Streszczenie: Krótko opisano zasadę sieciowania, klasyfikację, formulację, proces i wyposażenie do produkcji materiału izolacyjnego z polietylenu usieciowanego silanem przeznaczonego do przewodów i kabli. Przedstawiono także niektóre właściwości materiału izolacyjnego z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem w zastosowaniu i użytkowaniu, a także czynniki wpływające na stan usieciowania materiału.
Słowa kluczowe: Sieciowanie silanowe; Sieciowanie naturalne; Polietylen; Izolacja; Przewody i kable
Materiał kablowy z polietylenu usieciowanego silanem jest obecnie szeroko stosowany w przemyśle przewodów i kabli jako materiał izolacyjny do kabli niskonapięciowych. Materiał do produkcji usieciowanych przewodów i kabli oraz usieciowania nadtlenkowego i usieciowania radiacyjnego w porównaniu z wymaganym sprzętem produkcyjnym jest prosty, łatwy w obsłudze, ma niski koszt kompleksowy i inne zalety, stał się wiodącym materiałem do usieciowanych kabli niskonapięciowych z izolacją.
1. Zasada sieciowania materiału kablowego usieciowanego silanem
Istnieją dwa główne procesy zaangażowane w produkcję polietylenu usieciowanego silanem: szczepienie i sieciowanie. W procesie szczepienia polimer traci swój atom H na trzeciorzędowym atomie węgla pod wpływem wolnego inicjatora i pirolizy na wolne rodniki, które reagują z grupą – CH = CH2 winylosilanową, tworząc szczepiony polimer zawierający grupę estru trioksysilylowego. W procesie sieciowania szczepiony polimer jest najpierw hydrolizowany w obecności wody, aby wytworzyć silanol, a –OH kondensuje z sąsiednią grupą Si-OH, tworząc wiązanie Si-O-Si, sieciując w ten sposób makrocząsteczki polimeru.
2. Materiał kablowy usieciowany silanem i metoda jego produkcji
Jak wiadomo, istnieją dwuetapowe i jednoetapowe metody produkcji kabli usieciowanych silanem i ich kabli. Różnica między metodą dwuetapową a jednoetapową polega na tym, gdzie przeprowadzany jest proces szczepienia silanem, proces szczepienia u producenta materiału kablowego w przypadku metody dwuetapowej, proces szczepienia w zakładzie produkującym kable w przypadku metody jednoetapowej. Dwuetapowy materiał izolacyjny z polietylenu usieciowanego silanem o największym udziale w rynku składa się z tak zwanych materiałów A i B, przy czym materiał A to polietylen szczepiony silanem, a materiał B to główna partia katalizatora. Rdzeń izolacyjny jest następnie usieciowany w ciepłej wodzie lub parze.
Istnieje inny rodzaj dwuetapowego izolatora z polietylenu usieciowanego silanem, w którym materiał A wytwarzany jest w inny sposób, poprzez wprowadzenie winylosilanu bezpośrednio do polietylenu podczas syntezy, w celu uzyskania polietylenu z rozgałęzionymi łańcuchami silanowymi.
Metoda jednoetapowa ma również dwa typy, tradycyjny proces jednoetapowy to różnorodność surowców według formuły w stosunku specjalnego precyzyjnego systemu dozowania, do specjalnie zaprojektowanego specjalnego ekstrudera w jednym kroku, aby zakończyć szczepienie i wytłaczanie rdzenia izolacji kabla, w tym procesie nie ma granulacji, nie ma potrzeby udziału zakładu produkującego materiały kablowe, przez fabrykę kabli, aby ukończyć sam. Ten jednoetapowy sprzęt do produkcji usieciowanych silanem kabli i technologia formulacji są w większości importowane z zagranicy i są drogie.
Inny rodzaj jednoetapowego materiału izolacyjnego z usieciowanego silanem polietylenu jest produkowany przez producentów materiałów kablowych, wszystkie surowce są wytwarzane według formuły w proporcji specjalnej metody mieszania razem, pakowane i sprzedawane, nie ma materiału A i materiału B, zakład kablowy może być bezpośrednio w wytłaczarce, aby wykonać krok w tym samym czasie szczepienia i wytłaczania rdzenia izolacji kablowej. Unikalną cechą tej metody jest to, że nie ma potrzeby stosowania drogich specjalnych wytłaczarek, ponieważ proces szczepienia silanem można wykonać w zwykłej wytłaczarce PVC, a dwuetapowa metoda eliminuje potrzebę mieszania materiałów A i B przed wytłaczaniem.
3. Skład formulacji
Skład materiału kablowego z polietylenu usieciowanego silanem składa się zazwyczaj z materiału bazowego, żywicy, inicjatora, silanu, przeciwutleniacza, inhibitora polimeryzacji, katalizatora itp.
(1) Żywica bazowa jest zazwyczaj żywicą polietylenu o niskiej gęstości (LDPE) o wskaźniku płynięcia (MI) wynoszącym 2, ale ostatnio, wraz z rozwojem technologii żywic syntetycznych i presją kosztów, liniowy polietylen o niskiej gęstości (LLDPE) jest również używany lub częściowo używany jako żywica bazowa dla tego materiału. Różne żywice często mają znaczący wpływ na szczepienie i sieciowanie ze względu na różnice w ich wewnętrznej strukturze makrocząsteczkowej, więc formulacja będzie modyfikowana przez użycie różnych żywic bazowych lub tego samego typu żywicy od różnych producentów.
(2) Inicjator powszechnie stosowany jest nadtlenek diizopropylu (DCP), kluczem jest uchwycenie skali problemu, zbyt mała ilość, aby spowodować szczepienie silanem, nie wystarczy; zbyt duża ilość, aby spowodować usieciowanie polietylenu, co zmniejsza jego płynność, powierzchnia rdzenia izolacyjnego wytłaczanego jest szorstka, trudny do ściskania system. Ponieważ ilość dodanego inicjatora jest bardzo mała i wrażliwa, ważne jest, aby rozprowadzić go równomiernie, więc zazwyczaj dodaje się go razem z silanem.
(3) Silan jest powszechnie stosowanym winylonienasyconym silanem, w tym winylotrimetoksysilanem (A2171) i winylotrietoksysilanem (A2151), ze względu na szybką szybkość hydrolizy A2171, więc wybieraj A2171 więcej osób. Podobnie, istnieje problem dodawania silanu, obecni producenci materiałów kablowych próbują osiągnąć jego dolną granicę, aby obniżyć koszty, ponieważ silan jest importowany, cena jest wyższa.
(4) Antyoksydant ma zapewnić stabilność przetwarzania polietylenu i zapobiegać starzeniu się kabla, a dodany antyoksydant w procesie szczepienia silanem ma rolę hamowania reakcji szczepienia, więc proces szczepienia, dodanie antyoksydantu musi być ostrożne, ilość dodana, aby wziąć pod uwagę ilość DCP, aby dopasować wybór. W dwuetapowym procesie sieciowania większość antyoksydantu można dodać do głównego wsadu katalizatora, co może zmniejszyć wpływ na proces szczepienia. W jednoetapowym procesie sieciowania antyoksydant jest obecny w całym procesie szczepienia, więc wybór gatunku i ilości jest ważniejszy. Powszechnie stosowanymi antyoksydantami są 1010, 168, 330 itp.
(5) Inhibitor polimeryzacji dodaje się w celu zahamowania niektórych procesów szczepienia i sieciowania, w których występują reakcje uboczne. W procesie szczepienia dodanie środka zapobiegającego sieciowaniu może skutecznie zmniejszyć występowanie sieciowania C2C, co poprawia płynność przetwarzania. Ponadto dodanie szczepienia w tych samych warunkach będzie poprzedzone hydrolizą silanu, a inhibitor polimeryzacji może zmniejszyć hydrolizę szczepionego polietylenu, co poprawia długoterminową stabilność szczepionego materiału.
(6) Katalizatory są często pochodnymi organocynowymi (z wyjątkiem naturalnego usieciowania), a najczęstszym jest dilaurynian dibutylocyny (DBDTL), który jest zazwyczaj dodawany w formie masterbatcha. W procesie dwuetapowym szczepionka (materiał A) i masterbatch katalizatora (materiał B) są pakowane osobno, a materiały A i B są mieszane razem przed dodaniem do wytłaczarki, aby zapobiec wstępnemu usieciowaniu materiału A. W przypadku jednoetapowych izolacji z polietylenu usieciowanego silanem polietylen w opakowaniu nie został jeszcze zaszczepiony, więc nie ma problemu z wstępnym usieciowaniem, a zatem katalizator nie musi być pakowany osobno.
Ponadto na rynku dostępne są silany złożone, które są kombinacją silanu, inicjatora, przeciwutleniacza, niektórych środków smarnych i środków antymiedziowych. Są one na ogół stosowane w jednoetapowych metodach sieciowania silanowego w zakładach produkujących kable.
W związku z tym formuła izolacji z polietylenu usieciowanego silanem, której skład nie jest uważany za bardzo złożony i jest dostępny w stosownych informacjach, ale odpowiednie formuły produkcyjne podlegają pewnym korektom w celu ich sfinalizowania, co wymaga pełnego zrozumienia roli składników w recepturze i prawa ich wpływu na wydajność oraz ich wzajemnego oddziaływania.
Spośród wielu odmian materiałów kablowych, usieciowany silanem materiał kablowy (dwuetapowy lub jednoetapowy) jest uważany za jedyny rodzaj procesu chemicznego zachodzącego w wytłaczaniu, w innych odmianach, takich jak materiał kablowy z polichlorku winylu (PVC) i materiał kablowy z polietylenu (PE), proces granulacji wytłaczania jest procesem mieszania fizycznego, nawet jeśli chemiczne sieciowanie i sieciowanie radiacyjne materiału kablowego, niezależnie od tego, czy w procesie granulacji wytłaczania, czy w systemie wytłaczania kabli, nie zachodzi żaden proces chemiczny, więc w porównaniu z produkcją usieciowanego silanem materiału kablowego i wytłaczaniem izolacji kablowej, kontrola procesu jest ważniejsza.
4. Dwuetapowy proces produkcji izolacji z polietylenu usieciowanego silanem
Proces produkcji dwuetapowej izolacji A z polietylenu usieciowanego silanem można w skrócie przedstawić na rysunku 1.
Rysunek 1 Proces produkcji dwuetapowego materiału izolacyjnego z polietylenu usieciowanego silanem A
Niektóre kluczowe punkty procesu produkcji dwuetapowej izolacji z polietylenu usieciowanego silanem:
(1) Suszenie. Ponieważ żywica polietylenowa zawiera niewielką ilość wody, podczas wytłaczania w wysokich temperaturach woda reaguje szybko z grupami sylilowymi, tworząc usieciowanie, które zmniejsza płynność stopu i powoduje wstępne usieciowanie. Gotowy materiał zawiera również wodę po schłodzeniu wodnym, co może również powodować wstępne usieciowanie, jeśli nie zostanie usunięte, i musi zostać również wysuszony. Aby zapewnić jakość suszenia, stosuje się głęboką jednostkę suszącą.
(2) Dozowanie. Ponieważ dokładność formulacji materiału jest ważna, zazwyczaj stosuje się importowaną wagę do ważenia z utratą masy. Żywica polietylenowa i przeciwutleniacz są mierzone i podawane przez otwór wlotowy wytłaczarki, podczas gdy silan i inicjator są wtryskiwane przez pompę materiału ciekłego do drugiego lub trzeciego bębna wytłaczarki.
(3) Szczepienie ekstruzyjne. Proces szczepienia silanu jest kończony w ekstruderze. Ustawienia procesu ekstrudera, w tym temperatura, kombinacja ślimaków, prędkość ślimaka i szybkość podawania, muszą być zgodne z zasadą, że materiał w pierwszej sekcji ekstrudera może być całkowicie stopiony i równomiernie wymieszany, gdy przedwczesny rozkład nadtlenku nie jest pożądany, a w pełni jednolity materiał w drugiej sekcji ekstrudera musi być całkowicie rozłożony, a proces szczepienia musi być ukończony. Typowe temperatury sekcji ekstrudera (LDPE) przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1 Temperatury stref wytłaczarki dwustopniowej
| Strefa robocza | Strefa 1 | Strefa 2 | Strefa 3 ① | Strefa 4 | Strefa 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Strefa robocza | Strefa 6 | Strefa 7 | Strefa 8 | Strefa 9 | Usta umierają |
| Temperatura °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①to moment, w którym dodawany jest silan.
Prędkość ślimaka wytłaczarki określa czas przebywania i efekt mieszania materiału w wytłaczarce, jeśli czas przebywania jest krótki, rozkład nadtlenku jest niekompletny; jeśli czas przebywania jest zbyt długi, lepkość wytłaczanego materiału wzrasta. Ogólnie rzecz biorąc, średni czas przebywania granulatu w wytłaczarce powinien być kontrolowany w okresie półtrwania rozkładu inicjatora 5-10 razy. Prędkość podawania ma nie tylko pewien wpływ na czas przebywania materiału, ale także na mieszanie i ścinanie materiału, wybór odpowiedniej prędkości podawania jest również bardzo ważny.
(4) Opakowanie. Dwuetapowy materiał izolacyjny usieciowany silanem powinien być pakowany w kompozytowe torby aluminiowo-plastikowe w bezpośrednim powietrzu, aby wyeliminować wilgoć.
5. Jednoetapowy proces produkcji materiału izolacyjnego z polietylenu usieciowanego silanem
Jednoetapowy materiał izolacyjny z usieciowanego silanem polietylenu ze względu na proces szczepienia jest wytłaczaniem rdzenia izolacji kablowej w fabryce kabli, więc temperatura wytłaczania izolacji kablowej jest znacznie wyższa niż w przypadku metody dwuetapowej. Chociaż formuła izolacji z usieciowanego silanem polietylenu jednoetapowego została w pełni uwzględniona w szybkiej dyspersji inicjatora i silanu oraz ścinaniu materiału, ale proces szczepienia musi być zagwarantowany przez temperaturę, która jest jednoetapowa instalacja produkcyjna izolacji z usieciowanego silanem polietylenu jednoetapowego wielokrotnie podkreślała znaczenie prawidłowego wyboru temperatury wytłaczania, ogólnie zalecana temperatura wytłaczania jest pokazana w Tabeli 2.
Tabela 2 Temperatura wytłaczarki jednostopniowej dla każdej strefy (jednostka: ℃)
| Strefa | Strefa 1 | Strefa 2 | Strefa 3 | Strefa 4 | Kołnierz | Głowa |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Jest to jedna ze słabości jednoetapowego procesu wytwarzania polietylenu usieciowanego silanem, który na ogół nie jest wymagany przy wytłaczaniu kabli w dwóch etapach.
6. Sprzęt produkcyjny
Sprzęt produkcyjny jest ważną gwarancją kontroli procesu. Produkcja kabli usieciowanych silanem wymaga bardzo wysokiego stopnia dokładności kontroli procesu, dlatego wybór sprzętu produkcyjnego jest szczególnie ważny.
Produkcja dwuetapowego materiału izolacyjnego z usieciowanego silanem polietylenu Sprzęt do produkcji materiałów, obecnie bardziej krajowy izotropowy równoległy wytłaczarka dwuślimakowa z importowanym ważeniem bezciężarowym, takie urządzenia mogą spełniać wymagania dokładności kontroli procesu, wybór długości i średnicy wytłaczarki dwuślimakowej w celu zapewnienia czasu przebywania materiału, wybór importowanego ważenia bezciężarowego w celu zapewnienia dokładności składników. Oczywiście istnieje wiele szczegółów sprzętu, którym należy poświęcić pełną uwagę.
Jak wspomniano wcześniej, urządzenia do produkcji kabli usieciowanych silanem w jednym etapie w zakładach kablowych są importowane i drogie, a krajowi producenci sprzętu nie mają podobnego sprzętu produkcyjnego. Powodem jest brak współpracy między producentami sprzętu a badaczami formuł i procesów.
7. Materiał izolacyjny z naturalnego usieciowanego polietylenu silanowego
Materiał izolacyjny z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem, opracowany w ostatnich latach, może być usieciowany w naturalnych warunkach w ciągu kilku dni, bez zanurzania w parze lub ciepłej wodzie. W porównaniu z tradycyjną metodą usieciowania silanem, materiał ten może skrócić proces produkcji dla producentów kabli, dodatkowo obniżając koszty produkcji i zwiększając wydajność produkcji. Izolacja z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem jest coraz częściej rozpoznawana i wykorzystywana przez producentów kabli.
W ostatnich latach krajowa izolacja z naturalnego usieciowanego polietylenu silanowego stała się bardziej dopracowana i jest produkowana na dużą skalę, przy czym ma pewne zalety cenowe w porównaniu do materiałów importowanych.
7.1 Pomysły na formulację izolacji z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem
Izolacje z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem są produkowane w dwuetapowym procesie, przy czym ta sama formuła składa się z żywicy bazowej, inicjatora, silanu, przeciwutleniacza, inhibitora polimeryzacji i katalizatora. Formuła izolatorów z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem opiera się na zwiększeniu szybkości szczepienia silanem materiału A i wybraniu bardziej wydajnego katalizatora niż izolatory z polietylenu usieciowanego ciepłą wodą silanem. Zastosowanie materiałów A o wyższej szybkości szczepienia silanem w połączeniu z bardziej wydajnym katalizatorem umożliwi izolatorowi z polietylenu usieciowanego silanem szybkie usieciowanie nawet w niskich temperaturach i przy niewystarczającej wilgotności.
Materiały A do importowanych izolatorów z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem są syntetyzowane przez kopolimeryzację, gdzie zawartość silanu może być kontrolowana na wysokim poziomie, podczas gdy produkcja materiałów A o wysokich wskaźnikach szczepienia przez szczepienie silanu jest trudna. Żywica bazowa, inicjator i silan używane w recepturze powinny być zróżnicowane i dostosowane pod względem różnorodności i dodatków.
Wybór materiału rezystywnego i dostosowanie jego dawki są również kluczowe, ponieważ wzrost szybkości szczepienia silanu nieuchronnie prowadzi do większej liczby reakcji ubocznych sieciowania CC. Aby poprawić płynność przetwarzania i stan powierzchni materiału A do późniejszego wytłaczania kabla, wymagana jest odpowiednia ilość inhibitora polimeryzacji, aby skutecznie zahamować sieciowanie CC i wcześniejsze wstępne sieciowanie.
Ponadto katalizatory odgrywają ważną rolę w zwiększaniu szybkości sieciowania i powinny być wybierane jako wydajne katalizatory zawierające elementy niezawierające metali przejściowych.
7. 2 Czas sieciowania izolacji z polietylenu usieciowanego naturalnie silanem
Czas potrzebny do zakończenia usieciowania izolacji z polietylenu usieciowanego silanem w stanie naturalnym zależy od temperatury, wilgotności i grubości warstwy izolacyjnej. Im wyższa temperatura i wilgotność, tym cieńsza grubość warstwy izolacyjnej, tym krótszy wymagany czas usieciowania i tym dłuższy odwrotnie. Ponieważ temperatura i wilgotność różnią się w zależności od regionu i pory roku, nawet w tym samym miejscu i o tej samej porze, temperatura i wilgotność dzisiaj i jutro będą różne. Dlatego podczas użytkowania materiału użytkownik powinien określić czas usieciowania zgodnie z lokalną i panującą temperaturą i wilgotnością, a także specyfikacją kabla i grubością warstwy izolacyjnej.
Czas publikacji: 13-08-2022