Rezumat: Sunt descrise pe scurt principiul de reticulare, clasificarea, formularea, procesul și echipamentul materialului izolator din polietilenă reticulată cu silan pentru fire și cabluri, și sunt introduse câteva caracteristici ale materialului izolator din polietilenă reticulată natural cu silan în aplicații și utilizare, precum și factorii care afectează starea de reticulare a materialului.
Cuvinte cheie: Reticulare cu silan; Reticulare naturală; Polietilenă; Izolație; Sârmă și cablu
Materialul pentru cabluri din polietilenă reticulată cu silan este acum utilizat pe scară largă în industria cablurilor electrice ca material izolant pentru cablurile de joasă tensiune. Materialul utilizat în fabricarea cablurilor și sârmelor reticulate, precum și reticularea prin peroxid și iradiere, este simplu, ușor de utilizat, are costuri reduse și alte avantaje în comparație cu echipamentul de fabricație necesar, devenind principalul material pentru cablurile reticulate de joasă tensiune cu izolație.
1. Principiul reticulării materialelor de cablu cu silan reticulat
Există două procese principale implicate în producerea polietilenei reticulate cu silan: grefarea și reticularea. În procesul de grefare, polimerul își pierde atomul de H de pe atomul de carbon terțiar sub acțiunea inițiatorului liber și piroliza în radicali liberi, care reacționează cu gruparea –CH = CH2 a vinil silanului pentru a produce un polimer grefat care conține o grupare ester trioxisililic. În procesul de reticulare, polimerul grefat este mai întâi hidrolizat în prezența apei pentru a produce silanol, iar gruparea –OH se condensează cu gruparea Si-OH adiacentă pentru a forma legătura Si-O-Si, reticulând astfel macromoleculele polimerului.
2. Material de cablu reticulat cu silan și metoda sa de producție a cablurilor
După cum știți, există metode de producție în doi pași și într-o singură etapă pentru cablurile reticulate cu silan și cablurile aferente. Diferența dintre metoda în doi pași și metoda într-o singură etapă constă în locul în care se realizează procesul de grefare cu silan, procesul de grefare la producătorul de materiale pentru cabluri pentru metoda în doi pași și procesul de grefare în fabrica de cabluri pentru metoda într-o singură etapă. Materialul izolator din polietilenă reticulată cu silan în doi pași, cu cea mai mare cotă de piață, este compus din așa-numitele materiale A și B, materialul A fiind polietilena grefată cu silan, iar materialul B fiind amestecul principal de catalizator. Miezul izolator este apoi reticulat în apă caldă sau abur.
Există un alt tip de izolator de polietilenă reticulată cu silan în doi pași, în care materialul A este produs într-un mod diferit, prin introducerea de vinil silan direct în polietilenă în timpul sintezei pentru a obține polietilenă cu lanțuri ramificate de silan.
Metoda într-o singură etapă are, de asemenea, două tipuri. Procesul tradițional într-o singură etapă constă în utilizarea unei varietăți de materii prime conform formulei, în raport cu un sistem special de dozare de precizie, într-un extruder special conceput, pentru a finaliza altoirea și extrudarea miezului de izolație a cablului într-o singură etapă. În acest proces, fără granulare, fără a fi nevoie de participarea la o fabrică de materiale pentru cabluri, fabrica de cabluri îl poate finaliza singură. Acest echipament de producție de cabluri cu silan reticulat într-o singură etapă și tehnologia de formulare sunt în mare parte importate din străinătate și sunt scumpe.
Un alt tip de material izolant din polietilenă reticulată cu silan, produs într-o singură etapă, este cel produs de producătorii de materiale pentru cabluri. Toate materiile prime sunt amestecate, ambalate și vândute conform formulei, într-un raport special, conform unei metode speciale de amestecare. Nu există material A și material B. Instalația de cabluri poate fi introdusă direct în extruder pentru a finaliza simultan etapa de grefare și extrudare a miezului izolant al cablului. Caracteristica unică a acestei metode este că nu este nevoie de extrudere speciale costisitoare, deoarece procesul de grefare cu silan poate fi finalizat într-un extruder obișnuit pentru PVC, iar metoda în doi pași elimină necesitatea amestecării materialelor A și B înainte de extrudare.
3. Compoziția formulării
Formularea materialului de cablu din polietilenă reticulată cu silan este, în general, compusă din rășină de bază, inițiator, silan, antioxidant, inhibitor de polimerizare, catalizator etc.
(1) Rășina de bază este în general o rășină de polietilenă de joasă densitate (LDPE) cu un indice de topire (MI) de 2, dar recent, odată cu dezvoltarea tehnologiei rășinilor sintetice și presiunile legate de costuri, polietilena liniară de joasă densitate (LLDPE) a fost utilizată sau parțial utilizată ca rășină de bază pentru acest material. Diferite rășini au adesea un impact semnificativ asupra grefării și reticulării din cauza diferențelor în structura lor macromoleculară internă, astfel încât formularea va fi modificată prin utilizarea unor rășini de bază diferite sau a aceluiași tip de rășină de la diferiți producători.
(2) Inițiatorul utilizat în mod obișnuit este peroxidul de diizopropil (DCP). Cheia este de a înțelege amploarea problemei: o cantitate prea mică nu provoacă grefarea silanului; o cantitate prea mare provoacă reticularea polietilenei, ceea ce reduce fluiditatea acesteia, suprafața miezului izolant extrudat devine rugoasă, sistemul fiind dificil de comprimat. Deoarece cantitatea de inițiator adăugată este foarte mică și sensibilă, este important să o dispersați uniform, așa că, în general, se adaugă împreună cu silanul.
(3) Silanul este în general silan nesaturat de vinil utilizat, inclusiv vinil trimetoxisilanul (A2171) și vinil trietoxisilanul (A2151). Datorită ratei rapide de hidroliză a A2171, mai mulți oameni aleg A2171. În mod similar, există o problemă legată de adăugarea de silan, iar producătorii actuali de materiale pentru cabluri încearcă să atingă limita inferioară pentru a reduce costurile, deoarece silanul este importat și are un preț mai mare.
(4) Antioxidantul are rolul de a asigura stabilitatea procesării polietilenei și de a proteja cablul împotriva îmbătrânirii. Antioxidantul adăugat în procesul de grefare a silanului are rolul de a inhiba reacția de grefare. Prin urmare, în procesul de grefare, adăugarea de antioxidant trebuie făcută cu atenție, luând în considerare cantitatea adăugată și cantitatea de DCP selectată corespunzător. În procesul de reticulare în două etape, cea mai mare parte a antioxidantului poate fi adăugată în lotul principal de catalizator, ceea ce poate reduce impactul asupra procesului de grefare. În procesul de reticulare într-o singură etapă, antioxidantul este prezent în întregul proces de grefare, deci alegerea speciei și a cantității este mai importantă. Antioxidanții utilizați în mod obișnuit sunt 1010, 168, 330 etc.
(5) Se adaugă un inhibitor de polimerizare pentru a inhiba anumite reacții secundare ale procesului de grefare și reticulare. În procesul de grefare, adăugarea unui agent antireticulare poate reduce eficient apariția reticulării C2C, îmbunătățind astfel fluiditatea procesării. În plus, adăugarea unui grefat în aceleași condiții va fi precedată de hidroliza silanului pe inhibitorul de polimerizare, care poate reduce hidroliza polietilenei grefate, pentru a îmbunătăți stabilitatea pe termen lung a materialului grefat.
(6) Catalizatorii sunt adesea derivați organostanici (cu excepția reticulării naturale), cel mai frecvent fiind dilauratul de dibutilstaniu (DBDTL), care se adaugă în general sub formă de masterbatch. În procesul în două etape, grefa (materialul A) și masterbatch-ul catalizatorului (materialul B) sunt ambalate separat, iar materialele A și B sunt amestecate înainte de a fi adăugate în extruder pentru a preveni pre-reticularea materialului A. În cazul izolațiilor din polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă, polietilena din ambalaj nu a fost încă grefată, deci nu există nicio problemă de pre-reticulare și, prin urmare, catalizatorul nu trebuie ambalat separat.
În plus, pe piață există silani compuși disponibili, care sunt o combinație de silan, inițiator, antioxidant, anumiți lubrifianți și agenți anticoruptivi și sunt utilizați în general în metode de reticulare a silanului într-o singură etapă în instalațiile de cabluri.
Prin urmare, formularea izolației din polietilenă reticulată cu silan, a cărei compoziție nu este considerată a fi foarte complexă și este disponibilă în informațiile relevante, dar formulările de producție corespunzătoare, supuse unor ajustări pentru finalizare, necesită o înțelegere deplină a rolului componentelor în formulare și a legii impactului lor asupra performanței și a influenței lor reciproce.
În multitudinea de varietăți de materiale pentru cabluri, materialul pentru cabluri reticulat cu silan (fie în doi pași, fie într-un singur pas) este considerat a fi singura varietate de procese chimice care au loc în extrudare. Alte varietăți, cum ar fi materialul pentru cabluri din clorură de polivinil (PVC) și materialul pentru cabluri din polietilenă (PE), au un proces de granulare prin extrudare, care este un proces de amestecare fizică. Chiar dacă materialul pentru cabluri este reticulat chimic și prin iradiere, fie în procesul de granulare prin extrudare, fie în sistemul de extrudare a cablurilor, nu are loc niciun proces chimic, așa că, prin comparație, controlul procesului este mai important în producția de material pentru cabluri reticulat cu silan și în extrudarea izolației cablurilor.
4. Proces de producție a izolației din polietilenă reticulată cu silan în doi pași
Procesul de producție a materialului izolator A din polietilenă reticulată cu silan, în doi pași, poate fi reprezentat pe scurt în Figura 1.
Figura 1 Procesul de producție al materialului izolator din polietilenă reticulată cu silan în două etape A
Câteva puncte cheie în procesul de producție a izolației din polietilenă reticulată cu silan în două etape:
(1) Uscare. Deoarece rășina de polietilenă conține o cantitate mică de apă, atunci când este extrudată la temperaturi ridicate, apa reacționează rapid cu grupările silil pentru a produce reticulare, ceea ce reduce fluiditatea topiturii și produce pre-reticulare. Materialul finit conține și apă după răcirea cu apă, care poate provoca, de asemenea, pre-reticulare dacă nu este îndepărtată și trebuie, de asemenea, uscată. Pentru a asigura calitatea uscării, se utilizează o unitate de uscare profundă.
(2) Măsurare. Deoarece precizia formulării materialului este importantă, se utilizează în general un cântar de importare cu pierdere în greutate. Rășina de polietilenă și antioxidantul sunt măsurate și alimentate prin orificiul de alimentare al extruderului, în timp ce silanul și inițiatorul sunt injectate de o pompă pentru material lichid în al doilea sau al treilea cilindru al extruderului.
(3) Grefare prin extrudare. Procesul de grefare a silanului este finalizat în extruder. Setările procesului extruderului, inclusiv temperatura, combinația șuruburilor, viteza șuruburilor și rata de alimentare, trebuie să respecte principiul conform căruia materialul din prima secțiune a extruderului poate fi complet topit și amestecat uniform, atunci când nu se dorește descompunerea prematură a peroxidului, și că materialul complet uniform din a doua secțiune a extruderului trebuie să fie complet descompus, iar procesul de grefare trebuie finalizat. Temperaturile tipice ale secțiunii extruderului (LDPE) sunt prezentate în Tabelul 1.
Tabelul 1 Temperaturile zonelor extruderului în două etape
| Zona de lucru | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 ① | Zona 4 | Zona 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Zona de lucru | Zona 6 | Zona 7 | Zona 8 | Zona 9 | Matriță bucală |
| Temperatură °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①este locul unde se adaugă silanul.
Viteza șurubului extruderului determină timpul de rezidență și efectul de amestecare a materialului în extruder. Dacă timpul de rezidență este scurt, descompunerea peroxidului este incompletă; dacă timpul de rezidență este prea lung, vâscozitatea materialului extrudat crește. În general, timpul mediu de rezidență al granulei în extruder trebuie controlat, respectând timpul de înjumătățire al descompunerii inițiatorului de 5-10 ori. Viteza de alimentare nu numai că are un anumit impact asupra timpului de rezidență al materialului, ci și asupra amestecării și forfecării materialului, alegerea unei viteze de alimentare adecvate fiind, de asemenea, foarte importantă.
(4) Ambalare. Materialul izolant reticulat cu silan în două etape trebuie ambalat în pungi compozite din aluminiu-plastic, la aer direct, pentru a elimina umezeala.
5. Proces de producție a materialului izolant din polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă
Materialul izolant din polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă, datorită procesului de altoire, miezul izolației cablurilor este extrudat în fabricile de cabluri, astfel încât temperatura de extrudare a izolației cablurilor este semnificativ mai mare decât metoda în două etape. Deși formula izolației din polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă a fost pe deplin luată în considerare în ceea ce privește dispersia rapidă a inițiatorului și silanului și forfecarea materialului, procesul de altoire trebuie garantat de temperatură, ceea ce reprezintă o necesitate pentru alegerea corectă a temperaturii de extrudare de către fabrica de producție a izolației din polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă, iar temperatura generală de extrudare recomandată este prezentată în Tabelul 2.
Tabelul 2 Temperatura extruderului într-o singură etapă pentru fiecare zonă (unitate: ℃)
| Zonă | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Flanşă | Cap |
| Temperatură | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Acesta este unul dintre punctele slabe ale procesului de extrudare a cablurilor cu polietilenă reticulată cu silan într-o singură etapă, care, în general, nu este necesar la extrudarea cablurilor în două etape.
6. Echipamente de producție
Echipamentul de producție este o garanție importantă a controlului procesului. Producerea cablurilor reticulate cu silan necesită un grad foarte ridicat de precizie a controlului procesului, așadar alegerea echipamentului de producție este deosebit de importantă.
Producția de material izolant din polietilenă reticulată cu silan în două etape este un echipament de producție de materiale. În prezent, extruderele cu două șnecuri paralele izotrope autohtone sunt mai degrabă utilizate cu cântărire fără greutate importată. Astfel de dispozitive pot îndeplini cerințele de precizie a controlului procesului, alegerea lungimii și diametrului extruderului cu două șnecuri asigură timpul de staționare a materialului și alegerea cântăririi fără greutate importate asigură acuratețea ingredientelor. Desigur, există multe detalii ale echipamentului cărora trebuie să li se acorde atenție deplină.
Așa cum am menționat anterior, echipamentele de producție a cablurilor cu silan reticulat într-o singură etapă din fabrica de cabluri sunt importate, scumpe, iar producătorii autohtoni de echipamente nu au echipamente de producție similare, motivul fiind lipsa de cooperare dintre producătorii de echipamente și cercetătorii în formule și procese.
7. Material izolator din polietilenă reticulată naturală cu silan
Materialul izolator din polietilenă reticulată naturală cu silan, dezvoltat în ultimii ani, poate fi reticulat în condiții naturale în câteva zile, fără abur sau imersie în apă caldă. Comparativ cu metoda tradițională de reticulare cu silan, acest material poate reduce procesul de producție pentru producătorii de cabluri, reducând și mai mult costurile de producție și crescând eficiența producției. Izolația din polietilenă reticulată naturală cu silan este din ce în ce mai recunoscută și utilizată de producătorii de cabluri.
În ultimii ani, izolația internă din polietilenă reticulată naturală cu silan a ajuns la maturitate și a fost produsă în cantități mari, cu anumite avantaje de preț în comparație cu materialele importate.
7. 1 Idei de formulare pentru izolații din polietilenă reticulată natural cu silan
Izolațiile din polietilenă reticulată cu silan natural sunt produse într-un proces în doi pași, cu aceeași formulă constând din rășină de bază, inițiator, silan, antioxidant, inhibitor de polimerizare și catalizator. Formularea izolatorilor din polietilenă reticulată cu silan natural se bazează pe creșterea ratei de grefare a silanului în materialul A și pe selectarea unui catalizator mai eficient decât izolatorii din polietilenă reticulată cu silan în apă caldă. Utilizarea materialelor A cu o rată de grefare a silanului mai mare, combinată cu un catalizator mai eficient, va permite izolatorului din polietilenă reticulată cu silan să se reticuleze rapid chiar și la temperaturi scăzute și cu umiditate insuficientă.
Materialele A pentru izolatorii din polietilenă reticulată natural cu silan importat sunt sintetizate prin copolimerizare, unde conținutul de silan poate fi controlat la un nivel ridicat, în timp ce producerea de materiale A cu rate mari de grefare prin grefare de silan este dificilă. Rășina de bază, inițiatorul și silanul utilizați în rețetă ar trebui variați și ajustați în ceea ce privește varietatea și adaosul.
Selectarea rezistului și ajustarea dozajului acestuia sunt, de asemenea, cruciale, deoarece o creștere a ratei de grefare a silanului duce inevitabil la mai multe reacții secundare de reticulare CC. Pentru a îmbunătăți fluiditatea procesării și starea suprafeței materialului A pentru extrudarea ulterioară a cablurilor, este necesară o cantitate adecvată de inhibitor de polimerizare pentru a inhiba eficient reticularea CC și pre-reticularea anterioară.
În plus, catalizatorii joacă un rol important în creșterea ratei de reticulare și ar trebui selectați ca și catalizatori eficienți care conțin elemente fără metale de tranziție.
7. 2 Timpul de reticulare al izolațiilor din polietilenă reticulată natural cu silan
Timpul necesar pentru finalizarea reticulării izolației din polietilenă reticulată naturală cu silan în stare naturală depinde de temperatură, umiditate și grosimea stratului de izolație. Cu cât temperatura și umiditatea sunt mai mari, cu cât grosimea stratului de izolație este mai subțire, cu atât timpul de reticulare necesar este mai scurt, iar invers, cu atât timpul este mai lung. Deoarece temperatura și umiditatea variază de la o regiune la alta și de la un sezon la altul, chiar și în același loc și în aceeași oră, temperatura și umiditatea de astăzi și de mâine vor fi diferite. Prin urmare, în timpul utilizării materialului, utilizatorul trebuie să determine timpul de reticulare în funcție de temperatura și umiditatea locală și predominantă, precum și de specificațiile cablului și grosimea stratului de izolație.
Data publicării: 13 august 2022