硫化体系对橡胶电绝缘性的影响
表1 各种橡胶(生胶)的电性能
橡胶是一种电的不良导体,天然橡胶和大多数合成橡胶都具有很高的电阻率,所以一般把橡胶视为电绝缘材料。当对橡胶试样施加电压时,自由运动的离子或电子等带电载体进行移动,或者电子和离子等产生位移,或者偶极子产生定向等。电绝缘性高,就表示这种离子或电子等带电载体难以运动。电阻率很高时,电荷不能顺利通过。电绝缘橡胶广泛用于各种橡胶电绝缘制品,例如各种电线、电缆、绝缘护套、高压输电线路用的绝缘子、绝缘胶带、绝缘手套、电视机的高压帽、绝缘阻燃楔子以及工业上和日常生活用品中的各种电绝缘橡胶制品。电绝缘性一般通过绝缘电阻(体积电阻率和表面电阻率)、介电常数、介电损耗、击穿电压等基本电性能指标来表征和判断。
橡胶的电绝缘性与橡胶的分子结构有关,它主要取决于分子极性的大小。通常非极性橡胶例如夭然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶的电绝缘性较好。其中硅橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶高压电绝缘性能较奷,而且耐热性、耐臭氧、耐气候老化性能也比较好,是常用的电绝缘胶种。天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶以及它们的并用胶,只能用于中低压产品。它们不仅耐热性和耐臭氧老化性能较差,而且丁苯橡胶、顺丁橡胶在合成过程中加入的乳化剂等残余物都是电介质,特别是水溶性离子对电绝缘性影响很大,因此这些橡胶用作电绝缘橡胶时,应严格控制其纯度。
极性橡胶不宜用作电绝缘橡胶,尤其是高压电绝缘制品。但氯丁橡胶、氯磺化氯乙烯橡胶、氯化丁基橡胶由于具有良好的耐气候老化性能,故可用于低绝缘程度的户外电绝缘制品。氟橡胶、氯醇橡胶、丁腈橡胶以及丁腈橡胶/聚氯乙烯的共混胶,可分别用作耐热、耐油、阻燃的电绝缘橡胶。各种橡胶(生胶)的电性能见表1。
图2 NR硫磺用量与电性能的关系(25℃，1KC)
硫化体系对橡胶的电绝缘性有重要影响,不同类型的交联键,可使硫化胶产生不同的偶极矩。单硫键、双硫键、多硫键、碳碳键,其分子的偶极矩各不相同,因此电绝缘性也不同。天然橡胶、丁苯橡胶等通用橡胶,一般多以硫黄硫化体系为主。以天然橡胶为基础的硫化胶的电性能与硫黄用量的关系见图2。随着硫黄用量的增加,初期电导率(y)下降;当硫黄用量达到18质量份时,电导率呈最大值;再增加硫黄用量时,电导率又急剧下降。其介电常数(ε)和介电损耗(tanδ),随硫黄用量增加而增大;当硫黄用量达到10~14质量份时,出现最大值;超过该用量时,ε和tanδ又下降,电绝缘性又变好。尽管硫黄用量较大时能改善硫化胶的电绝缘性,但其耐热性大为降低。所以综合考虑,在软质绝缘橡胶中,以采用低硫或无硫硫化体系较为适宜。
以丁基橡胶为基础的电绝缘橡胶,最好使用醌肟硫化体系。常用的醌肟硫化体系有对苯醌二肟/促进剂DM和二苯二甲酰苯醌二肟/硫黄(0.1质量份以下)。使用对苯醌二肟时,胶料的电性能优良,但容易焦烧。二苯二甲酰苯醌二肟具有与对苯醌二肟相近的性能,但能显著改善焦烧性能。由于醌肟硫化剂硫化时必须首先氧化成二亚硝基苯,因此,该硫化体系中还必须加入氧化剂如一氧化铅、铅丹等。加入促进剂DM、促进剂M可提高交联效率,改善胶料的焦烧性能。表2是典型的醌肟硫化体系丁基橡胶电绝缘制品配方。
表2 丁基橡胶绝缘制品配方
对某些力学性能要求较高而电性能要求不高的低压产品用丁基橡胶,可使用硫黄-促进剂硫化体系,其组成(质量份)为:硫黄0.5,促进剂TMTD1,ZDC3,促进剂M1使用醌肟硫化剂和过氧化物硫化的乙丙橡胶,电绝缘性和耐热性都比较优越。用过氧化物硫化时,与三烯丙基氰脲酸酯、二苯二甲酰苯醌二肟、少量硫黄等并用,可进一步改善其电绝缘性。促进剂以采用二硫代氨基甲酸盐类和噻唑类较好,秋兰姆类次之。碱性促进剂会增加胶料的吸水性,从而使电绝缘性下,一般不宜使用。极性大和吸水性大的促进剂,会导致介电性能恶化,也不宜使用。
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