Анотація: Коротко описано принцип зшивання, класифікацію, рецептуру, процес та обладнання для виробництва ізоляційного матеріалу з силаново-зшитого поліетилену для проводів та кабелів, а також представлено деякі характеристики ізоляційного матеріалу з природно-зшитого поліетилену, що застосовується, а також фактори, що впливають на стан зшивання матеріалу.
Ключові слова: силанове зшивання; природне зшивання; поліетилен; ізоляція; дріт та кабель
Силановий зшитий поліетиленовий кабельний матеріал зараз широко використовується в дротяній та кабельній промисловості як ізоляційний матеріал для низьковольтних силових кабелів. Цей матеріал у виробництві зшитого дроту та кабелю, а також пероксидне зшивання та опромінення, порівняно з необхідним виробничим обладнанням, є простим, легким в експлуатації, має низьку комплексну вартість та інші переваги, що робить його провідним матеріалом для низьковольтних зшитих кабелів з ізоляцією.
1. Принцип зшивання зшитого кабельного матеріалу силаном
Існує два основних процеси, пов'язані з отриманням силанозшитого поліетилену: щеплення та зшивання. У процесі щеплення полімер втрачає свій атом H на третинному атомі вуглецю під дією вільного ініціатора та піролізу на вільні радикали, які реагують з групою –CH = CH2 вінілсилану, утворюючи щеплений полімер, що містить триоксисилілову ефірну групу. У процесі зшивання щеплений полімер спочатку гідролізується у присутності води з утворенням силанолу, а –OH конденсується із сусідньою групою Si-OH, утворюючи зв'язок Si-O-Si, таким чином зшиваючи макромолекули полімеру.
2. Силановий зшитий кабельний матеріал та метод його виробництва
Як відомо, існують двоступеневі та одноступеневі методи виробництва зшитих силаном кабелів та їхніх кабелів. Різниця між двоступеневим та одноступеневим методами полягає в тому, де здійснюється процес щеплення силану: у випадку двоступеневого методу процес щеплення здійснюється у виробника кабельного матеріалу, а в випадку одноступеневого методу – на заводі з виробництва кабелів. Двоступеневий ізоляційний матеріал із зшитого силаном поліетилену, який має найбільшу частку ринку, складається з так званих матеріалів А та В, де матеріалом А є поліетилен, щеплений силаном, а матеріалом В – каталізаторна маточна суміш. Потім ізоляційне ядро зшивається у теплій воді або парі.
Існує ще один тип двоступеневого ізолятора із зшитого силаном поліетилену, де матеріал А виготовляється іншим способом, шляхом введення вінілсилану безпосередньо в поліетилен під час синтезу для отримання поліетилену з розгалуженими ланцюгами силану.
Одноступеневий метод також має два типи. Традиційний одноступеневий процес полягає в тому, що різноманітна сировина подається відповідно до формули у співвідношенні зі спеціальною прецизійною дозуючою системою, у спеціально розроблений екструдер за один крок для завершення щеплення та екструзії ізоляційного сердечника кабелю. У цьому процесі немає грануляції, немає потреби в участі заводу з виробництва кабельних матеріалів, кабельний завод виконує це самостійно. Це одноступеневе обладнання та технологія виробництва зшитого силаном кабелю здебільшого імпортуються з-за кордону та є дорогими.
Інший тип одноступеневого ізоляційного матеріалу із зшитого поліетилену, виробляється виробниками кабельних матеріалів. Усі сировинні матеріали змішуються за формулою у відповідному співвідношенні, упаковуються та продаються за спеціальним методом. Немає матеріалів А та В, кабельний завод може бути безпосередньо в екструдері для одночасного завершення етапу щеплення та екструзії ізоляційного сердечника кабелю. Унікальною особливістю цього методу є те, що немає потреби в дорогих спеціальних екструдерах, оскільки процес щеплення силану можна виконати у звичайному ПВХ-екструдері, а двоступеневий метод усуває необхідність змішування матеріалів А та В перед екструзією.
3. Склад рецептури
Формула кабельного матеріалу із зшитого поліетилену з силаном зазвичай складається з основної смоли, ініціатора, силану, антиоксиданту, інгібітора полімеризації, каталізатора тощо.
(1) Базовою смолою зазвичай є поліетилен низької щільності (LDPE) з індексом розплаву (MI) 2, але останнім часом, з розвитком технології синтетичних смол та тиском на вартість, лінійний поліетилен низької щільності (LLDPE) також використовується або частково використовується як базова смола для цього матеріалу. Різні смоли часто мають значний вплив на щеплення та зшивання через відмінності у їхній внутрішній макромолекулярній структурі, тому рецептура буде модифікована шляхом використання різних базових смол або одного й того ж типу смоли від різних виробників.
(2) Зазвичай використовується диізопропілпероксид (DCP) як ініціатор. Головне — зрозуміти масштаб проблеми: недостатньої кількості для спричинення щеплення силану; надмірної кількості для спричинення зшивання поліетилену, що знижує його плинність, поверхня екструдованого ізоляційного ядра стає шорсткою та важкою для стиснення. Оскільки кількість доданого ініціатора дуже мала та чутлива, важливо рівномірно розподілити його, тому його зазвичай додають разом із силаном.
(3) Силан зазвичай використовується як ненасичений вінілсилан, включаючи вінілтриметоксисилан (A2171) та вінілтриетоксисилан (A2151). Через швидку швидкість гідролізу A2171, люди частіше вибирають A2171. Так само існує проблема додавання силану, і сучасні виробники кабельних матеріалів намагаються досягти його нижньої межі, щоб зменшити витрати, оскільки силани імпортуються, а ціна дорожча.
(4) Антиоксидант має забезпечити стабільність обробки поліетилену та захист кабелю від старіння, а також додається в процесі щеплення силану. Роль антиоксиданту в гальмуванні реакції щеплення полягає в тому, щоб бути обережним під час процесу щеплення, додаючи антиоксидант, враховуючи кількість, що додається, відповідно до кількості DCP. У двоступеневому процесі зшивання більшу частину антиоксиданту можна додати до основної суміші каталізатора, що може зменшити вплив на процес щеплення. В одноступеневому процесі зшивання антиоксидант присутній протягом усього процесу щеплення, тому вибір виду та кількості є більш важливим. Найчастіше використовуються антиоксиданти 1010, 168, 330 тощо.
(5) Інгібітор полімеризації додають для пригнічення деяких побічних реакцій у процесі щеплення та зшивання. Додавання агента, що запобігає зшиванню, в процесі щеплення може ефективно зменшити виникнення зшивання C2C, тим самим покращуючи плинність обробки. Крім того, додавання щеплення за тих самих умов передуватиме гідролізу силану. Інгібітор полімеризації може зменшити гідроліз щепленого поліетилену, покращуючи довготривалу стабільність щепленого матеріалу.
(6) Каталізатори часто є оловоорганічними похідними (за винятком природного зшивання), найпоширенішим з яких є дибутилдилаурат олова (DBDTL), який зазвичай додають у вигляді маткової суміші. У двостадійному процесі щеплений матеріал (матеріал А) та маткова суміш каталізатора (матеріал В) упаковуються окремо, а матеріали А та В змішуються разом перед додаванням в екструдер, щоб запобігти попередньому зшиванню матеріалу А. У випадку одностадійної ізоляції із зшитого силаном поліетилену поліетилен в упаковці ще не прищеплений, тому немає проблеми з попереднім зшиванням, і тому каталізатор не потрібно упаковувати окремо.
Крім того, на ринку доступні складені силани, які є комбінацією силану, ініціатора, антиоксиданту, деяких мастильних матеріалів та антимідних агентів, і зазвичай використовуються в одностадійних методах зшивання силану на кабельних заводах.
Таким чином, рецептура ізоляції з силаново-зшитого поліетилену, склад якої не вважається дуже складним і доступний у відповідній інформації, але відповідні виробничі рецептури, підлягають деяким коригуванням з метою остаточного узгодження, що вимагає повного розуміння ролі компонентів у рецептурі та закономірності їх впливу на експлуатаційні характеристики та їхнього взаємного впливу.
Серед багатьох різновидів кабельних матеріалів, силановий кабельний матеріал (двоступеневий або одноступеневий) вважається єдиним різновидом хімічних процесів, що відбуваються під час екструзії, інші різновиди, такі як полівінілхлоридний (ПВХ) кабельний матеріал та поліетиленовий (ПЕ) кабельний матеріал, мають процес екструзійної грануляції, який є фізичним процесом змішування, навіть якщо хімічне зшивання та опромінення зшивання кабельного матеріалу відбувається в процесі екструзійної грануляції чи екструзії кабелю, то хімічний процес не відбувається, тому, порівняно з виробництвом силанового кабельного матеріалу та екструзією кабельної ізоляції, контроль процесу є більш важливим.
4. Двоетапний процес виробництва ізоляції з зшитого силаном поліетилену
Процес виробництва двоступінчастого ізоляційного матеріалу на основі зшитого силаном поліетилену А можна коротко представити на рисунку 1.
Рисунок 1. Процес виробництва двостадійного ізоляційного матеріалу A із зшитого силаном поліетилену
Деякі ключові моменти у виробничому процесі двоступеневої ізоляції з зшитого силаном поліетилену:
(1) Сушіння. Оскільки поліетиленова смола містить невелику кількість води, то при екструзії за високих температур вода швидко реагує з силільними групами, утворюючи зшивання, що знижує плинність розплаву та призводить до попереднього зшивання. Готовий матеріал також містить воду після охолодження водою, яка також може спричинити попереднє зшивання, якщо її не видалити, і її також необхідно висушити. Для забезпечення якості сушіння використовується установка глибокого сушіння.
(2) Дозування. Оскільки точність рецептури матеріалу є важливою, зазвичай використовуються імпортні ваги для вимірювання втрати ваги. Поліетиленова смола та антиоксидант вимірюються та подаються через подавальний отвір екструдера, тоді як силан та ініціатор впорскуються насосом для рідкого матеріалу у другий або третій барабан екструдера.
(3) Екструзійне щеплення. Процес щеплення силану завершується в екструдері. Налаштування процесу екструдера, включаючи температуру, комбінацію шнеків, швидкість шнеків та швидкість подачі, повинні відповідати принципу, що матеріал у першій секції екструдера може бути повністю розплавленим та рівномірно перемішаним, коли передчасне розкладання пероксиду небажане, а повністю однорідний матеріал у другій секції екструдера має бути повністю розкладений, а процес щеплення завершений. Типові температури секції екструдера (LDPE) наведено в таблиці 1.
Таблиця 1 Температури зон двоступеневого екструдера
| Робоча зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 ① | Зона 4 | Зона 5 |
| Температура P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Робоча зона | Зона 6 | Зона 7 | Зона 8 | Зона 9 | Ротовий штамп |
| Температура °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
① – це місце, куди додається силанова суміш.
Швидкість шнека екструдера визначає час перебування матеріалу в екструдері та його ефект перемішування. Якщо час перебування короткий, розкладання пероксиду неповне; якщо час перебування занадто довгий, в'язкість екструдованого матеріалу збільшується. Загалом, середній час перебування гранул в екструдері слід контролювати протягом періоду напіврозпаду ініціатора, який становить 5-10 разів. Швидкість подачі не тільки має певний вплив на час перебування матеріалу, але й на перемішування та зсув матеріалу, тому вибір відповідної швидкості подачі також дуже важливий.
(4) Упаковка. Двоетапно зшитий силановий ізоляційний матеріал слід упаковувати в алюмінієво-пластикові композитні пакети під прямим доступом повітря для усунення вологи.
5. Одностадійний процес виробництва ізоляційного матеріалу на основі зшитого силаном поліетилену
Одноступеневий ізоляційний матеріал із зшитого силану поліетилену, який використовується в процесі щеплення, застосовується на заводі з виробництва кабельної ізоляції, тому температура екструзії кабельної ізоляції значно вища, ніж при двоступеневому методі. Хоча одноступенева формула ізоляції із зшитого силану поліетилену повністю враховує швидке розсіювання ініціатора та силану під час зсуву матеріалу, процес щеплення має бути гарантований температурою, тому завод з виробництва одноступеневої ізоляції із зшитого силану поліетилену неодноразово наголошував на важливості правильного вибору температури екструзії. Загальна рекомендована температура екструзії наведена в таблиці 2.
Таблиця 2 Температура одноступеневого екструдера кожної зони (одиниця вимірювання: ℃)
| Зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 | Зона 4 | Фланець | Голова |
| Температура | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Це один із недоліків одностадійного процесу отримання зшитого силаном поліетилену, який зазвичай не потрібен при двостадійній екструзії кабелів.
6. Виробниче обладнання
Виробниче обладнання є важливою гарантією контролю процесу. Виробництво силанових зшитих кабелів вимагає дуже високого ступеня точності контролю процесу, тому вибір виробничого обладнання є особливо важливим.
Виробництво двоступеневого ізоляційного матеріалу з зшитого поліетилену силаном. Обладнання для виробництва матеріалів, наразі більше вітчизняного ізотропного паралельного двошнекового екструдера з імпортним невагомим зважуванням, може задовольнити вимоги точності керування процесом, вибору довжини та діаметра двошнекового екструдера для забезпечення часу перебування матеріалу, вибору імпортного невагомого зважування для забезпечення точності інгредієнтів. Звичайно, є багато деталей обладнання, яким потрібно приділити пильну увагу.
Як згадувалося раніше, обладнання для виробництва одностадійного силаново-зшитого кабелю на кабельному заводі імпортне та дороге, вітчизняні виробники обладнання не мають аналогічного виробничого обладнання, причина полягає в відсутності співпраці між виробниками обладнання та дослідниками формул і процесів.
7. Ізоляційний матеріал із натурального зшитого поліетилену на основі силану
Ізоляційний матеріал із натурального зшитого поліетилену на основі силану, розроблений в останні роки, може бути зшитий у природних умовах протягом кількох днів, без занурення в пару чи теплу воду. Порівняно з традиційним методом зшивання силану, цей матеріал може скоротити виробничий процес для виробників кабелів, що ще більше знижує виробничі витрати та підвищує ефективність виробництва. Ізоляція із натурального зшитого поліетилену на основі силану отримує все більше визнання та використання виробниками кабелів.
В останні роки вітчизняна силанова натуральна зшита поліетиленова ізоляція дозріла та виробляється у великих кількостях, маючи певні переваги в ціні порівняно з імпортними матеріалами.
7. 1 Ідеї щодо рецептур для ізоляції з силанового поліетилену природного зшивання
Ізоляції з натурального зшитого поліетилену на основі силану виробляються двостадійним процесом, використовуючи однакову рецептуру, що складається з базової смоли, ініціатора, силану, антиоксиданту, інгібітора полімеризації та каталізатора. Рецептура ізоляторів з натурального зшитого поліетилену на основі силану базується на збільшенні швидкості щеплення силану матеріалу А та виборі більш ефективного каталізатора, ніж ізолятори з поліетилену, зшитого теплою водою, на основі силану. Використання матеріалів А з вищою швидкістю щеплення силану в поєднанні з більш ефективним каталізатором дозволить ізолятору з зшитого поліетилену на основі силану швидко зшиватися навіть за низьких температур і недостатньої вологості.
А-матеріали для імпортних ізоляторів з природно зшитого поліетилену на основі силану синтезуються шляхом кополімеризації, де вміст силану можна контролювати на високому рівні, тоді як виробництво А-матеріалів з високою швидкістю щеплення шляхом щеплення силану є складним. Базова смола, ініціатор та силан, що використовуються в рецептурі, повинні бути різноманітними та скоригованими з точки зору різноманітності та додавання.
Вибір резисту та коригування його дозування також мають вирішальне значення, оскільки збільшення швидкості щеплення силану неминуче призводить до більшої кількості побічних реакцій зшивання CC. Для покращення плинності обробки та стану поверхні матеріалу А для подальшої екструзії кабелю потрібна відповідна кількість інгібітора полімеризації для ефективного пригнічення зшивання CC та попереднього зшивання.
Крім того, каталізатори відіграють важливу роль у збільшенні швидкості зшивання і повинні бути обрані як ефективні каталізатори, що містять елементи, що не містять перехідних металів.
7. 2 Час зшивання ізоляції з природно зшитого поліетилену, що містить силан
Час, необхідний для завершення зшивання ізоляції з натурального зшитого поліетилену на основі силану в його природному стані, залежить від температури, вологості та товщини шару ізоляції. Чим вища температура та вологість, тим тонша товщина шару ізоляції, тим коротший час зшивання, і чим довший, тим навпаки. Оскільки температура та вологість змінюються залежно від регіону та пори року, навіть в одному місці та в один і той самий час температура та вологість сьогодні та завтра будуть різними. Тому під час використання матеріалу користувач повинен визначати час зшивання відповідно до місцевої та переважаючої температури та вологості, а також специфікації кабелю та товщини шару ізоляції.
Час публікації: 13 серпня 2022 р.