Sammendrag: Prinsippet for tverrbinding, klassifisering, formulering, prosess og utstyr for silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale for ledninger og kabler beskrives kort, og noen egenskaper ved silan-naturlig tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale i anvendelse og anvendelse, samt faktorer som påvirker materialets tverrbindingstilstand, introduseres.
Nøkkelord: Silantverrbinding; Naturlig tverrbinding; Polyetylen; Isolasjon; Ledninger og kabel
Silan-tverrbundet polyetylenkabelmateriale er nå mye brukt i lednings- og kabelindustrien som isolasjonsmateriale for lavspenningskabler. Materialet som kreves for produksjon av tverrbundet ledning og kabel, samt peroksid-tverrbinding og bestrålingstverrbinding, er enkelt, brukervennlig og har lave totalkostnader, noe som har blitt det ledende materialet for lavspenningstverrbundet kabel med isolasjon.
1. Prinsipp for tverrbinding av silan-tverrbundet kabelmateriale
Det er to hovedprosesser involvert i å lage silan-tverrbundet polyetylen: poding og tverrbinding. I podeprosessen mister polymeren sitt H-atom på det tertiære karbonatomet under påvirkning av fri initiator og pyrolyse til frie radikaler, som reagerer med –CH = CH2-gruppen i vinylsilan for å produsere en podet polymer som inneholder en trioksysilylestergruppe. I tverrbindingsprosessen hydrolyseres podepolymeren først i nærvær av vann for å produsere silanol, og –OH kondenserer med den tilstøtende Si-OH-gruppen for å danne Si-O-Si-bindingen, og dermed tverrbinder polymermakromolekylene.
2. Silan-tverrbundet kabelmateriale og dets kabelproduksjonsmetode
Som du vet, finnes det to-trinns og ett-trinns produksjonsmetoder for silan-tverrbundne kabler og deres kabler. Forskjellen mellom totrinnsmetoden og ett-trinnsmetoden ligger i hvor silanpodningsprosessen utføres, podeprosessen hos kabelmaterialprodusenten for totrinnsmetoden, og podeprosessen i kabelproduksjonsanlegget for ett-trinnsmetoden. Det totrinns silan-tverrbundne polyetylenisolasjonsmaterialet med størst markedsandel består av de såkalte A- og B-materialene, hvor A-materialet er polyetylenet podet med silan og B-materialet er katalysatormasterbatchen. Den isolerende kjernen blir deretter tverrbundet i varmt vann eller damp.
Det finnes en annen type totrinns silan-tverrbundet polyetylenisolator, hvor A-materialet produseres på en annen måte, ved å introdusere vinylsilan direkte i polyetylenet under syntesen for å oppnå polyetylen med silanforgrenede kjeder.
En-trinnsmetoden har også to typer. Den tradisjonelle en-trinnsprosessen er å bruke et spesielt presisjonsmålesystem til å bruke en rekke råvarer i henhold til formelen for å blande dem inn i en spesialdesignet spesialekstruder i ett trinn for å fullføre podingen og ekstruderingen av kabelisolasjonskjernen. I denne prosessen er det ingen granulering, ingen deltakelse fra kabelmaterialefabrikken, og kabelfabrikken må fullføre prosessen alene. Dette en-trinns produksjonsutstyret og formuleringsteknologien for silan-tverrbundet kabel importeres hovedsakelig fra utlandet og er dyrt.
En annen type ett-trinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale produseres av kabelmaterialprodusenter. Alle råmaterialene blandes, pakkes og selges i henhold til formelen i forholdet mellom A-materiale og B-materiale. Kabelanlegget kan være direkte i ekstruderen for å fullføre et trinn samtidig som poding og ekstrudering av kabelisolasjonskjernen. Det unike med denne metoden er at det ikke er behov for dyre spesialekstrudere, ettersom silanpodingsprosessen kan fullføres i en vanlig PVC-ekstruder, og totrinnsmetoden eliminerer behovet for å blande A- og B-materialer før ekstrudering.
3. Formuleringens sammensetning
Formuleringen av silan-tverrbundet polyetylenkabelmateriale består vanligvis av basismaterialeharpiks, initiator, silan, antioksidant, polymerisasjonsinhibitor, katalysator, etc.
(1) Basisharpiksen er vanligvis en lavdensitetspolyetylen (LDPE)-harpiks med en smelteindeks (MI) på 2, men nylig, med utviklingen av syntetisk harpiksteknologi og kostnadspress, har lineær lavdensitetspolyetylen (LLDPE) også blitt brukt eller delvis brukt som basisharpiks for dette materialet. Ulike harpikser har ofte en betydelig innvirkning på poding og tverrbinding på grunn av forskjeller i deres interne makromolekylære struktur, så formuleringen vil bli modifisert ved å bruke forskjellige basisharpikser eller samme type harpiks fra forskjellige produsenter.
(2) Den vanlig brukte initiatoren er diisopropylperoksid (DCP). Nøkkelen er å forstå problemets omfang. For lite er ikke nok til å forårsake silanpoding. For mye forårsaker tverrbinding av polyetylen, noe som reduserer flytbarheten. Overflaten på den ekstruderte isolasjonskjernen blir ru, og systemet er vanskelig å presse sammen. Siden mengden initiator som tilsettes er svært liten og følsom, er det viktig å fordele den jevnt, så den tilsettes vanligvis sammen med silanen.
(3) Silan er vanligvis brukt i vinylumettede silaner, inkludert vinyltrimetoksysilan (A2171) og vinyltrietoksysilan (A2151). På grunn av den raske hydrolysehastigheten til A2171, velger flere A2171. Tilsvarende er det et problem med å tilsette silan, og dagens kabelmaterialeprodusenter prøver å oppnå den nedre grensen for å redusere kostnadene, fordi silanene importeres og prisen er høyere.
(4) Antioksidanter skal sikre stabiliteten til polyetylenprosessen og forhindre aldring av kabelen. Antioksidanter som brukes i silanpodningsprosessen hemmer podeprosessen. Derfor må man være forsiktig med tilsetning av antioksidanter under podeprosessen. Mengden DCP må vurderes i henhold til utvalget. I totrinns tverrbindingsprosessen kan mesteparten av antioksidanten tilsettes i katalysatormasterbatchen, noe som kan redusere effekten på podeprosessen. I ettrinns tverrbindingsprosessen er antioksidanten tilstede i hele podeprosessen, så valg av art og mengde er viktigere. Vanlige antioksidanter som brukes er 1010, 168, 330 osv.
(5) Polymerisasjonshemmere tilsettes for å hemme noen bivirkninger i podings- og tverrbindingsprosessen. I podingsprosessen kan et anti-tverrbindingsmiddel tilsettes for å effektivt redusere forekomsten av C2C-tverrbinding og dermed forbedre prosesseringsfluiditeten. I tillegg vil tilsetning av et podningsmiddel under de samme forholdene etter hydrolyse av silan på polymerisasjonshemmeren redusere hydrolysen av podet polyetylen og dermed forbedre den langsiktige stabiliteten til podningsmaterialet.
(6) Katalysatorer er ofte organotinnderivater (med unntak av naturlig tverrbinding), den vanligste er dibutyltinn-dilaurat (DBDTL), som vanligvis tilsettes i form av en masterbatch. I totrinnsprosessen pakkes podematerialet (A-materialet) og katalysatormasterbatchen (B-materialet) separat, og A- og B-materialene blandes sammen før de tilsettes ekstruderen for å forhindre forhåndstverrbinding av A-materialet. Når det gjelder ett-trinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjon, er polyetylenet i pakken ennå ikke podet, så det er ikke noe problem med forhåndstverrbinding, og derfor trenger ikke katalysatoren å pakkes separat.
I tillegg finnes det sammensatte silaner på markedet, som er en kombinasjon av silan, initiator, antioksidant, noen smøremidler og antikobbermidler, og brukes vanligvis i ett-trinns silan-tverrbindingsmetoder i kabelanlegg.
Derfor anses formuleringen av silan-tverrbundet polyetylenisolasjon, hvis sammensetning ikke er veldig kompleks og er tilgjengelig i relevant informasjon, men de passende produksjonsformuleringene, med forbehold om noen justeringer for å ferdigstille, krever full forståelse av komponentenes rolle i formuleringen og loven om deres innvirkning på ytelse og deres gjensidige påvirkning.
Av de mange variantene av kabelmaterialer regnes silan-tverrbundet kabelmateriale (enten totrinns eller ettrinns) som den eneste varianten av kjemiske prosesser som forekommer i ekstrudering. Andre varianter, som polyvinylklorid (PVC)-kabelmateriale og polyetylen (PE)-kabelmateriale, har ekstruderingsgranuleringsprosessen som en fysisk blandingsprosess. Selv om kabelmaterialet kjemisk tverrbinding og bestrålingstverrbinding skjer, enten det er i ekstruderingsgranuleringsprosessen eller i ekstruderingssystemkabelen, er det ingen kjemisk prosess. Derfor er prosesskontroll viktigere enn produksjonen av silan-tverrbundet kabelmateriale og ekstrudering av kabelisolasjon.
4. To-trinns produksjonsprosess for silan-tverrbundet polyetylenisolasjon
Produksjonsprosessen for totrinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale A kan kort representeres av figur 1.
Figur 1 Produksjonsprosess for totrinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale A
Noen viktige punkter i produksjonsprosessen for totrinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjon:
(1) Tørking. Ettersom polyetylenharpiksen inneholder en liten mengde vann, reagerer vannet raskt med silylgruppene når det ekstruderes ved høye temperaturer for å produsere tverrbinding, noe som reduserer smeltens flytbarhet og forårsaker for-tverrbinding. Det ferdige materialet inneholder også vann etter vannkjøling, noe som også kan forårsake for-tverrbinding hvis det ikke fjernes, og må også tørkes. For å sikre kvaliteten på tørkingen brukes en dyptørkingsenhet.
(2) Dosering. Siden nøyaktigheten av materialformuleringen er viktig, brukes vanligvis en importert vekttapskala. Polyetylenharpiksen og antioksidanten måles og mates gjennom ekstruderens mateport, mens silanen og initiatoren injiseres av en flytende materialpumpe i ekstruderens andre eller tredje sylinder.
(3) Ekstruderingspoding. Podeprosessen for silan fullføres i ekstruderen. Prosessinnstillingene til ekstruderen, inkludert temperatur, skruekombinasjon, skruehastighet og matehastighet, må følge prinsippet om at materialet i den første delen av ekstruderen kan være fullstendig smeltet og blandet jevnt når for tidlig nedbrytning av peroksidet ikke er ønsket, og at det fullstendig jevne materialet i den andre delen av ekstruderen må være fullstendig nedbrutt og podeprosessen fullført. Typiske ekstruderseksjonstemperaturer (LDPE) er vist i tabell 1.
Tabell 1 Temperaturer i totrinns ekstrudersonene
| Arbeidssone | Sone 1 | Sone 2 | Sone 3 ① | Sone 4 | Sone 5 |
| Temperatur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Arbeidssone | Sone 6 | Sone 7 | Sone 8 | Sone 9 | Munn dør |
| Temperatur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①er der silanen tilsettes.
Ekstruderskruens hastighet bestemmer oppholdstiden og blandingseffekten av materialet i ekstruderen. Hvis oppholdstiden er kort, er peroksidnedbrytningen ufullstendig. Hvis oppholdstiden er for lang, øker viskositeten til det ekstruderte materialet. Generelt bør den gjennomsnittlige oppholdstiden for granulet i ekstruderen kontrolleres slik at initiatorens nedbrytningshalveringstid er 5–10 ganger så høy. Matingshastigheten har ikke bare en viss innvirkning på materialets oppholdstid, men også på blanding og skjæring av materialet. Det er også svært viktig å velge en passende matingshastighet.
(4) Emballasje. To-trinns silan-tverrbundet isolasjonsmateriale bør pakkes i aluminium-plast-komposittposer i direkte luft for å fjerne fuktighet.
5. Produksjonsprosess for isolasjonsmateriale av tverrbundet polyetylen i ett trinn
En-trinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale er på grunn av podeprosessen i ekstruderingen av kabelisolasjonskjerne i kabelfabrikken, slik at ekstruderingstemperaturen for kabelisolasjonen er betydelig høyere enn ved totrinnsmetoden. Selv om formelen for en-trinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjon har blitt fullt ut vurdert i den raske dispersjonen av initiator og silan og materialets skjærkraft, må podeprosessen garanteres av temperaturen. Dette er årsaken til at en-trinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsproduksjonsanlegget gjentatte ganger har understreket viktigheten av riktig valg av ekstruderingstemperatur. Den generelt anbefalte ekstruderingstemperaturen er vist i tabell 2.
Tabell 2 Temperatur for en-trinns ekstruder i hver sone (enhet: ℃)
| Sone | Sone 1 | Sone 2 | Sone 3 | Sone 4 | Flens | Hode |
| Temperatur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Dette er en av svakhetene ved den ett-trinns silan-tverrbundne polyetylenprosessen, som vanligvis ikke er nødvendig når man ekstruderer kabler i to trinn.
6. Produksjonsutstyr
Produksjonsutstyret er en viktig garanti for prosesskontroll. Produksjonen av silan-tverrbundne kabler krever en svært høy grad av prosesskontrollnøyaktighet, så valget av produksjonsutstyr er spesielt viktig.
Produksjon av totrinns silan-tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale Et materialproduksjonsutstyr, for tiden mer innenlandsk isotropisk parallell tvillingskrueekstruder med importert vektløs veiing, slike enheter kan oppfylle kravene til prosesskontrollnøyaktighet, valg av lengde og diameter på tvillingskrueekstruderen for å sikre at materialets oppholdstid, valg av importert vektløs veiing for å sikre nøyaktigheten av ingrediensene. Selvfølgelig er det mange detaljer ved utstyret som må vies full oppmerksomhet.
Som nevnt tidligere er produksjonsutstyret for en-trinns silan-tverrbundet kabel i kabelfabrikken importert, dyrt, og innenlandske utstyrsprodusenter har ikke lignende produksjonsutstyr. Årsaken er mangelen på samarbeid mellom utstyrsprodusenter og formel- og prosessforskere.
7. Silan naturlig tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale
Silan naturlig tverrbundet polyetylenisolasjonsmateriale utviklet de siste årene kan tverrbindes under naturlige forhold i løpet av få dager, uten nedsenking i damp eller varmt vann. Sammenlignet med den tradisjonelle silan-tverrbindingsmetoden kan dette materialet redusere produksjonsprosessen for kabelprodusenter, noe som ytterligere reduserer produksjonskostnadene og øker produksjonseffektiviteten. Silan naturlig tverrbundet polyetylenisolasjon blir stadig mer anerkjent og brukt av kabelprodusenter.
I de senere årene har innenlandsk silan-naturlig tverrbundet polyetylenisolasjon modnet og har blitt produsert i store mengder, med visse prisfordeler sammenlignet med importerte materialer.
7. 1 Formuleringsideer for naturlig tverrbundet polyetylenisolasjon av silan
Naturlig tverrbundet polyetylenisolasjon av silan produseres i en totrinnsprosess, med samme formulering bestående av baseharpiks, initiator, silan, antioksidant, polymerisasjonsinhibitor og katalysator. Formuleringen av naturlig tverrbundet polyetylenisolator av silan er basert på å øke silanpodningshastigheten til A-materialet og velge en mer effektiv katalysator enn silan varmtvannstverrbundet polyetylenisolatorer. Bruken av A-materialer med en høyere silanpodningshastighet kombinert med en mer effektiv katalysator vil gjøre det mulig for den silantverrbundne polyetylenisolatoren å tverrbinde raskt selv ved lave temperaturer og med utilstrekkelig fuktighet.
A-materialene for importerte silan-isolatorer med naturlig tverrbundne polyetylener syntetiseres ved kopolymerisering, hvor silaninnholdet kan kontrolleres på et høyt nivå, mens produksjonen av A-materialer med høye podehastigheter ved poding av silan er vanskelig. Basisharpiksen, initiatoren og silanen som brukes i oppskriften bør varieres og justeres med tanke på variasjon og tilsetning.
Valg av resist og justering av doseringen er også avgjørende, ettersom en økning i podehastigheten til silanen uunngåelig fører til flere CC-tverrbindingsbireaksjoner. For å forbedre prosesseringsfluiditeten og overflatetilstanden til A-materialet for påfølgende kabelekstrudering, kreves en passende mengde polymerisasjonsinhibitor for effektivt å hemme CC-tverrbinding og forutgående pre-tverrbinding.
I tillegg spiller katalysatorer en viktig rolle i å øke tverrbindingshastigheten, og bør velges som effektive katalysatorer som inneholder overgangsmetallfrie elementer.
7. 2 Tverrbindingstid for naturlig tverrbundne polyetylenisolasjoner av silan
Tiden som kreves for å fullføre tverrbindingen av naturlig tverrbundet polyetylenisolasjon av silan i naturlig tilstand avhenger av temperatur, fuktighet og tykkelse på isolasjonslaget. Jo høyere temperatur og fuktighet, desto tynnere tykkelse på isolasjonslaget, desto kortere er tverrbindingstiden som kreves, og desto lengre er det motsatte. Ettersom temperatur og fuktighet varierer fra region til region og fra sesong til sesong, vil temperaturen og fuktigheten i dag og i morgen være forskjellig, selv på samme sted og samtidig. Derfor bør brukeren, under bruk av materialet, bestemme tverrbindingstiden i henhold til den lokale og rådende temperaturen og fuktigheten, samt spesifikasjonene til kabelen og tykkelsen på isolasjonslaget.
Publisert: 13. august 2022