Kokkuvõte: Lühidalt kirjeldatakse juhtmete ja kaablite jaoks mõeldud silaaniga ristseotud polüetüleenist isoleermaterjali ristseotuse põhimõtet, klassifikatsiooni, koostist, protsessi ja seadmeid ning tutvustatakse silaaniga looduslikult ristseotud polüetüleenist isoleermaterjali mõningaid omadusi rakenduses ja kasutuses, samuti tegureid, mis mõjutavad materjali ristseotuse tingimusi.
Märksõnad: silaani ristseostamine; looduslik ristseostamine; polüetüleen; isolatsioon; juhtmed ja kaablid
Silaanist ristseotud polüetüleenist kaablimaterjali kasutatakse nüüd laialdaselt juhtmete ja kaablite tööstuses madalpinge toitekaablite isolatsioonimaterjalina. Ristseotud juhtmete ja kaablite valmistamisel kasutatav materjal ning peroksiidi ristseotud ja kiiritusristseotud materjalid on lihtsad, hõlpsasti kasutatavad, madalate üldkulude ja muude eelistega võrreldes muutunud madalpinge ristseotud isolatsiooniga kaablite juhtivaks materjaliks.
1.Silaaniga ristseotud kaablimaterjali ristseotuse põhimõte
Silaaniga ristseotud polüetüleeni valmistamisel on kaks peamist protsessi: pookimine ja ristseostamine. Pookimisprotsessis kaotab polümeer vaba initsiaatori ja pürolüüsi toimel oma H-aatomi tertsiaarse süsiniku aatomi juurest vabadeks radikaalideks, mis reageerivad vinüülsilaani –CH=CH2 rühmaga, moodustades trioksüsilüülesterrühma sisaldava poogitud polümeeri. Ristseostumise protsessis hüdrolüüsitakse pookepolümeer esmalt vee juuresolekul, moodustades silanooli, ja –OH kondenseerub külgneva Si-OH rühmaga, moodustades Si-O-Si sideme, ristseodes seeläbi polümeeri makromolekulid.
2. Silaaniga ristseotud kaablimaterjal ja selle kaabli tootmismeetod
Nagu teate, on silaaniga ristseotud kaablite ja nende kaablite jaoks kaheastmelisi ja üheastmelisi tootmismeetodeid. Kaheastmelise ja üheastmelise meetodi erinevus seisneb selles, kus silaaniga pookimisprotsess läbi viiakse – kaheastmelise meetodi puhul toimub pookimisprotsess kaablimaterjali tootja juures ja üheastmelise meetodi puhul kaablitootmistehases. Suurima turuosaga kaheastmeline silaaniga ristseotud polüetüleenist isoleermaterjal koosneb nn A- ja B-materjalidest, kus A-materjal on silaaniga poogitud polüetüleen ja B-materjal on katalüsaatori põhisegu. Seejärel ristseotakse isoleeriv südamik soojas vees või aurus.
On olemas ka teist tüüpi kaheastmeline silaaniga ristseotud polüetüleenisolaator, kus A-materjali toodetakse teistmoodi, viies sünteesi ajal polüetüleeni otse vinüülsilaani, et saada silaani hargnenud ahelatega polüetüleen.
Üheastmelist meetodit on samuti kahte tüüpi. Traditsiooniline üheastmeline protsess hõlmab mitmesuguste toorainete lisamist vastavalt valemile spetsiaalse täppisdoseerimissüsteemi abil spetsiaalselt loodud ekstruuderisse, et viia lõpule kaabliisolatsiooni südamiku pookimine ja ekstrusioon. Selles protsessis ei toimu granuleerimist ega ole vaja kaablimaterjali tehase osalemist, vaid kaablitehas saab selle ise lõpule viia. See üheastmeline silaanristseotud kaabli tootmisseade ja formuleerimistehnoloogia imporditakse enamasti välismaalt ja on kallis.
Teist tüüpi üheastmelist silaanist ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali toodavad kaablimaterjalide tootjad. Kõik toorained segatakse spetsiaalse meetodi abil vahekorras vastavalt valemile, pakendatakse ja müüakse. Puuduvad A- ja B-materjalid. Kaablitehas saab otse ekstruuderis teostada kaabliisolatsiooni südamiku pookimise ja ekstrusiooni üheaegselt. Selle meetodi ainulaadne omadus on see, et pole vaja kalleid spetsiaalseid ekstruudereid, kuna silaani pookimise protsessi saab läbi viia tavalises PVC-ekstruuderis. Kaheastmeline meetod välistab vajaduse segada A- ja B-materjale enne ekstrusiooni.
3. Preparaadi koostis
Silaaniga ristseotud polüetüleenkaablimaterjali koostis koosneb üldiselt alusmaterjali vaigust, initsiaatorist, silaanist, antioksüdandist, polümerisatsiooni inhibiitorist, katalüsaatorist jne.
(1) Alusvaik on üldiselt madaltihedusega polüetüleenist (LDPE) vaik, mille sulamisindeks (MI) on 2, kuid hiljuti, sünteetilise vaigu tehnoloogia arengu ja kulude surve tõttu, on selle materjali alusvaiguna kasutatud ka lineaarset madaltihedusega polüetüleeni (LLDPE). Erinevatel vaikudel on sageli oluline mõju pookimisele ja ristseostumisele nende sisemise makromolekulaarse struktuuri erinevuste tõttu, seega muudetakse koostist, kasutades erinevaid alusvaike või sama tüüpi vaiku erinevatelt tootjatelt.
(2) Tavaliselt kasutatav initsiaator on diisopropüülperoksiid (DCP). Oluline on mõista probleemi ulatust. Liiga väike kogus ei põhjusta silaani pookimist, aga liiga suur kogus ei põhjusta polüetüleeni ristseostumist, mis vähendab selle voolavust, ekstrudeeritud isolatsioonisüdamiku pind muutub karedaks ja süsteemi on raske pigistada. Kuna lisatava initsiaatori kogus on väga väike ja tundlik, on oluline see ühtlaselt jaotada, seega lisatakse see tavaliselt koos silaaniga.
(3) Silaan on üldiselt vinüülküllastumata silaan, sealhulgas vinüültrimetoksüsilaan (A2171) ja vinüültrietoksüsilaan (A2151). A2171 kiire hüdrolüüsikiiruse tõttu eelistatakse seetõttu rohkem A2171. Samuti on silaani lisamisega probleeme. Praegused kaablimaterjalide tootjad püüavad kulude vähendamiseks saavutada madalamat piiri, kuna imporditud silaan on kallim.
(4) Antioksüdant on polüetüleeni töötlemise stabiilsuse ja kaabli vananemisvastase toime tagamine ning silaani pookimisprotsessis lisatud antioksüdant pärsib pookimisreaktsiooni, seega tuleb pookimisprotsessis olla antioksüdandi lisamisel ettevaatlik ja arvestada DCP koguse valikuga. Kaheastmelises ristseostamise protsessis saab suurema osa antioksüdantidest lisada katalüsaatori põhisegusse, mis vähendab mõju pookimisprotsessile. Üheastmelises ristseostamise protsessis on antioksüdant olemas kogu pookimisprotsessis, seega on liigi ja koguse valik olulisem. Tavaliselt kasutatavad antioksüdandid on 1010, 168, 330 jne.
(5) Polümerisatsiooni inhibiitorit lisatakse, et pärssida pookimise ja ristseostumise kõrvalreaktsioone. Pookimisprotsessis ristseostumise vastase aine lisamine võib tõhusalt vähendada C2C ristseostumise esinemist, parandades seeläbi töötlemise voolavust. Lisaks eelneb pookimise lisamisele samades tingimustes silaani hüdrolüüs polümerisatsiooni inhibiitoril, mis võib vähendada poogitud polüetüleeni hüdrolüüsi ja parandada pookimismaterjali pikaajalist stabiilsust.
(6) Katalüsaatorid on sageli tinaorgaanilised derivaadid (välja arvatud looduslikud ristseotud materjalid), millest kõige levinum on dibutüültinadilauraat (DBDTL), mida lisatakse tavaliselt põhisegu kujul. Kaheastmelises protsessis pakendatakse pookematerjal (A-materjal) ja katalüsaatori põhisegu (B-materjal) eraldi ning A- ja B-materjalid segatakse enne ekstruuderisse lisamist kokku, et vältida A-materjali eelnevat ristseotust. Üheastmelise silaaniga ristseotud polüetüleenisolatsioonide puhul ei ole pakendis olevat polüetüleeni veel poogitud, seega puudub eelneva ristseostumise probleem ja seetõttu ei ole vaja katalüsaatorit eraldi pakendada.
Lisaks on turul saadaval silaanide segud, mis on silaani, initsiaatori, antioksüdandi, mõnede määrdeainete ja vasevastaste ainete kombinatsioon ning mida kasutatakse üldiselt kaablitehastes üheastmelistes silaani ristseostamise meetodites.
Seetõttu on silaaniga ristseotud polüetüleenist isolatsiooni koostis, mille koostist ei peeta väga keeruliseks ja mis on asjakohases teabes saadaval, kuid sobivate tootmisvalemite puhul tuleb teha mõningaid kohandusi lõpliku vormistamise eesmärgil, mis nõuab komponentide rolli täielikku mõistmist koostises ja nende mõju toimivusele ning vastastikust mõju.
Paljude kaablimaterjalide puhul peetakse silaanristseotud kaablimaterjali (kas kaheastmelise või üheastmelise) ekstrusioonil toimuvate keemiliste protsesside ainsaks variandiks. Teiste sortide, näiteks polüvinüülkloriidist (PVC) kaablimaterjali ja polüetüleenist (PE) kaablimaterjali puhul on ekstrusioongranulatsiooniprotsess füüsiline segamisprotsess. Isegi kui kaablimaterjali keemilise ristseotuse ja kiiritamise teel ristseotakse, olenemata sellest, kas tegemist on ekstrusioongranulatsiooniprotsessi või ekstrusioonisüsteemi kaabliga, keemilist protsessi ei toimu. Seega on silaanristseotud kaablimaterjali ja kaabliisolatsiooni ekstrusiooni tootmisel protsessi juhtimine olulisem.
4. Kaheastmeline silaaniga ristseotud polüetüleenisolatsiooni tootmisprotsess
Kaheastmelise silaaniga ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali A tootmisprotsessi saab lühidalt kujutada joonisel 1.
Joonis 1 Kaheastmelise silaaniga ristseotud polüetüleenist isoleermaterjali A tootmisprotsess
Mõned kaheastmelise silaaniga ristseotud polüetüleenisolatsiooni tootmisprotsessi põhipunktid:
(1) Kuivatamine. Kuna polüetüleenvaik sisaldab väheses koguses vett, reageerib vesi kõrgel temperatuuril ekstrudeerimisel kiiresti silüülrühmadega, tekitades ristseoseid, mis vähendab sulami voolavust ja tekitab eel-ristseoseid. Valmismaterjal sisaldab pärast veega jahutamist ka vett, mis võib samuti põhjustada eel-ristseoseid, kui seda ei eemaldata, ja see tuleb samuti kuivatada. Kuivatamise kvaliteedi tagamiseks kasutatakse sügavkuivatusseadet.
(2) Mõõtmine. Kuna materjali koostise täpsus on oluline, kasutatakse tavaliselt imporditud kaalukaotuskaalu. Polüetüleenvaik ja antioksüdant mõõdetakse ja juhitakse ekstruuderi etteandepordi kaudu, samal ajal kui silaan ja initsiaator süstitakse vedela materjali pumba abil ekstruuderi teise või kolmandasse silindrisse.
(3) Ekstrusioonipookimine. Silaani pookimisprotsess viiakse läbi ekstruuderis. Ekstruuderi protsessiseaded, sealhulgas temperatuur, kruvikombinatsioon, kruvikiirus ja etteandekiirus, peavad järgima põhimõtet, et ekstruuderi esimeses osas olev materjal saab olla täielikult sulanud ja ühtlaselt segatud, et vältida peroksiidi enneaegset lagunemist, ning et ekstruuderi teises osas olev täiesti ühtlane materjal peab olema täielikult lagunenud ja pookimisprotsess peab olema lõpule viidud. Tüüpilised ekstruuderi sektsiooni temperatuurid (LDPE) on esitatud tabelis 1.
Tabel 1 Kaheastmelise ekstruuderi tsoonide temperatuurid
| Töötsoon | 1. tsoon | 2. tsoon | Tsoon 3 ① | 4. tsoon | Tsoon 5 |
| Temperatuur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Töötsoon | Tsoon 6 | Tsoon 7 | Tsoon 8 | Tsoon 9 | Suu stants |
| Temperatuur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①on koht, kuhu silaan lisatakse.
Ekstruuderi kruvi kiirus määrab materjali viibeaja ja segamisefekti ekstruuderis. Kui viibeaeg on lühike, ei lagune peroksiid täielikult; kui viibeaeg on liiga pikk, suureneb ekstrudeeritud materjali viskoossus. Üldiselt tuleks graanulite keskmist viibeaega ekstruuderis kontrollida initsiaatori lagunemise poolestusaja 5–10-kordseks. Söötmiskiirusel on teatav mõju mitte ainult materjali viibeajale, vaid ka materjali segamisele ja lõikamisele. Sobiva söötmiskiiruse valimine on samuti väga oluline.
(4) Pakendamine. Kaheastmeline silaaniga ristseotud isolatsioonimaterjal tuleks niiskuse eemaldamiseks pakendada alumiinium-plastkomposiitkottidesse otsese õhu käes.
5. Üheastmeline silaaniga ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali tootmisprotsess
Üheastmelise silaanristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali pookimisprotsessi tõttu ekstrudeeritakse kaablitehases kaabliisolatsiooni südamikku, mistõttu on kaabliisolatsiooni ekstrusioonitemperatuur oluliselt kõrgem kui kaheastmelisel meetodil. Kuigi üheastmelise silaanristseotud polüetüleenist isolatsiooni valemit on täielikult arvesse võetud initsiaatori ja silaani kiireks hajumiseks ning materjali nihkeks, peab pookimisprotsessi tagama temperatuur, mistõttu üheastmelise silaanristseotud polüetüleenist isolatsiooni tootmisettevõte on korduvalt rõhutanud ekstrusioonitemperatuuri õige valiku olulisust. Üldiselt soovitatav ekstrusioonitemperatuur on esitatud tabelis 2.
Tabel 2. Iga tsooni üheastmelise ekstruuderi temperatuur (ühik: ℃)
| Tsoon | 1. tsoon | 2. tsoon | 3. tsoon | 4. tsoon | Äärik | Pea |
| Temperatuur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
See on üks üheetapilise silaaniga ristseotud polüetüleeni protsessi nõrkusi, mida üldiselt ei nõuta kaablite kaheetapilise ekstrudeerimise korral.
6. Tootmisseadmed
Tootmisseadmed on protsessi juhtimise oluline tagatis. Silaaniga ristseotud kaablite tootmine nõuab väga suurt protsessi juhtimise täpsust, seega on tootmisseadmete valik eriti oluline.
Kaheastmelise silaaniga ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali tootmine. Materjali tootmisseadmed, praegu rohkem kodumaised isotroopsed paralleelsed kahe kruviga ekstruuderid imporditud kaaluta kaalumisega, sellised seadmed vastavad protsessi juhtimise täpsuse nõuetele, kahe kruviga ekstruuderi pikkuse ja läbimõõdu valikul tagatakse materjali viibimisaeg, imporditud kaaluta kaalumise valik tagab koostisosade täpsuse. Loomulikult on seadmel palju detaile, millele tuleb pöörata täielikku tähelepanu.
Nagu varem mainitud, on kaablitehases kasutatavad üheastmelised silaaniga ristseotud kaablite tootmisseadmed imporditud ja kallid. Kodumaistel seadmetootjatel puuduvad sarnased tootmisseadmed. Põhjuseks on seadmete tootjate ning valemi- ja protsessiuurijate vahelise koostöö puudumine.
7.Silaanist looduslik ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjal
Viimastel aastatel välja töötatud silaan-looduslikult ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjali saab looduslikes tingimustes ristseotuda mõne päeva jooksul, ilma auru või sooja veeta. Võrreldes traditsioonilise silaan-ristseotud meetodiga võib see materjal kaablitootjate jaoks tootmisprotsessi lühendada, vähendades veelgi tootmiskulusid ja suurendades tootmise efektiivsust. Silaan-looduslikult ristseotud polüetüleenist isolatsiooni tunnustatakse ja kasutatakse kaablitootjate seas üha enam.
Viimastel aastatel on kodumaine silaanist loodusliku ristseotud polüetüleenist isolatsioon küpsenud ja seda on toodetud suurtes kogustes, millel on teatud hinnaeelised võrreldes imporditud materjalidega.
7. 1 Silaaniga looduslikult ristseotud polüetüleenisolatsioonide valemiideed
Silaanist looduslikust ristseotud polüetüleenist isolatsioonimaterjale toodetakse kaheastmelise protsessi abil, kasutades sama koostist, mis koosneb baasvaigust, initsiaatorist, silaanist, antioksüdandist, polümerisatsiooni inhibiitorist ja katalüsaatorist. Silaanist looduslikust ristseotud polüetüleenist isolaatorite koostis põhineb A-materjali silaani pookimiskiiruse suurendamisel ja tõhusama katalüsaatori valimisel kui silaanist sooja veega ristseotud polüetüleenist isolaatorid. Suurema silaani pookimiskiirusega A-materjalide kasutamine koos tõhusama katalüsaatoriga võimaldab silaanist ristseotud polüetüleenist isolaatoril kiiresti ristseotuda isegi madalatel temperatuuridel ja ebapiisava niiskuse korral.
Imporditud silaanist looduslikult ristseotud polüetüleenisolaatorite A-materjalid sünteesitakse kopolümerisatsiooni teel, kus silaani sisaldust saab kõrgel tasemel kontrollida, samas kui silaani pookimise teel on keeruline toota kõrge pookimiskiirusega A-materjale. Retseptis kasutatavat baasvaiku, initsiaatorit ja silaani tuleks varieerida ja kohandada nii sordi kui ka lisamise osas.
Resisti valik ja selle annuse reguleerimine on samuti üliolulised, kuna silaani pookimiskiiruse suurenemine toob paratamatult kaasa rohkem CC-ristseostumise kõrvalreaktsioone. A-materjali töötlemise voolavuse ja pinna seisundi parandamiseks järgnevaks kaabli ekstrusiooniks on vaja sobivat kogust polümerisatsiooni inhibiitorit, et tõhusalt pärssida CC-ristseotust ja eelnevat ristseotust.
Lisaks mängivad katalüsaatorid olulist rolli ristseostumise kiiruse suurendamisel ja need tuleks valida tõhusate katalüsaatoritena, mis sisaldavad siirdemetallivabu elemente.
7.2 Silaaniga looduslikult ristseotud polüetüleenisolatsioonide ristseostumise aeg
Looduslikus olekus silaanist ristseotud polüetüleenist isolatsiooni ristseotuse lõpuleviimiseks kuluv aeg sõltub temperatuurist, niiskusest ja isolatsioonikihi paksusest. Mida kõrgem on temperatuur ja niiskus, seda õhem on isolatsioonikiht, seda lühem on vajalik ristseotuse aeg ja vastupidi, seda pikem on see aeg. Kuna temperatuur ja niiskus on piirkonniti ja aastaajast olenevalt erinevad, on isegi samas kohas ja samal ajal temperatuur ja niiskus täna ja homme erinevad. Seetõttu peaks kasutaja materjali kasutamise ajal määrama ristseotuse aja vastavalt kohalikule ja valitsevale temperatuurile ja niiskusele, samuti kaabli spetsifikatsioonile ja isolatsioonikihi paksusele.
Postituse aeg: 13. august 2022