1. Введение
ЭВА — это аббревиатура от сополимера этиленвинилацетата, полиолефинового полимера. Благодаря низкой температуре плавления, хорошей текучести, полярности и отсутствию галогенов, а также совместимости с различными полимерами и минеральными порошками, сбалансированному ряду механических и физических свойств, электрическим свойствам и технологичности обработки, а также невысокой цене и достаточному предложению на рынке, он может использоваться как изоляционный материал для кабелей, так и в качестве наполнителя и оболочки; из него можно изготавливать термопластичные и термореактивные сшитые материалы.
ЭВА обладает широким спектром применения, а добавление антипиренов позволяет создавать материалы с низким дымовыделением, не содержащие галогенов или обладающие галогенными барьерными свойствами для топлива; выбор ЭВА с высоким содержанием поливинилацетата в качестве базового материала также позволяет создавать маслостойкие материалы; выбор ЭВА с умеренным индексом плавления и добавление в 2-3 раза большего количества антипиренов позволяет получить материал с более сбалансированными характеристиками экструзии и ценой, обладающий кислородным барьером (наполнителем).
В данной статье рассматриваются структурные свойства ЭВА, его применение в кабельной промышленности и перспективы развития.
2. Структурные свойства
При синтезе изменение соотношения степени полимеризации n/m позволяет получить ЭВА с содержанием винилацетата (ВА) от 5 до 90%; увеличение общей степени полимеризации позволяет получить ЭВА с молекулярной массой от десятков тысяч до сотен тысяч; содержание ВА ниже 40% обусловлено частичной кристаллизацией и низкой эластичностью, обычно это называется ЭВА-пластиком; когда содержание ВА превышает 40%, получается резиноподобный эластомер без кристаллизации, обычно называемый ЭВМ-каучуком.
1. 2 Свойства
Молекулярная цепь ЭВА имеет линейную насыщенную структуру, поэтому она обладает хорошей термостойкостью, устойчивостью к атмосферным воздействиям и озону.
Основная цепь молекулы ЭВА не содержит двойных связей, бензольных колец, ацильных, аминных и других групп, легко дымящих при горении; боковые цепи также не содержат легко дымящих при горении метильных, фенильных, цианогрупп и других. Кроме того, сама молекула не содержит галогенов, поэтому она особенно подходит в качестве низкодымной безгалогенной резистивной топливной основы.
Большой размер винилацетатной (ВА) группы в боковой цепи ЭВА и ее средняя полярность означают, что она как подавляет тенденцию винильного остова к кристаллизации, так и хорошо сочетается с минеральными наполнителями, что создает условия для высокоэффективных барьерных топлив. Это особенно актуально для низкодымных и безгалогенных резистов, поскольку для соответствия требованиям кабельных стандартов по огнестойкости необходимо добавлять антипирены с объемным содержанием более 50% [например, Al(OH)₃, Mg(OH)₂ и др.]. ЭВА со средним или высоким содержанием ВА используется в качестве основы для производства низкодымных и безгалогенных огнестойких топлив с превосходными свойствами.
Поскольку боковая цепь ЭВА (винилацетатная группа) является полярной, чем выше содержание ВА, тем полярнее полимер и тем лучше маслостойкость. Маслостойкость, требуемая в кабельной промышленности, в основном относится к способности выдерживать воздействие неполярных или слабополярных минеральных масел. В соответствии с принципом аналогичной совместимости, ЭВА с высоким содержанием ВА используется в качестве базового материала для производства низкодымного и безгалогенного топливного барьера с хорошей маслостойкостью.
Молекулы ЭВА в альфа-олефинах обладают более высокой активностью атомов водорода, легко вступают в реакцию сшивания под действием пероксидных радикалов или высокоэнергетического электронного излучения, превращаясь в сшитый пластик или резину, что позволяет создавать специальные материалы для проводов и кабелей с высокими эксплуатационными характеристиками.
Добавление винилацетатной группы значительно снижает температуру плавления ЭВА, а количество коротких боковых цепей винилацетата может увеличить текучесть ЭВА. Поэтому его экструзионные характеристики намного лучше, чем у аналогичного полиэтилена, что делает его предпочтительным базовым материалом для полупроводниковых экранирующих материалов, а также галогенных и безгалогенных топливных барьеров.
2 Преимущества продукта
2.1 Чрезвычайно высокая экономическая эффективность
Физические и механические свойства EVA, термостойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям, озоностойкость и электрические свойства очень хороши. При выборе соответствующего сорта можно изготовить термостойкий, огнестойкий, а также масло- и растворостойкий специальный кабельный материал.
Термопластичный материал EVA в основном используется с содержанием VA от 15% до 46% и индексом плавления от 0,5 до 4. EVA представлен множеством производителей, брендов, широким ассортиментом, умеренными ценами и достаточным предложением. Пользователям достаточно открыть раздел EVA на сайте, чтобы быстро выбрать подходящий бренд, характеристики, цену и место доставки – это очень удобно.
ЭВА — это полиолефиновый полимер, который по мягкости и характеристикам похож на полиэтилен (ПЭ) и мягкий поливинилхлорид (ПВХ), используемый в кабельных материалах. Однако дальнейшие исследования покажут, что ЭВА и вышеупомянутые два типа материалов обладают неоспоримым превосходством.
2. 2 отличные показатели обработки
В кабельной промышленности EVA изначально использовался в качестве экранирующего материала для кабелей среднего и высокого напряжения, а позже — в качестве безгалогенного топливного барьера. С точки зрения обработки эти два типа материалов считаются «высоконаполненными»: экранирующие материалы из-за необходимости добавления большого количества проводящей сажи, что приводит к увеличению их вязкости и резкому снижению текучести; безгалогенные огнестойкие топливные материалы требуют добавления большого количества безгалогенных антипиренов, что также приводит к резкому увеличению вязкости и резкому снижению текучести. Решение заключается в поиске полимера, способного вмещать большие дозы наполнителя, но при этом обладающего низкой вязкостью расплава и хорошей текучестью. По этой причине EVA является предпочтительным выбором.
Вязкость расплава ЭВА быстро снижается при увеличении температуры экструзии и скорости сдвига, пользователю достаточно лишь отрегулировать температуру экструдера и скорость вращения шнека, чтобы получить высококачественные проволочные и кабельные изделия. Многочисленные отечественные и зарубежные исследования показывают, что для высоконаполненных, малодымных, безгалогенных материалов вязкость слишком высока, а индекс расплава слишком мал, поэтому для обеспечения хорошего качества экструзии используется только шнек с низким коэффициентом сжатия (менее 1,3). Материалы на основе ЭВА с вулканизирующими агентами могут экструдироваться как на резиновых, так и на универсальных экструдерах. Последующий процесс вулканизации (сшивания) может осуществляться либо термохимическим (пероксидным) сшиванием, либо сшиванием с помощью электронно-ускорительного облучения.
2.3 Легко модифицировать и адаптировать
Провода и кабели повсюду, от неба до земли, от гор до моря. Потребности пользователей в проводах и кабелях также разнообразны и необычны, и хотя структура проводов и кабелей схожа, различия в их характеристиках в основном отражаются в материалах изоляции и оболочки.
До сих пор как в стране, так и за рубежом, мягкий ПВХ по-прежнему составляет подавляющее большинство полимерных материалов, используемых в кабельной промышленности. Однако с ростом осведомленности об охране окружающей среды и устойчивом развитии ситуация меняется.
Использование ПВХ-материалов сильно ограничено, поэтому ученые делают все возможное, чтобы найти альтернативы ПВХ, наиболее перспективной из которых является ЭВА.
ЭВА можно смешивать с различными полимерами, а также с различными минеральными порошками и совместимыми технологическими добавками; из полученных смесей можно изготавливать термопластичные пластики для пластиковых кабелей, а также сшитую резину для резиновых кабелей. Разработчики рецептур могут использовать ЭВА в качестве базового материала, исходя из требований пользователя (или стандарта), чтобы обеспечить соответствие характеристик материала этим требованиям.
3 Диапазон применения EVA
3.1 Используется в качестве полупроводникового экранирующего материала для высоковольтных силовых кабелей.
Как известно, основным материалом экранирующего материала является проводящая сажа. Добавление большого количества сажи в пластик или резиновую основу серьезно ухудшает текучесть экранирующего материала и гладкость экструзии. Для предотвращения частичных разрядов в высоковольтных кабелях внутренний и внешний экраны должны быть тонкими, блестящими, глянцевыми и однородными. По сравнению с другими полимерами, ЭВА справляется с этим легче. Причина в том, что процесс экструзии ЭВА особенно хорош, обеспечивает хорошую текучесть и не склонен к разрыву расплава. Экранирующий материал делится на две категории: внутренний экран, обернутый проводником снаружи (внутренний экран); внешний экран, обернутый изоляцией снаружи (наружный экран); внутренний экран в основном термопластичный и часто основан на ЭВА с содержанием ВА от 18% до 28%. Внешний материал экрана в основном представляет собой сшитые и отслаивающиеся структуры и часто основан на ЭВА с содержанием ВА от 40% до 46%.
3.2 Термопластичные и сшитые огнестойкие топлива
Термопластичный огнестойкий полиолефин широко используется в кабельной промышленности, главным образом для морских кабелей, силовых кабелей и высококачественных строительных линий, требующих наличия галогенов или отсутствия галогенов. Диапазон рабочих температур при длительной эксплуатации составляет от 70 до 90 °C.
Для силовых кабелей среднего и высокого напряжения 10 кВ и выше, к которым предъявляются очень высокие требования к электрическим характеристикам, огнезащитные свойства в основном обеспечиваются внешней оболочкой. В некоторых экологически требовательных зданиях или проектах кабели должны обладать низким дымообразованием, не содержать галогенов, быть малотоксичными или иметь низкое дымообразование и низкое содержание галогенов, поэтому термопластичные огнезащитные полиолефины являются жизнеспособным решением.
Для некоторых специальных целей, когда внешний диаметр невелик, а температура составляет 105–150 ℃, используются специальные кабели с более сшитым огнестойким полиолефиновым материалом. Способ сшивания может быть выбран производителем кабеля в соответствии с условиями производства: как традиционный метод сшивания паром высокого давления или в высокотемпературной соляной ванне, так и метод сшивания с помощью электронно-ускорительного нагрева при комнатной температуре. Длительный рабочий диапазон температур составляет 105 ℃, 125 ℃ и 150 ℃. Производственные мощности могут быть адаптированы под различные требования пользователей или стандарты, с использованием безгалогенного или галогенсодержащего топливного барьера.
Хорошо известно, что полиолефины являются неполярными или слабополярными полярными полимерами. Поскольку по полярности они схожи с минеральным маслом, полиолефины в основном считаются менее устойчивыми к маслам в соответствии с принципом сходной совместимости. Однако многие стандарты на кабели в стране и за рубежом также предусматривают, что сшитые материалы должны обладать хорошей устойчивостью к маслам, растворителям и даже к масляным суспензиям, кислотам и щелочам. Это представляет собой вызов для исследователей материалов, и в настоящее время как в Китае, так и за рубежом разрабатываются такие требовательные материалы, базовым материалом которых является ЭВА (этиленвинилацетат).
3. 3 Материал, препятствующий проникновению кислорода
Многожильные кабели имеют множество пустот между жилами, которые необходимо заполнить для обеспечения округлой формы кабеля, если наполнитель внутри внешней оболочки выполнен из безгалогенного топливного барьера. Этот слой наполнителя действует как барьер для пламени (кислорода) при горении кабеля и поэтому в отрасли известен как «кислородный барьер».
Основные требования к кислородобарьерному материалу: хорошие экструзионные свойства, хорошая огнестойкость без галогенов (кислородный индекс обычно выше 40) и низкая стоимость.
Этот кислородный барьер широко используется в кабельной промышленности уже более десяти лет и привел к значительному улучшению огнестойкости кабелей. Кислородный барьер может использоваться как для безгалогенных огнестойких кабелей, так и для безгалогенных огнестойких кабелей (например, ПВХ). Многочисленные практические исследования показали, что кабели с кислородным барьером с большей вероятностью проходят испытания на одиночное вертикальное горение и горение пучка проводов.
С точки зрения состава материала, этот кислородобарьерный материал фактически является «сверхвысоконаполнителем», поскольку для обеспечения низкой стоимости необходимо использовать высокое содержание наполнителя, для достижения высокого кислородного индекса необходимо также добавить высокую долю (в 2-3 раза) Mg(OH)₂ или Al(OH)₃, а для обеспечения хорошей экструзии необходимо использовать EVA в качестве базового материала.
3.4 Модифицированный полиэтиленовый оболочный материал
Полиэтиленовые защитные материалы подвержены двум проблемам: во-первых, они склонны к разрушению при экструзии (так называемая «акулья кожа»); во-вторых, они подвержены растрескиванию под воздействием окружающей среды. Простейшее решение — добавить в состав определенную долю ЭВА. В качестве модифицированного ЭВА, как правило, используется низкое содержание ВА в данном сорте, при этом его индекс плавления составляет от 1 до 2.
4. Перспективы развития
(1) ЭВА широко используется в кабельной промышленности, ежегодный объем производства постепенно и стабильно растет. Особенно в последнее десятилетие, в связи с важностью защиты окружающей среды, топливостойкие материалы на основе ЭВА получили быстрое развитие и частично вытеснили кабельные материалы на основе ПВХ. Благодаря превосходному соотношению цены и качества, а также отличным характеристикам экструзионного процесса, эти материалы трудно заменить другими.
(2) Ежегодное потребление ЭВА-смолы в кабельной промышленности составляет около 100 000 тонн, при этом используются различные виды ЭВА-смолы с содержанием VA от низкого до высокого. В сочетании с небольшими размерами предприятий, занимающихся гранулированием кабельных материалов, объемы производства ЭВА-смолы на каждом предприятии ежегодно варьируются от нескольких тысяч тонн до нескольких, и поэтому крупные предприятия ЭВА-индустрии не уделяют ей должного внимания. Например, в качестве основного материала для безгалогенных огнестойких материалов используется ЭВА-смола с содержанием VA/MI = 28/2 ~ 3 (например, EVA 265# от DuPont в США). И до сих пор ни один отечественный производитель ЭВА-смолы такого класса не выпускает и не поставляет её. Не говоря уже о других видах ЭВА-смолы с содержанием VA выше 28 и индексом плавления менее 3.
(3) Иностранные компании производят ЭВА из-за отсутствия отечественных конкурентов, и цена долгое время остается высокой, что серьезно подавляет энтузиазм отечественных кабельных заводов в производстве. Более 50% содержания ЭВА в резиноподобных ЭВМ приходится на продукцию иностранных компаний, и цена на них в 2-3 раза выше, чем на продукцию известных брендов. Такие высокие цены, в свою очередь, также влияют на объемы производства резиноподобных ЭВМ, поэтому кабельная промышленность призывает отечественных производителей ЭВА увеличить темпы внутреннего производства ЭВА. В отрасли все больше используется смола ЭВА.
(4) Опираясь на волну защиты окружающей среды в эпоху глобализации, EVA считается кабельной промышленностью лучшим базовым материалом для экологически чистой топливной изоляции. Использование EVA растет на 15% в год, и перспективы очень многообещающие. Объемы и темпы роста производства экранирующих материалов и силовых кабелей среднего и высокого напряжения составляют около 8-10%; полиолефиновые изоляторы быстро растут, в последние годы оставаясь на уровне 15-20%, и в обозримом будущем, в течение следующих 5-10 лет, могут сохранить этот темп роста.
Дата публикации: 31 июля 2022 г.