1. Inleiding
EVA is de afkorting voor ethyleenvinylacetaatcopolymeer, een polyolefinepolymeer. Dankzij het lage smeltpunt, de goede vloeibaarheid, de polariteit en de afwezigheid van halogenen, en de compatibiliteit met diverse polymeren en minerale poeders, biedt het een evenwichtige combinatie van mechanische en fysische eigenschappen, elektrische eigenschappen en verwerkbaarheid. Bovendien is de prijs laag en is het ruim voorhanden op de markt. Daarom kan het zowel als kabelisolatiemateriaal als vul- en omhulselmateriaal worden gebruikt; het kan worden verwerkt tot thermoplastisch materiaal en tot thermohardend, verknopend materiaal.
EVA kent een breed scala aan toepassingen. Met vlamvertragers kan het worden gebruikt voor rookarme, halogeenvrije of halogeenbestendige brandstofbarrières. Door EVA met een hoog VA-gehalte als basismateriaal te kiezen, kan er ook een oliebestendig materiaal van worden gemaakt. Door EVA met een gemiddelde smeltindex te kiezen en 2 tot 3 keer de hoeveelheid vlamvertragers toe te voegen, kan een zuurstofbarrière (vulling) worden gemaakt die beter in balans is qua extrusieprocesprestaties en prijs.
In dit artikel worden de structurele eigenschappen van EVA, de toepassing ervan in de kabelindustrie en de ontwikkelingsvooruitzichten besproken.
2. Structurele eigenschappen
Bij de synthese kan door het wijzigen van de polymerisatiegraadverhouding n/m het VA-gehalte van EVA variëren van 5 tot 90%; een verhoging van de totale polymerisatiegraad kan het molecuulgewicht van EVA verhogen van tienduizenden tot honderdduizenden; een VA-gehalte lager dan 40%, vanwege de aanwezigheid van gedeeltelijke kristallisatie en een slechte elasticiteit, wordt algemeen bekend als EVA-plastic; wanneer het VA-gehalte hoger is dan 40%, ontstaat een rubberachtig elastomeer zonder kristallisatie, algemeen bekend als EVM-rubber.
1. 2 Eigenschappen
De moleculaire keten van EVA heeft een lineaire, verzadigde structuur, waardoor het een goede weerstand biedt tegen hitteveroudering, weersinvloeden en ozon.
De hoofdketen van het EVA-molecuul bevat geen dubbele bindingen, benzeenringen, acyl-, aminegroepen en andere rookvormende groepen bij verbranding. Ook de zijketens bevatten geen rookvormende groepen zoals methyl, fenyl, cyano en andere. Bovendien bevat het molecuul zelf geen halogenen, waardoor het bijzonder geschikt is als rookarme, halogeenvrije brandstofbasis.
De grote omvang van de vinylacetaatgroep (VA) in de EVA-zijketen en de gemiddelde polariteit ervan zorgen ervoor dat de vinylketen niet alleen de neiging tot kristallisatie remt, maar ook goed reageert met minerale vulstoffen. Dit creëert de ideale omstandigheden voor hoogwaardige barrièrebrandstoffen. Dit geldt met name voor rookarme en halogeenvrije resistmaterialen, omdat vlamvertragers met een volumegehalte van meer dan 50% [bijv. Al(OH)₃, Mg(OH)₂, enz.] moeten worden toegevoegd om te voldoen aan de eisen van de kabelnormen voor vlamvertragendheid. EVA met een gemiddeld tot hoog VA-gehalte wordt gebruikt als basis voor de productie van rookarme en halogeenvrije vlamvertragende brandstoffen met uitstekende eigenschappen.
Omdat de vinylacetaatgroep (VA) in de zijketen van EVA polair is, geldt: hoe hoger het VA-gehalte, hoe polairder het polymeer en hoe beter de oliebestendigheid. De oliebestendigheid die in de kabelindustrie vereist is, verwijst meestal naar het vermogen om niet-polaire of zwak polaire minerale oliën te weerstaan. Volgens het principe van gelijke compatibiliteit wordt EVA met een hoog VA-gehalte gebruikt als basismateriaal voor de productie van een rookarme en halogeenvrije brandstofbarrière met goede oliebestendigheid.
EVA-moleculen in de alfa-olefine H-atomen vertonen een hogere activiteit. Onder invloed van peroxide-radicalen of hoogenergetische elektronenstraling kunnen ze gemakkelijk H-crosslinkingreacties uitvoeren, waardoor crosslinked plastic of rubber ontstaat. Dit maakt het mogelijk om materialen te produceren die aan hoge prestatie-eisen voldoen, zoals speciale draad- en kabelmaterialen.
De toevoeging van de vinylacetaatgroep zorgt ervoor dat het smeltpunt van EVA aanzienlijk daalt, en het aantal korte VA-zijketens kan de vloei van EVA verbeteren. Daardoor zijn de extrusie-eigenschappen veel beter dan die van polyethyleen met een vergelijkbare moleculaire structuur, waardoor het een voorkeursbasismateriaal is voor halfgeleidende afschermingsmaterialen en halogeen- en halogeenvrije brandstofbarrières.
2 Productvoordelen
2.1 Uiterst hoge prijs-prestatieverhouding
EVA heeft zeer goede fysische en mechanische eigenschappen, hittebestendigheid, weersbestendigheid, ozonbestendigheid en elektrische eigenschappen. Door de juiste kwaliteit te kiezen, kunnen hittebestendige en brandvertragende eigenschappen worden bereikt, evenals olie- en oplosmiddelbestendig speciaal kabelmateriaal.
Het thermoplastische EVA-materiaal heeft meestal een VA-gehalte van 15% tot 46% en een smeltindex van 0,5 tot 4. EVA is verkrijgbaar bij vele fabrikanten en merken, met een breed scala aan opties, redelijke prijzen en een ruime beschikbaarheid. Gebruikers hoeven alleen maar de EVA-sectie van een website te openen om in één oogopslag het merk, de prestaties, de prijs en de leveringslocatie te bekijken en een keuze te maken. Heel gemakkelijk.
EVA is een polyolefinepolymeer dat qua zachtheid en gebruikseigenschappen vergelijkbaar is met polyethyleen (PE) en zacht polyvinylchloride (PVC) kabelmateriaal. Nader onderzoek zal echter uitwijzen dat EVA aanzienlijk superieur is aan de twee bovengenoemde materialen.
2.2 Uitstekende verwerkingsprestaties
EVA wordt in kabeltoepassingen aanvankelijk gebruikt als afschermingsmateriaal voor middenspannings- en hoogspanningskabels, zowel aan de binnen- als buitenkant, en later ook als halogeenvrije brandstofbarrière. Vanuit verwerkingsoogpunt worden deze twee materiaalsoorten beschouwd als "sterk gevulde materialen": afschermingsmateriaal vanwege de noodzaak om een grote hoeveelheid geleidend roet toe te voegen, wat de viscositeit verhoogt en de vloeibaarheid sterk vermindert; halogeenvrije vlamvertragende brandstof vereist de toevoeging van een grote hoeveelheid halogeenvrije vlamvertragers, wat eveneens leidt tot een sterk verhoogde viscositeit en een sterk verminderde vloeibaarheid. De oplossing is het vinden van een polymeer dat grote hoeveelheden vulstof kan verwerken, maar tegelijkertijd een lage smeltviscositeit en goede vloeibaarheid heeft. Om deze reden is EVA de voorkeurskeuze.
De smeltviscositeit van EVA neemt snel af met de extrusietemperatuur en de schuifsnelheid. De gebruiker hoeft alleen de temperatuur van de extruder en de schroefsnelheid aan te passen om uitstekende draad- en kabelproducten te produceren. Talrijke binnenlandse en buitenlandse toepassingen tonen aan dat voor sterk gevulde, rookarme, halogeenvrije materialen de viscositeit te hoog is en de smeltindex te laag. Daarom is het raadzaam om alleen een schroef met een lage compressieverhouding (minder dan 1,3) te gebruiken voor extrusie om een goede extrusiekwaliteit te garanderen. Rubbergebaseerde EVM-materialen met vulkanisatiemiddelen kunnen worden geëxtrudeerd op zowel rubberextruders als algemene extruders. Het daaropvolgende vulkanisatieproces (verknoping) kan worden uitgevoerd door thermochemische (peroxide) verknoping of door verknoping met behulp van elektronenversnellerbestraling.
2.3. Gemakkelijk aan te passen en te wijzigen.
Draden en kabels zijn overal, van de lucht tot de grond, van de bergen tot de zee. De eisen van gebruikers aan draden en kabels zijn ook gevarieerd en bijzonder. Hoewel de structuur van draden en kabels vergelijkbaar is, komen de prestatieverschillen vooral tot uiting in de isolatie- en mantelmaterialen.
Tot nu toe vormt zacht PVC, zowel in binnen- als buitenland, nog steeds het overgrote deel van de polymeermaterialen die in de kabelindustrie worden gebruikt. Echter, met het toenemende bewustzijn van milieubescherming en duurzame ontwikkeling...
Het gebruik van PVC-materialen is sterk beperkt. Wetenschappers doen er alles aan om alternatieve materialen voor PVC te vinden, waarvan EVA het meest veelbelovend is.
EVA kan worden gemengd met diverse polymeren, maar ook met verschillende minerale poeders en compatibele verwerkingshulpmiddelen. De mengsels kunnen worden gebruikt voor thermoplastisch plastic voor kunststofkabels, maar ook voor vernet rubber voor rubberen kabels. Ontwerpers kunnen, op basis van de eisen van de gebruiker (of een norm), EVA als basismateriaal gebruiken om de materiaaleigenschappen aan de eisen te laten voldoen.
3 EVA-toepassingsbereik
3.1 Gebruikt als halfgeleidend afschermingsmateriaal voor hoogspanningskabels
Zoals we allemaal weten, is het belangrijkste bestanddeel van afschermingsmateriaal geleidend roet. Het toevoegen van een grote hoeveelheid roet aan een plastic of rubberen basismateriaal zal de vloeibaarheid van het afschermingsmateriaal en de gladheid van de extrusie ernstig aantasten. Om partiële ontladingen in hoogspanningskabels te voorkomen, moeten de binnen- en buitenafscherming dun, glanzend, helder en uniform zijn. Vergeleken met andere polymeren kan EVA dit gemakkelijker bereiken. Dit komt doordat EVA een bijzonder goed extrusieproces heeft, een goede vloei heeft en niet gevoelig is voor smeltbreuk. Afschermingsmateriaal wordt onderverdeeld in twee categorieën: materiaal dat de geleider omhult, het binnenafschermingsmateriaal genoemd, en materiaal dat de isolatie omhult, het buitenafschermingsmateriaal genoemd, met het buitenafschermingsmateriaal. Het binnenafschermingsmateriaal is meestal thermoplastisch en vaak gebaseerd op EVA met een VA-gehalte van 18% tot 28%; het buitenafschermingsmateriaal is meestal vernet en afpelbaar en vaak gebaseerd op EVA met een VA-gehalte van 40% tot 46%.
3.2 Thermoplastische en verknoopte vlamvertragende brandstoffen
Thermoplastisch vlamvertragend polyolefine wordt veel gebruikt in de kabelindustrie, met name voor halogeenvrije of halogeenarme toepassingen in scheepskabels, stroomkabels en hoogwaardige bouwleidingen. De bedrijfstemperaturen liggen tussen de 70 en 90 °C.
Voor middenspannings- en hoogspanningskabels van 10 kV en hoger, die zeer hoge eisen stellen aan de elektrische prestaties, worden de brandvertragende eigenschappen voornamelijk door de buitenmantel gedragen. In sommige milieubelastende gebouwen of projecten moeten de kabels rookarm, halogeenvrij, weinig giftig of rookarm én halogeenarm zijn, waardoor thermoplastische brandvertragende polyolefinen een geschikte oplossing vormen.
Voor bepaalde specifieke toepassingen is de buitendiameter niet groot en is de temperatuurbestendigheid tussen 105 en 150 °C beperkt. Deze speciale kabel is gemaakt van een meer verknoopt vlamvertragend polyolefinemateriaal. De verknoping kan door de kabelfabrikant worden gekozen op basis van de eigen productieomstandigheden, zowel via de traditionele hogedrukstoom of een zoutbad op hoge temperatuur, als via bestraling met elektronenversnellers bij kamertemperatuur. De maximale bedrijfstemperatuur is onderverdeeld in drie categorieën: 105 °C, 125 °C en 150 °C. De productie kan worden aangepast aan de specifieke eisen van de gebruiker of de geldende normen, en de kabel kan halogeenvrij of halogeenhoudend zijn.
Het is algemeen bekend dat polyolefinen niet-polaire of zwak polaire polymeren zijn. Omdat ze qua polariteit vergelijkbaar zijn met minerale olie, worden polyolefinen over het algemeen als minder oliebestendig beschouwd, volgens het principe van gelijke compatibiliteit. Veel kabelnormen in binnen- en buitenland schrijven echter ook voor dat verknoopte kabels een goede weerstand moeten hebben tegen oliën, oplosmiddelen en zelfs olieslurries, zuren en basen. Dit vormt een uitdaging voor materiaalonderzoekers. Inmiddels zijn er, zowel in China als in het buitenland, materialen ontwikkeld die aan deze eisen voldoen, met EVA als basismateriaal.
3.3 Zuurstofbarrièremateriaal
Gevlochten meeraderige kabels hebben veel holtes tussen de aders die opgevuld moeten worden om een afgeronde kabelvorm te garanderen, als de vulling in de buitenmantel bestaat uit een halogeenvrije brandstofbarrière. Deze vullaag fungeert als een vlambarrière (zuurstofbarrière) wanneer de kabel brandt en wordt daarom in de industrie een "zuurstofbarrière" genoemd.
De basisvereisten voor een zuurstofbarrièremateriaal zijn: goede extrusie-eigenschappen, goede halogeenvrije vlamvertragendheid (zuurstofindex meestal boven de 40) en lage kosten.
Deze zuurstofbarrière wordt al meer dan tien jaar veelvuldig gebruikt in de kabelindustrie en heeft geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de brandvertragendheid van kabels. De zuurstofbarrière kan worden toegepast op zowel halogeenvrije brandvertragende kabels als halogeenvrije brandvertragende kabels (bijvoorbeeld PVC). Uit de praktijk is gebleken dat kabels met een zuurstofbarrière een grotere kans hebben om te slagen voor enkelvoudige verticale brandproeven en bundelbrandproeven.
Vanuit het oogpunt van materiaalsamenstelling is dit zuurstofbarrièremateriaal eigenlijk een "ultra-hoog vulstof"-materiaal. Om de kosten laag te houden, is het namelijk noodzakelijk om een hoog vulstofgehalte te gebruiken. Om een hoge zuurstofindex te bereiken, moet bovendien een grote hoeveelheid (2 tot 3 keer) Mg(OH)₂ of Al(OH)₃ worden toegevoegd. Voor een goede extrusie moet EVA als basismateriaal worden gekozen.
3.4 Gemodificeerd PE-bekledingsmateriaal
Polyethyleen bekledingsmaterialen hebben twee problemen: ten eerste zijn ze gevoelig voor smeltbreuk (oftewel haaienhuidvorming) tijdens extrusie; ten tweede zijn ze gevoelig voor spanningscorrosie door omgevingsinvloeden. De eenvoudigste oplossing is om een bepaalde hoeveelheid EVA aan de samenstelling toe te voegen. EVA wordt meestal gebruikt als gemodificeerde variant met een laag VA-gehalte, waarbij de smeltindex tussen 1 en 2 ligt.
4. Ontwikkelingsvooruitzichten
(1) EVA wordt veel gebruikt in de kabelindustrie en de jaarlijkse hoeveelheid ervan groeit gestaag. Vooral in het afgelopen decennium heeft EVA, vanwege het belang van milieubescherming, een snelle ontwikkeling doorgemaakt en de trend van PVC-kabelmaterialen gedeeltelijk vervangen. De uitstekende prijs-kwaliteitverhouding en de uitstekende prestaties van het extrusieproces maken het moeilijk om EVA door andere materialen te vervangen.
(2) De kabelindustrie verbruikt jaarlijks bijna 100.000 ton EVA-hars. De keuze voor EVA-harsvarianten varieert van laag tot hoog VA-gehalte. Aangezien de bedrijven die kabelmaterialen verwerken niet groot zijn, en de jaarlijkse productie per bedrijf slechts enkele duizenden tonnen EVA-hars bedraagt, zal dit niet de aandacht trekken van de grote bedrijven in de EVA-industrie. Zo wordt bijvoorbeeld voor de grootste hoeveelheden halogeenvrije vlamvertragende basismaterialen voornamelijk gekozen voor EVA-hars met een VA/MI-verhouding van 28/2 tot 3 (zoals de Amerikaanse EVA 265# van DuPont). Deze specificatieklasse EVA wordt tot nu toe door geen enkele binnenlandse fabrikant geproduceerd en geleverd. Laat staan dat er andere EVA-harsen met een VA-gehalte hoger dan 28 en een smeltindex lager dan 3 worden geproduceerd en geleverd.
(3) Buitenlandse bedrijven produceren EVA omdat er geen binnenlandse concurrenten zijn, en de prijs is al lange tijd hoog, wat het enthousiasme voor de binnenlandse kabelproductie ernstig remt. Meer dan 50% van het EVA-gehalte in rubberachtige EVA-hars wordt gedomineerd door buitenlandse bedrijven, en de prijs is vergelijkbaar met het EVA-gehalte van merkproducten, 2 tot 3 keer zo hoog. Zulke hoge prijzen beïnvloeden op hun beurt ook de hoeveelheid van deze rubberachtige EVA-hars, waardoor de kabelindustrie een beroep doet op binnenlandse EVA-fabrikanten om de binnenlandse productie van EVA te verhogen. De industrie maakt immers veelvuldig gebruik van EVA-hars.
(4) Gezien de toenemende aandacht voor milieubescherming in het tijdperk van globalisering, wordt EVA door de kabelindustrie beschouwd als het beste basismateriaal voor milieuvriendelijke brandstofbestendige kabels. Het gebruik van EVA groeit met 15% per jaar en de vooruitzichten zijn zeer veelbelovend. De hoeveelheid en het groeipercentage van de productie van afschermingsmaterialen en middenspannings- en hoogspanningskabels liggen tussen de 8% en 10%; polyolefinekabels groeien snel, de afgelopen jaren met 15% tot 20%, en naar verwachting zal dit groeipercentage de komende 5 tot 10 jaar aanhouden.
Geplaatst op: 31 juli 2022