Kopsavilkums: Īsumā aprakstīts silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas materiāla vadiem un kabeļiem šķērssaistīšanas princips, klasifikācija, formulējums, process un aprīkojums, un tiek iepazīstināts ar dažām silāna dabiski šķērssaistītā polietilēna izolācijas materiāla īpašībām pielietojumā un lietošanā, kā arī faktoriem, kas ietekmē materiāla šķērssaistīšanas stāvokli.
Atslēgvārdi: silāna šķērssavienošana; dabiskā šķērssavienošana; polietilēns; izolācija; vadi un kabeļi
Silāna šķērssaistīta polietilēna kabeļu materiāls tagad tiek plaši izmantots vadu un kabeļu rūpniecībā kā izolācijas materiāls zemsprieguma strāvas kabeļiem. Šķērssaistītu vadu un kabeļu ražošanā izmantotais materiāls, un peroksīda šķērssaistītā un apstarošanas šķērssaistītā materiāla vienkāršība, ērta lietošana, zemas izmaksas un citas priekšrocības ir kļuvušas par vadošo materiālu zemsprieguma šķērssaistītu kabeļu ar izolāciju ražošanā.
1. Silāna šķērssaistītā kabeļu materiāla šķērssaistīšanas princips
Silāna šķērssaistīta polietilēna ražošanā ir iesaistīti divi galvenie procesi: potēšana un šķērssavienošana. Potēšanas procesā polimērs brīvā iniciatora un pirolīzes ietekmē zaudē savu H atomu pie terciārā oglekļa atoma, veidojot brīvos radikāļus, kas reaģē ar vinilsilāna – CH = CH2 grupu, veidojot potētu polimēru, kas satur trioksisililestera grupu. Šķērssavienošanas procesā potētais polimērs vispirms tiek hidrolizēts ūdens klātbūtnē, veidojot silanolu, un – OH kondensējas ar blakus esošo Si-OH grupu, veidojot Si-O-Si saiti, tādējādi šķērssavienojot polimēra makromolekulas.
2. Silāna šķērssaistīts kabeļu materiāls un tā kabeļu ražošanas metode
Kā zināms, silāna šķērssaistīto kabeļu un to kabeļu ražošanas metodes ir divpakāpju un vienas pakāpes. Atšķirība starp divpakāpju metodi un vienas pakāpes metodi ir tajā, kur tiek veikts silāna potēšanas process: divpakāpju metodes gadījumā potēšanas process notiek pie kabeļu materiāla ražotāja, bet vienas pakāpes metodes gadījumā — kabeļu ražošanas rūpnīcā. Divpakāpju silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas materiāls ar lielāko tirgus daļu sastāv no tā sauktajiem A un B materiāliem, kur A materiāls ir ar silānu potēts polietilēns, bet B materiāls ir katalizatora pamatmaisījums. Pēc tam izolācijas kodols tiek šķērssaistīts siltā ūdenī vai tvaikā.
Ir vēl viens divpakāpju silāna šķērssaistīta polietilēna izolatora veids, kur A materiāls tiek ražots citādā veidā, sintēzes laikā ievadot vinilsilānu tieši polietilēnā, lai iegūtu polietilēnu ar silāna sazarotām ķēdēm.
Arī vienas pakāpes metodei ir divi veidi. Tradicionālais vienas pakāpes process ir dažādu izejvielu ievietošana atbilstoši formulai, izmantojot īpašu precīzas dozēšanas sistēmu, speciāli izstrādātā ekstrūderī, lai vienā solī pabeigtu kabeļu izolācijas serdeņa potēšanu un ekstrūziju. Šajā procesā nav nepieciešama granulēšana un kabeļu materiālu rūpnīcas līdzdalība, to var paveikt kabeļu rūpnīca viena pati. Šīs vienas pakāpes silāna šķērssaistīto kabeļu ražošanas iekārtas un formulēšanas tehnoloģijas lielākoties tiek importētas no ārzemēm, un tās ir dārgas.
Cita veida vienpakāpes silāna šķērssaistītu polietilēna izolācijas materiālu ražo kabeļu materiālu ražotāji, un visas izejvielas tiek sajauktas kopā pēc formulas, izmantojot īpašu metodi, iepakotas un pārdotas. Nav A un B materiālu. Kabeļu ražošanas iekārtu var tieši ievietot ekstrūderī, lai vienlaikus veiktu kabeļu izolācijas serdeņa potēšanu un ekstrūziju. Šīs metodes unikālā iezīme ir tā, ka nav nepieciešami dārgi speciāli ekstrūderi, jo silāna potēšanas procesu var veikt parastā PVC ekstrūderī, un divpakāpju metode novērš nepieciešamību sajaukt A un B materiālus pirms ekstrūzijas.
3. Sastāvdaļas sastāvs
Silāna šķērssaistītā polietilēna kabeļu materiāla sastāvs parasti sastāv no pamatmateriāla sveķiem, iniciatora, silāna, antioksidanta, polimerizācijas inhibitora, katalizatora utt.
(1) Bāzes sveķi parasti ir zema blīvuma polietilēna (LDPE) sveķi ar kušanas indeksu (MI) 2, bet pēdējā laikā, attīstoties sintētisko sveķu tehnoloģijai un izmaksu spiedienam, par šī materiāla bāzes sveķiem ir izmantots vai daļēji izmantots arī lineārs zema blīvuma polietilēns (LLDPE). Dažādiem sveķiem bieži ir būtiska ietekme uz potēšanu un šķērssaistīšanu to iekšējās makromolekulārās struktūras atšķirību dēļ, tāpēc formula tiks modificēta, izmantojot dažādus bāzes sveķus vai viena veida sveķus no dažādiem ražotājiem.
(2) Parasti izmantotais iniciators ir diizopropilperoksīds (DCP). Galvenais ir izprast problēmas apjomu. Pārāk mazs daudzums var izraisīt silāna potēšanu, bet pārāk daudz — polietilēna šķērssavienošanos, kas samazina tā plūstamību, ekstrudētās izolācijas serdes virsma kļūst raupja un grūti saspiežama. Tā kā pievienotā iniciatora daudzums ir ļoti mazs un jutīgs, ir svarīgi to vienmērīgi izkliedēt, tāpēc to parasti pievieno kopā ar silānu.
(3) Silāns parasti ir vinilnepiesātināts silāns, tostarp viniltrimetoksisilāns (A2171) un viniltrietoksisilāns (A2151), jo A2171 hidrolīzes ātrums ir ātrs, tāpēc biežāk izvēlas A2171. Līdzīgi pastāv problēma ar silāna pievienošanu, un pašreizējie kabeļu materiālu ražotāji cenšas samazināt izmaksas, jo importētie silāni ir dārgāki.
(4) Antioksidanta mērķis ir nodrošināt polietilēna apstrādes stabilitāti un kabeļu novecošanās novēršanu, un silāna potēšanas procesā pievienotajam antioksidantam ir nozīme potēšanas reakcijas kavēšanā, tāpēc potēšanas procesā antioksidanta pievienošanai jābūt uzmanīgam, izvēloties pievienoto daudzumu, un jāņem vērā DCP daudzuma izvēle. Divpakāpju šķērssaistīšanas procesā lielāko daļu antioksidanta var pievienot katalizatora galvenajā maisījumā, kas var samazināt ietekmi uz potēšanas procesu. Vienpakāpju šķērssaistīšanas procesā antioksidants ir klātesošs visā potēšanas procesā, tāpēc sugas un daudzuma izvēle ir svarīgāka. Bieži izmantotie antioksidanti ir 1010, 168, 330 utt.
(5) Polimerizācijas inhibitoru pievieno, lai kavētu dažas potēšanas un šķērssaistīšanas procesa blakusreakcijas, potēšanas procesā pievienojot pretšķērssaistīšanas līdzekli, var efektīvi samazināt C2C šķērssaistīšanas rašanos, tādējādi uzlabojot apstrādes plūstamību, turklāt potēšanas pievienošanai tādos pašos apstākļos sekos silāna hidrolīze uz polimerizācijas inhibitora, kas var samazināt potētā polietilēna hidrolīzi, lai uzlabotu potēšanas materiāla ilgtermiņa stabilitāti.
(6) Katalizatori bieži ir organotīnskābes atvasinājumi (izņemot dabiskos šķērssavienojumus), visizplatītākais ir dibutilalvas dilaurāts (DBDTL), ko parasti pievieno pamatmaisījuma veidā. Divpakāpju procesā potzaru (A materiāls) un katalizatora pamatmaisījumu (B materiāls) iepako atsevišķi, un A un B materiāli tiek sajaukti kopā pirms pievienošanas ekstrūderim, lai novērstu A materiāla iepriekšēju šķērssavienošanos. Vienpakāpes silāna šķērssavienojuma polietilēna izolāciju gadījumā polietilēns iepakojumā vēl nav potzarots, tāpēc nav iepriekšējas šķērssavienošanās problēmas, un tāpēc katalizators nav jāiepako atsevišķi.
Turklāt tirgū ir pieejami silānu maisījumi, kas ir silāna, iniciatora, antioksidanta, dažu smērvielu un antivara līdzekļu kombinācija, un tos parasti izmanto vienas pakāpes silāna šķērssaistīšanas metodēs kabeļu rūpnīcās.
Tāpēc silāna šķērssaistīta polietilēna izolācijas formulējums, kura sastāvs netiek uzskatīts par ļoti sarežģītu un ir pieejams attiecīgajā informācijā, bet atbilstošās ražošanas formulas, ievērojot dažus pielāgojumus, lai tās pabeigtu, prasa pilnīgu izpratni par komponentu lomu formulējumā un to ietekmes likumu uz veiktspēju un to savstarpējo ietekmi.
No daudzajiem kabeļu materiālu veidiem silāna šķērssaistītais kabeļu materiāls (divpakāpju vai vienpakāpes) tiek uzskatīts par vienīgo ķīmisko procesu ekstrūzijā dažādo veidu. Citu veidu, piemēram, polivinilhlorīda (PVC) kabeļu materiāla un polietilēna (PE) kabeļu materiāla ekstrūzijas granulācijas process ir fizisks sajaukšanas process. Pat ja ķīmiskā šķērssaistīšana un apstarošana šķērssaistīšanas kabeļu materiālā notiek ekstrūzijas granulācijas procesā vai ekstrūzijas sistēmas kabelī, ķīmisks process nenotiek. Tāpēc, salīdzinot ar silāna šķērssaistītā kabeļu materiāla un kabeļu izolācijas ekstrūzijas ražošanu, procesa kontrole ir svarīgāka.
4. Divpakāpju silāna šķērssaistīta polietilēna izolācijas ražošanas process
Divpakāpju silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas A materiāla ražošanas procesu var īsumā attēlot 1. attēlā.
1. attēls. Divpakāpju silāna šķērssaistīta polietilēna izolācijas materiāla ražošanas process A

Daži galvenie punkti divpakāpju silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas ražošanas procesā:
(1) Žāvēšana. Tā kā polietilēna sveķi satur nelielu daudzumu ūdens, ekstrudējot augstā temperatūrā, ūdens ātri reaģē ar sililgrupām, veidojot šķērssavienojumus, kas samazina kausējuma plūstamību un rada iepriekšēju šķērssavienošanu. Gatavais materiāls pēc atdzesēšanas ar ūdeni satur arī ūdeni, kas, ja to nenoņem, var izraisīt iepriekšēju šķērssavienošanu, un tas ir jāžāvē. Lai nodrošinātu žāvēšanas kvalitāti, tiek izmantota dziļās žāvēšanas iekārta.
(2) Mērīšana. Tā kā materiāla formulējuma precizitāte ir svarīga, parasti tiek izmantoti importēti svara zuduma svari. Polietilēna sveķi un antioksidants tiek mērīti un padoti caur ekstrūdera padeves atveri, savukārt silānu un iniciatoru ar šķidrā materiāla sūkni ievada ekstrūdera otrajā vai trešajā cilindrā.
(3) Ekstrūzijas potēšana. Silāna potēšanas process tiek pabeigts ekstrūderī. Ekstrūdera procesa iestatījumiem, tostarp temperatūrai, skrūvju kombinācijai, skrūvju ātrumam un padeves ātrumam, jāatbilst principam, ka materiāls ekstrūdera pirmajā sekcijā var būt pilnībā izkausēts un vienmērīgi sajaukts, ja nav vēlama peroksīda priekšlaicīga sadalīšanās, un ka pilnīgi vienmērīgajam materiālam ekstrūdera otrajā sekcijā ir jābūt pilnībā sadalītam un potēšanas procesam ir jābūt pabeigtam. Tipiskas ekstrūdera sekcijas temperatūras (LDPE) ir parādītas 1. tabulā.
1. tabula. Divpakāpju ekstrūdera zonu temperatūras
Darba zona | 1. zona | 2. zona | 3. zona ① | 4. zona | 5. zona |
Temperatūra P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
Darba zona | 6. zona | 7. zona | 8. zona | 9. zona | Mutes die |
Temperatūra °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①ir vieta, kur tiek pievienots silāns.
Ekstrūdera skrūves ātrums nosaka materiāla uzturēšanās laiku un sajaukšanās efektu ekstrūderī. Ja uzturēšanās laiks ir īss, peroksīda sadalīšanās nav pilnīga; ja uzturēšanās laiks ir pārāk ilgs, ekstrudētā materiāla viskozitāte palielinās. Kopumā granulu vidējais uzturēšanās laiks ekstrūderī jākontrolē, iniciatora sadalīšanās pusperiods nepārsniedzot 5–10 reizes. Padeves ātrumam ir ne tikai zināma ietekme uz materiāla uzturēšanās laiku, bet arī uz materiāla sajaukšanos un bīdi. Ļoti svarīgi ir izvēlēties atbilstošu padeves ātrumu.
(4) Iepakojums. Divpakāpju silāna šķērssaistītais izolācijas materiāls jāiepako alumīnija-plastmasas kompozītmateriāla maisiņos tiešos gaisā, lai novērstu mitruma izvadīšanu.
5. Vienpakāpes silāna šķērssaistīta polietilēna izolācijas materiāla ražošanas process
Vienpakāpes silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas materiāla potēšanas procesa dēļ kabeļu rūpnīcā tiek ekstrūzēta kabeļu izolācijas serde, tāpēc kabeļu izolācijas ekstrūzijas temperatūra ir ievērojami augstāka nekā divpakāpju metodē. Lai gan vienpakāpes silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas formula ir pilnībā ņemta vērā iniciatora un silāna ātrajā izkliedē un materiāla bīdē, potēšanas procesam ir jābūt garantētam ar temperatūru, kas ir vienpakāpes silāna šķērssaistītā polietilēna izolācijas ražotne, kas vairākkārt ir uzsvērusi pareizas ekstrūzijas temperatūras izvēles nozīmi, vispārīgi ieteicamā ekstrūzijas temperatūra ir parādīta 2. tabulā.
2. tabula. Katras zonas vienas pakāpes ekstrūdera temperatūra (vienība: ℃)
Zona | 1. zona | 2. zona | 3. zona | 4. zona | Atloks | Galva |
Temperatūra | 160 | 190 | 200~210 | 220~230 | 230 | 230 |
Šis ir viens no vienpakāpes silāna šķērssaistītā polietilēna procesa trūkumiem, kas parasti nav nepieciešams, ekstrudējot kabeļus divos posmos.
6.Ražošanas iekārtas
Ražošanas iekārtas ir svarīga procesa kontroles garantija. Silāna šķērssaistītu kabeļu ražošanai ir nepieciešama ļoti augsta procesa kontroles precizitāte, tāpēc ražošanas iekārtu izvēle ir īpaši svarīga.
Divpakāpju silāna šķērssaistīta polietilēna izolācijas materiāla ražošana. Materiāla ražošanas iekārtas, pašlaik vairāk vietējo izotropisko paralēlo divu skrūvju ekstrūderi ar importētu bezsvara svēršanu, šādas ierīces var izpildīt procesa vadības precizitātes prasības, divu skrūvju ekstrūdera garuma un diametra izvēli, lai nodrošinātu materiāla uzturēšanās laiku, importētas bezsvara svēršanas izvēli, lai nodrošinātu sastāvdaļu precizitāti. Protams, ir daudz aprīkojuma detaļu, kurām jāpievērš pilnīga uzmanība.
Kā jau minēts iepriekš, kabeļu rūpnīcā izmantotās vienpakāpes silāna šķērssaistīto kabeļu ražošanas iekārtas ir importētas, dārgas, vietējiem iekārtu ražotājiem nav līdzīgu ražošanas iekārtu, iemesls ir sadarbības trūkums starp iekārtu ražotājiem un formulu un procesu pētniekiem.
7.Silāna dabīgais šķērssaistītais polietilēna izolācijas materiāls
Pēdējos gados izstrādātais silāna dabīgais šķērssaistītais polietilēna izolācijas materiāls var tikt šķērssaistīts dabiskos apstākļos dažu dienu laikā, bez tvaika vai silta ūdens iegremdēšanas. Salīdzinot ar tradicionālo silāna šķērssaistīto metodi, šis materiāls var saīsināt kabeļu ražotāju ražošanas procesu, vēl vairāk samazinot ražošanas izmaksas un palielinot ražošanas efektivitāti. Silāna dabīgais šķērssaistītais polietilēna izolācija arvien vairāk tiek atzīta un izmantota kabeļu ražotāju vidū.
Pēdējos gados vietējā silāna dabiskā šķērssaistītā polietilēna izolācija ir nobriedusi un tiek ražota lielos daudzumos, ar noteiktām cenu priekšrocībām salīdzinājumā ar importētiem materiāliem.
7. 1. Silāna dabiski šķērssaistītu polietilēna izolāciju formulēšanas idejas
Silāna dabīgā šķērssaistītā polietilēna izolācijas tiek ražotas divpakāpju procesā, izmantojot vienādu formulu, kas sastāv no bāzes sveķiem, iniciatora, silāna, antioksidanta, polimerizācijas inhibitora un katalizatora. Silāna dabīgā šķērssaistītā polietilēna izolatoru formula ir balstīta uz A materiāla silāna potēšanas ātruma palielināšanu un efektīvāka katalizatora izvēli nekā silāna siltā ūdenī šķērssaistītie polietilēna izolatori. A materiālu ar augstāku silāna potēšanas ātrumu izmantošana apvienojumā ar efektīvāku katalizatoru ļaus silāna šķērssaistītajam polietilēna izolatoram ātri šķērssaistīties pat zemā temperatūrā un ar nepietiekamu mitrumu.
Importēto silāna dabiski šķērssaistīto polietilēna izolatoru A materiāli tiek sintezēti ar kopolimerizācijas metodi, kur silāna saturu var kontrolēt augstā līmenī, turpretī A materiālu ar augstu potēšanas ātrumu ražošana, potējot silānu, ir sarežģīta. Receptē izmantotajiem bāzes sveķiem, iniciatoram un silānam jābūt dažādiem un jāpielāgo to daudzums.
Rezista izvēle un tā devas pielāgošana ir arī ļoti svarīga, jo silāna potēšanas ātruma palielināšanās neizbēgami noved pie vairākām CC šķērssaistīšanas blakusreakcijām. Lai uzlabotu A materiāla apstrādes plūstamību un virsmas stāvokli turpmākai kabeļu ekstrūzijai, ir nepieciešams piemērots polimerizācijas inhibitora daudzums, lai efektīvi kavētu CC šķērssaistīšanu un iepriekšējo šķērssaistīšanu.
Turklāt katalizatoriem ir svarīga loma šķērssaistīšanas ātruma palielināšanā, un tie jāizvēlas kā efektīvi katalizatori, kas satur pārejas metālu nesaturošus elementus.
7.2. Ar silānu dabiski saistītu polietilēna izolāciju šķērssaistīšanās laiks
Laiks, kas nepieciešams, lai pabeigtu silāna dabīgā šķērssaistītā polietilēna izolācijas savstarpējo savienošanu tās dabiskajā stāvoklī, ir atkarīgs no temperatūras, mitruma un izolācijas slāņa biezuma. Jo augstāka temperatūra un mitrums, jo plānāks ir izolācijas slāņa biezums, jo īsāks ir nepieciešamais šķērssaistīšanas laiks, un jo ilgāks ir otrādi. Tā kā temperatūra un mitrums dažādos reģionos un gadalaikos atšķiras, pat vienā un tajā pašā vietā un laikā temperatūra un mitrums šodien un rīt būs atšķirīgi. Tāpēc materiāla lietošanas laikā lietotājam jānosaka šķērssaistīšanas laiks atbilstoši vietējai un valdošajai temperatūrai un mitrumam, kā arī kabeļa specifikācijai un izolācijas slāņa biezumam.
Publicēšanas laiks: 2022. gada 13. augusts