Sažetak: Ukratko su opisani princip umrežavanja, klasifikacija, formulacija, proces i oprema za izolacijski materijal od silanskog umreženog polietilena za žice i kablove, a predstavljene su i neke karakteristike izolacijskog materijala od prirodno umreženog polietilena silanom u primjeni i upotrebi, kao i faktori koji utiču na stanje umrežavanja materijala.
Ključne riječi: Umrežavanje silana; Prirodno umrežavanje; Polietilen; Izolacija; Žice i kablovi
Materijal za kablove od umreženog polietilena na bazi silana sada se široko koristi u industriji žica i kablova kao izolacijski materijal za niskonaponske energetske kablove. Materijal u proizvodnji umreženih žica i kablova, te peroksidno i zračenjem umrežene žice, jednostavan je za rukovanje, ima niske sveobuhvatne troškove i druge prednosti, te je postao vodeći materijal za niskonaponske umrežene kablove s izolacijom.
1. Princip umrežavanja kablovskog materijala umreženog silanom
Postoje dva glavna procesa uključena u proizvodnju polietilena umreženog silanom: kalemljenje i umrežavanje. U procesu kalemljenja, polimer gubi svoj H-atom na tercijarnom atomu ugljika pod djelovanjem slobodnog inicijatora i pirolize u slobodne radikale, koji reaguju sa –CH = CH2 grupom vinil silana da bi se proizveo kalemljeni polimer koji sadrži trioksisilil estersku grupu. U procesu umrežavanja, kalemljeni polimer se prvo hidrolizira u prisustvu vode da bi se proizveo silanol, a –OH se kondenzuje sa susjednom Si-OH grupom da bi se formirala Si-O-Si veza, čime se umrežavaju makromolekuli polimera.
2. Materijal za kablove umrežen silanom i metoda njegove proizvodnje
Kao što znate, postoje dvostepene i jednostepene metode proizvodnje za kablove umrežene silanom i njihove kablove. Razlika između dvostepene i jednostepene metode leži u tome gdje se provodi proces kalemljenja silana, proces kalemljenja kod proizvođača kablovskog materijala za dvostepenu metodu, a proces kalemljenja u pogonu za proizvodnju kablova za jednostepenu metodu. Dvostepeni izolacijski materijal od polietilena umreženog silanom sa najvećim tržišnim udjelom sastoji se od takozvanih A i B materijala, pri čemu je A materijal polietilen kalemljen silanom, a B materijal je katalizatorska glavna smeča. Izolaciono jezgro se zatim umrežava u toploj vodi ili pari.
Postoji još jedna vrsta dvostepenog izolatora od umreženog polietilena silanom, gdje se materijal A proizvodi na drugačiji način, uvođenjem vinil silana direktno u polietilen tokom sinteze kako bi se dobio polietilen sa razgranatim lancima silana.
Jednostepena metoda također ima dvije vrste. Tradicionalni jednostepeni proces uključuje korištenje raznih sirovina prema formuli u omjeru posebnog preciznog sistema za doziranje, koje se u jednom koraku ubacuju u posebno dizajnirani ekstruder kako bi se završilo kalemljenje i ekstruzija jezgre izolacije kabla. U ovom procesu nema granulacije, nema potrebe za učešćem fabrike kablovskog materijala, već fabrika kablova sama obavlja ovaj proces. Ova jednostepena oprema za proizvodnju umreženih kablova silanom i tehnologija formulacije uglavnom se uvoze iz inostranstva i skupi su.
Druga vrsta jednostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom proizvode proizvođači kablovskih materijala. Sve sirovine se miješaju prema formuli u omjeru, pakuju i prodaju posebnom metodom. Nema materijala A i materijala B, pa se kablovska fabrika može direktno u ekstruderu dovršiti istovremeno kalemljenje i ekstruziju izolacijske jezgre kabla. Jedinstvena karakteristika ove metode je što nema potrebe za skupim posebnim ekstruderima, jer se proces kalemljenja silana može završiti u običnom PVC ekstruderu, a dvostepena metoda eliminira potrebu za miješanjem materijala A i B prije ekstruzije.
3. Sastav formulacije
Formulacija kablovskog materijala od umreženog polietilena na bazi silana uglavnom se sastoji od osnovne smole, inicijatora, silana, antioksidansa, inhibitora polimerizacije, katalizatora itd.
(1) Osnovna smola je uglavnom polietilen niske gustoće (LDPE) s indeksom topljenja (MI) od 2, ali nedavno, s razvojem tehnologije sintetičkih smola i pritiskom troškova, linearni polietilen niske gustoće (LLDPE) se također koristi ili djelomično koristi kao osnovna smola za ovaj materijal. Različite smole često imaju značajan utjecaj na kalemljenje i umrežavanje zbog razlika u njihovoj unutrašnjoj makromolekularnoj strukturi, tako da će se formulacija modificirati korištenjem različitih osnovnih smola ili iste vrste smole od različitih proizvođača.
(2) Inicijator koji se obično koristi je diizopropil peroksid (DCP), ključno je shvatiti količinu problema, premalo da izazove vezivanje silana nije dovoljno; previše da izazove umrežavanje polietilena, što smanjuje njegovu fluidnost, površinu ekstrudirane izolacijske jezgre čini hrapavom i teško ju je cijediti u sistem. Budući da je količina dodanog inicijatora vrlo mala i osjetljiva, važno je da se ravnomjerno rasprši, pa se obično dodaje zajedno sa silanom.
(3) Silan se uglavnom koristi kao vinil nezasićeni silan, uključujući vinil trimetoksisilan (A2171) i vinil trietoksisilan (A2151). Zbog brze hidrolize A2171, ljudi češće biraju A2171. Slično tome, postoji problem dodavanja silana, a trenutni proizvođači kablovskih materijala pokušavaju postići njegovu donju granicu kako bi smanjili troškove, jer se silan uvozi, a cijena je veća.
(4) Antioksidans služi za osiguranje stabilnosti polietilena tokom obrade i protiv starenja kabla, a dodavanje antioksidansa u procesu kalemljenja silana ima ulogu inhibicije reakcije kalemljenja, tako da prilikom dodavanja antioksidansa u procesu kalemljenja treba biti pažljiv, a količina dodanog antioksidansa treba uzeti u obzir u skladu s količinom DCP-a. U dvostepenom procesu umrežavanja, većina antioksidansa se može dodati u glavnu smjesu katalizatora, što može smanjiti utjecaj na proces kalemljenja. U jednostepenom procesu umrežavanja, antioksidans je prisutan u cijelom procesu kalemljenja, tako da je izbor vrste i količine važniji. Najčešće korišteni antioksidansi su 1010, 168, 330 itd.
(5) Inhibitor polimerizacije se dodaje kako bi se spriječile neke sporedne reakcije u procesu kalemljenja i umrežavanja. Dodavanje sredstva protiv umrežavanja u procesu kalemljenja može efikasno smanjiti pojavu C2C umrežavanja, čime se poboljšava fluidnost obrade. Osim toga, dodavanje kalemljenja u istim uslovima prethodi hidrolizi silana na inhibitoru polimerizacije koji može smanjiti hidrolizu kalemljenog polietilena, čime se poboljšava dugoročna stabilnost materijala za kalemljenje.
(6) Katalizatori su često organotinski derivati (osim za prirodno umrežavanje), a najčešći je dibutiltin dilaurat (DBDTL), koji se obično dodaje u obliku masterbatcha. U dvostepenom procesu, kalemljeni materijal (A materijal) i masterbatch katalizatora (B materijal) se pakuju odvojeno, a A i B materijali se miješaju prije dodavanja u ekstruder kako bi se spriječilo prethodno umrežavanje A materijala. U slučaju izolacija od polietilena umreženog silanom u jednom koraku, polietilen u paketu još nije kalemljen, tako da nema problema s prethodnim umrežavanjem i stoga katalizator ne treba pakovati odvojeno.
Osim toga, na tržištu su dostupni složeni silani, koji su kombinacija silana, inicijatora, antioksidansa, nekih maziva i sredstava protiv bakra, a uglavnom se koriste u jednostepenim metodama umrežavanja silana u kablovskim postrojenjima.
Stoga, formulacija izolacije od umreženog polietilena silanom, čiji se sastav ne smatra vrlo složenim i dostupan je u relevantnim informacijama, ali odgovarajuće proizvodne formulacije, podložne su određenim prilagođavanjima radi finalizacije, što zahtijeva potpuno razumijevanje uloge komponenti u formulaciji i zakona njihovog utjecaja na performanse i njihov međusobni utjecaj.
U mnogim varijantama kablovskih materijala, silanski umreženi kablovski materijal (bilo dvostepeni ili jednostepeni) smatra se jedinom vrstom hemijskih procesa koji se odvijaju u ekstruziji, dok kod drugih varijanti, kao što su polivinilhloridni (PVC) kablovski materijal i polietilenski (PE) kablovski materijal, proces ekstruzijske granulacije je fizički proces miješanja. Čak i ako se hemijsko umrežavanje i zračenje umrežavaju kablovskim materijalom, bilo u procesu ekstruzijske granulacije ili u sistemu ekstruzije kabla, ne odvija hemijski proces, tako da je, u poređenju s proizvodnjom silanskog umreženog kablovskog materijala i ekstruzijom kablovske izolacije, kontrola procesa važnija.
4. Dvostepeni proces proizvodnje izolacije od umreženog polietilena silanom
Proizvodni proces dvostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom može se ukratko predstaviti slikom 1.
Slika 1. Proizvodni proces dvostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom A
Neke ključne tačke u procesu proizvodnje dvostepene izolacije od umreženog polietilena silanom:
(1) Sušenje. Budući da polietilenska smola sadrži malu količinu vode, prilikom ekstruzije na visokim temperaturama, voda brzo reaguje sa silil grupama stvarajući umrežavanje, što smanjuje fluidnost taline i dovodi do prethodnog umrežavanja. Gotov materijal također sadrži vodu nakon hlađenja vodom, koja također može uzrokovati prethodno umrežavanje ako se ne ukloni, te se također mora osušiti. Kako bi se osigurala kvaliteta sušenja, koristi se jedinica za duboko sušenje.
(2) Doziranje. Budući da je tačnost formulacije materijala važna, obično se koristi uvezena vaga za mjerenje gubitka težine. Polietilenska smola i antioksidans se mjere i dovode kroz otvor za dovod ekstrudera, dok se silan i inicijator ubrizgavaju pumpom za tečni materijal u drugi ili treći bubanj ekstrudera.
(3) Ekstruzijsko kalemljenje. Proces kalemljenja silana se završava u ekstruderu. Postavke procesa ekstrudera, uključujući temperaturu, kombinaciju puža, brzinu puža i brzinu dodavanja, moraju slijediti princip da se materijal u prvom dijelu ekstrudera može potpuno rastopiti i ravnomjerno miješati, kada se ne želi preuranjeno raspadanje peroksida, te da se potpuno ujednačen materijal u drugom dijelu ekstrudera mora potpuno razgraditi i proces kalemljenja završiti. Tipične temperature dijela ekstrudera (LDPE) prikazane su u Tabeli 1.
Tabela 1 Temperature dvostepenih zona ekstrudera
| Radna zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 ① | Zona 4 | Zona 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Radna zona | Zona 6 | Zona 7 | Zona 8 | Zona 9 | Usta matrica |
| Temperatura °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①je mjesto gdje se dodaje silan.
Brzina puža ekstrudera određuje vrijeme zadržavanja i učinak miješanja materijala u ekstruderu. Ako je vrijeme zadržavanja kratko, razgradnja peroksida nije potpuna; ako je vrijeme zadržavanja predugo, viskoznost ekstrudiranog materijala se povećava. Općenito, prosječno vrijeme zadržavanja granula u ekstruderu treba kontrolirati u periodu poluraspada inicijatora od 5-10 puta. Brzina dodavanja ne samo da ima određeni utjecaj na vrijeme zadržavanja materijala, već i na miješanje i smicanje materijala, te je odabir odgovarajuće brzine dodavanja također vrlo važan.
(4) Pakovanje. Dvostepeno umreženi izolacijski materijal od silana treba pakovati u aluminijsko-plastične kompozitne vreće na direktnom dotoku zraka kako bi se uklonila vlaga.
5. Jednostepeni proces proizvodnje izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom
Jednostepeni silan umreženi polietilenski izolacijski materijal Zbog procesa kalemljenja koji se koristi u ekstruziji izolacijske jezgre kablova u fabrici kablova, temperatura ekstruzije izolacije kabla je znatno viša nego kod dvostepene metode. Iako je formula jednostepene silan umreženog polietilenskog izolacijskog materijala u potpunosti uzeta u obzir u brzoj disperziji inicijatora i silana te smicanju materijala, proces kalemljenja mora biti garantovan temperaturom, što je više puta naglasilo važnost pravilnog odabira temperature ekstruzije u proizvodnji jednostepenog silan umreženog polietilenskog izolacijskog materijala. Opšta preporučena temperatura ekstruzije prikazana je u tabeli 2.
Tabela 2 Temperatura jednostepenog ekstrudera za svaku zonu (jedinica: ℃)
| Zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Prirubnica | Glava |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Ovo je jedna od slabosti jednostepenog procesa umreženog polietilena silanom, koji uglavnom nije potreban pri ekstruziji kablova u dva koraka.
6. Proizvodna oprema
Proizvodna oprema je važna garancija kontrole procesa. Proizvodnja silanom umreženih kablova zahtijeva vrlo visok stepen tačnosti kontrole procesa, tako da je izbor proizvodne opreme posebno važan.
Proizvodnja dvostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom. Oprema za proizvodnju materijala, trenutno više domaći izotropni paralelni ekstruder s dva puža s uvezenim bestežinskim vaganjem, može zadovoljiti zahtjeve tačnosti kontrole procesa, izbor dužine i prečnika ekstrudera s dva puža kako bi se osiguralo vrijeme zadržavanja materijala, izbor uvezenog bestežinskog vaganja kako bi se osigurala tačnost sastojaka. Naravno, postoje mnogi detalji opreme kojima treba posvetiti punu pažnju.
Kao što je ranije spomenuto, oprema za proizvodnju jednostepeno umreženih kablova silanom u postrojenjima za proizvodnju kablova je uvozna i skupa, a domaći proizvođači opreme nemaju sličnu proizvodnu opremu. Razlog tome je nedostatak saradnje između proizvođača opreme i istraživača formula i procesa.
7. Izolacijski materijal od prirodno umreženog polietilena silana
Prirodni umreženi polietilenski izolacijski materijal na bazi silana, razvijen posljednjih godina, može se umrežiti u prirodnim uvjetima u roku od nekoliko dana, bez potapanja u paru ili toplu vodu. U usporedbi s tradicionalnom metodom umreženog povezivanja silana, ovaj materijal može smanjiti proizvodni proces za proizvođače kabela, dodatno smanjujući troškove proizvodnje i povećavajući učinkovitost proizvodnje. Izolacija od prirodno umreženog polietilena na bazi silana sve je više prepoznata i korištena od strane proizvođača kabela.
Posljednjih godina, domaća izolacija od prirodno umreženog polietilena na bazi silana je sazrela i proizvodi se u velikim količinama, s određenim prednostima u cijeni u odnosu na uvozne materijale.
7. 1 Ideje za formulaciju izolacija od prirodno umreženog polietilena na bazi silana
Izolacije od prirodno umreženog polietilena na bazi silana proizvode se u dvostepenom procesu, sa istom formulacijom koja se sastoji od osnovne smole, inicijatora, silana, antioksidansa, inhibitora polimerizacije i katalizatora. Formulacija izolatora od prirodno umreženog polietilena na bazi silana zasniva se na povećanju brzine kalemljenja silana A materijala i odabiru efikasnijeg katalizatora od izolatora od polietilena umreženog toplom vodom na bazi silana. Upotreba A materijala sa većom brzinom kalemljenja silana u kombinaciji sa efikasnijim katalizatorom omogućit će izolatoru od umreženog polietilena na bazi silana da se brzo umreži čak i na niskim temperaturama i sa nedovoljnom vlagom.
A-materijali za uvezene silanske prirodno umrežene polietilenske izolatore sintetiziraju se kopolimerizacijom, gdje se sadržaj silana može kontrolirati na visokom nivou, dok je proizvodnja A-materijala s visokim stopama kalemljenja kalemljenjem silana teška. Osnovna smola, inicijator i silan koji se koriste u recepturi trebaju se mijenjati i prilagođavati u smislu raznolikosti i dodavanja.
Odabir otpornika i podešavanje njegovog doziranja također su ključni, jer povećanje brzine kalemljenja silana neizbježno dovodi do više sporednih reakcija CC umrežavanja. Kako bi se poboljšala fluidnost obrade i stanje površine A materijala za naknadnu ekstruziju kabela, potrebna je odgovarajuća količina inhibitora polimerizacije kako bi se efikasno inhibiralo CC umrežavanje i prethodno predumrežavanje.
Osim toga, katalizatori igraju važnu ulogu u povećanju brzine umrežavanja i treba ih odabrati kao efikasne katalizatore koji sadrže elemente bez prelaznih metala.
7. 2 Vrijeme umrežavanja prirodno umreženih polietilenskih izolacija na bazi silana
Vrijeme potrebno za završetak umrežavanja izolacije od prirodno umreženog polietilena na bazi silana u prirodnom stanju zavisi od temperature, vlažnosti i debljine izolacijskog sloja. Što je viša temperatura i vlažnost, što je tanji sloj izolacije, to je kraće potrebno vrijeme umrežavanja, a suprotno duže. Kako se temperatura i vlažnost razlikuju od regije do regije i od sezone do sezone, čak i na istom mjestu i u isto vrijeme, temperatura i vlažnost danas i sutra će biti različite. Stoga, tokom upotrebe materijala, korisnik treba da odredi vrijeme umrežavanja prema lokalnoj i preovlađujućoj temperaturi i vlažnosti, kao i specifikaciji kabla i debljini izolacijskog sloja.
Vrijeme objave: 13. avg. 2022.