Аннотация: Кратко описаны принцип сшивания, классификация, рецептура, процесс и оборудование для изготовления изоляционного материала на основе силанового сшитого полиэтилена для проводов и кабелей, а также представлены некоторые характеристики изоляционного материала на основе силанового естественно сшитого полиэтилена в применении и использовании, а также факторы, влияющие на состояние сшивания материала.
Ключевые слова: Силановая сшивка; Естественная сшивка; Полиэтилен; Изоляция; Провода и кабели
Силановый сшитый полиэтиленовый кабельный материал в настоящее время широко используется в кабельной промышленности в качестве изоляционного материала для низковольтных силовых кабелей. Этот материал, используемый при производстве сшитых проводов и кабелей, а также при сшивании пероксидом и радиационным сшиванием, отличается простотой, удобством эксплуатации, низкой себестоимостью и другими преимуществами, благодаря чему стал ведущим материалом для сшитых кабелей с изоляцией низкого напряжения.
1.Принцип сшивания силанового сшитого кабельного материала
Производство силан-сшитого полиэтилена включает два основных процесса: прививку и сшивку. В процессе прививки полимер теряет атом водорода у третичного атома углерода под действием свободного инициатора и пиролиза с образованием свободных радикалов, которые реагируют с группой –CH=CH2 винилсилана с образованием привитого полимера, содержащего триоксисилильную эфирную группу. В процессе сшивки привитой полимер сначала гидролизуется в присутствии воды с образованием силанола, а затем –OH конденсируется с соседней группой Si-OH с образованием связи Si-O-Si, тем самым сшивая макромолекулы полимера.
2. Силановый сшитый кабельный материал и способ его производства
Как известно, существуют двухэтапные и одноэтапные методы производства кабелей с силановыми сшивками и их компонентов. Разница между двухэтапным и одноэтапным методами заключается в месте проведения процесса силановой прививки: в двухэтапном методе прививка происходит на заводе-изготовителе кабельных материалов, а в одноэтапном – на заводе-изготовителе кабелей. Изоляционный материал на основе силановых сшитых полиэтиленов, полученный в двухэтапном методе и имеющий наибольшую долю на рынке, состоит из так называемых материалов А и В, где материал А – это полиэтилен с привитым силаном, а материал В – каталитическая мастер-батч. Затем изоляционный сердечник сшивается в теплой воде или паре.
Существует еще один тип двухстадийного силанового сшитого полиэтиленового изолятора, в котором материал А производится другим способом — путем введения винилсилана непосредственно в полиэтилен во время синтеза для получения полиэтилена с силановыми разветвленными цепями.
Одностадийный метод также существует в двух вариантах. Традиционный одностадийный процесс заключается в подаче различных видов сырья в соответствии с формулой в пропорции, определяемой специальной прецизионной системой дозирования, в специально разработанный экструдер за один этап для завершения прививки и экструзии изоляционного сердечника кабеля. В этом процессе нет необходимости в грануляции и участии завода по производству кабельных материалов, он выполняется заводом по производству кабельных материалов самостоятельно. Оборудование и технология производства силановых сшитых кабелей в одностадийном режиме в основном импортируются из-за рубежа и являются дорогостоящими.
Другой тип одностадийного изоляционного материала на основе силанового сшитого полиэтилена производится производителями кабельных материалов. Все сырье смешивается в соответствии с формулой в пропорции, разработанной специальным методом, упаковывается и продается. Нет необходимости в разделении материалов А и В, кабельное оборудование может работать непосредственно в экструдере, выполняя этапы одновременной прививки и экструзии изоляционного сердечника кабеля. Уникальная особенность этого метода заключается в отсутствии необходимости в дорогостоящих специальных экструдерах, поскольку процесс прививки силаном может быть выполнен в обычном экструдере для ПВХ, а двухстадийный метод исключает необходимость смешивания материалов А и В перед экструзией.
3. Состав рецептуры
Рецептура материала кабеля на основе сшитого силаном полиэтилена обычно состоит из базовой смолы, инициатора, силана, антиоксиданта, ингибитора полимеризации, катализатора и т. д.
(1) В качестве базовой смолы обычно используется полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) с индексом расплава (ИР), равным 2. Однако в последнее время, с развитием технологий синтетических смол и ростом цен, в качестве базовой смолы для этого материала также частично или полностью используется линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП). Различные смолы часто оказывают значительное влияние на прививку и сшивку из-за различий во внутренней макромолекулярной структуре, поэтому рецептура будет модифицирована путем использования различных базовых смол или смолы одного типа от разных производителей.
(2) В качестве инициатора обычно используется диизопропилпероксид (ДХП). Ключевым моментом является определение количества инициатора. Слишком малое количество не приводит к прививке силана; слишком большое количество вызывает сшивание полиэтилена, что снижает его текучесть, поверхность экструдированного изоляционного сердечника становится шероховатой, что затрудняет его сжатие. Поскольку количество добавляемого инициатора очень мало и он чувствителен к воздействию, важно обеспечить его равномерное распределение, поэтому его обычно добавляют вместе с силаном.
(3) В качестве силана обычно используется винилненасыщенный силан, включая винилтриметоксисилан (A2171) и винилтриэтоксисилан (A2151). Из-за высокой скорости гидролиза A2171, поэтому больше людей выбирают A2171. Аналогичным образом, существует проблема добавления силана: современные производители кабельных материалов пытаются снизить его содержание, чтобы снизить затраты. Поскольку силан импортируется, его цена выше.
(4) Антиоксидант необходим для обеспечения стабильности процесса переработки полиэтилена и защиты кабеля от старения. В процессе прививки силана антиоксидант играет роль ингибирования реакции прививки. Поэтому при добавлении антиоксиданта в процессе прививки необходимо соблюдать осторожность, учитывая количество добавляемого DCP в соответствии с выбранным количеством. В двухстадийном процессе сшивки большую часть антиоксиданта можно добавить в мастер-батч катализатора, что может снизить воздействие на процесс прививки. В одностадийном процессе сшивки антиоксидант присутствует на протяжении всего процесса прививки, поэтому выбор вида и количества имеет более важное значение. Обычно используются антиоксиданты 1010, 168, 330 и т. д.
(5) Ингибитор полимеризации добавляется для подавления некоторых побочных реакций прививки и сшивки в процессе прививки; добавление антисшивающего агента в процессе прививки может эффективно снизить возникновение сшивки C2C, тем самым улучшая текучесть процесса; кроме того, добавление прививки в тех же условиях будет предшествовать гидролизу силана на ингибиторе полимеризации, может снизить гидролиз привитого полиэтилена, улучшить долгосрочную стабильность привитого материала.
(6) Катализаторами часто являются производные олова (за исключением случаев естественной сшивки), наиболее распространенным из которых является дилаурат дибутилолова (DBDTL), который обычно добавляется в виде мастербатча. В двухэтапном процессе прививка (материал А) и мастербатч катализатора (материал В) упаковываются отдельно, а материалы А и В смешиваются перед добавлением в экструдер для предотвращения предварительной сшивки материала А. В случае одноэтапной сшивки силаном полиэтиленовой изоляции полиэтилен в упаковке еще не привит, поэтому проблемы предварительной сшивки не возникает, и, следовательно, катализатор не нужно упаковывать отдельно.
Кроме того, на рынке имеются составные силаны, которые представляют собой комбинацию силана, инициатора, антиоксиданта, некоторых смазочных материалов и антимедных агентов и обычно используются в одностадийных методах силановой сшивки на кабельных заводах.
Таким образом, рецептура изоляции из силанового сшитого полиэтилена, состав которой не считается очень сложным и доступен в соответствующей информации, но соответствующие производственные рецептуры подлежат некоторым корректировкам с целью доработки, что требует полного понимания роли компонентов в рецептуре и закона их влияния на эксплуатационные характеристики и их взаимного влияния.
Из множества разновидностей кабельных материалов силановый сшитый кабельный материал (как двухступенчатый, так и одноступенчатый) считается единственным видом химических процессов, происходящих при экструзии; другие разновидности, такие как поливинилхлоридный (ПВХ) кабельный материал и полиэтиленовый (ПЭ) кабельный материал, процесс экструзионной грануляции представляет собой физический процесс смешивания, даже если химическая сшивка и сшивка облучением кабельного материала, будь то процесс экструзионной грануляции или экструзионная система Cable, не происходит никакого химического процесса, поэтому, по сравнению с производством силанового сшитого кабельного материала и экструзией кабельной изоляции, контроль процесса является более важным.
4. Двухэтапный процесс производства изоляции из сшитого силаном полиэтилена
Процесс производства двухстадийного силан-сшитого полиэтиленового изоляционного материала А можно кратко представить на рисунке 1.
Рисунок 1. Процесс производства двухстадийного силан-сшитого полиэтиленового изоляционного материала А
Некоторые ключевые моменты процесса производства двухэтапной силан-сшитой полиэтиленовой изоляции:
(1) Сушка. Поскольку полиэтиленовая смола содержит небольшое количество воды, при экструзии при высоких температурах вода быстро реагирует с силильными группами, образуя поперечные связи, что снижает текучесть расплава и приводит к образованию предварительных поперечных связей. Готовый материал после охлаждения водой также содержит воду, которая, если её не удалить, также может привести к образованию предварительных поперечных связей, и её также необходимо высушить. Для обеспечения качества сушки используется установка глубокой сушки.
(2) Дозирование. Поскольку точность рецептуры материала крайне важна, обычно используются импортные весы с функцией измерения потери веса. Полиэтиленовая смола и антиоксидант дозируются и подаются через загрузочное отверстие экструдера, а силан и инициатор впрыскиваются насосом для подачи жидкого материала во второй или третий цилиндр экструдера.
(3) Экструзионная прививка. Процесс прививки силана завершается в экструдере. Параметры процесса экструдера, включая температуру, комбинацию шнеков, скорость вращения шнеков и скорость подачи, должны соответствовать принципу полного расплавления и равномерного перемешивания материала в первой секции экструдера, когда преждевременное разложение пероксида нежелательно, а также полного разложения однородного материала во второй секции экструдера и завершения процесса прививки. Типичные температуры в секциях экструдера (для ПЭНП) приведены в таблице 1.
Таблица 1 Температуры зон двухступенчатого экструдера
| Рабочая зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 ① | Зона 4 | Зона 5 |
| Температура P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Рабочая зона | Зона 6 | Зона 7 | Зона 8 | Зона 9 | Ротовая плашка |
| Температура °С | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
① — это место, где добавляется силан.
Скорость вращения шнека экструдера определяет время пребывания и эффективность перемешивания материала в экструдере. При коротком времени пребывания разложение пероксида происходит не полностью; при слишком большом времени пребывания увеличивается вязкость экструдируемого материала. Как правило, среднее время пребывания гранул в экструдере следует контролировать в пределах периода полураспада инициатора, составляющего 5-10 раз. Скорость подачи влияет не только на время пребывания материала, но и на его смешивание и сдвиг. Выбор подходящей скорости подачи также очень важен.
(4) Упаковка. Изоляционный материал на основе силановых сшивок, изготовленный в два этапа, следует упаковывать в композитные пакеты из алюминия и пластика на открытом воздухе для устранения влаги.
5. Одностадийный процесс производства изоляционного материала на основе силан-сшитого полиэтилена
Одностадийный процесс прививки изоляционного материала из сшитого силаном полиэтилена заключается в экструзии сердечника изоляции кабеля на кабельном заводе, поэтому температура экструзии изоляции кабеля значительно выше, чем при двухстадийном методе. Хотя формула одностадийного процесса прививки изоляционного материала из сшитого силаном полиэтилена была полностью учтена в быстром диспергировании инициатора, силана и сдвиге материала, процесс прививки должен быть гарантирован температурой. На заводе по производству одностадийного процесса прививки изоляционного материала из сшитого силаном полиэтилена неоднократно подчеркивалась важность правильного выбора температуры экструзии. Рекомендуемая температура экструзии представлена в таблице 2.
Таблица 2 Температура одноступенчатого экструдера в каждой зоне (единица измерения: ℃)
| Зона | Зона 1 | Зона 2 | Зона 3 | Зона 4 | Фланец | Голова |
| Температура | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Это один из недостатков одноэтапного процесса производства силан-сшитого полиэтилена, который обычно не требуется при экструзии кабелей в два этапа.
6.Производственное оборудование
Производственное оборудование является важным гарантом контроля процесса. Производство силановых сшитых кабелей требует очень высокой точности контроля процесса, поэтому выбор производственного оборудования особенно важен.
Производство двухстадийного силан-сшитого полиэтиленового изоляционного материала. Оборудование для производства материалов. В настоящее время чаще всего используется отечественный изотропный параллельный двухшнековый экструдер с импортным невесомым взвешиванием. Такие устройства отвечают требованиям к точности управления процессом. Выбор длины и диаметра двухшнекового экструдера гарантирует время пребывания материала, а выбор импортного невесомого взвешивания гарантирует точность ингредиентов. Конечно, существует множество деталей оборудования, которым необходимо уделить особое внимание.
Как упоминалось ранее, оборудование для производства кабеля с силановой сшивкой в один этап на кабельном заводе импортное, дорогое, отечественные производители оборудования не имеют аналогичного производственного оборудования, причина заключается в отсутствии сотрудничества между производителями оборудования и исследователями формул и процессов.
7.Силановый натуральный сшитый полиэтиленовый изоляционный материал
Разработанный в последние годы изоляционный материал на основе силанового полиэтилена с природным сшиванием может быть сшит в естественных условиях в течение нескольких дней, без погружения в пар или теплую воду. По сравнению с традиционным методом силановой сшивки, этот материал позволяет производителям кабелей сократить производственный процесс, что дополнительно снижает производственные затраты и повышает эффективность производства. Изоляция из силанового полиэтилена с природным сшиванием получает все большее признание и используется производителями кабелей.
В последние годы отечественная силановая натуральная сшитая полиэтиленовая изоляция получила развитие и производится в больших объемах, имея определенные преимущества в цене по сравнению с импортными материалами.
7.1 Идеи рецептур для силановых естественно сшитых полиэтиленовых изоляций
Изоляция из сшитого полиэтилена силаном с использованием природных силановых компонентов производится в два этапа по одной и той же рецептуре, включающей базовую смолу, инициатор, силан, антиоксидант, ингибитор полимеризации и катализатор. Состав изоляторов из сшитого полиэтилена силаном с использованием природных силановых компонентов основан на увеличении скорости прививки силана в материале А и выборе более эффективного катализатора, чем изоляторы из сшитого полиэтилена силаном с использованием теплой воды. Использование материалов А с более высокой скоростью прививки силана в сочетании с более эффективным катализатором позволит изолятору из сшитого полиэтилена силаном быстро сшиваться даже при низких температурах и недостаточной влажности.
Материалы класса А для импортных силановых изоляторов из сшитого полиэтилена синтезируются методом сополимеризации, при котором содержание силана можно контролировать на высоком уровне, в то время как производство материалов класса А с высокой степенью прививки путем прививки силана затруднено. Состав базовой смолы, инициатора и силана, используемых в рецептуре, должен варьироваться и регулироваться с точки зрения разнообразия и добавления.
Выбор резиста и корректировка его дозировки также имеют решающее значение, поскольку увеличение скорости прививки силана неизбежно приводит к увеличению количества побочных реакций сшивания CC. Для улучшения текучести и состояния поверхности материала А для последующей экструзии кабеля требуется подходящее количество ингибитора полимеризации для эффективного подавления сшивания CC и предварительной сшивки.
Кроме того, катализаторы играют важную роль в увеличении скорости сшивания и должны быть выбраны как эффективные катализаторы, содержащие элементы, не содержащие переходных металлов.
7. 2 Время сшивания силановых естественно сшитых полиэтиленовых изоляций
Время, необходимое для полного сшивания изоляции из сшитого силаном полиэтилена в естественном состоянии, зависит от температуры, влажности и толщины изоляционного слоя. Чем выше температура и влажность, тем тоньше изоляционный слой, тем короче требуемое время сшивания, и наоборот, чем больше время сшивания. Поскольку температура и влажность воздуха меняются от региона к региону и от сезона к сезону, даже в одном и том же месте и в одно и то же время температура и влажность воздуха сегодня и завтра будут отличаться. Поэтому при использовании материала пользователь должен определять время сшивания в соответствии с местными и преобладающими температурой и влажностью, а также с учетом спецификации кабеля и толщины изоляционного слоя.
Время публикации: 13 августа 2022 г.