Sažetak: Ukratko su opisani princip umrežavanja, klasifikacija, formulacija, proces i oprema za izolacijski materijal od silanskog umreženog polietilena za žice i kabele, te su predstavljene neke karakteristike silanskog prirodno umreženog polietilenskog izolacijskog materijala u primjeni i upotrebi, kao i čimbenici koji utječu na stanje umrežavanja materijala.
Ključne riječi: Umrežavanje silana; Prirodno umrežavanje; Polietilen; Izolacija; Žice i kabeli
Silanski umreženi polietilenski kabelski materijal sada se široko koristi u industriji žica i kabela kao izolacijski materijal za niskonaponske energetske kabele. Materijal u proizvodnji umreženih žica i kabela, te peroksidno umreženje i zračenje u usporedbi s potrebnom proizvodnom opremom je jednostavan, jednostavan za rukovanje, niske sveobuhvatne cijene i druge prednosti, postao je vodeći materijal za niskonaponske umrežene kabele s izolacijom.
1. Princip umrežavanja kabelskog materijala umreženog silanom
Dva su glavna procesa uključena u izradu polietilena umreženog silanom: cijepljenje i umrežavanje. U procesu cijepljenja, polimer gubi svoj H-atom na tercijarnom atomu ugljika pod djelovanjem slobodnog inicijatora i pirolize u slobodne radikale, koji reagiraju s –CH = CH2 skupinom vinil silana kako bi se proizveo cijepljeni polimer koji sadrži trioksisilil estersku skupinu. U procesu umrežavanja, cijepljeni polimer se prvo hidrolizira u prisutnosti vode kako bi se proizveo silanol, a –OH se kondenzira sa susjednom Si-OH skupinom tvoreći Si-O-Si vezu, čime se umrežavaju makromolekule polimera.
2. Materijal za kabele umrežen silanom i metoda njegove proizvodnje
Kao što znate, postoje dvostupanjske i jednostupanjske metode proizvodnje za kabele umrežene silanom i njihove kabele. Razlika između dvostupanjske i jednostupanjske metode leži u tome gdje se provodi proces cijepljenja silana, proces cijepljenja kod proizvođača kabelskog materijala za dvostupanjsku metodu, a proces cijepljenja u tvornici za proizvodnju kabela za jednostupanjsku metodu. Dvostupanjski izolacijski materijal od polietilena umreženog silanom s najvećim tržišnim udjelom sastoji se od takozvanih A i B materijala, pri čemu je A materijal polietilen cijepljen silanom, a B materijal je katalizatorska glavna smjesa. Izolacijska jezgra se zatim umrežava u toploj vodi ili pari.
Postoji još jedna vrsta dvostupanjskog izolatora od umreženog polietilena silanom, gdje se materijal A proizvodi na drugačiji način, uvođenjem vinil silana izravno u polietilen tijekom sinteze kako bi se dobio polietilen s razgranatim lancima silana.
Jednokoračna metoda također ima dvije vrste. Tradicionalni jednokoračni postupak uključuje korištenje raznih sirovina u omjeru prema formuli, posebno preciznim sustavom za doziranje, te u jednom koraku ubacivanjem u posebno dizajnirani ekstruder dovršava cijepljenje i ekstruziju jezgre izolacije kabela. U ovom postupku nema granulacije, nema potrebe za sudjelovanjem tvornice kabelskog materijala, već tvornica kabela sama to radi. Ova jednokoračna oprema za proizvodnju i tehnologija formuliranja umreženih kabela silanom uglavnom se uvozi iz inozemstva i skupa je.
Drugu vrstu jednostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom proizvode proizvođači kabelskog materijala. Sve sirovine se miješaju prema formuli, pakiraju i prodaju posebnom metodom. Nema materijala A i materijala B, pa se kabelska tvornica može izravno u ekstruderu dovršiti istovremeno cijepljenje i ekstruziju izolacijske jezgre kabela. Jedinstvena značajka ove metode je da nema potrebe za skupim posebnim ekstruderima, jer se proces cijepljenja silana može dovršiti u običnom PVC ekstruderu, a dvostepena metoda eliminira potrebu za miješanjem materijala A i B prije ekstruzije.
3. Sastav formulacije
Formulacija kabelskog materijala od umreženog polietilena silanom općenito se sastoji od osnovne smole, inicijatora, silana, antioksidansa, inhibitora polimerizacije, katalizatora itd.
(1) Osnovna smola je općenito polietilen niske gustoće (LDPE) s indeksom taljenja (MI) od 2, ali nedavno, s razvojem tehnologije sintetičkih smola i pritiscima na troškove, linearni polietilen niske gustoće (LLDPE) također se koristi ili djelomično koristi kao osnovna smola za ovaj materijal. Različite smole često imaju značajan utjecaj na cijepljenje i umrežavanje zbog razlika u njihovoj unutarnjoj makromolekularnoj strukturi, pa 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 bi se uzrokovalo cijepljenje silana nije dovoljno; previše da bi se uzrokovalo umrežavanje polietilena, što smanjuje njegovu fluidnost, površina ekstrudirane izolacijske jezgre postaje hrapava i teško se istiskuje u sustav. Budući da je količina dodanog inicijatora vrlo mala i osjetljiva, važno ju je ravnomjerno raspršiti, pa se općenito dodaje zajedno sa silanom.
(3) Silane se općenito koriste kao vinilni nezasićeni silani, 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 kabelskih materijala pokušavaju smanjiti troškove jer se silan uvozi, a cijena je veća.
(4) Antioksidans služi za osiguranje stabilnosti polietilena tijekom obrade i sprječavanja starenja kabela te se dodaje u proces cijepljenja silana. Antioksidans u procesu cijepljenja silana ima ulogu inhibicije reakcije cijepljenja, stoga je prilikom dodavanja antioksidansa potreban oprez, a količina dodanog antioksidansa treba uzeti u obzir u skladu s odabranom količinom DCP-a. U dvostupanjskom procesu umrežavanja, većina antioksidansa može se dodati u glavnu smjesu katalizatora, što može smanjiti utjecaj na proces cijepljenja. U jednostupanjskom procesu umrežavanja, antioksidans je prisutan u cijelom procesu cijepljenja, pa je odabir vrste i količine važniji. Najčešće korišteni antioksidansi su 1010, 168, 330 itd.
(5) Inhibitor polimerizacije dodaje se kako bi se spriječile neke nuspojave u procesu cijepljenja i umrežavanja. Dodavanje sredstva protiv umrežavanja u procesu cijepljenja može učinkovito smanjiti pojavu C2C umrežavanja, čime se poboljšava fluidnost obrade. Osim toga, dodavanje cijepljenja u istim uvjetima prethodi hidrolizi silana na inhibitoru polimerizacije koji može smanjiti hidrolizu cijepljenog polietilena i poboljšati dugoročnu stabilnost cijepljenog materijala.
(6) Katalizatori su često organotinski derivati (osim za prirodno umrežavanje), a najčešći je dibutiltin dilaurat (DBDTL), koji se općenito dodaje u obliku masterbatcha. U dvostupanjskom postupku, cijepljeni materijal (materijal A) i glavna smjesa katalizatora (materijal B) pakiraju se odvojeno, a materijali A i B se miješaju prije dodavanja u ekstruder kako bi se spriječilo prethodno umrežavanje materijala A. U slučaju izolacija od polietilena umreženog silanom u jednom koraku, polietilen u pakiranju još nije cijepljen, tako da nema problema s prethodnim umrežavanjem i stoga katalizator ne treba pakirati odvojeno.
Osim toga, na tržištu su dostupni složeni silani, koji su kombinacija silana, inicijatora, antioksidansa, nekih maziva i sredstava protiv bakra, a općenito se koriste u jednostepenim metodama umrežavanja silana u kabelskim postrojenjima.
Stoga se 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 prilagodbama radi finalizacije, što zahtijeva potpuno razumijevanje uloge komponenti u formulaciji i zakona njihovog utjecaja na performanse i njihov međusobni utjecaj.
U mnogim varijantama kabelskih materijala, silanski umreženi kabelski materijal (bilo dvostupanjski ili jednostupanjski) smatra se jedinom vrstom kemijskih procesa koji se odvijaju u ekstruziji, dok kod drugih varijanti, poput polivinilkloridnog (PVC) kabelskog materijala i polietilenskog (PE) kabelskog materijala, proces ekstruzijske granulacije je fizički proces miješanja. Čak i ako se kabelski materijal kemijski umrežava i zračenjem umrežava, bilo u procesu ekstruzijske granulacije ili u sustavu ekstruzije kabela, ne događa se kemijski proces. Stoga je, u usporedbi s proizvodnjom silanskog umreženog kabelskog materijala i ekstruzijom kabelske izolacije, kontrola procesa važnija.
4. Dvostupanjski postupak proizvodnje izolacije od umreženog polietilena silanom
Proizvodni proces dvostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom može se ukratko prikazati slikom 1.
Slika 1. Proizvodni proces dvostepenog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom A
Neke ključne točke u proizvodnom procesu dvostepene izolacije od umreženog polietilena silanom:
(1) Sušenje. Budući da polietilenska smola sadrži malu količinu vode, prilikom ekstruzije na visokim temperaturama voda brzo reagira sa sililnim skupinama stvarajući umrežavanje, što smanjuje fluidnost taline i uzrokuje prethodno umrežavanje. 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 točnost formulacije materijala važna, općenito se koristi uvezena vaga za vaganje gubitka težine. Polietilenska smola i antioksidans mjere se i dovode kroz ulazni otvor ekstrudera, dok se silan i inicijator ubrizgavaju pumpom za tekući materijal u drugi ili treći bubanj ekstrudera.
(3) Ekstruzijsko cijepljenje. Proces cijepljenja silana dovršava se u ekstruderu. Postavke procesa ekstrudera, uključujući temperaturu, kombinaciju puža, brzinu puža i brzinu dodavanja, moraju slijediti načelo da se materijal u prvom dijelu ekstrudera može potpuno rastaliti i jednoliko miješati, kada se ne želi preuranjena razgradnja peroksida, te da se potpuno jednoliki materijal u drugom dijelu ekstrudera mora potpuno razgraditi i proces cijepljenja završiti. Tipične temperature dijela ekstrudera (LDPE) prikazane su u Tablici 1.
Tablica 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 |
① je mjesto gdje se dodaje silan.
Brzina vijka 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 razdoblju poluraspada inicijatora od 5-10 puta. Brzina dodavanja ne samo da ima određeni utjecaj na vrijeme zadržavanja materijala, već i na miješanje i rezanje materijala, stoga je odabir odgovarajuće brzine dodavanja također vrlo važan.
(4) Pakiranje. Dvostupanjski silanski umreženi izolacijski materijal treba pakirati u aluminijsko-plastične kompozitne vreće na izravnom dotoku zraka kako bi se uklonila vlaga.
5. Jednostepeni postupak proizvodnje izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom
Jednostupanjski silanski umreženi polietilenski izolacijski materijal zbog svog procesa cijepljenja u tvornici kabela u ekstruziji jezgre kabelske izolacije, pa je temperatura ekstruzije kabelske izolacije znatno viša nego kod dvostupanjske metode. Iako je jednostupanjska formula za izolaciju od umreženog polietilena silanom u potpunosti uzeta u obzir u brzoj disperziji inicijatora i silana te smicanju materijala, proces cijepljenja mora biti zajamčen temperaturom, što je tvornica za proizvodnju jednostupanjske izolacije od umreženog polietilena silanom više puta naglasila važnost ispravnog odabira temperature ekstruzije, a opća preporučena temperatura ekstruzije prikazana je u Tablici 2.
Tablica 2 Temperatura jednostepenog ekstrudera svake zone (jedinica: ℃)
| Zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Prirubnica | Glava |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
To je jedna od slabosti jednostepenog postupka umreženog polietilena silanom, koji općenito nije potreban pri ekstruziji kabela u dva koraka.
6. Proizvodna oprema
Proizvodna oprema važno je jamstvo kontrole procesa. Proizvodnja silanom umreženih kabela zahtijeva vrlo visok stupanj točnosti kontrole procesa, stoga je izbor proizvodne opreme posebno važan.
Proizvodnja dvostupanjskog izolacijskog materijala od umreženog polietilena silanom Oprema za proizvodnju materijala, trenutno više domaćih izotropnih paralelnih dvo-pužnih ekstrudera s uvezenim bestežinskim vaganjem, takvi uređaji mogu zadovoljiti zahtjeve točnosti upravljanja procesom, izborom duljine i promjera dvo-pužnog ekstrudera kako bi se osiguralo vrijeme zadržavanja materijala, izborom uvezenog bestežinskog vaganja kako bi se osigurala točnost sastojaka. Naravno, postoje mnogi detalji opreme kojima treba posvetiti punu pozornost.
Kao što je ranije spomenuto, oprema za proizvodnju jednostepeno umreženih kabela silanom u tvornici kabela je uvozna i skupa, a domaći proizvođači opreme nemaju sličnu proizvodnu opremu. Razlog tome je nedostatak suradnje između proizvođača opreme i istraživača formula i procesa.
7. Prirodni umreženi polietilenski izolacijski materijal od silana
Prirodni umreženi polietilenski izolacijski materijal silane razvijen posljednjih godina može se umrežiti u prirodnim uvjetima u roku od nekoliko dana, bez pare ili uranjanja u toplu vodu. U usporedbi s tradicionalnom metodom umreženog povezivanja silanom, ovaj materijal može smanjiti proizvodni proces za proizvođače kabela, dodatno smanjujući troškove proizvodnje i povećavajući učinkovitost proizvodnje. Izolacija od prirodno umreženog polietilena silane sve je više prepoznata i korištena od strane proizvođača kabela.
Posljednjih godina, domaća silanska prirodna umrežena polietilenska izolacija je sazrela i proizvodi se u velikim količinama, s određenim prednostima u cijeni u usporedbi s uvoznim materijalima.
7. 1 Ideje za formulacije za izolacije od prirodno umreženog polietilena na bazi silana
Izolacije od prirodno umreženog polietilena na bazi silana proizvode se u dvostupanjskom procesu, s istom formulacijom koja se sastoji od osnovne smole, inicijatora, silana, antioksidansa, inhibitora polimerizacije i katalizatora. Formulacija izolatora od prirodno umreženog polietilena na bazi silana temelji se na povećanju brzine cijepljenja silana A materijala i odabiru učinkovitijeg katalizatora od izolatora od polietilena umreženog toplom vodom na bazi silana. Upotreba A materijala s većom brzinom cijepljenja silana u kombinaciji s učinkovitijim katalizatorom omogućit će izolatoru od umreženog polietilena na bazi silana da se brzo umreži čak i na niskim temperaturama i s nedovoljnom vlagom.
A-materijali za uvezene silanske prirodno umrežene polietilenske izolatore sintetiziraju se kopolimerizacijom, gdje se sadržaj silana može kontrolirati na visokoj razini, dok je proizvodnja A-materijala s visokim stopama cijepljenja cijepljenjem silana teška. Osnovna smola, inicijator i silan korišteni u recepturi trebaju se mijenjati i prilagođavati u smislu raznolikosti i dodavanja.
Odabir otpornika i prilagodba njegovog doziranja također su ključni, jer povećanje brzine cijepljenja silana neizbježno dovodi do više nuspojava 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 učinkovito inhibiralo CC umrežavanje i prethodno predumrežavanje.
Osim toga, katalizatori igraju važnu ulogu u povećanju brzine umrežavanja i trebali bi se odabrati kao učinkoviti katalizatori koji sadrže elemente bez prijelaznih metala.
7. 2 Vrijeme umrežavanja prirodno umreženih polietilenskih izolacija silanom
Vrijeme potrebno za dovršetak umrežavanja izolacije od prirodno umreženog polietilena silanom u prirodnom stanju ovisi o temperaturi, vlažnosti i debljini izolacijskog sloja. Što je viša temperatura i vlažnost, što je tanji sloj izolacije, to je kraće potrebno vrijeme umrežavanja, a obrnuto dulje. 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 bit će različite. Stoga, tijekom korištenja materijala, korisnik treba odrediti vrijeme umrežavanja prema lokalnoj i prevladavajućoj temperaturi i vlažnosti, kao i specifikaciji kabela i debljini izolacijskog sloja.
Vrijeme objave: 13. kolovoza 2022.