Sammanfattning: Principen för tvärbindning, klassificering, formulering, process och utrustning för silan-tvärbundet polyetenisoleringsmaterial för tråd och kabel beskrivs kortfattat, och några egenskaper hos naturligt tvärbundet polyetenisoleringsmaterial av silan vid tillämpning och användning samt faktorer som påverkar materialets tvärbindningstillstånd introduceras.
Nyckelord: Silantvärbindning; Naturlig tvärbindning; Polyeten; Isolering; Tråd och kabel
Silantvärbunden polyetenkabel används nu i stor utsträckning inom tråd- och kabelindustrin som isoleringsmaterial för lågspänningskablar. Materialet vid tillverkning av tvärbunden tråd och kabel, samt peroxidtvärbindning och bestrålningstvärbindning, är enkelt, lätt att använda och har låg totalkostnad och andra fördelar, vilket har blivit det ledande materialet för lågspänningstvärbunden kabel med isolering.
1. Principen för tvärbindning av silantvärbunden kabel
Det finns två huvudprocesser involverade i att tillverka silantvärbunden polyeten: ympning och tvärbindning. I ympningsprocessen förlorar polymeren sin H-atom på den tertiära kolatomen under inverkan av fri initiator och pyrolys till fria radikaler, vilka reagerar med –CH = CH2-gruppen i vinylsilan för att producera en ympad polymer innehållande en trioxysilylestergrupp. I tvärbindningsprocessen hydrolyseras ymppolymeren först i närvaro av vatten för att producera silanol, och –OH kondenserar med den intilliggande Si-OH-gruppen för att bilda Si-O-Si-bindningen, vilket tvärbinder polymermakromolekylerna.
2. Silantvärbunden kabelmaterial och dess kabelproduktionsmetod
Som ni vet finns det tvåstegs- och enstegsmetoder för produktion av silantvärbundna kablar och deras kablar. Skillnaden mellan tvåstegsmetoden och enstegsmetoden ligger i var silanympningsprocessen utförs, ympningsprocessen hos kabelmaterialtillverkaren för tvåstegsmetoden, och ympningsprocessen i kabeltillverkningsanläggningen för enstegsmetoden. Det tvåstegs silantvärbundna polyetenisoleringsmaterialet med störst marknadsandel består av de så kallade A- och B-materialen, där A-materialet är polyetenen ympad med silan och B-materialet är katalysatormasterbatchen. Den isolerande kärnan tvärbinds sedan i varmt vatten eller ånga.
Det finns en annan typ av tvåstegs silantvärbunden polyetenisolator, där A-materialet framställs på ett annat sätt, genom att vinylsilan införs direkt i polyetenen under syntesen för att erhålla polyeten med silanförgrenade kedjor.
Enstegsmetoden har också två typer. Den traditionella enstegsprocessen är att använda ett speciellt precisionsmätningssystem för att mäta en mängd olika råvaror enligt formeln. I ett steg ympas och extruderas kabelns isoleringskärna i en specialdesignad extruder. I denna process sker ingen granulering och inget deltagande från kabelmaterialfabriken, och kabelfabriken behöver slutföra processen på egen hand. Denna enstegsutrustning och formuleringsteknik för silantvärbundna kablar importeras mestadels från utlandet och är dyr.
En annan typ av enstegs silan-tvärbunden polyetenisolering tillverkas av kabelmaterialtillverkare. Alla råvaror blandas, förpackas och säljs enligt en speciell formel. Det finns inget A-material och B-material. Kabelanläggningen kan placeras direkt i extrudern för att slutföra ett steg samtidigt som ympning och extrudering av kabelisoleringskärnan. Det unika med denna metod är att det inte finns något behov av dyra specialextruder, eftersom silanympningsprocessen kan slutföras i en vanlig PVC-extruder, och tvåstegsmetoden eliminerar behovet av att blanda A- och B-material före extrudering.
3. Formuleringens sammansättning
Formuleringen av silantvärbunden polyetenkabel består generellt av basmaterialharts, initiator, silan, antioxidant, polymerisationsinhibitor, katalysator etc.
(1) Bashartset är generellt ett lågdensitetspolyeten (LDPE)-harts med ett smältindex (MI) på 2, men nyligen, med utvecklingen av syntetisk hartsteknik och kostnadspress, har linjär lågdensitetspolyeten (LLDPE) också använts eller delvis använts som basharts för detta material. Olika hartser har ofta en betydande inverkan på ympning och tvärbindning på grund av skillnader i deras interna makromolekylära struktur, så formuleringen kommer att modifieras genom att använda olika bashartser eller samma typ av harts från olika tillverkare.
(2) Den vanligaste initiatorn är diisopropylperoxid (DCP). Det viktiga är att förstå problemets omfattning. För lite räcker inte för att orsaka silanympning; för mycket orsakar tvärbindning av polyeten, vilket minskar dess flytbarhet. Ytan på den extruderade isoleringskärnan blir grov och systemet är svårt att pressa. Eftersom mängden tillsatt initiator är mycket liten och känslig är det viktigt att den fördelas jämnt, så den tillsätts vanligtvis tillsammans med silanen.
(3) Silan används vanligtvis som vinylomättad silan, inklusive vinyltrimetoxisilan (A2171) och vinyltrietoxisilan (A2151). På grund av A2171s snabba hydrolyshastighet väljer fler A2171. Likaså finns det ett problem med att tillsätta silan, och nuvarande kabelmaterialtillverkare försöker uppnå den lägre gränsen för att minska kostnaderna, eftersom silan importeras och priset är högre.
(4) Antioxidanter är avsedda att säkerställa stabiliteten i polyetenbearbetningen och förhindra åldring av kabeln. Antioxidanter som tillsätts i silanympningsprocessen har rollen att hämma ympningsreaktionen. Därför måste tillsatsen av antioxidanter vara noggrann under ympningsprocessen. Den tillsatta mängden DCP ska beaktas i enlighet med valet. I tvåstegs-tvärbindningsprocessen kan det mesta av antioxidanten tillsättas i katalysatormasterbatchen, vilket kan minska påverkan på ympningsprocessen. I enstegs-tvärbindningsprocessen finns antioxidanten närvarande i hela ympningsprocessen, så valet av art och mängd är viktigare. Vanligt förekommande antioxidanter är 1010, 168, 330, etc.
(5) Polymerisationsinhibitorer tillsätts för att hämma vissa sidoreaktioner i ympningsprocessen och tvärbindningsprocessen. Genom att tillsätta ett anti-tvärbindningsmedel i ympningsprocessen kan man effektivt minska förekomsten av C2C-tvärbindning och därigenom förbättra bearbetningsfluiditeten. Dessutom kan tillsats av ett ymp under samma förhållanden föregås av hydrolys av silan på polymerisationsinhibitorn, vilket kan minska hydrolysen av ympad polyeten och förbättra ympmaterialets långsiktiga stabilitet.
(6) Katalysatorer är ofta organotennderivat (förutom naturlig tvärbindning), den vanligaste är dibutyltenndilaurat (DBDTL), som vanligtvis tillsätts i form av en masterbatch. I tvåstegsprocessen förpackas ympmaterialet (A-materialet) och katalysatormasterbatchen (B-materialet) separat och A- och B-materialen blandas innan de tillsätts till extrudern för att förhindra förtvärbindning av A-materialet. När det gäller enstegs silantvärbundna polyetenisoleringar har polyetenen i förpackningen ännu inte ympats, så det finns inget problem med förtvärbindning och därför behöver katalysatorn inte förpackas separat.
Dessutom finns det sammansatta silaner tillgängliga på marknaden, vilka är en kombination av silan, initiator, antioxidant, vissa smörjmedel och antikopparmedel, och används vanligtvis i enstegs-silantvärbindningsmetoder i kabelanläggningar.
Därför anses formuleringen av silantvärbunden polyetenisolering, vars sammansättning inte är särskilt komplex och finns tillgänglig i relevant information, men lämpliga produktionsformuleringar, med förbehåll för vissa justeringar för att slutföras, kräver en fullständig förståelse av komponenternas roll i formuleringen och lagen om deras inverkan på prestanda och deras ömsesidiga inflytande.
Bland de många varianterna av kabelmaterial anses silantvärbunden kabel (antingen tvåstegs- eller enstegs-) vara den enda varianten av kemiska processer som förekommer vid extrudering. I andra varianter, såsom polyvinylklorid (PVC)-kabelmaterial och polyeten (PE)-kabelmaterial, är extruderingsgranuleringsprocessen en fysisk blandningsprocess. Även om den kemiska tvärbindningen och bestrålningstvärbindningen av kabelmaterialet sker, oavsett om det är i extruderingsgranuleringsprocessen eller i kabelextruderingssystem, sker ingen kemisk process. Därför är processkontrollen viktigare än vid produktion av silantvärbunden kabel och extrudering av kabelisolering.
4. Tvåstegs tillverkningsprocess för silantvärbunden polyetenisolering
Produktionsprocessen för det tvåstegs silantvärbundna polyetenisoleringsmaterialet A kan kortfattat representeras av figur 1.
Figur 1 Produktionsprocess för tvåstegs silantvärbunden polyetenisoleringsmaterial A
Några viktiga punkter i produktionsprocessen för tvåstegs silan-tvärbunden polyetenisolering:
(1) Torkning. Eftersom polyetenhartset innehåller en liten mängd vatten, reagerar vattnet snabbt med silylgrupperna när det extruderas vid höga temperaturer för att producera tvärbindning, vilket minskar smältans fluiditet och producerar förtvärbindning. Det färdiga materialet innehåller också vatten efter vattenkylning, vilket också kan orsaka förtvärbindning om det inte avlägsnas, och måste också torkas. För att säkerställa torkningens kvalitet används en djuptorkningsenhet.
(2) Dosering. Eftersom noggrannheten i materialformuleringen är viktig används vanligtvis en importerad viktminskningsvåg. Polyetenhartset och antioxidanten mäts och matas genom extruderns matningsport, medan silanen och initiatorn injiceras av en flytande materialpump i extruderns andra eller tredje cylinder.
(3) Extruderingsympning. Ympningsprocessen för silan slutförs i extrudern. Extruderns processinställningar, inklusive temperatur, skruvkombination, skruvhastighet och matningshastighet, måste följa principen att materialet i extruderns första sektion kan smältas helt och blandas jämnt när för tidig nedbrytning av peroxiden inte önskas, och att det helt jämna materialet i extruderns andra sektion måste sönderdelas helt och ympningsprocessen måste vara slutförd. Typiska extrudersektionens temperaturer (LDPE) visas i tabell 1.
Tabell 1 Temperaturer i tvåstegsextruderzonerna
| Arbetszon | Zon 1 | Zon 2 | Zon 3 ① | Zon 4 | Zon 5 |
| Temperatur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Arbetszon | Zon 6 | Zon 7 | Zon 8 | Zon 9 | Mund dö |
| Temperatur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①är där silanen tillsätts.
Extruderskruvens hastighet bestämmer uppehållstiden och blandningseffekten av materialet i extrudern. Om uppehållstiden är kort blir peroxidnedbrytningen ofullständig; om uppehållstiden är för lång ökar viskositeten hos det extruderade materialet. Generellt sett bör granulens genomsnittliga uppehållstid i extrudern kontrolleras så att initiatorns nedbrytningshalveringstid är 5-10 gånger så hög. Matningshastigheten har inte bara en viss inverkan på materialets uppehållstid, utan även på materialets blandning och skjuvning. Att välja lämplig matningshastighet är också mycket viktigt.
(4) Förpackning. Tvåstegs silan-tvärbunden isolering bör förpackas i påsar av aluminium-plastkomposit i direkt luft för att eliminera fukt.
5. Enstegsproduktionsprocess för isoleringsmaterial av tvärbunden silanpolyeten
Enstegs silantvärbunden polyetenisoleringsmaterial På grund av dess ympningsprocess extruderas kabelisoleringens kärna i kabelfabriken, så är kabelisoleringens extruderingstemperatur betydligt högre än vid tvåstegsmetoden. Även om formeln för enstegs silantvärbunden polyetenisolering har beaktats fullt ut vid snabb spridning av initiator och silan samt materialskjuvning, måste ympningsprocessen garanteras av temperaturen. I produktionsanläggningen för enstegs silantvärbunden polyetenisolering betonas upprepade gånger vikten av korrekt val av extruderingstemperatur. Den generellt rekommenderade extruderingstemperaturen visas i tabell 2.
Tabell 2 Enstegs extrudertemperatur för varje zon (enhet: ℃)
| Zon | Zon 1 | Zon 2 | Zon 3 | Zon 4 | Fläns | Huvud |
| Temperatur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Detta är en av svagheterna med enstegsprocessen med silan-tvärbunden polyeten, vilken i allmänhet inte krävs vid extrudering av kablar i två steg.
6. Produktionsutrustning
Produktionsutrustningen är en viktig garanti för processkontroll. Tillverkning av silantvärbundna kablar kräver en mycket hög grad av processkontrollnoggrannhet, så valet av produktionsutrustning är särskilt viktigt.
Produktion av tvåstegs silan-tvärbunden polyetenisoleringsutrustning. Materialproduktionsutrustning, för närvarande mer inhemsk isotropisk parallell dubbelskruvextruder med importerad viktlös vägning, kan sådana anordningar uppfylla kraven på processkontrollnoggrannhet, val av längd och diameter på dubbelskruvextrudern för att säkerställa att materialets uppehållstid, val av importerad viktlös vägning för att säkerställa ingrediensernas noggrannhet. Naturligtvis finns det många detaljer i utrustningen som behöver ägnas full uppmärksamhet.
Som tidigare nämnts är utrustningen för produktion av enstegs silantvärbundna kablar i kabelfabriken importerad, dyr och inhemska utrustningstillverkare har inte liknande produktionsutrustning. Orsaken är bristen på samarbete mellan utrustningstillverkare och formel- och processforskare.
7. Silan naturligt tvärbundet polyetenisoleringsmaterial
Silan, naturligt tvärbunden polyetenisolering som utvecklats under senare år, kan tvärbindas under naturliga förhållanden inom några dagar, utan nedsänkning i ånga eller varmt vatten. Jämfört med den traditionella silantvärbindningsmetoden kan detta material minska produktionsprocessen för kabeltillverkare, vilket ytterligare minskar produktionskostnaderna och ökar produktionseffektiviteten. Silan, naturligt tvärbunden polyetenisolering, är alltmer erkänd och används av kabeltillverkare.
Under senare år har inhemsk silanisolering av naturlig tvärbunden polyeten mognat och har producerats i stora mängder, med vissa prisfördelar jämfört med importerade material.
7. 1 Formuleringsidéer för naturligt tvärbundna polyetenisoleringar av silan
Naturliga tvärbundna silanpolyetenisoleringar tillverkas i en tvåstegsprocess, med samma formulering bestående av basharts, initiator, silan, antioxidant, polymerisationsinhibitor och katalysator. Formuleringen av naturliga tvärbundna silanpolyetenisolatorer baseras på att öka silanympningshastigheten för A-materialet och välja en mer effektiv katalysator än silan-varmvattentvärbundna polyetenisolatorer. Användningen av A-material med en högre silanympningshastighet i kombination med en mer effektiv katalysator gör att den silantvärbundna polyetenisolatorn kan tvärbindas snabbt även vid låga temperaturer och med otillräcklig fuktighet.
A-materialen för importerade silanisolatorer med naturligt tvärbunden polyeten syntetiseras genom sampolymerisation, där silanhalten kan kontrolleras på en hög nivå, medan produktionen av A-material med höga ympningshastigheter genom ympning av silan är svår. Bashartset, initiatorn och silanen som används i receptet bör varieras och justeras vad gäller variation och tillsats.
Valet av resist och justeringen av dess dosering är också avgörande, eftersom en ökning av silanens ympningshastighet oundvikligen leder till fler CC-tvärbindningssidoreaktioner. För att förbättra processfluiditeten och yttillståndet hos A-materialet för efterföljande kabelextrudering krävs en lämplig mängd polymerisationsinhibitor för att effektivt hämma CC-tvärbindning och föregående för-tvärbindning.
Dessutom spelar katalysatorer en viktig roll för att öka tvärbindningshastigheten och bör väljas som effektiva katalysatorer som innehåller övergångsmetallfria element.
7. 2 Tvärbindningstid för naturligt tvärbundna polyetenisoleringar med silan
Den tid som krävs för att slutföra tvärbindningen av silanbaserad naturlig tvärbunden polyetenisolering i dess naturliga tillstånd beror på temperatur, fuktighet och tjocklek på isoleringsskiktet. Ju högre temperatur och fuktighet, desto tunnare tjocklek på isoleringsskiktet, desto kortare tvärbindningstid krävs, och desto längre tvärtom. Eftersom temperatur och fuktighet varierar från region till region och från säsong till säsong, även på samma plats och samtidigt, kommer temperaturen och fuktigheten idag och imorgon att vara olika. Därför bör användaren, under användningen av materialet, bestämma tvärbindningstiden enligt den lokala och rådande temperaturen och fuktigheten, samt kabelns specifikation och isoleringsskiktets tjocklek.
Publiceringstid: 13 augusti 2022