Samenvatting: Het principe van vernetting, classificatie, formulering, proces en apparatuur van silaan-vernet polyethyleen-isolatiemateriaal voor draad en kabel worden kort beschreven. Daarnaast worden enkele kenmerken van silaan-natuurlijk vernet polyethyleen-isolatiemateriaal in toepassing en gebruik besproken, evenals factoren die de vernettingstoestand van het materiaal beïnvloeden.
Trefwoorden: Silane crosslinking; Natuurlijke crosslinking; Polyethyleen; Isolatie; Draad en kabel
Silaanvernet polyethyleenkabelmateriaal wordt tegenwoordig veel gebruikt in de draad- en kabelindustrie als isolatiemateriaal voor laagspanningskabels. Het materiaal voor de productie van vernet draad en kabel, en voor peroxidevernetting en bestralingsvernetting, is, vergeleken met de benodigde productieapparatuur, eenvoudig, gebruiksvriendelijk, heeft lage totale kosten en andere voordelen. Het is uitgegroeid tot het meest gebruikte materiaal voor laagspanningsvernet polyethyleenkabels met isolatie.
1. Silane crosslinking kabelmateriaal crosslinking principe
Er zijn twee hoofdprocessen betrokken bij de productie van silaan-vernet polyethyleen: enten en vernetten. Tijdens het enten verliest het polymeer zijn H-atoom op het tertiaire koolstofatoom onder invloed van een vrije initiator en pyrolyse tot vrije radicalen, die reageren met de –CH = CH2 groep van vinylsilaan om een geënt polymeer te produceren dat een trioxysilylestergroep bevat. Bij het vernetten wordt het geënt polymeer eerst gehydrolyseerd in aanwezigheid van water om silanol te produceren, en condenseert de –OH groep met de aangrenzende Si-OH groep om de Si-O-Si binding te vormen, waardoor de polymeermacromoleculen worden vernet.
2. Silane-crosslinked kabelmateriaal en de kabelproductiemethode
Zoals u weet, bestaan er tweestaps- en éénstapsproductiemethoden voor silaanvernet kabels en bijbehorende kabels. Het verschil tussen de tweestapsmethode en de éénstapsmethode ligt in de plaats waar het silaanvernettingsproces plaatsvindt: bij de tweestapsmethode gebeurt dat bij de fabrikant van het kabelmateriaal, en bij de éénstapsmethode in de kabelfabriek. Het tweestaps silaanvernet polyethyleen isolatiemateriaal met het grootste marktaandeel bestaat uit de zogenaamde A- en B-materialen, waarbij A-materiaal het met silaan vernet polyethyleen is en B-materiaal de katalysatormasterbatch. De isolatiekern wordt vervolgens vernet in warm water of stoom.
Er bestaat nog een ander type tweestaps silaan-vernet polyethyleenisolator, waarbij het A-materiaal op een andere manier wordt geproduceerd: door vinylsilaan direct in het polyethyleen te introduceren tijdens de synthese om polyethyleen te verkrijgen met vertakte silaanketens.
De eenstapsmethode kent ook twee soorten. Bij het traditionele eenstapsproces worden verschillende grondstoffen volgens een formule in de verhouding van een speciaal precisiedoseersysteem in een speciaal ontworpen extruder in één stap geënt en geëxtrudeerd om de kabelisolatiekern te extruderen. Bij dit proces is er geen granulatie nodig en is er geen deelname van een kabelfabriek nodig. De kabelfabriek hoeft het proces alleen uit te voeren. Deze eenstapsproductieapparatuur en formuleringstechnologie voor silaanvernetting wordt meestal uit het buitenland geïmporteerd en is duur.
Een ander type isolatiemateriaal met silaanvernet polyethyleen in één stap wordt geproduceerd door fabrikanten van kabelmaterialen. Alle grondstoffen worden volgens een speciale mengmethode gemengd, verpakt en verkocht. Er is geen A- en B-materiaal. De kabelfabriek kan direct in de extruder een stap uitvoeren, waarbij de kabelisolatiekern gelijktijdig wordt geënt en geëxtrudeerd. Het unieke aan deze methode is dat er geen dure speciale extruders nodig zijn, omdat het silaan-entingsproces in een gewone PVC-extruder kan worden uitgevoerd. Bovendien elimineert de tweestapsmethode de noodzaak om A- en B-materialen vóór de extrusie te mengen.
3. Formuleringssamenstelling
De formulering van met silaan vernet polyethyleenkabelmateriaal bestaat over het algemeen uit basismateriaalhars, initiator, silaan, antioxidant, polymerisatie-inhibitor, katalysator, enz.
(1) De basishars is doorgaans een lagedichtheidspolyethyleen (LDPE)-hars met een smeltindex (MI) van 2. Recentelijk, met de ontwikkeling van synthetische harstechnologie en de toenemende kostendruk, wordt lineair lagedichtheidspolyethyleen (LLDPE) echter ook (gedeeltelijk) gebruikt als basishars voor dit materiaal. Verschillende harsen hebben vaak een aanzienlijke invloed op de enting en vernetting vanwege verschillen in hun interne macromoleculaire structuur. De formulering kan dus worden aangepast door verschillende basisharsen of hetzelfde type hars van verschillende fabrikanten te gebruiken.
(2) De meest gebruikte initiator is di-isopropylperoxide (DCP). Het is belangrijk om de hoeveelheid van het probleem te begrijpen: te weinig om silaanvergroeiing te veroorzaken is niet voldoende; te veel veroorzaakt vernetting van polyethyleen, wat de vloeibaarheid vermindert en het oppervlak van de geëxtrudeerde isolatiekern ruw en moeilijk te persen maakt. Omdat de toegevoegde hoeveelheid initiator zeer klein en gevoelig is, is het belangrijk om deze gelijkmatig te verdelen. Daarom wordt deze over het algemeen samen met het silaan toegevoegd.
(3) Silaan wordt over het algemeen gebruikt als onverzadigd vinylsilaan, waaronder vinyltrimethoxysilaan (A2171) en vinyltriethoxysilaan (A2151). Vanwege de snelle hydrolysesnelheid van A2171 kiezen meer mensen voor A2171. Ook is er een probleem met de toevoeging van silaan. De huidige fabrikanten van kabelmaterialen proberen de ondergrens te bereiken om de kosten te verlagen. Omdat silaan wordt geïmporteerd, is de prijs hoger.
(4) Antioxidanten zorgen voor de stabiliteit van de polyethyleenverwerking en voorkomen veroudering van kabels. Toegevoegde antioxidanten tijdens het entingsproces van silaan remmen de entingsreactie. Daarom moet de toevoeging van antioxidanten zorgvuldig worden overwogen, rekening houdend met de hoeveelheid DCP die bij de selectie past. Bij het tweestaps crosslinkingproces kan het grootste deel van de antioxidant worden toegevoegd aan de katalysatormasterbatch, wat de impact op het entingsproces kan verminderen. Bij het eenstaps crosslinkingproces is de antioxidant aanwezig in het gehele entingsproces, waardoor de keuze van de soort en de hoeveelheid belangrijker is. Veelgebruikte antioxidanten zijn 1010, 168, 330, enz.
(5) Een polymerisatie-inhibitor wordt toegevoegd om het entings- en vernettingsproces van nevenreacties te remmen. Door tijdens het entingsproces een anti-vernettingsmiddel toe te voegen, kan het optreden van C2C-vernetting effectief worden verminderd, waardoor de verwerkingsvloeibaarheid wordt verbeterd. Bovendien zal de toevoeging van een ent onder dezelfde omstandigheden worden voorafgegaan door de hydrolyse van silaan. De polymerisatie-inhibitor kan de hydrolyse van geënt polyethyleen verminderen, om de lange termijnstabiliteit van het entmateriaal te verbeteren.
(6) Katalysatoren zijn vaak organotinderivaten (met uitzondering van natuurlijke vernetting), waarvan dibutyltindilauraat (DBDTL) de meest voorkomende is. Dit wordt doorgaans toegevoegd in de vorm van een masterbatch. In het tweestapsproces worden het entmateriaal (materiaal A) en het katalysatormasterbatchmateriaal (materiaal B) apart verpakt en worden de materialen A en B gemengd voordat ze aan de extruder worden toegevoegd om voorvernetting van materiaal A te voorkomen. In het geval van polyethyleenisolatiematerialen die in één stap met silaan zijn vernet, is het polyethyleen in de verpakking nog niet geënt. Er is dus geen probleem met voorvernetting en de katalysator hoeft daarom niet apart te worden verpakt.
Daarnaast zijn er samengestelde silanen op de markt verkrijgbaar. Dit zijn combinaties van silaan, initiator, antioxidant, enkele smeermiddelen en antikopermiddelen. Deze worden over het algemeen gebruikt in één-staps silaan-crosslinkingmethoden in kabelfabrieken.
Daarom is de formulering van silaanvernet polyethyleenisolatie, waarvan de samenstelling niet als zeer complex wordt beschouwd en beschikbaar is in de relevante informatie, maar de geschikte productieformuleringen, onderhevig aan enkele aanpassingen om te finaliseren, waarvoor een volledig begrip nodig is van de rol van de componenten in de formulering en de wet van hun invloed op de prestaties en hun wederzijdse beïnvloeding.
Van de vele soorten kabelmaterialen wordt silaanvernet kabelmateriaal (twee-staps of één-staps) beschouwd als de enige variant van chemische processen die plaatsvinden bij extrusie. Bij andere varianten, zoals polyvinylchloride (PVC) kabelmateriaal en polyethyleen (PE) kabelmateriaal, is het extrusiegranulatieproces een fysiek mengproces. Zelfs bij de chemische vernetting en bestraling van het kabelmateriaal, of het nu in het extrusiegranulatieproces of het extrusiesysteem is, vindt er geen chemisch proces plaats. Daarom is bij de productie van silaanvernet kabelmateriaal en extrusie van kabelisolatie de procescontrole belangrijker.
4. Tweestaps silaan-crosslinked polyethyleen isolatieproductieproces
Het productieproces van het tweestaps silaan-crosslinked polyethyleen isolatiemateriaal A kan kort worden weergegeven met behulp van Figuur 1.
Figuur 1 Productieproces van tweestaps silaan-vernet polyethyleen isolatiemateriaal A
Enkele belangrijke punten in het productieproces van tweestaps silaanvernet polyethyleenisolatie:
(1) Drogen. Omdat de polyethyleenhars een kleine hoeveelheid water bevat, reageert het water bij extrusie bij hoge temperaturen snel met de silylgroepen, wat leidt tot vernetting. Dit vermindert de vloeibaarheid van de smelt en leidt tot voorvernetting. Het eindproduct bevat na afkoeling ook water, wat eveneens voorvernetting kan veroorzaken als het niet wordt verwijderd, en moet ook worden gedroogd. Om de kwaliteit van de droging te waarborgen, wordt een diepdroogunit gebruikt.
(2) Dosering. Omdat de nauwkeurigheid van de materiaalformulering belangrijk is, wordt doorgaans een geïmporteerde weegschaal gebruikt die het gewichtsverlies meet. De polyethyleenhars en antioxidant worden gemeten en via de toevoerpoort van de extruder aangevoerd, terwijl het silaan en de initiator door een vloeistofpomp in de tweede of derde cilinder van de extruder worden geïnjecteerd.
(3) Extrusie-enting. Het entingsproces van silaan wordt voltooid in de extruder. De procesinstellingen van de extruder, inclusief temperatuur, schroefcombinatie, schroefsnelheid en toevoersnelheid, moeten het principe volgen dat het materiaal in de eerste sectie van de extruder volledig kan smelten en uniform kan worden gemengd wanneer voortijdige ontleding van het peroxide niet gewenst is, en dat het volledig uniforme materiaal in de tweede sectie van de extruder volledig moet worden ontbonden en het entingsproces moet worden voltooid. Typische temperaturen in de extrudersectie (LDPE) worden weergegeven in Tabel 1.
Tabel 1 Temperaturen van de tweestapsextruderzones
| Werkzone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 ① | Zone 4 | Zone 5 |
| Temperatuur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Werkzone | Zone 6 | Zone 7 | Zone 8 | Zone 9 | Mond sterven |
| Temperatuur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
1 is waar het silaan wordt toegevoegd.
De snelheid van de extruderschroef bepaalt de verblijftijd en het mengeffect van het materiaal in de extruder. Als de verblijftijd kort is, is de peroxideontleding onvolledig; als de verblijftijd te lang is, neemt de viscositeit van het geëxtrudeerde materiaal toe. Over het algemeen moet de gemiddelde verblijftijd van het granulaat in de extruder worden gecontroleerd op een ontledingshalfwaardetijd van de initiator van 5-10 keer. De toevoersnelheid heeft niet alleen invloed op de verblijftijd van het materiaal, maar ook op de menging en afschuiving van het materiaal. Het kiezen van een geschikte toevoersnelheid is daarom ook erg belangrijk.
(4) Verpakking. Isolatiemateriaal dat met twee stappen met silaan is vernet, moet in aluminium-kunststof composietzakken in de open lucht worden verpakt om vocht te verwijderen.
5. Eénstaps productieproces voor silaanvernet polyethyleen isolatiemateriaal
Eénstaps silaanvernet polyethyleen isolatiemateriaal wordt gebruikt voor de extrusie van de kabelisolatiekern in de kabelfabriek, waardoor de extrusietemperatuur aanzienlijk hoger is dan bij de tweestapsmethode. Hoewel de formule voor éénstaps silaanvernet polyethyleen isolatie volledig is overwogen bij de snelle verspreiding van initiator en silaan en materiaalafschuiving, moet het entingsproces worden gegarandeerd door de temperatuur, wat de productielocatie voor éénstaps silaanvernet polyethyleen isolatie herhaaldelijk heeft benadrukt. De algemeen aanbevolen extrusietemperatuur staat weergegeven in tabel 2.
Tabel 2 Temperatuur van elke zone in één-stap-extruder (eenheid: ℃)
| Zone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 | Zone 4 | Flens | Hoofd |
| Temperatuur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Dit is een van de zwakke punten van het eenstaps silaanvernet polyethyleenproces, dat over het algemeen niet nodig is bij het extruderen van kabels in twee stappen.
6. Productieapparatuur
De productieapparatuur is een belangrijke garantie voor procesbeheersing. De productie van silaanvernet kabels vereist een zeer hoge mate van procesbeheersingsnauwkeurigheid, waardoor de keuze van de productieapparatuur van bijzonder belang is.
De productie van tweestaps silaanvernet polyethyleen isolatiemateriaal. Apparatuur voor materiaalproductie, momenteel de meer binnenlandse isotrope parallelle tweeschroefsextruder met geïmporteerde gewichtloze weging, voldoet aan de eisen van procescontrolenauwkeurigheid, de keuze van de lengte en diameter van de tweeschroefsextruder om de verblijftijd van het materiaal te garanderen, en de keuze van geïmporteerde gewichtloze weging om de nauwkeurigheid van de ingrediënten te garanderen. Uiteraard zijn er veel details van de apparatuur die de nodige aandacht vereisen.
Zoals eerder vermeld is de apparatuur voor de productie van eenstaps silaanvernet kabel in de kabelfabriek geïmporteerd en duur. Binnenlandse apparatuurfabrikanten hebben geen vergelijkbare productieapparatuur. De reden hiervoor is het gebrek aan samenwerking tussen apparatuurfabrikanten en formule- en procesonderzoekers.
7. Silane natuurlijk vernet polyethyleen isolatiemateriaal
Silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatiemateriaal, ontwikkeld in de afgelopen jaren, kan onder natuurlijke omstandigheden binnen enkele dagen worden vernet, zonder stoom of onderdompeling in warm water. Vergeleken met de traditionele silaan vernettingsmethode kan dit materiaal het productieproces voor kabelfabrikanten verkorten, wat de productiekosten verder verlaagt en de productie-efficiëntie verhoogt. Silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatie wordt steeds meer erkend en gebruikt door kabelfabrikanten.
De afgelopen jaren is de binnenlandse isolatie op basis van natuurlijk vernet polyethyleen (silane) volwassen geworden en in grote hoeveelheden geproduceerd. Dit biedt bepaalde prijsvoordelen ten opzichte van geïmporteerde materialen.
7. 1 Formuleringsideeën voor silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatie
Silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatiematerialen worden geproduceerd in een tweestapsproces, met dezelfde formule bestaande uit basishars, initiator, silaan, antioxidant, polymerisatieremmer en katalysator. De formule van silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatoren is gebaseerd op het verhogen van de silaan-entingssnelheid van het A-materiaal en het selecteren van een efficiëntere katalysator dan silaan warmwater vernet polyethyleen isolatoren. Het gebruik van A-materialen met een hogere silaan-entingssnelheid, gecombineerd met een efficiëntere katalysator, zorgt ervoor dat de silaan vernet polyethyleen isolator snel kan vernetten, zelfs bij lage temperaturen en onvoldoende vochtigheid.
De A-materialen voor geïmporteerde silaan-natuurlijk vernet polyethyleenisolatoren worden gesynthetiseerd door copolymerisatie, waarbij het silaangehalte op een hoog niveau kan worden gecontroleerd, terwijl de productie van A-materialen met hoge entsnelheden door enting van silaan lastig is. De basishars, initiator en silaan die in de receptuur worden gebruikt, moeten worden gevarieerd en aangepast qua variëteit en toevoeging.
De keuze van de resist en de aanpassing van de dosering ervan zijn eveneens cruciaal, aangezien een verhoging van de entsnelheid van het silaan onvermijdelijk leidt tot meer CC-crosslinking-nevenreacties. Om de verwerkingsvloeibaarheid en oppervlakteconditie van het A-materiaal voor de daaropvolgende kabelextrusie te verbeteren, is een geschikte hoeveelheid polymerisatieremmer nodig om CC-crosslinking en voorafgaande precrosslinking effectief te remmen.
Bovendien spelen katalysatoren een belangrijke rol bij het verhogen van de crosslinkingsnelheid en dienen ze gekozen te worden als efficiënte katalysatoren die overgangsmetaalvrije elementen bevatten.
7. 2 Vernettingstijd van silaan natuurlijk vernet polyethyleen isolatiematerialen
De tijd die nodig is om de vernetting van silaan-polyethyleenisolatie in natuurlijke staat te voltooien, is afhankelijk van de temperatuur, vochtigheid en dikte van de isolatielaag. Hoe hoger de temperatuur en vochtigheid, hoe dunner de dikte van de isolatielaag, hoe korter de vernettingstijd, en hoe langer de omgekeerde tijd. Omdat temperatuur en vochtigheid van regio tot regio en van seizoen tot seizoen variëren, zelfs op dezelfde plaats en op hetzelfde moment, zullen de temperatuur en vochtigheid vandaag en morgen verschillen. Daarom moet de gebruiker tijdens het gebruik van het materiaal de vernettingstijd bepalen op basis van de lokale en heersende temperatuur en vochtigheid, evenals de specificaties van de kabel en de dikte van de isolatielaag.
Geplaatst op: 13-08-2022