Abstrakt: Stručně je popsán princip síťování, klasifikace, složení, proces a zařízení pro výrobu silanového polyethylenového izolačního materiálu pro dráty a kabely a jsou představeny některé vlastnosti silanového přirozeně síťovaného polyethylenového izolačního materiálu při aplikaci a použití, jakož i faktory ovlivňující stav síťování materiálu.
Klíčová slova: Síťování silanem; Přírodní síťování; Polyethylen; Izolace; Dráty a kabely
Silanový síťovaný polyethylenový kabelový materiál se nyní široce používá v kabelovém průmyslu jako izolační materiál pro nízkonapěťové silové kabely. Tento materiál se používá při výrobě síťovaných drátů a kabelů, a peroxidové síťování a ozařování, což je ve srovnání s požadovaným výrobním zařízením jednoduché, snadno se obsluhuje, má nízké celkové náklady a další výhody, takže se stal předním materiálem pro nízkonapěťové síťované kabely s izolací.
1. Princip síťování kabelového materiálu zesítěného silanem
Při výrobě silanového zesíťovaného polyethylenu probíhají dva hlavní procesy: roubování a zesíťování. V procesu roubování polymer ztrácí svůj atom vodíku na terciárním atomu uhlíku působením volného iniciátoru a pyrolýzou na volné radikály, které reagují se skupinou –CH = CH2 vinylsilanu za vzniku roubovaného polymeru obsahujícího trioxysilylesterovou skupinu. V procesu zesíťování se roubovaný polymer nejprve hydrolyzuje v přítomnosti vody za vzniku silanolu a –OH kondenzuje se sousední skupinou Si-OH za vzniku vazby Si-O-Si, čímž se zesíťují makromolekuly polymeru.
2. Silanem zesítěný kabelový materiál a metoda jeho výroby kabelů
Jak víte, existují dvoustupňové a jednostupňové metody výroby kabelů a jejich kabelů zesítěných silanem. Rozdíl mezi dvoustupňovou a jednostupňovou metodou spočívá v tom, kde se proces roubování silanem provádí: v případě dvoustupňové metody roubování probíhá u výrobce kabelového materiálu a v případě jednostupňové metody v závodě na výrobu kabelů. Dvoustupňový silanem zesítěný polyethylenový izolační materiál s největším podílem na trhu se skládá z tzv. materiálů A a B, přičemž materiál A je polyethylen roubovaný silanem a materiál B je katalyzátorová předsměs. Izolační jádro se poté zesíťuje v teplé vodě nebo páře.
Existuje další typ dvoustupňového silanového zesítěného polyethylenového izolátoru, kde se materiál A vyrábí jiným způsobem, a to zavedením vinylsilanu přímo do polyethylenu během syntézy za účelem získání polyethylenu s rozvětvenými silanovými řetězci.
Jednokroková metoda má také dva typy. Tradiční jednokrokový proces spočívá v tom, že různé suroviny se v poměru podle receptury vpravují do speciálně navrženého extruderu v jednom kroku, čímž se dokončí roubování a extruze izolačního jádra kabelu. V tomto procesu nedochází k granulaci ani k zapojení kabelového materiálu, kabelový závod to provádí sám. Toto jednokrokové zařízení a technologie výroby silanových kabelů se většinou dovážejí ze zahraničí a jsou drahé.
Dalším typem jednostupňového izolačního materiálu ze síťovaného polyethylenu silanem vyráběného výrobci kabelových materiálů je směs všech surovin podle receptury v poměru, která je následně smíchána a prodána speciální metodou. Neexistuje žádný materiál A a materiál B, takže kabelový závod může být přímo v extruderu a provést krok roubování a extruze izolačního jádra kabelu současně. Jedinečnou vlastností této metody je, že není potřeba drahých speciálních extruderů, protože proces roubování silanem lze provést v běžném PVC extruderu a dvoustupňová metoda eliminuje nutnost mísení materiálů A a B před extruzí.
3. Složení přípravku
Složení kabelového materiálu ze síťovaného polyethylenu ze silanu se obvykle skládá ze základní pryskyřice, iniciátoru, silanu, antioxidantu, inhibitoru polymerace, katalyzátoru atd.
(1) Základní pryskyřicí je obecně nízkohustotní polyethylen (LDPE) s indexem taveniny (MI) 2, ale v poslední době, s rozvojem technologie syntetických pryskyřic a tlakem na náklady, se jako základní pryskyřice pro tento materiál používá nebo částečně používá také lineární nízkohustotní polyethylen (LLDPE). Různé pryskyřice mají často významný vliv na roubování a zesíťování v důsledku rozdílů v jejich vnitřní makromolekulární struktuře, takže složení bude upraveno použitím různých základních pryskyřic nebo stejného typu pryskyřice od různých výrobců.
(2) Běžně používaným iniciátorem je diisopropylperoxid (DCP). Klíčem je pochopit množství problému. Příliš málo iniciátoru nestačí k naroubování silanu; příliš mnoho iniciátoru způsobuje zesíťování polyethylenu, což snižuje jeho tekutost a povrch extrudovaného izolačního jádra je drsný a obtížně se stlačuje. Protože množství přidaného iniciátoru je velmi malé a citlivé, je důležité ho rovnoměrně rozptýlit, proto se obvykle přidává společně se silanem.
(3) Silany se obecně používají jako vinylové nenasycené silany, včetně vinyltrimethoxysilanu (A2171) a vinyltriethoxysilanu (A2151). Vzhledem k rychlé hydrolýze A2171 se proto častěji volí A2171. Podobně existuje problém s přidáváním silanu a současní výrobci kabelových materiálů se snaží snížit jeho cenu, protože silan je dovážen a jeho cena je vyšší.
(4) Antioxidant slouží k zajištění stability polyethylenu při zpracování a proti stárnutí kabelu. Antioxidant přidaný do procesu roubování silanu má roli v inhibici roubovací reakce, takže při roubování je třeba dbát na opatrnost při přidávání antioxidantu a zvážit množství přidaného antioxidantu v závislosti na zvoleném množství. Ve dvoustupňovém procesu zesíťování lze většinu antioxidantu přidat do katalyzátorové předsměsi, což může snížit dopad na proces roubování. V jednostupňovém procesu zesíťování je antioxidant přítomen v celém procesu roubování, takže je důležitější vybrat druh a množství. Běžně používané antioxidanty jsou 1010, 168, 330 atd.
(5) Inhibitor polymerace se přidává za účelem inhibice některých vedlejších reakcí roubování a zesíťování. Přidání antisíťovacího činidla v procesu roubování může účinně snížit výskyt zesíťování C2C, čímž se zlepší tekutost zpracování. Kromě toho, přidání roubu za stejných podmínek bude předcházet hydrolýze silanu na polymerizačním inhibitoru, který může snížit hydrolýzu roubovaného polyethylenu a zlepšit dlouhodobou stabilitu roubovaného materiálu.
(6) Katalyzátory jsou často organocínové deriváty (s výjimkou přirozeného zesíťování), nejběžnějším je dibutylcíndilaurát (DBDTL), který se obvykle přidává ve formě předsměsi. V dvoustupňovém procesu se roubovaný materiál (materiál A) a katalyzátorová předsměs (materiál B) balí odděleně a materiály A a B se před přidáním do extruderu smíchají, aby se zabránilo předběžnému zesíťování materiálu A. V případě jednostupňových silanových zesíťovaných polyethylenových izolací ještě nebyl polyethylen v balení roubován, takže nedochází k problému s předběžným zesíťováním, a proto není nutné katalyzátor balit odděleně.
Kromě toho jsou na trhu k dispozici směsné silany, které jsou kombinací silanu, iniciátoru, antioxidantu, některých maziv a látek proti mědi a obecně se používají v jednostupňových metodách síťování silanů v kabelových závodech.
Proto se složení izolace ze síťovaného polyethylenu silanem nepovažuje za příliš složité a je k dispozici v příslušných informacích, ale vhodné výrobní receptury podléhají určitým úpravám za účelem finalizace, což vyžaduje plné pochopení role jednotlivých složek ve receptuře a zákona jejich vlivu na výkon a jejich vzájemného ovlivňování.
U mnoha druhů kabelových materiálů je silanově zesítěný kabelový materiál (buď dvoustupňový, nebo jednostupňový) považován za jediný druh chemických procesů probíhajících při extruzi. U jiných druhů, jako je polyvinylchloridový (PVC) kabelový materiál a polyethylenový (PE) kabelový materiál, je proces extruzní granulace fyzikálním procesem míchání. I když dochází k chemickému zesíťování a ozařování kabelového materiálu, ať už v procesu extruzní granulace nebo extruzního systému Cable, nedochází k žádnému chemickému procesu. Proto je ve srovnání s výrobou silanově zesítěného kabelového materiálu a extruzí kabelové izolace důležitější řízení procesu.
4. Dvoustupňový proces výroby izolace ze síťovaného polyethylenu se silanem
Výrobní proces dvoustupňové izolace z polyethylenu zesítěného silanem lze stručně znázornit na obrázku 1.
Obrázek 1 Výrobní proces dvoustupňového izolačního materiálu A ze síťovaného polyethylenu ze silanu
Některé klíčové body ve výrobním procesu dvoustupňové izolace ze síťovaného polyethylenu silanem:
(1) Sušení. Protože polyethylenová pryskyřice obsahuje malé množství vody, při extruzi za vysokých teplot voda rychle reaguje se silylovými skupinami za vzniku síťování, což snižuje tekutost taveniny a vytváří předsíťování. Hotový materiál po ochlazení vodou také obsahuje vodu, která může také způsobit předsíťování, pokud není odstraněna, a musí být také sušen. Aby byla zajištěna kvalita sušení, používá se hloubková sušicí jednotka.
(2) Dávkování. Protože je přesnost složení materiálu důležitá, obvykle se používá dovážená váha pro měření úbytku hmotnosti. Polyethylenová pryskyřice a antioxidant se měří a přivádějí přívodním otvorem extruderu, zatímco silan a iniciátor se vstřikují čerpadlem kapalného materiálu do druhého nebo třetího válce extruderu.
(3) Roubování extruzí. Proces roubování silanu probíhá v extruderu. Nastavení procesu extruderu, včetně teploty, kombinace šneků, rychlosti šneků a rychlosti posuvu, musí splňovat princip, že materiál v první sekci extruderu může být plně roztaven a rovnoměrně promíchán, přičemž není žádoucí předčasný rozklad peroxidu, a že plně rovnoměrný materiál v druhé sekci extruderu musí být plně rozložen a proces roubování dokončen. Typické teploty extruderu (LDPE) jsou uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1 Teploty zón dvoustupňového extruderu
| Pracovní zóna | Zóna 1 | Zóna 2 | Zóna 3 ① | Zóna 4 | Zóna 5 |
| Teplota P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Pracovní zóna | Zóna 6 | Zóna 7 | Zóna 8 | Zóna 9 | Ústní zemřít |
| Teplota °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①je místo, kde se přidává silan.
Rychlost šneku extruderu určuje dobu zdržení a míchací účinek materiálu v extruderu. Pokud je doba zdržení krátká, rozklad peroxidu není úplný. Pokud je doba zdržení příliš dlouhá, zvyšuje se viskozita extrudovaného materiálu. Obecně by měla být průměrná doba zdržení granulí v extruderu kontrolována v rámci poločasu rozpadu iniciátoru na 5–10krát. Rychlost podávání má nejen určitý vliv na dobu zdržení materiálu, ale také na míchání a smykové míchání materiálu, proto je velmi důležité zvolit vhodnou rychlost podávání.
(4) Balení. Dvoustupňově zesítěný silanový izolační materiál by měl být balen v hliníkovo-plastových kompozitních sáčcích na přímém vzduchu, aby se odstranila vlhkost.
5. Jednostupňový proces výroby izolačního materiálu ze síťovaného polyethylenu na bázi silanu
Jednostupňový silanově zesítěný polyethylenový izolační materiál. Vzhledem k roubování jádra kabelové izolace v kabelárně je teplota extruze izolace kabelu výrazně vyšší než u dvoustupňové metody. Přestože jednostupňový silanově zesítěný polyethylenový izolační materiál byl plně zohledněn při rychlém rozptylu iniciátoru a silanu a smyku materiálu, proces roubování musí být zaručen teplotou. Výrobní závod na jednostupňovou silanově zesítěnou polyethylenovou izolaci opakovaně zdůrazňoval důležitost správné volby teploty extruze. Obecně doporučená teplota extruze je uvedena v tabulce 2.
Tabulka 2 Teplota jednostupňového extrudéru v každé zóně (jednotka: ℃)
| Zóna | Zóna 1 | Zóna 2 | Zóna 3 | Zóna 4 | Příruba | Hlava |
| Teplota | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
To je jedna ze slabin jednostupňového procesu síťovaného polyethylenu silanem, který se obecně nevyžaduje při extruzi kabelů ve dvou krocích.
6. Výrobní zařízení
Výrobní zařízení je důležitou zárukou řízení procesu. Výroba silanových zesítěných kabelů vyžaduje velmi vysoký stupeň přesnosti řízení procesu, takže výběr výrobního zařízení je obzvláště důležitý.
Výroba dvoustupňového izolačního materiálu ze síťovaného polyethylenu ze silanu. Zařízení pro výrobu materiálu, v současnosti spíše domácí izotropní paralelní dvoušnekový extruder s dováženým beztížným vážením, může splňovat požadavky na přesnost řízení procesu, volbu délky a průměru dvoušnekového extruderu pro zajištění doby zdržení materiálu a volbu dováženého beztížného vážení pro zajištění přesnosti složek. Samozřejmě existuje mnoho detailů zařízení, kterým je třeba věnovat plnou pozornost.
Jak již bylo zmíněno, zařízení pro výrobu kabelů zesítěných jednostupňovým silanem v kabelárnách se dováží a je drahé. Tuzemští výrobci zařízení nemají podobná výrobní zařízení. Důvodem je nedostatečná spolupráce mezi výrobci zařízení a výzkumníky v oblasti receptur a procesů.
7. Izolační materiál z přírodního zesítěného polyethylenu silan
Izolační materiál z přírodního zesítěného polyethylenu na bázi silanu, vyvinutý v posledních letech, lze zesíťovat za přirozených podmínek během několika dní, bez nutnosti ponoření do páry nebo teplé vody. Ve srovnání s tradiční metodou zesíťování silanem může tento materiál zkrátit výrobní proces pro výrobce kabelů, což dále snižuje výrobní náklady a zvyšuje efektivitu výroby. Izolace z přírodního zesítěného polyethylenu na bázi silanu je stále více uznávána a používána výrobci kabelů.
V posledních letech se domácí silanové přírodní zesítěné polyethylenové izolace vyvinuly a vyrábějí se ve velkém množství, s určitými cenovými výhodami ve srovnání s dováženými materiály.
7. 1 Nápady na receptury pro izolace z přirozeně zesítěného polyethylenu na bázi silanu
Izolace ze silanového přírodního zesítěného polyethylenu se vyrábějí ve dvoustupňovém procesu, přičemž se používá stejné složení, které se skládá ze základní pryskyřice, iniciátoru, silanu, antioxidantu, inhibitoru polymerace a katalyzátoru. Složení izolantů ze silanového přírodního zesítěného polyethylenu je založeno na zvýšení rychlosti roubování silanu u materiálu A a výběru účinnějšího katalyzátoru než u izolantů ze silanového polyethylenu zesítěného teplou vodou. Použití materiálů A s vyšší rychlostí roubování silanu v kombinaci s účinnějším katalyzátorem umožní izolantu ze silanového zesítěného polyethylenu rychlé zesíťování i při nízkých teplotách a nedostatečné vlhkosti.
Materiály A pro dovážené silanové izolátory z přirozeně zesítěného polyethylenu se syntetizují kopolymerací, kde lze obsah silanu kontrolovat na vysoké úrovni, zatímco výroba materiálů A s vysokou mírou roubování roubováním silanu je obtížná. Základní pryskyřice, iniciátor a silan použité v receptuře by měly být rozmanité a upravené z hlediska rozmanitosti a přidávání.
Výběr rezistu a úprava jeho dávkování jsou také zásadní, protože zvýšení rychlosti roubování silanu nevyhnutelně vede k většímu počtu vedlejších reakcí při síťování CC. Pro zlepšení tekutosti zpracování a stavu povrchu materiálu A pro následnou extruzi kabelů je zapotřebí vhodné množství inhibitoru polymerace, aby se účinně inhibovalo síťování CC a předchozí předsíťování.
Kromě toho hrají katalyzátory důležitou roli ve zvyšování rychlosti zesítění a měly by být vybrány jako účinné katalyzátory obsahující prvky bez přechodných kovů.
7. 2 Doba síťování izolací z přirozeně zesítěného polyethylenu se silanem
Doba potřebná k dokončení síťování silanové přírodní zesítěné polyethylenové izolace v jejím přirozeném stavu závisí na teplotě, vlhkosti a tloušťce izolační vrstvy. Čím vyšší je teplota a vlhkost, tím tenčí je izolační vrstva, tím kratší je doba síťování, a tím delší je naopak. Vzhledem k tomu, že se teplota a vlhkost liší region od regionu a roční období, i na stejném místě a ve stejnou dobu se teplota a vlhkost dnes a zítra budou lišit. Proto by si uživatel měl při používání materiálu stanovit dobu síťování podle místní a převládající teploty a vlhkosti, jakož i podle specifikace kabelu a tloušťky izolační vrstvy.
Čas zveřejnění: 13. srpna 2022