Insulation 186, (1976) Montreal), miközben a kismennyiségű adalék a gyártási anyagköltségeket csak igen kis mértékben növeli. Az ilyen természetű, villamos tartamszilárdságot javító adalék anyagokat feszültségstabilizátoroknak nevezik.

Mindezideig nem volt ismeretes azonban olyan megoldás, amely kihasználva az önmagában, a polietilén esetéből ismert elektronbefogó, aromás összetevő jó hatását, pl. a fenilcsoportot tartalmazó szilikon olajok fönti példáján bemutatott fokozott tartamszilárdságot, ilyenek adalékolásával, sziiikongumiból készült villamos szigetelőanyagok villamos tartamszilárdságát növelte volna. A villamos szigeteléstechnikában használatos előnyös földolgozási és végtermék tulajdonságú szilikongumi fajták sem tartalmaznak általában főtömegükben és szerkezetükben számottevő mennyiségű, kémiailag beépített aromás alkotórészt, mivel előnytelen mechanikai tulajdonságokat eredmé nyezne és ár szempontjából is hátrányos lenne.

Amint a fontiekből kitűnik, az előnyös hatású fenilcsoportok villamos szigetelő szilikongumiban való alkalmazása mindezideig tehát csak különleges recqptúrával, kémiailag beépítve, jelentős költségtöbblet árán és csak elvileg volt ismeretes, amit a fenilcsoportok helyhez, tehát a polimer lánchoz kö-2197763 tött volta a gyakorlatban még hátrányosabbá tett volna azáltal, hogy a szilikongumi szerves részének hányadát kellett volna fenilcsoporttal helyettesíteni, a kívánt, villamos tartamszilárdságot javító hatás eléréséhez. Ez a nagyobb fenilcsoporthányad viszont a gyakorlatban a föntiekben már ismertetett műszaki és gazdasági hátrányokat okozta volna.

Ezért a jelen találmány kidolgozásánál azt tűztük ki célul, hogy a szokásos összetételű, és nagyipari módszerekkel, tömeges fölhasználás céljára, gazdaságosan előállított szilikongumi alapanyagból kiindulóan, ahhoz elegyítéssel, kismennyiségű és így kis költségkihatású, elektronbefogó és vándorlásra képes adalékanyagot adva, javított villamos tartamszilárdságú szilikongumi szigetelőanyagot hozzunk létre.

Találmányunk kidolgozásánál abból a fölismerésből indultunk ki, hogy mivel a szilikongumi alapú szigetelés villamos feszültségigénybevétel okozta romlása is az óhatatlanul előforduló inhomogenitásokhoz kapcsolódóan kialakuló nagy helyi térerősségeknél föllépő belső kisülések, vagyis nagyobb energiára gerjesztett elektronok hatására vezethető vissza, ezért a villamos tartamszilárdság javítására a szilikongumi esetében nem feltétlenül szükséges a javító hatású, elektronbefogó jellegű kémiai csoportokat a polimer láncba beépíteni, hanem vándorlásra képes adalékanyag formájában, kevesebb ilyen anyag is hatásos lehet. A kedvező hatást tovább fokozhatjuk kihasználva az adalékolásnak a beépítéssel szembeni gazdaságosságát.

A találmány tehát addíciós típusú szilikongumi alapú villamos szigetelő kompozíció, amely a találmány szerint elektronbefogó és üregkitöltő feszültségstabilizátor adalékanyagként, a szilikongumi tömegére vonatkoztatott 0,1—3,0 t% fenilcsoportot tartalmazó szilikonolajat, célszerűen metil-fenil-szilikonolajat és a szilikonolajban, annak tömegére számítva, mint elektronbefogó hatást növelő adalékot 0,1 — 1 t% antracént tartalmaz.

Találmányunkat az alábbi kiviteli példákkal világítjuk meg részletesebben.

1. példa:

Föladatunk középfeszültségű, műanyagszigetelésű kábelhez föltolható típusú végelzáró szigetelőtestének készítése. Alapanyagként a Wacker cég ismert, akár szobahőmérsékleten, akár nagyobb hőmérsékleten, addíciós reakcióval térhálósodó, RTV ME-622 jelzésű, folyékony szállítási állapotú, kétkomponensű termékét használjuk. A komponenseket az ismert módon és arányban kell keverni, valamint földolgozni. A térhálósított anyag műszaki jellemzőit az 1. táblázat mutatja. A villamos tartamszilárdságot találmányunk szerint javító, elektronbefogó és migrálással üregkitöltő feszültségstabilizátorként Wacker gyártmányú, a 2. táblázat szerinti AP 200 jelű metil-fenil-szilikonolajat adalékolunk a B komponens hozzákeverésével egy ütemben, a vulkanizálandó keverékhez, annak össztőmegére számított 1 t%os mennyiségben, az olaj tömegére vonatkoztatva 0,5 t% antracén tartalommal. Az 1 t% szilikonolaj találmányunk szerinti adagolása nem változtatja meg mérhetően .a végterméknek az 1. táblázat szerinti műszaki jellemzőit. Lényegesen megjavítja viszont a villamos élettartamot, mivel csökkenti az ezt meghatározó ún. részleges kisülési szintet. Ennek méréséhez nem alkalmasak a szabványos, rövid feszültségigénybevételt jelentő átütési vizsgálatok. Amint már hangsúlyoztuk ugyanis, a feszültségstabilizátorok a villamos tartamszilárdságot, vagyis az élettartamot befolyásolják előnyösen. Az élettartam mérése pedig közismert módon, más technikát, valósághű próbatárgyat kíván. Ezért a feszültségstabilizáló hatás megméréséhez esetünkben pl. legcélszerűbben készre gyártott, a találmányunk szerint megjavított tulajdonságú szilikongumiból készült kábel végelzáró élettartam, vagy részleges kisülési szint meghatározását kell elvégezni az MSZ-05.48. 1405 szabvány 3.2.5 pontja szerint. Az ilyen mérés azt mutatta, hogy a 10 kV üzemi feszültségre méretezett, a találmányunk szerinti adalékolással megjavított anyagú szilikongumi kábelvégelzáró a DIN 57278/4 (VDE 0278/4) szabványok által megengedett 20 pC, továbbá az MSZ-05, 48.1405/1-80 szabvány által megengedett 5 pC értékek helyett, reprodukálhatóan csak mindezek töredékét, 1 pC értéket mutatott. Látható tehát, hogy éppen a szigetelések élettartamát döntő mértékben befolyásoló belső kisülések, részkisülések tekintetében a találmányunk szerinti, elektronbefogó és üregkitöltő, migráló szilikonolajjal adalékolt szilikongumiból készült kábel végelzáró lényegesen jobb, mint az anélkül, az eddigi megoldások szerint gyártott terméké. Ezt a villamos tartamszilárdságot, amelynek egyébkénti leromlását, ismeretes módon, éppen a belső részleges kisülések indítanák el, a találmányunk szerinti megoldás tehát azáltal javítja meg, hogy az elektronbefogás, vagyis a feszültségstabilizálás szempontjából hatásos kémiai csoportot, jelen esetben fenilcsoportot tartalmazó szilikonolaj adalék a belső, részleges kisülések keletkezésére alkalmas helyeken, pl. technológiai eredetű üregek felületén, légzárványokban földúsul migrálási hajlama folytán és így, a célnak megfelelő inhomogén eloszlása folytán ezeken a kritikus helyeken kellő mennyiségben van jelen ahhoz, hogy e'ektronbefogási föladatát teljesítse.

2. példa

A Wacker gyártmányú, VPR 3003/40-HTV jelű, melegen térhálósodó, sűrűn folyékony, kétkomponensű szilikongumi alapanyagából kültéri szigetelő szerkezet ernyőit állítjuk elő. A komponensek, valamint a keverék kezeléa

-3197763 se és földolgozása valamelyik alkalmas, ismert megoldás szerint történik. A térhálósított anyag műszaki jellemzőit az 1. táblázat mutatja. Mindezek fölhasználásával, a találmányunk szerinti villamos szigetelő szilikongumi kompozíció előállításához, az összanyagra vonatkoztatott 3 t% mennyiségben Wacker AP 100 jelű metil-fenil-szilikonolajat adalékolunk, amelyben az olajra számítva legfeljebb 1 t% mennyiségben antracén van eloszlatva. A szilikonolaj műszaki jellemzőit a 2. táblázat mutatja. Az antracén, ismert módon kiváló elektronbefogó tulajdonságú anyag, míg az összanyagra számolt legfeljebb 0,03 t%-os mennyiségben nem befolyásolja a szilikongumi egyéb tulajdonságait. Viszont a migráló szilikonolajban pl. 1 t%-os mennyiségben lévén, a kitüntetett hibahelyeknél feszültségstabilizáló hatást fejt ki.

A jelen példában szereplő kültéri szigetelőernyők anyagát próbalemezeken egyfajta kúszószilárdsági vizsgálattal szokás minősíteni. Az esetünkben alkalmazott, ismert kiindulási anyag, valamint ebből, a találmányunk szerinti adalékolással előállított szigetelő kompozíció próbalemezeit a vonatkozó IEC 587. Publication nemzetközi szabványjellegű ajánlás előírásai szerint összehasonlító vizsgálatnak vetettük alá. Reprodukálhatóan azt tapasztaltuk, hogy míg az ismert kiindulási, referencia anyag 2,5 kV-os értéket, addig a találmányunk szerinti adalékolással előállított szigetelő kompozíció 4,5 kV-os értéke mutatott, azonos vizsgálati körülmények között. A jelen példákban megadott, legcélszerűbb feszültségstabilizátor adalék menynyiség azonban nem lehet minden esetre érvényes. Az adalékolt szilíkonolaj mennyiségi aránya általában 0,1—3,0 t% között változhat. E tartomány alsó határát a gyakor1. Táblázat

Műszaki jellemző

Sűrűség g/cm^

Shoro A keménység,

DIN 53505

Húzószilárdság N/mm DIN 53504.SZ

Szakadási nyúlás % DIN 535Ó4.S3A o

Tépőszilárdság, N/mm ASTM D 624/B latilag észlelhető javító hatáshoz szükséges minimális mennyiség jelöli ki. A fölső határt az összeférhetőség szabja meg. Túl sok szilikonolaj adalékot ugyanis már nem képes az adott szilikongumi fölvenni, azt a fölületre nagymértékben és gyorsan kiizzadja és ezáltal lerontja a kábel végelzáró szigetelőteste és erőtérvezérlő elektródája között mindenkor kialakítandó tapadásos kapcsolat mi10 nőségét, amely a késztermék, mint szigetelés, minőségromlását is okozza.

Amint a fontiekből már kitűnt, a leghatásosabb feszültségstabilizálás az adalékolt elektronbefogó szilikonolaj enyhe migrálása esetén érhető el. Ez a mindenkori szilikongumi-szilikonolaj párosítására vonatkozóan, a szilikongumi szilikonolaj-fölvevő képességének fölső határát megközelítő mennyiségű gi arányt jelenti. Tudjuk azonban, hogy a gyakorlatban, a szilikongumi a migrálás szempontjából, az alappolimerből, töltőanyagokból és más segédanyagokból álló bonyolult rendszer, ahol pl. a töltőanyag viszonylagos mennyiségének, vagy akár minőségének változtatása egyben megváltoztatja a szilikongumi szilikonolaj-fölvevő képességét és ezáltal az olaj migrálási tulajdonságait is. Belátható, hogy ez a változás maga után von30 ja a legcélszerűbb feszültségstabilizáláshoz szükséges adalékmennyiség megváltozását is. Aláhúzza ennek jelentőségét még az a tény, hogy egyes céek olyan szilikongumi alappolimereket is szállítanak, amelyekbe a föl35 használó saját, esetleg különleges céljai szerint keverheti bele kiválasztott töltőanyagát, vagy akár töltőanyagkombinációját. Ezért minden lehetséges összetételre érvényes menynyiségi receptúrát nem adhatunk meg és ezért választottuk példaként az ismert, széles körben elterjedt szilikongumi esetét.

Wacker szilikongumi RTV-2 ME 622 VPR 3003/40

1,1	1,17
25	44
4,5 í 0,5	8,5
450 Í 50	650
10	28

-4197763

7 1. Táblázat /folytatás/ Műszaki jellemző	8 V-acker szilikongumi
RTV-	-2 ME 622	VPR	3003/40
Maradó alakváltozás %	10		25
(22h/175 °C) , DIN 53517 Villamos átütési szilárdság	20		24
kV/mm DIN 53483, VDE 0303 Dielektromos állandó	3,1		3,2
VDE 0303 (20 °C/50 Hz) Dislektromos veszteségi tényező	17Ο·1Ο~4		30»l0-4

VDE 0303 (20 °C/50 Hz)

2, Táblázat

Műszaki jellemző

Kémiai jelleg

Viszkozitás 25 ^vC-on, mnT/s Sűrűség 25 °C-on Lobbanáspont DIN 51376, °C Dermedéspont °C Törésmutató 25 °C-on Fajhő 25 °C-on, 0/g °C Hővezetés 50 °C-on, W/K*m

Hőtágulási együttható, 0-158 C cm^/cm ·°0 85·1Ο*5

Felületi feszültség 25 °C-on mN/m 25

Dielektromos állandó 2,9 (25 °C, 10²Hz)

Villamos átütési szilárdság kV/mm >15

Dielektromos veszteségi tényező (25 °C, 10²Hz) 0 ,0004

Wacker szilikonolaj AP 100 AP 200 metil-fenil 100 í 5 ,06-1,075

270

1,492-1,507 1 ,46 0 ,14 metil-fenil 200 t 10

1,08-1,09

280

1,499-1,507 1,46 0,14

82·1θ5

2,9 >15 ,000

Claims (1)

1. SZABADALMI IGÉNYPONT

   Addiciós típusú szilikongumi alapú villamos szigetelő kompozíció, amelynél a térhálósított szilikongumi sűrűsége 1,1-1,2 g/ /cm³, Shore A keménysége 25—45, húzószilárdsága 4—9 N/mm², szakadási nyúlása 400—600%, tépőszilárdsága Itt—28 N/mm², maradó alakváltozása 10—25%, villamos átütési szilárdsága 20—24 kV/mm, dielekt197763 romos állandója 3,1—3,2, dielektromos veszteségi tényezője 3· 10^—* — 170· 10~⁴, azzal jellemezve, hogy elektronbefogó és migrálással üregkitöltő feszültségstabilizátor adalék5 anyagként, a szilikongumi alapú kompozíció tömegére vonatkoztatott 0,1—3,0 t% rendcsoportot tartalmazó metil-fenil-szilikonolajat és a szilikonolajra számítva — mint elektronbefogó hatást növelő adalékot — 0,1 — !0 1 t% anira^ént tartalmaz.