Резюме: Накратко са описани принципът на омрежване, класификацията, формулировката, процесът и оборудването за получаване на изолационен материал от силан омрежен полиетилен за проводници и кабели, като са представени някои характеристики на изолационния материал от силан, естествено омрежен полиетилен, в приложението и употребата му, както и фактори, влияещи върху състоянието на омрежване на материала.
Ключови думи: омрежване със силан; естествено омрежване; полиетилен; изолация; проводници и кабели
Силан омреженият полиетиленов кабелен материал сега се използва широко в кабелната индустрия като изолационен материал за нисковолтови силови кабели. Материалът при производството на омрежени проводници и кабели, както и омрежването с пероксид и облъчване, в сравнение с необходимото производствено оборудване, е прост, лесен за работа, с ниска цялостна цена и други предимства, което го е превърнало във водещ материал за нисковолтови омрежени кабели с изолация.
1. Принцип на омрежване на кабелен материал, омрежен със силанова киселина
Има два основни процеса, свързани с производството на силанов омрежен полиетилен: присаждане и омрежване. В процеса на присаждане полимерът губи своя водороден атом върху третичния въглероден атом под действието на свободен инициатор и пиролиза до свободни радикали, които реагират с –CH = CH2 групата на винил силана, за да се получи присаден полимер, съдържащ триоксисилилова естерна група. В процеса на омрежване присаденият полимер първо се хидролизира в присъствието на вода, за да се получи силанол, а –OH кондензира със съседната Si-OH група, за да образува Si-O-Si връзката, като по този начин се омрежват полимерните макромолекули.
2. Силан омрежен кабелен материал и методът му за производство на кабели
Както знаете, съществуват двуетапни и едноетапни методи за производство на кабели, омрежени със силан, и техните кабели. Разликата между двуетапния и едноетапния метод се състои в това къде се извършва процесът на присаждане на силан - при двуетапния метод процесът на присаждане е при производителя на кабелен материал, а при едноетапния метод - в завода за производство на кабели. Двуетапният изолационен материал от полиетилен, омрежен със силан, с най-голям пазарен дял е съставен от така наречените материали А и Б, като материал А е полиетиленът, присаден със силан, а материал Б е катализаторната мастербач. След това изолационната сърцевина се омрежва в топла вода или пара.
Съществува и друг вид двуетапен силанов омрежен полиетиленов изолатор, при който материалът А се произвежда по различен начин, чрез въвеждане на винил силан директно в полиетилена по време на синтеза, за да се получи полиетилен с разклонени силанови вериги.
Едноетапният метод също има два вида. Традиционният едноетапен процес включва различни суровини, съгласно формулата в съотношение, подавани чрез специална прецизна дозираща система. Тези суровини се подават в специално проектиран екструдер в една стъпка, за да се завърши присаждането и екструдирането на изолационното ядро на кабела. В този процес не се извършва гранулиране, не е необходимо участието на завода за кабелни материали, а заводът за кабели го извършва самостоятелно. Това едноетапно оборудване и технология за производство на силаново омрежени кабели се внасят предимно от чужбина и са скъпи.
Друг вид едноетапен изолационен материал от омрежен полиетилен със силанов омрежен метод се произвежда от производители на кабелни материали. Всички суровини се смесват по формула в съотношение, опаковани и продавани чрез специален метод. Няма материал А и материал Б. Кабелната инсталация може да бъде директно в екструдера, за да се извърши едновременно присаждане и екструдиране на кабелната изолационна сърцевина. Уникалната характеристика на този метод е, че няма нужда от скъпи специални екструдери, тъй като процесът на присаждане на силанов омрежен материал може да се извърши в обикновен PVC екструдер. Двуетапният метод елиминира необходимостта от смесване на материали А и Б преди екструдиране.
3. Състав на формулата
Формулата на кабелния материал от омрежен полиетилен със силанова основа обикновено се състои от основна смола, инициатор, силан, антиоксидант, инхибитор на полимеризацията, катализатор и др.
(1) Основната смола обикновено е полиетилен с ниска плътност (LDPE) с индекс на топене (MI) 2, но напоследък, с развитието на технологията за синтетични смоли и натиска върху разходите, линейният полиетилен с ниска плътност (LLDPE) също се използва или частично се използва като основна смола за този материал. Различните смоли често имат значително влияние върху присаждането и омрежването поради разликите във вътрешната им макромолекулна структура, така че формулировката ще бъде модифицирана чрез използване на различни основни смоли или един и същ вид смола от различни производители.
(2) Често използваният инициатор е диизопропилов пероксид (DCP). Ключът е да се разбере количеството на проблема. Твърде малко количество, за да се предизвика присаждане на силана, не е достатъчно; твърде много количество, за да се предизвика омрежване на полиетилен, което намалява неговата течливост, повърхността на екструдираната изолационна сърцевина става грапава и е трудно да се изстиска системата. Тъй като количеството на добавения инициатор е много малко и чувствително, е важно да се разпредели равномерно, така че обикновено се добавя заедно със силана.
(3) Силанът обикновено се използва като винил ненаситен силан, включително винилтриметоксисилан (A2171) и винилтриетоксисилан (A2151). Поради бързата хидролиза на A2171, хората избират A2171 по-често. Също така, има проблем с добавянето на силан и настоящите производители на кабелни материали се опитват да намалят разходите си, тъй като силанът се внася, което го прави по-скъп.
(4) Антиоксидантът е предназначен да осигури стабилността на полиетилена при обработка и устойчив на стареене на кабели. Добавянето на антиоксидант в процеса на присаждане на силана има ролята да инхибира реакцията на присаждане, така че при присаждането е необходимо внимателно добавяне на антиоксидант, като се взема предвид количеството на добавения DCP, съответстващо на избраното количество. При двуетапния процес на омрежване, по-голямата част от антиоксиданта може да се добави към катализаторната мастербач, което може да намали въздействието върху процеса на присаждане. При едноетапния процес на омрежване, антиоксидантът присъства в целия процес на присаждане, така че изборът на вид и количество е по-важен. Най-често използваните антиоксиданти са 1010, 168, 330 и др.
(5) Инхибиторът на полимеризацията се добавя, за да се инхибират някои странични реакции при процеса на присаждане и омрежване. Добавянето на антиомрежващ агент в процеса на присаждане може ефективно да намали появата на C2C омрежване, като по този начин подобри флуидността на обработката. Освен това, добавянето на присадка при същите условия ще бъде предшествано от хидролизата на силана върху инхибитора на полимеризацията, който може да намали хидролизата на присадения полиетилен, за да се подобри дългосрочната стабилност на присадения материал.
(6) Катализаторите често са органотинни производни (с изключение на естественото омрежване), като най-често срещаният е дибутилкалаен дилаурат (DBDTL), който обикновено се добавя под формата на мастербач. В двуетапния процес присаденият материал (материал А) и мастербачът на катализатора (материал Б) се опаковат отделно и материалите А и Б се смесват, преди да бъдат добавени към екструдера, за да се предотврати предварителното омрежване на материал А. В случай на едноетапни изолации от силаново омрежен полиетилен, полиетиленът в опаковката все още не е присаден, така че няма проблем с предварителното омрежване и следователно катализаторът не е необходимо да се опакова отделно.
Освен това на пазара се предлагат смесени силани, които са комбинация от силан, инициатор, антиоксидант, някои лубриканти и антимедни агенти и обикновено се използват в едноетапни методи за омрежване на силан в кабелни инсталации.
Следователно, формулировката на изолация от силанов омрежен полиетилен, чийто състав не се счита за много сложен и е налична в съответната информация, но подходящите производствени формулировки подлежат на някои корекции с цел финализиране, което изисква пълно разбиране на ролята на компонентите във формулировката и закона за тяхното въздействие върху производителността и тяхното взаимно влияние.
При многото разновидности на кабелните материали, силановият омрежен кабелен материал (двуетапен или едноетапен) се счита за единствения вид химичен процес, протичащ при екструдирането. При други разновидности, като например поливинилхлориден (PVC) кабелен материал и полиетиленов (PE) кабелен материал, процесът на екструдиране и гранулиране е физически процес на смесване. Дори при химическото омрежване и облъчване, кабелният материал не се омрежва чрез омрежване, независимо дали става дума за екструдиране или екструдиране на кабелна система. Така че, в сравнение с производството на силанови омрежен кабелен материал и екструдирането на кабелна изолация, контролът на процеса е по-важен.
4. Двуетапен процес на производство на изолация от силаново омрежен полиетилен
Производственият процес на двуетапната изолация от силаново омрежен полиетилен А може да бъде накратко представен на Фигура 1.
Фигура 1 Производствен процес на двуетапен изолационен материал от силаново омрежен полиетилен A
Някои ключови моменти в производствения процес на двуетапна изолация от силаново омрежен полиетилен:
(1) Сушене. Тъй като полиетиленовата смола съдържа малко количество вода, когато се екструдира при високи температури, водата реагира бързо със силилните групи, за да се получи омрежване, което намалява течливостта на стопилката и води до предварително омрежване. Готовият материал също съдържа вода след охлаждане с вода, която също може да причини предварително омрежване, ако не се отстрани, и също трябва да се изсуши. За да се гарантира качеството на сушенето, се използва дълбоко сушилня.
(2) Дозиране. Тъй като точността на формулата на материала е важна, обикновено се използва вносна везна за измерване на загуба на тегло. Полиетиленовата смола и антиоксидантът се измерват и подават през захранващия отвор на екструдера, докато силанът и инициаторът се инжектират от помпа за течен материал във втория или третия цилиндър на екструдера.
(3) Екструзионно присаждане. Процесът на присаждане на силана се извършва в екструдера. Настройките на процеса на екструдера, включително температура, комбинация от шнекове, скорост на шнека и скорост на подаване, трябва да следват принципа, че материалът в първата секция на екструдера може да бъде напълно разтопен и равномерно смесен, когато не е желателно преждевременно разлагане на пероксида, и че напълно равномерният материал във втората секция на екструдера трябва да бъде напълно разложен и процесът на присаждане да е завършен. Типичните температури на секциите на екструдера (LDPE) са показани в Таблица 1.
Таблица 1 Температури на зоните на двустъпковия екструдер
| Работна зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 ① | Зона 4 | Зона 5 |
| Температура P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Работна зона | Зона 6 | Зона 7 | Зона 8 | Зона 9 | Уста умира |
| Температура °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①е мястото, където се добавя силан.
Скоростта на екструдера определя времето на престой и ефекта на смесване на материала в екструдера. Ако времето на престой е кратко, разграждането на пероксида е непълно; ако времето на престой е твърде дълго, вискозитетът на екструдирания материал се увеличава. Като цяло, средното време на престой на гранулите в екструдера трябва да се контролира в рамките на периода на полуразпад на инициатора от 5 до 10 пъти. Скоростта на подаване не само има определено влияние върху времето на престой на материала, но и върху смесването и смилането на материала, така че изборът на подходяща скорост на подаване също е много важен.
(4) Опаковка. Двуетапно омреженият силанов изолационен материал трябва да бъде опакован в алуминиево-пластмасови композитни торби на директен достъп на въздух, за да се елиминира влагата.
5. Едноетапен процес на производство на изолационен материал от силаново омрежен полиетилен
Едноетапният изолационен материал от омрежен полиетилен със силанов метод на присаждане, тъй като се използва в екструдирането на изолационното ядро на кабела в завода за кабели, температурата на екструдиране на изолацията на кабела е значително по-висока от тази при двуетапния метод. Въпреки че формулата за едноетапна изолация от омрежен полиетилен със силанов метод е била напълно взета предвид при бързото разпръскване на инициатора и силана, както и при срязване на материала, процесът на присаждане трябва да бъде гарантиран от температурата. Производствените предприятия за едноетапна изолация от омрежен полиетилен със силанов метод многократно подчертават важността на правилния избор на температура на екструдиране. Общата препоръчителна температура на екструдиране е показана в Таблица 2.
Таблица 2 Температура на едностъпковия екструдер за всяка зона (единица: ℃)
| Зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 | Зона 4 | Фланец | Глава |
| Температура | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Това е една от слабостите на едноетапния процес на омрежен полиетилен със силанова киселина, който обикновено не се изисква при екструдиране на кабели в два етапа.
6. Производствено оборудване
Производственото оборудване е важна гаранция за контрол на процеса. Производството на силанови омрежени кабели изисква много висока степен на точност на контрол на процеса, така че изборът на производствено оборудване е особено важен.
Производство на двуетапен изолационен материал от силанов омрежен полиетилен. Оборудването за производство на материали, в момента по-често използвано в домашни условия, е изотропен паралелен двушнеков екструдер с вносно безтегловно претегляне. Такива устройства могат да отговорят на изискванията за точност на контрол на процеса, избор на дължина и диаметър на двушнековия екструдер, за да се гарантира времето на престой на материала, и избор на вносно безтегловно претегляне, за да се гарантира точността на съставките. Разбира се, има много детайли на оборудването, на които трябва да се обърне пълно внимание.
Както бе споменато по-рано, оборудването за производство на едноетапни силанови омрежени кабели в кабелните заводи е вносно и скъпо. Местните производители на оборудване нямат подобно производствено оборудване. Причината е липсата на сътрудничество между производителите на оборудване и изследователите на формули и процеси.
7. Изолационен материал от естествен омрежен полиетилен от силан
Изолационният материал от естествено омрежен полиетилен Silane, разработен през последните години, може да бъде омрежен при естествени условия в рамките на няколко дни, без потапяне в пара или топла вода. В сравнение с традиционния метод за омрежване със силан, този материал може да съкрати производствения процес за производителите на кабели, като допълнително намали производствените разходи и увеличи ефективността на производството. Изолацията от естествено омрежен полиетилен Silane е все по-разпознаваема и използвана от производителите на кабели.
През последните години, домашната изолация от естествен омрежен полиетилен със силанов натурално е узряла и се произвежда в големи количества, с определени предимства в цената в сравнение с вносните материали.
7. 1 Идеи за формулиране на изолации от естествено омрежен полиетилен със силанова основа
Изолациите от естествен омрежен полиетилен със силан се произвеждат в двуетапен процес, като формулата е състояща се от базова смола, инициатор, силан, антиоксидант, инхибитор на полимеризацията и катализатор. Формулировката на изолатори от естествен омрежен полиетилен със силан се основава на увеличаване на скоростта на присаждане на силан на материала А и избор на по-ефективен катализатор от изолаторите от полиетилен, омрежен в топла вода със силан. Използването на материали А с по-висока скорост на присаждане на силан, комбинирано с по-ефективен катализатор, ще позволи на изолатора от омрежен полиетилен със силан да се омрежи бързо дори при ниски температури и с недостатъчна влага.
А-материалите за вносни изолатори от естествено омрежен полиетилен, базирани на силанов полимер, се синтезират чрез съполимеризация, при която съдържанието на силан може да се контролира на високо ниво, докато производството на А-материали с висока степен на присаждане чрез присаждане на силан е трудно. Основната смола, инициаторът и силанът, използвани в рецептата, трябва да бъдат разнообразни и коригирани по отношение на разнообразие и добавяне.
Изборът на резист и регулирането на неговата доза също са от решаващо значение, тъй като увеличаването на скоростта на присаждане на силана неизбежно води до повече странични реакции на омрежване с CC. За да се подобри течливостта на обработка и състоянието на повърхността на материала А за последваща екструзия на кабели, е необходимо подходящо количество инхибитор на полимеризацията, за да се инхибира ефективно омрежването с CC и предварителното омрежване.
Освен това, катализаторите играят важна роля за увеличаване на скоростта на омрежване и трябва да бъдат избрани като ефективни катализатори, съдържащи елементи без преходни метали.
7. 2 Време за омрежване на изолации от естествено омрежен полиетилен със силанова киселина
Времето, необходимо за завършване на омрежването на изолацията от естествен омрежен полиетилен със силанов състав в естественото ѝ състояние, зависи от температурата, влажността и дебелината на изолационния слой. Колкото по-висока е температурата и влажността, толкова по-тънка е дебелината на изолационния слой, толкова по-кратко е необходимото време за омрежване, а обратното - колкото по-дълго. Тъй като температурата и влажността варират в различните региони и от сезон на сезон, дори на едно и също място и по едно и също време, температурата и влажността днес и утре ще бъдат различни. Следователно, по време на употреба на материала, потребителят трябва да определи времето за омрежване според местната и преобладаващата температура и влажност, както и спецификацията на кабела и дебелината на изолационния слой.
Време на публикуване: 13 август 2022 г.