Nanomaterials doped thin organic coatings for application of power transmition and cable industry

Abstract

Yüksek ve orta gerilim enerji nakil kabloları, dünyada ve Türkiye de çelik destekli alüminyum ve alüminyum alaşımlı metal kablolardan üretilmektedir. İletken malzeme olarak alüminyum, özellikle yüksek mekanik dayanım, düşük elektrik direnci ve ucuz olması nedeni ile tercih edilmektedir. İç kısımdaki (çekirdek) çelik halat mekanik yükleri taşırken, çelik halatı çevreleyen birkaç katmalı alüminyum demeti de elektrik akımını taşır. Bir diğer uygulama da ise korozyon önlemek amacı ile yağa batırılmış kendir (veya polipropilen) elyaf çekirdek etrafına sarılmış çelik halatlar yük taşıma ve çekme amacı ile kullanılmaktadır. Alüminyum iletken kablo ve çelik halat ürünleri, kullanımı sırasında sıklıkla nem, ısı, rüzgâr, kar, buz gibi çok değişken ve aşırı çevre şartlarına maruz kalmaktadır. Bunun sonucunda aşınmalara bağlı elektrik iletkenlik azalması, nakil hatlarından gelen duyulabilir seslerin radyo ve telefon hatlarında parazit yaratması, (broad band interference) ve neme bağlı korozyon oluşumları gözlemlenmektedir. Ayrıca özellikle nakil hatları üzerinde oluşan buzlanmalara bağlı olarak kopmalar ve istenmeyen malzeme uzamalarına ve nakil direklerinin hasara (eğilme, çökme vb) uğramasına neden olmaktadır. Aşınmaya dayanımı yüksek nano malzeme (partikül, lif vb) takviyeli yeni nesil ince kaplamalar ve kompozit malzemelerin özellikle son yıllarda kullanım alanları hızla artmıştır. Nano boyutlara inildiğinde artan yüzey alanı/hacim oranı malzemeyi daha aktif yaparak yüzey ve ara yüzeylerde daha farklı etkileşimlere neden olur. Bu çalışmada yüksek gerilim enerji nakil hatlarında kullanılan iletken alüminyum ve taşıma amaçlı kullanılan çelik halatların yüzeylerinde aşınmaya dayanıklı aktif nano kil içeren, korozyon ve buzlanmayı (hidrofobik) önleyici ince polimer nano kompozit kaplamaları üretilecektir. Nano kompozit kaplamalar, aktif madde içeren (anti-corrosion, anti-icing) tabakaları açılmış doğal nano killerin silikon tabanlı hidrofobik polisilikon bir reçinenin (Gelest Hard Sil, Dow chemical vb) solvent süspansiyonu içerisine disperse edilmesi ile elde edilecektir. Daha sonra alüminyum ve çelik halat yüzeyleri daldırma (dip coating) tekniği ile hareketli bir makara vasıtası ile süspansiyon içerisinden geçirilerek nano-kompozit kaplama uygulaması gerçekleştirilecektir. Kaplanan halatlar yine makaralar vasıtası ile bir ısı tünelinden geçirilerek 105 oC de 15 dakikada sertleştirilerek (curing) çapraz bağlama (cross-linking) gerçekleştirilecektir. Elde edilecek aktif katkı maddeli nano kompozit şeffaf kaplamalar 10-15 mikron kalınlıkta ve yüksek aşınma dayanımına (Taber 500 cycle 500g CS10F % 5 veya daha iyi) sahip olacaktır. Proje konu itibarı ile Tübitak tarafından belirlenmiş ve ülkemiz için ulusal öncelikli bilim konularından (UBTYS 2011-2016) olan nanoteknoloji alanındadır.

High and medium voltage power transmission cables in the world and in Turkey are produced from steel-backed aluminum and aluminum alloy metal cables. As for the conductive materials, especially aluminum is preferred due to its high mechanical strength, low electrical resistance and lower cost. The internal steel core of the wire carries the load while the aluminum beams surrounding the core carries the electrical current. In another application, steel wire surrounding the polymeric core (polypropylene or hemp) of which oiled against metal corrosion is also used for carrying and towing the load. Aluminum conductor cable and steel wire rope products are often exposed to moisture, heat, wind, snow, ice and extreme environmental conditions during their service life. As a result, the reduction in electrical conductivity due to loss of material (corrosion), audible noises interfering with transmission (broad band) and radio lines due to micro arcs and in particular wire break offs, elongations and pole bending and collapses are in common. The material properties changes dractically when size reduced to nano scale due to the increased volume to mass ratio at the surfaces and interfaces. In this work, opaque and wear resistant composite thin films reinforced with active material doped nano clay materials will be used to coat aluminum energy transfer cables and load bearing steel ropes for anti-corrosion and anti-icing purposes. Anti-corrosion and anti-icing nano composite coatings will be obtained with the dispersion of intercalated nano clays into the poly silicone matrix (Gelest HardSil or Dow 840). Then 10x10 cm sized aluminum metal plates will be dipped into poly silicon suspensions in order to produce robust thin films. The coated metal plates then will be heat cured at moderate temperatures (105oC) for 15 minutes in order for better adhesion to metal surface and cross linking as well. In this method, transparent coatings of 10-15 micron thick with high abrasion resistant will be achieved (Taber 500 500g CS10F cycle of 5% or better). This study is also supported by Ministry of Science, Industry and Technology in SANTEZ which its code is 1183.STZ.2012-1