電気トラッキングによるシリコーンゴムの表面構造変化
シリコーンゴムの電気トラッキング劣化メカニズムを明らかにする最前線の科学ニュース
背景紹介:研究の動機と課題
電力輸送と配電システムの急速な発展に伴い、高分子複合絶縁体は従来のガラスやセラミック絶縁体に取って代わり、屋外高電圧送電分野において第一選択の材料となっています。その中でも、シリコーンゴムを基盤とした複合絶縁体は、軽量、高耐熱性、化学的安定性、そして疎水性能(hydrophobicity)の優れた性能でエンジニアリング界で高く評価されています。これらは生産・設置の過程で高いコストパフォーマンスを持つだけでなく、長期の運用においても卓越した耐老化性能を発揮します。しかし、これらの絶縁材料は実際の運用条件下で、電気的および環境的ストレス(高電圧や多様な気象要因、塩霧腐食など)を受けることで徐々に劣化し、最終的には設備の故障、さらには電力網全体の障害を引き起こす可能性があります。そのため、シリコーンゴム材料の劣化メカニズムを深く理解し、劣化に伴う材料構造の重要な変化を研究することは、科学的にも応用的にも大きな意義を持ちます。
この課題に対応するため、本研究は実際の変電設備のシリコーンゴムサンプルを基盤として、電気トラッキング試験(tracking wheel test)を通じて、長期の運用において環境や電気ストレスが材料に引き起こす表面構造変化をシミュレーションしました。また、最新の分光技術、特に減衰全反射フーリエ変換赤外分光法(Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR FT-IR)および二次元相関分光法(Two-dimensional Correlation Spectroscopy, 2D-COS)を駆使して、これらの劣化過程における分子構造変化のパターンを探求しました。本研究により、電気・環境的ストレス下で材料が示すマクロからミクロへの構造変化のダイナミクスを明らかにし、最終的には絶縁体の寿命予測およびその加工プロセスの最適化のための科学的基盤を提供することを目指しました。
出典および研究者
本論文は、Harpreet Kaur、Kavin Bhuvan、Rajkumar Padmawar、およびDennis K. Horeによって執筆されました。著者はそれぞれカナダのビクトリア大学化学科(Department of Chemistry, University of Victoria)、ASASoft Canada Inc.、およびビクトリア大学コンピュータサイエンス学科(Department of Computer Science, University of Victoria)に所属しています。本研究は《Applied Spectroscopy》誌に掲載され、特集テーマは「二次元相関分光法(Two-dimensional Correlation Spectroscopy, 2D-COS)」、2025年79巻第1号、記事番号199–205です。
研究プロセスの詳細な報告
実験設計と主要手法
本研究は、高度に制御された一連の実験プロセスを通じて、電気トラッキングの影響を受けた際のシリコーンゴム複合絶縁体の表面および分子レベルの劣化現象を探究しました。具体的な実験の設計は以下の通りです。
サンプル調製と実験プロセス:
- 本実験では、15kVの複合シリコーンゴム絶縁体5個が選ばれました。各絶縁体は清掃処理後、電気トラッキングホイール(tracking wheel)に固定され、実験が行われました。
- トラッキングホイール実験では、高塩濃度(1.4 g/L NaCl溶液)と高電圧(12.5kV)の環境での絶縁体の動的な動作条件がシミュレートされました。全体の実験設計は湿潤サイクル(各絶縁体が40秒間溶液に浸漬される)と乾燥サイクル(稼働後の電気冷却段階)を含み、最終的に累積で20,000〜30,000回の追跡サイクルが行われました。
分光評価と接触角測定:
- 実験では、ATR FT-IRを用いて500 cm⁻¹から3700 cm⁻¹の赤外特性吸収バンドを測定し、材料表面の異なる官能基の吸収変化を分析しました。また、二次元相関分光法(2D-COS)を利用して、同期および非同期面から官能基の分解シーケンスを検討しました。
- 静的接触角測定により材料の疎水性変化を評価しました。去離子水の液滴5つの接触角値が記録され、平均値を統計しました。
データ分析方法:
- 二次元分光中の交差ピークの詳細を解析するため、Paretoスケーリング法を適用しました。
- 材料が外部ストレスに反応した際の分子順序は、Nodaルールに基づき、同期および非同期スペクトルの交差ピークの符号を用いて区別されました。
研究結果と解析内容の詳細
ATR FT-IR の測定結果:
- 研究では、シリコーンゴムサンプルが電気トラッキングにさらされた後、異なる官能基を表す赤外吸収ピークの強度が顕著に減少することが発見されました。具体的には、Si-O-Si主鎖ピーク(1010 cm⁻¹)、ATHフィラー中のAl-Oおよびヒドロキシルピーク(555、663、733 cm⁻¹および3200〜3700 cm⁻¹)、およびメチル側鎖(例:789、1262、2965 cm⁻¹)の吸収が持続的に減少していました。
- この現象は、材料の劣化が主鎖の分解、フィラーの分解(酸化アルミニウム結晶の生成)、および表面の硬化を含むことを示しています。
接触角測定と疎水性の回復:
- 接触角は、元のサンプルの91°から30,000サイクル後の材料では99°に増加しました。これにより、高塩濃度および電気ストレス環境下でシリコーンゴムの表面疎水性が向上することが示されました。この変化は、微視的な構造の粗さの増加(ロータス効果に似た現象)によるものとされています。
2D-COSによる分子変化順序の解析:
- 低周波領域における官能基変化の順序は、次の通りでした:ATHのAl-Oおよびヒドロキシル > Si-O-Si主鎖 > メチル側鎖。
- 高周波領域では、ヒドロキシルの異なる吸収ピークの減少には順序があり、3520 cm⁻¹は3620 cm⁻¹よりも先に変化しました。
- 低周波と高周波領域を合わせて解析した結果、ATHフィラーの急速な劣化が最初に見られ、次にシリコーンゴム主鎖の分解、最後に表面メチル官能基の変化が起こることが明らかになりました。
結論および科学的意義
本研究は、高塩濃度と電気トラッキング環境下でのシリコーン複合絶縁体の表面および分子構造変化を体系的に研究しました。研究結果によると、高電圧長期運用における材料の表面劣化は、フィラーの分解や脱落、主鎖の酸化、および表面硬化を含むことが明らかになりました。本研究の結論は以下の多方面で意義を持ちます: - 科学的意義:極端環境下での材料劣化メカニズムを深く理解することで、絶縁体の最適設計や性能予測のための理論基盤を提供します。 - 応用的意義:電力企業や高圧送電網の材料寿命予測に物理モデルの基盤を提供し、事故の削減やメンテナンスコストの低減に寄与します。
研究のハイライトと意義
- 研究手法の革新性:2D-COS技術を用いて、劣化プロセス中の官能基のダイナミックな変化順序を初めて包括的に分析しました。特に、フィラーとマトリックスの相互作用の破壊過程に焦点を当てました。
- 実際の課題解決への寄与:現行の電気絶縁材料が複雑な動作環境において分子構造の安定性と機能劣化に直面する動的な規則性を解明しました。
将来的な展開の可能性
今後、本研究はさらに広範囲の環境変数(極端な紫外線、酸性雨など)に拡張され、人工知能による予測アルゴリズムと組み合わせることで、高分子絶縁材料の寿命予測と材料配合の最適化に向けてより精密なツールを提供する可能性があります。