Resumé: Princippet om tværbinding, klassificering, formulering, proces og udstyr til silan-tværbundet polyethylenisoleringsmateriale til ledninger og kabler beskrives kort, og nogle karakteristika ved naturligt tværbundet polyethylenisoleringsmateriale af silan i anvendelse samt faktorer, der påvirker materialets tværbindingstilstand, introduceres.
Nøgleord: Silantværbinding; Naturlig tværbinding; Polyethylen; Isolering; Ledninger og kabler
Silan-tværbundet polyethylenkabelmateriale anvendes nu i vid udstrækning i lednings- og kabelindustrien som isoleringsmateriale til lavspændingskabler. Materialet til fremstilling af tværbundne ledninger og kabler, samt peroxid-tværbinding og bestrålingstværbinding, er enkelt, let at betjene og har lave samlede omkostninger og andre fordele i forhold til det nødvendige produktionsudstyr. Det er blevet det førende materiale til lavspændingstværbundet kabel med isolering.
1. Princip for tværbinding af silan-tværbundet kabelmateriale
Der er to hovedprocesser involveret i fremstilling af silan-tværbundet polyethylen: podning og tværbinding. I podningsprocessen mister polymeren sit H-atom på det tertiære kulstofatom under påvirkning af fri initiator og pyrolyse til frie radikaler, som reagerer med – CH = CH2-gruppen i vinylsilan for at producere en podet polymer indeholdende en trioxysilylestergruppe. I tværbindingsprocessen hydrolyseres podepolymeren først i nærvær af vand for at producere silanol, og – OH kondenserer med den tilstødende Si-OH-gruppe for at danne Si-O-Si-bindingen, hvorved polymermakromolekylerne tværbindes.
2. Silan-tværbundet kabelmateriale og dets kabelproduktionsmetode
Som bekendt findes der to-trins og et-trins produktionsmetoder til tværbundne silankabler og deres kabler. Forskellen mellem totrinsmetoden og et-trinsmetoden ligger i, hvor silanpodningsprocessen udføres: podningsprocessen hos kabelmaterialeproducenten for totrinsmetoden, og podningsprocessen i kabelfabrikken for et-trinsmetoden. Det to-trins silan-tværbundne polyethylenisoleringsmateriale med den største markedsandel består af de såkaldte A- og B-materialer, hvor A-materiale er polyethylen podet med silan, og B-materiale er katalysator-masterbatchen. Den isolerende kerne tværbindes derefter i varmt vand eller damp.
Der findes en anden type totrins silan-tværbundet polyethylenisolator, hvor A-materialet produceres på en anden måde, ved at introducere vinylsilan direkte i polyethylenen under syntesen for at opnå polyethylen med silanforgrenede kæder.
Et-trinsmetoden har også to typer. Den traditionelle et-trinsproces er at anvende en række forskellige råmaterialer i henhold til et specielt præcisionsmålingssystem i forholdet mellem forskellige materialer og en specialdesignet ekstruder i ét trin. I denne proces sker der ingen granulering, ingen deltagelse af kabelmaterialefabrikken, og kabelfabrikken skal færdiggøre processen alene. Dette et-trins produktionsudstyr og formuleringsteknologi til tværbundne silankabler importeres hovedsageligt fra udlandet og er dyrt.
En anden type et-trins silan-tværbundet polyethylenisoleringsmateriale produceres af kabelmaterialeproducenter. Alle råmaterialer blandes, pakkes og sælges i henhold til en særlig formel. Der er intet A-materiale og B-materiale. Kabelanlægget kan placeres direkte i ekstruderen for at fuldføre et trin, hvor podning og ekstrudering af kabelisoleringskernen udføres samtidig. Det unikke ved denne metode er, at der ikke er behov for dyre specialekstrudere, da silanpodningsprocessen kan udføres i en almindelig PVC-ekstruder, og totrinsmetoden eliminerer behovet for at blande A- og B-materialer før ekstrudering.
3. Formuleringens sammensætning
Formuleringen af silan-tværbundet polyethylenkabelmateriale består generelt af basismaterialet harpiks, initiator, silan, antioxidant, polymerisationsinhibitor, katalysator osv.
(1) Basisharpiksen er generelt en lavdensitetspolyethylen (LDPE) harpiks med et smelteindeks (MI) på 2, men for nylig, med udviklingen af syntetisk harpiksteknologi og omkostningspres, er lineær lavdensitetspolyethylen (LLDPE) også blevet brugt eller delvist brugt som basisharpiks til dette materiale. Forskellige harpikser har ofte en betydelig indflydelse på podning og tværbinding på grund af forskelle i deres interne makromolekylære struktur, så formuleringen vil blive modificeret ved at bruge forskellige basisharpikser eller den samme type harpiks fra forskellige producenter.
(2) Den almindeligt anvendte initiator er diisopropylperoxid (DCP). Nøglen er at forstå problemets omfang. For lidt er ikke nok til at forårsage silanpodning; for meget forårsager tværbinding af polyethylen, hvilket reducerer dens flydeevne. Overfladen på den ekstruderede isoleringskerne bliver ru, og systemet er vanskeligt at presse sammen. Da mængden af tilsat initiator er meget lille og følsom, er det vigtigt at fordele den jævnt, så den tilsættes generelt sammen med silanen.
(3) Silan er generelt anvendt umættet vinylsilan, herunder vinyltrimethoxysilan (A2171) og vinyltriethoxysilan (A2151). På grund af A2171s hurtige hydrolysehastighed vælger flere A2171. Tilsvarende er der et problem med at tilsætte silan, og de nuværende kabelmaterialeproducenter forsøger at nå den nedre grænse for at reducere omkostningerne, da silanen importeres, hvilket gør prisen højere.
(4) Antioxidanter har til formål at sikre stabiliteten af polyethylenforarbejdningen og anti-ældningen af kablet. Antioxidanter i silanpodningsprocessen har den rolle at hæmme podningsreaktionen. Derfor skal tilsætningen af antioxidanter under podningsprocessen være forsigtig og mængden af DCP skal overholdes for at matche valget. I totrins-tværbindingsprocessen kan det meste af antioxidanten tilsættes i katalysatormasterbatchen, hvilket kan reducere virkningen på podningsprocessen. I ettrins-tværbindingsprocessen er antioxidanten til stede i hele podningsprocessen, så valget af art og mængde er vigtigere. Almindeligt anvendte antioxidanter er 1010, 168, 330 osv.
(5) Polymerisationsinhibitor tilsættes for at hæmme nogle sidereaktioner i podnings- og tværbindingsprocessen. Ved at tilsætte et anti-tværbindingsmiddel i podningsprocessen kan forekomsten af C2C-tværbinding effektivt reduceres og dermed procesfluiditeten forbedres. Derudover vil tilsætning af et podningsmiddel under de samme betingelser forudgå af hydrolyse af silan på polymerisationsinhibitoren, hvilket kan reducere hydrolysen af podet polyethylen og forbedre podningsmaterialets langsigtede stabilitet.
(6) Katalysatorer er ofte organotinderivater (med undtagelse af naturlig tværbinding), hvor den mest almindelige er dibutyltindilaurat (DBDTL), som generelt tilsættes i form af en masterbatch. I totrinsprocessen pakkes podematerialet (A-materialet) og katalysatormasterbatchen (B-materialet) separat, og A- og B-materialerne blandes sammen, før de tilsættes ekstruderen for at forhindre præ-tværbinding af A-materialet. I tilfælde af et-trins silan-tværbundne polyethylenisoleringer er polyethylenen i pakken endnu ikke blevet podet, så der er intet problem med præ-tværbinding, og derfor behøver katalysatoren ikke at blive pakket separat.
Derudover findes der sammensatte silaner på markedet, som er en kombination af silan, initiator, antioxidant, nogle smøremidler og antikobbermidler, og som generelt anvendes i et-trins silan-tværbindingsmetoder i kabelanlæg.
Derfor anses formuleringen af silan-tværbundet polyethylenisolering, hvis sammensætning ikke anses for at være særlig kompleks og er tilgængelig i de relevante oplysninger, men de passende produktionsformuleringer, med forbehold for visse justeringer for at færdiggøre, hvilket kræver en fuld forståelse af komponenternes rolle i formuleringen og loven om deres indvirkning på ydeevne og deres gensidige påvirkning.
Blandt de mange varianter af kabelmaterialer anses silantværbundet kabelmateriale (enten totrins- eller ettrins-) for at være den eneste variant af kemiske processer, der forekommer ved ekstrudering. Ved andre varianter, såsom polyvinylchlorid (PVC)-kabelmateriale og polyethylen (PE)-kabelmateriale, er ekstruderingsgranuleringsprocessen en fysisk blandingsproces. Selvom den kemiske tværbinding og bestrålingstværbinding af kabelmaterialet finder sted, uanset om det er i ekstruderingsgranuleringsprocessen eller i ekstruderingssystemkablet, forekommer der ingen kemiske processer. Derfor er processtyring vigtigere i sammenligning med produktionen af silantværbundet kabelmateriale og ekstrudering af kabelisolering.
4. To-trins produktionsproces for tværbundet silan-polyethylenisolering
Produktionsprocessen for det totrins silan-tværbundne polyethylenisoleringsmateriale A kan kort repræsenteres i figur 1.
Figur 1 Produktionsproces for totrins silan-tværbundet polyethylenisoleringsmateriale A
Nogle nøglepunkter i produktionsprocessen for totrins silan-tværbundet polyethylenisolering:
(1) Tørring. Da polyethylenharpiksen indeholder en lille mængde vand, reagerer vandet hurtigt med silylgrupperne, når det ekstruderes ved høje temperaturer, hvilket forårsager tværbinding, hvilket reducerer smeltens flydeevne og forårsager præ-tværbinding. Det færdige materiale indeholder også vand efter vandkøling, hvilket også kan forårsage præ-tværbinding, hvis det ikke fjernes, og det skal også tørres. For at sikre kvaliteten af tørringen anvendes en dybdetørringsenhed.
(2) Dosering. Da nøjagtigheden af materialeformuleringen er vigtig, anvendes der generelt en importeret vægttabsvægt. Polyethylenharpiksen og antioxidanten måles og tilføres gennem ekstruderens tilførselsport, mens silanen og initiatoren injiceres af en flydende materialepumpe i ekstruderens anden eller tredje cylinder.
(3) Ekstruderingspodning. Silanens podningsprocessen fuldføres i ekstruderen. Ekstruderens procesindstillinger, herunder temperatur, skruekombination, skruehastighed og tilførselshastighed, skal følge princippet om, at materialet i ekstruderens første sektion kan være fuldt smeltet og blandet ensartet, når for tidlig nedbrydning af peroxidet ikke ønskes, og at det fuldt ensartede materiale i ekstruderens anden sektion skal være fuldt nedbrudt, og podningsprocessen skal være fuldført. Typiske ekstrudersektiontemperaturer (LDPE) er vist i tabel 1.
Tabel 1 Temperaturer i totrinsekstruderzonerne
| Arbejdszone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 ① | Zone 4 | Zone 5 |
| Temperatur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Arbejdszone | Zone 6 | Zone 7 | Zone 8 | Zone 9 | Munddør |
| Temperatur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①er hvor silanen tilsættes.
Ekstruderskruens hastighed bestemmer opholdstiden og blandingseffekten af materialet i ekstruderen. Hvis opholdstiden er kort, er peroxidnedbrydningen ufuldstændig; hvis opholdstiden er for lang, øges viskositeten af det ekstruderede materiale. Generelt bør den gennemsnitlige opholdstid for granulet i ekstruderen kontrolleres, så initiatornedbrydningens halveringstid er 5-10 gange så lang. Tilførselshastigheden har ikke kun en vis indflydelse på materialets opholdstid, men også på blanding og forskydning af materialet. Det er også meget vigtigt at vælge en passende tilførselshastighed.
(4) Emballage. To-trins silan-tværbundet isoleringsmateriale bør pakkes i aluminium-plastkompositposer i direkte luft for at fjerne fugt.
5. Produktionsproces for isoleringsmateriale af tværbundet silan i et trin
Et-trins silan-tværbundet polyethylenisoleringsmateriale er på grund af dets podningsproces i kabelfabrikkens ekstrudering af kabelisoleringskernen, så kabelisoleringens ekstruderingstemperatur er betydeligt højere end ved totrinsmetoden. Selvom et-trins silan-tværbundet polyethylenisoleringsformel er blevet fuldt ud overvejet i forbindelse med hurtig dispersion af initiator og silan samt materialeforskydning, skal podningsprocessen garanteres af temperaturen. Det er i produktionsanlægget for et-trins silan-tværbundet polyethylenisolering, at det er vigtigt at vælge den korrekte ekstruderingstemperatur. Den generelt anbefalede ekstruderingstemperatur er vist i tabel 2.
Tabel 2 Temperatur for et-trins ekstruder i hver zone (enhed: ℃)
| Zone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 | Zone 4 | Flange | Hoved |
| Temperatur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Dette er en af svaghederne ved den ett-trins proces med tværbundet silan-polyethylen, som generelt ikke er nødvendig ved ekstrudering af kabler i to trin.
6. Produktionsudstyr
Produktionsudstyret er en vigtig garanti for processtyring. Produktionen af silan-tværbundne kabler kræver en meget høj grad af processtyringsnøjagtighed, så valget af produktionsudstyr er særligt vigtigt.
Produktion af to-trins silan-tværbundet polyethylenisoleringsmateriale. Et materialeproduktionsudstyr, i øjeblikket mere indenlandsk isotropisk parallel dobbeltskrueekstruder med importeret vægtløs vejning, sådanne anordninger kan opfylde kravene til processtyringsnøjagtighed, valg af længde og diameter af dobbeltskrueekstruderen for at sikre, at materialets opholdstid, valg af importeret vægtløs vejning for at sikre nøjagtigheden af ingredienserne. Der er selvfølgelig mange detaljer ved udstyret, der skal gives fuld opmærksomhed.
Som tidligere nævnt er produktionsudstyret til et-trins silan-tværbundne kabler i kabelfabrikken importeret, dyrt, og indenlandske udstyrsproducenter har ikke lignende produktionsudstyr. Årsagen er manglen på samarbejde mellem udstyrsproducenter og formel- og procesforskere.
7. Silan naturligt tværbundet polyethylenisoleringsmateriale
Silan naturligt tværbundet polyethylenisoleringsmateriale, der er udviklet i de senere år, kan tværbindes under naturlige forhold inden for få dage uden nedsænkning i damp eller varmt vand. Sammenlignet med den traditionelle silan-tværbindingsmetode kan dette materiale reducere produktionsprocessen for kabelproducenter, hvilket yderligere reducerer produktionsomkostningerne og øger produktionseffektiviteten. Silan naturligt tværbundet polyethylenisolering anerkendes og anvendes i stigende grad af kabelproducenter.
I de senere år er indenlandsk naturlig tværbundet polyethylenisolering af silan modnet og er blevet produceret i store mængder med visse prisfordele sammenlignet med importerede materialer.
7. 1 Formuleringsideer til naturligt tværbundne polyethylenisoleringer af silan
Naturlige tværbundne silan-polyethylenisolatorer produceres i en totrinsproces med den samme formulering bestående af basisharpiks, initiator, silan, antioxidant, polymerisationsinhibitor og katalysator. Formuleringen af naturlige tværbundne silan-polyethylenisolatorer er baseret på at øge silanpodningshastigheden for A-materialet og vælge en mere effektiv katalysator end silan-varmtvandstværbundne polyethylenisolatorer. Brugen af A-materialer med en højere silanpodningshastighed kombineret med en mere effektiv katalysator vil gøre det muligt for den silan-tværbundne polyethylenisolator at tværbinde hurtigt, selv ved lave temperaturer og med utilstrækkelig fugtighed.
A-materialerne til importerede silan-isolatorer, der er naturligt tværbundne med polyethylen, syntetiseres ved copolymerisation, hvor silanindholdet kan kontrolleres på et højt niveau, hvorimod produktionen af A-materialer med høje podningshastigheder ved podning af silan er vanskelig. Basisharpiksen, initiatoren og silanen, der anvendes i opskriften, bør varieres og justeres med hensyn til variation og tilsætning.
Valget af resist og justeringen af dens dosering er også afgørende, da en stigning i silanens podningshastighed uundgåeligt fører til flere CC-tværbindingsbireaktioner. For at forbedre procesfluiditeten og overfladetilstanden af A-materialet til efterfølgende kabelekstrudering kræves en passende mængde polymerisationsinhibitor for effektivt at hæmme CC-tværbinding og forudgående præ-tværbinding.
Derudover spiller katalysatorer en vigtig rolle i at øge tværbindingshastigheden og bør vælges som effektive katalysatorer, der indeholder overgangsmetalfri elementer.
7. 2 Tværbindingstid for naturligt tværbundne silan-polyethylenisoleringer
Den tid, der kræves for at fuldføre tværbindingen af naturlig tværbundet silan-polyethylenisolering i sin naturlige tilstand, afhænger af temperatur, fugtighed og tykkelse af isoleringslaget. Jo højere temperatur og fugtighed, desto tyndere er tykkelsen af isoleringslaget, desto kortere er den nødvendige tværbindingstid, og desto længere er det modsatte. Da temperatur og fugtighed varierer fra region til region og fra årstid til årstid, vil temperaturen og fugtigheden i dag og i morgen være forskellig, selv på samme sted og på samme tidspunkt. Derfor bør brugeren under brugen af materialet bestemme tværbindingstiden i henhold til den lokale og fremherskende temperatur og fugtighed, samt kablets specifikation og tykkelsen af isoleringslaget.
Opslagstidspunkt: 13. august 2022