1. Wprowadzenie
EVA to skrót od kopolimeru etylenu i octanu winylu, polimeru poliolefinowego. Ze względu na niską temperaturę topnienia, dobrą płynność, polarność i brak pierwiastków halogenowych, jest kompatybilny z różnymi polimerami i proszkami mineralnymi. Łączy w sobie szereg właściwości mechanicznych i fizycznych, właściwości elektryczne i zrównoważoną wydajność przetwarzania, a przy tym charakteryzuje się niską ceną. Podaż na rynku jest wystarczająca, dzięki czemu może być stosowany zarówno jako materiał izolacyjny do kabli, jak i jako wypełniacz i materiał osłonowy; może być również przetwarzany w tworzywo termoplastyczne oraz w termoutwardzalny materiał sieciujący.
EVA ma szeroki zakres zastosowań, z dodatkiem środków zmniejszających palność można ją przetworzyć na bezhalogenowe materiały o niskiej zawartości dymu lub na barierę dla paliwa halogenowego; wybierając EVA o wysokiej zawartości VA jako materiał bazowy, można również wytwarzać materiał odporny na olej; wybierając EVA o umiarkowanym wskaźniku płynięcia, dodaj 2 do 3 razy więcej wypełnienia EVA, środki zmniejszające palność mogą być wykorzystane do uzyskania bardziej zrównoważonej wydajności procesu wytłaczania i ceny materiału barierowego (wypełnienia).
W artykule omówiono właściwości strukturalne tworzywa EVA, wprowadzenie jego zastosowań w przemyśle kablowym oraz perspektywy rozwoju.
2. Właściwości strukturalne
Podczas produkcji syntezy, zmiana stosunku stopnia polimeryzacji n/m może dać zawartość VA od 5 do 90% EVA; zwiększenie całkowitego stopnia polimeryzacji może dać masę cząsteczkową od dziesiątek tysięcy do setek tysięcy EVA; zawartość VA poniżej 40%, z powodu obecności częściowej krystalizacji, słabej elastyczności, powszechnie znanej jako tworzywo EVA; gdy zawartość VA jest większa niż 40%, powstaje elastomer gumowy bez krystalizacji, powszechnie znany jako guma EVM.
1. 2 Właściwości
Łańcuch cząsteczkowy EVA jest liniową strukturą nasyconą, dzięki czemu charakteryzuje się dobrą odpornością na starzenie cieplne, warunki atmosferyczne i ozon.
Główny łańcuch cząsteczki EVA nie zawiera wiązań podwójnych, pierścienia benzenowego, grup acylowych, aminowych ani innych grup łatwo ulegających dymieniu podczas spalania. Łańcuchy boczne również nie zawierają grup metylowych, fenylowych, cyjanowych i innych, które łatwo ulegają dymieniu podczas spalania. Ponadto sama cząsteczka nie zawiera halogenów, dlatego jest szczególnie odpowiednia do niskodymnych, bezhalogenowych paliw rezystancyjnych.
Duża liczba grup octanu winylu (VA) w łańcuchu bocznym EVA i jej średnia polarność sprawiają, że zarówno hamuje ona tendencję szkieletu winylowego do krystalizacji, jak i dobrze łączy się z wypełniaczami mineralnymi, co stwarza warunki dla paliw o wysokiej wydajności barierowej. Dotyczy to w szczególności materiałów rezystywnych o niskiej emisji dymu i bezhalogenowych, ponieważ aby spełnić wymagania norm dotyczących ognioodporności kabli, konieczne jest dodanie środków zmniejszających palność o zawartości objętościowej powyżej 50% [np. Al(OH)3, Mg(OH)2 itp.]. EVA o średniej lub wysokiej zawartości VA jest stosowana jako baza do produkcji paliw zmniejszających palność o niskiej emisji dymu i bezhalogenowych, charakteryzujących się doskonałymi właściwościami.
Ponieważ grupa octanu winylu (VA) w łańcuchu bocznym EVA jest polarna, im wyższa zawartość VA, tym bardziej polarny jest polimer i tym lepsza jest odporność na olej. Odporność na olej wymagana przez przemysł kablowy odnosi się głównie do zdolności do wytrzymywania niepolarnych lub słabo polarnych olejów mineralnych. Zgodnie z zasadą podobnej kompatybilności, EVA o wysokiej zawartości VA jest stosowany jako materiał bazowy do produkcji niskodymowej, bezhalogenowej bariery paliwowej o dobrej odporności na olej.
Cząsteczki EVA w α-olefinowych atomach H są bardziej aktywne, w wyniku działania rodników nadtlenkowych lub promieniowania elektronowego o wysokiej energii łatwo zachodzi reakcja sieciowania H, stając się usieciowanym plastikiem lub gumą, co pozwala na spełnienie wysokich wymagań wydajnościowych w przypadku specjalnych materiałów na przewody i kable.
Dodatek grupy octanu winylu powoduje znaczny spadek temperatury topnienia EVA, a liczba krótkich łańcuchów bocznych VA może zwiększyć płynność EVA. Dzięki temu jego właściwości wytłaczania są znacznie lepsze niż struktura molekularna podobnego polietylenu, stając się preferowanym materiałem bazowym dla półprzewodzących materiałów ekranujących oraz barier paliwowych zawierających halogeny i bezhalogeny.
2 Zalety produktu
2.1 Bardzo wysoka wydajność kosztowa
Właściwości fizyczne i mechaniczne EVA, takie jak odporność na ciepło, warunki atmosferyczne, ozon i właściwości elektryczne, są bardzo dobre. Wybierając odpowiedni gatunek, można uzyskać materiał odporny na ciepło, płomienie, a także oleje i rozpuszczalniki.
Materiał termoplastyczny EVA jest najczęściej stosowany z zawartością VA od 15% do 46% i wskaźnikiem płynięcia od 0,5 do 4. EVA jest dostępny u wielu producentów i marek, z szerokim wyborem, umiarkowanymi cenami i odpowiednią podażą. Wystarczy otworzyć sekcję EVA na stronie internetowej, aby szybko sprawdzić markę, parametry, cenę i miejsce dostawy. To bardzo wygodne.
EVA to polimer poliolefinowy, który pod względem miękkości i wydajności, a także pod względem zastosowania, jest podobny do polietylenu (PE) i miękkiego polichlorku winylu (PCW) w kablach. Jednak dalsze badania dowodzą, że EVA i dwa powyższe rodzaje materiałów mają niezastąpioną przewagę.
2. 2 doskonała wydajność przetwarzania
Materiał EVA w zastosowaniach kablowych jest początkowo materiałem ekranującym kable średniego i wysokiego napięcia, początkowo wewnątrz i na zewnątrz, a następnie rozszerzonym o bezhalogenową barierę paliwową. Z punktu widzenia przetwarzania te dwa rodzaje materiałów są uważane za „materiały o wysokim stopniu wypełnienia”: materiał ekranujący ze względu na konieczność dodania dużej ilości przewodzącej sadzy i zwiększenia jego lepkości, co powoduje gwałtowny spadek płynności; bezhalogenowe paliwo zmniejszające palność wymaga dodania dużej ilości bezhalogenowych środków zmniejszających palność, co również powoduje gwałtowny wzrost lepkości materiału bezhalogenowego, co powoduje gwałtowny spadek płynności. Rozwiązaniem jest znalezienie polimeru, który może pomieścić duże dawki wypełniacza, ale jednocześnie charakteryzuje się niską lepkością stopu i dobrą płynnością. Z tego powodu preferowanym wyborem jest EVA.
Lepkość stopu EVA wraz z temperaturą wytłaczania i szybkością ścinania wzrasta, a jej spadek jest szybki. Użytkownik musi jedynie dostosować temperaturę wytłaczarki i prędkość ślimaka, aby uzyskać doskonałą wydajność produktów z drutu i kabli. Liczne zastosowania krajowe i zagraniczne pokazują, że w przypadku wysoko napełnionych materiałów bezhalogenowych o niskiej emisji dymu, ze względu na zbyt wysoką lepkość, wskaźnik płynięcia jest zbyt niski. W celu zapewnienia dobrej jakości wytłaczania, zaleca się stosowanie wyłącznie wytłaczarek ślimakowych o niskim stopniu sprężania (stopień sprężania poniżej 1,3). Materiały EVM na bazie gumy z dodatkami wulkanizującymi można wytłaczać zarówno na wytłaczarkach do gumy, jak i na wytłaczarkach ogólnego przeznaczenia. Późniejszy proces wulkanizacji (sieciowania) może odbywać się poprzez sieciowanie termochemiczne (nadtlenkowe) lub sieciowanie radiacyjne z akceleratorem elektronów.
2.3 Łatwość modyfikacji i adaptacji
Przewody i kable są wszędzie, od nieba po ziemię, od gór po morze. Wymagania użytkowników dotyczące przewodów i kabli są również zróżnicowane i nietypowe, choć ich struktura jest podobna, a różnice w ich parametrach technicznych odzwierciedlają się głównie w materiałach izolacyjnych i powłokowych.
Jak dotąd, zarówno w kraju, jak i za granicą, miękki PVC nadal stanowi zdecydowaną większość materiałów polimerowych stosowanych w przemyśle kablowym. Jednak wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej i zrównoważonego rozwoju, coraz bardziej widoczne staje się zapotrzebowanie na ten materiał.
Materiały PVC są mocno ograniczone, naukowcy robią wszystko, co możliwe, aby znaleźć materiały alternatywne dla PVC, a najbardziej obiecującym z nich jest EVA.
Tworzywo EVA można mieszać z różnymi polimerami, a także z różnymi proszkami mineralnymi i substancjami pomocniczymi, które są kompatybilne z innymi materiałami. Zmieszane produkty można przetworzyć na tworzywo termoplastyczne do produkcji kabli z tworzyw sztucznych, a także na usieciowaną gumę do produkcji kabli z gumy. Projektanci receptur mogą opierać się na wymaganiach użytkownika (lub normach), wykorzystując tworzywo EVA jako materiał bazowy, aby dostosować parametry materiału do wymagań.
3 zakres zastosowań EVA
3. 1 Stosowany jako półprzewodzący materiał ekranujący do kabli wysokiego napięcia
Jak wszyscy wiemy, głównym materiałem ekranującym jest przewodząca sadza, w materiale bazowym z tworzywa sztucznego lub gumy dodanie dużej ilości sadzy poważnie pogorszy płynność materiału ekranującego i gładkość poziomu wytłaczania. Aby zapobiec wyładowaniom niezupełnym w kablach wysokiego napięcia, ekrany wewnętrzne i zewnętrzne muszą być cienkie, błyszczące, jasne i jednolite. W porównaniu z innymi polimerami, EVA może to zrobić łatwiej. Powodem tego jest to, że proces wytłaczania EVA jest szczególnie dobry, dobry przepływ i nie jest podatny na zjawisko pękania w stanie stopionym. Materiał ekranujący dzieli się na dwie kategorie: owinięty przewodnikiem na zewnątrz zwany ekranem wewnętrznym - z materiałem ekranu wewnętrznego; owinięty izolacją na zewnątrz zwany ekranem zewnętrznym - z materiałem ekranu zewnętrznego; materiał ekranu wewnętrznego jest głównie termoplastyczny Materiał ekranu wewnętrznego jest głównie termoplastyczny i często jest oparty na EVA o zawartości VA od 18% do 28%; Materiał zewnętrznego ekranu jest w większości usieciowany i odklejany, często jest wykonany na bazie pianki EVA z zawartością VA wynoszącą od 40% do 46%.
3. 2 Paliwa termoplastyczne i usieciowane zmniejszające palność
Termoplastyczna poliolefina trudnopalna jest szeroko stosowana w przemyśle kablowym, głównie do kabli morskich, kabli energetycznych i linii konstrukcyjnych o wysokiej jakości, które wymagają stosowania halogenów lub ich braku. Ich długotrwała temperatura pracy waha się od 70 do 90°C.
W przypadku kabli energetycznych średniego i wysokiego napięcia o napięciu 10 kV i wyższym, które mają bardzo wysokie wymagania dotyczące parametrów elektrycznych, właściwości trudnopalne wynikają głównie z powłoki zewnętrznej. W niektórych budynkach lub projektach o wysokich wymaganiach środowiskowych, kable muszą charakteryzować się niską emisją dymu, bezhalogenowością, niską toksycznością lub niską emisją dymu i niską emisją halogenów, dlatego termoplastyczne poliolefiny trudnopalne stanowią realne rozwiązanie.
W przypadku niektórych zastosowań specjalnych średnica zewnętrzna nie jest duża, a odporność na temperaturę w zakresie 105–150°C. Specjalny kabel wykonany jest z bardziej usieciowanego, trudnopalnego materiału poliolefinowego. Sposób usieciowania może być dobrany przez producenta kabla zgodnie z jego własnymi warunkami produkcji, zarówno tradycyjną metodą parowania pod wysokim ciśnieniem, jak i wysokotemperaturową kąpielą solną, a także metodą sieciowania radiacyjnego w temperaturze pokojowej za pomocą akceleratora elektronów. Długotrwała temperatura pracy jest podzielona na trzy zakresy: 105°C, 125°C, 150°C. Instalacja produkcyjna może być dostosowana do różnych wymagań użytkowników lub norm, z barierą paliwową bezhalogenową lub zawierającą halogen.
Powszechnie wiadomo, że poliolefiny to polimery niepolarne lub słabo polarne. Ze względu na podobieństwo polarności do oleju mineralnego, poliolefiny są zazwyczaj uważane za mniej odporne na oleje, zgodnie z zasadą podobnej kompatybilności. Jednak wiele krajowych i zagranicznych norm dotyczących kabli wymaga również, aby sieciowane przewody charakteryzowały się dobrą odpornością na oleje, rozpuszczalniki, a nawet zawiesiny olejowe, kwasy i zasady. Stanowi to wyzwanie dla badaczy materiałów, ponieważ obecnie, zarówno w Chinach, jak i za granicą, opracowano te wymagające materiały, a ich materiałem bazowym jest EVA.
3. 3 Materiał barierowy dla tlenu
Kable wielożyłowe wielożyłowe mają wiele pustych przestrzeni między rdzeniami, które należy wypełnić, aby zapewnić okrągły wygląd kabla, jeśli wypełnienie w zewnętrznej powłoce jest wykonane z bezhalogenowej bariery paliwowej. Ta warstwa wypełniająca działa jak bariera ogniowa (tlenowa) podczas spalania kabla i dlatego jest w branży nazywana „barierą tlenową”.
Podstawowymi wymaganiami stawianymi materiałom stanowiącym barierę tlenową są: dobre właściwości wytłaczania, dobra bezhalogenowa ognioodporność (wskaźnik tlenowy zwykle powyżej 40) oraz niski koszt.
Ta bariera tlenowa jest szeroko stosowana w branży kablowej od ponad dekady i doprowadziła do znacznej poprawy odporności kabli na płomienie. Bariera tlenowa może być stosowana zarówno do kabli bezhalogenowych trudnopalnych, jak i do kabli bezhalogenowych trudnopalnych (np. z PVC). Liczne doświadczenia praktyczne wykazały, że kable z barierą tlenową mają większe szanse na pozytywne przejście testów palenia pojedynczego kabla w pozycji pionowej oraz palenia wiązek.
Z punktu widzenia składu materiału, ten materiał barierowy dla tlenu jest w rzeczywistości „bardzo wysokowypełniaczem”, ponieważ aby sprostać niskim kosztom, konieczne jest użycie wysokiego wypełniacza, a aby uzyskać wysoki indeks tlenowy, należy również dodać dużą ilość (2 do 3 razy) Mg (OH) 2 lub Al (OH) 3 . Aby wytłaczać dobrze, należy wybrać EVA jako materiał bazowy.
3.4 Modyfikowany materiał osłonowy z PE
Materiały osłonowe z polietylenu są podatne na dwa problemy: po pierwsze, są podatne na pękanie stopu (tzw. „skórę rekina”) podczas wytłaczania; po drugie, są podatne na pękanie naprężeniowe pod wpływem środowiska. Najprostszym rozwiązaniem jest dodanie do receptury określonej ilości EVA. EVA jest modyfikowany, głównie przy niskiej zawartości VA, a jego wskaźnik płynięcia wynosi od 1 do 2.
4. Perspektywy rozwoju
(1) EVA jest szeroko stosowana w przemyśle kablowym, a jej roczna produkcja stopniowo i systematycznie rośnie. Szczególnie w ostatniej dekadzie, ze względu na znaczenie ochrony środowiska, odporność na paliwo na bazie EVA dynamicznie się rozwija i częściowo zastąpiła popularny materiał kablowy na bazie PVC. Jej doskonała relacja ceny do jakości i wydajność procesu wytłaczania sprawiają, że trudno zastąpić jakikolwiek inny materiał.
(2) Roczne zużycie żywicy EVA w przemyśle kablowym wynosi blisko 100 000 ton. Wybór odmian żywicy EVA, zawartość VA od niskiej do wysokiej, w połączeniu z granulacją materiału kablowego, nie jest duży, a każde przedsiębiorstwo produkuje rocznie tylko tysiące ton żywicy EVA, co oznacza, że nie będzie to główny obszar zainteresowania branży EVA. Na przykład, największa ilość bezhalogenowego materiału bazowego zmniejszającego palność, główny wybór VA/MI = 28/2 ~ 3 żywicy EVA (takiej jak amerykańska EVA 265 # firmy DuPont). I ta klasa specyfikacji EVA, jak dotąd, nie ma krajowego producenta, który mógłby ją produkować i dostarczać. Nie wspominając o zawartości VA wyższej niż 28 i wskaźniku płynięcia mniejszym niż 3 w produkcji i dostawie innych żywic EVA.
(3) zagraniczne firmy produkujące EVA z powodu braku krajowej konkurencji i od dawna wysokiej ceny, poważnie tłumią entuzjazm dla krajowej produkcji kabli. Ponad 50% zawartości VA w gumowych EVM jest zdominowane przez firmy zagraniczne, a cena jest 2-3 razy wyższa niż zawartość VA danej marki. Tak wysokie ceny z kolei wpływają również na ilość gumowych EVM, dlatego branża kablowa apeluje do krajowych producentów EVA o zwiększenie tempa krajowej produkcji EVA. Większa produkcja w branży wiąże się z większym wykorzystaniem żywicy EVA.
(4) W obliczu rosnącej fali ochrony środowiska w dobie globalizacji, EVA jest uznawana przez branżę kablową za najlepszy materiał bazowy zapewniający przyjazną dla środowiska odporność na paliwo. Zastosowanie EVA rośnie w tempie 15% rocznie, a perspektywy są bardzo obiecujące. Ilość i tempo wzrostu produkcji materiałów ekranujących oraz kabli energetycznych średniego i wysokiego napięcia, a także tempo wzrostu, wynoszące około 8% do 10% w latach; odporność poliolefin rośnie szybko, w ostatnich latach utrzymywała się na poziomie 15% do 20%, a w przewidywalnych kolejnych 5-10 latach może również utrzymać to tempo wzrostu.
Czas publikacji: 31 lipca 2022 r.