1. Einleitung
EVA ist die Abkürzung für Ethylenvinylacetat-Copolymer, ein Polyolefinpolymer. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts, seiner guten Fließfähigkeit, Polarität und halogenfreien Eigenschaften ist es mit einer Vielzahl von Polymeren und Mineralpulvern kompatibel und weist eine Reihe mechanischer und physikalischer Eigenschaften, elektrische Eigenschaften und eine ausgewogene Verarbeitungsleistung auf. Der Preis ist nicht hoch und das Marktangebot ausreichend. Daher kann es sowohl als Kabelisolationsmaterial als auch als Füllstoff und Ummantelungsmaterial verwendet werden. Es kann zu thermoplastischem Material und zu duroplastischem Vernetzungsmaterial verarbeitet werden.
EVA hat ein breites Anwendungsspektrum und kann mit Flammschutzmitteln zu halogenfreien Materialien mit geringer Rauchentwicklung oder zu halogenfreien Brennstoffbarrieren verarbeitet werden. Wird EVA mit hohem VA-Gehalt als Basismaterial gewählt, kann auch ölbeständiges Material hergestellt werden. Wird EVA mit mittlerem Schmelzindex gewählt, kann durch Zugabe von zwei- bis dreimal so viel Flammschutzmitteln ein Material mit ausgewogenerer Sauerstoffbarriere (Füllung) hinsichtlich Leistung und Preis des Extrusionsprozesses hergestellt werden.
In diesem Dokument werden die strukturellen Eigenschaften von EVA, seine Anwendung in der Kabelindustrie und die Entwicklungsaussichten vorgestellt.
2. Strukturelle Eigenschaften
Bei der Synthese kann durch Veränderung des Polymerisationsgrad-Verhältnisses n/m ein VA-Gehalt von 5 bis 90 % EVA erreicht werden; durch Erhöhung des Gesamtpolymerisationsgrades kann ein Molekulargewicht von EVA von Zehntausenden bis Hunderttausenden erreicht werden; ein VA-Gehalt unter 40 % führt aufgrund teilweiser Kristallisation zu geringer Elastizität und wird allgemein als EVA-Kunststoff bezeichnet; bei einem VA-Gehalt über 40 % entsteht ein gummiartiges Elastomer ohne Kristallisation, das allgemein als EVM-Gummi bezeichnet wird.
1. 2 Eigenschaften
Die Molekülkette von EVA weist eine lineare, gesättigte Struktur auf und ist daher gut wärmealterungs-, witterungs- und ozonbeständig.
Die Hauptkette des EVA-Moleküls enthält keine Doppelbindungen, Benzolringe, Acyl- und Amingruppen sowie andere Gruppen, die beim Verbrennen leicht rauchen. Auch die Seitenketten enthalten keine Methyl-, Phenyl- und Cyanogruppen, die beim Verbrennen leicht rauchen. Darüber hinaus enthält das Molekül selbst keine Halogenelemente und eignet sich daher besonders für halogenfreie, widerstandsbasierte Kraftstoffe mit geringer Rauchentwicklung.
Die große Vinylacetatgruppe (VA) in der EVA-Seitenkette und ihre mittlere Polarität hemmen die Kristallisationsneigung des Vinylrückgrats und binden gut an mineralische Füllstoffe, wodurch die Voraussetzungen für leistungsstarke Barrierekraftstoffe geschaffen werden. Dies gilt insbesondere für raucharme und halogenfreie Resists, da Flammschutzmittel mit einem Volumenanteil von über 50 % [z. B. Al(OH)3, Mg(OH)2 usw.] zugesetzt werden müssen, um die Anforderungen der Kabelnormen an die Flammhemmung zu erfüllen. EVA mit mittlerem bis hohem VA-Gehalt dient als Basis zur Herstellung raucharmer und halogenfreier flammhemmender Kraftstoffe mit hervorragenden Eigenschaften.
Da die Vinylacetatgruppe (VA) der Seitenkette von EVA polar ist, gilt: Je höher der VA-Gehalt, desto polarer ist das Polymer und desto besser ist die Ölbeständigkeit. Die in der Kabelindustrie geforderte Ölbeständigkeit bezieht sich meist auf die Beständigkeit gegenüber unpolaren oder schwach polaren Mineralölen. Nach dem Prinzip der ähnlichen Verträglichkeit wird EVA mit hohem VA-Gehalt als Basismaterial verwendet, um eine raucharme und halogenfreie Kraftstoffbarriere mit guter Ölbeständigkeit herzustellen.
Die Leistung der Alpha-Olefin-H-Atome in EVA-Molekülen ist aktiver. Unter dem Einfluss von Peroxidradikalen oder hochenergetischer Elektronenstrahlung kommt es leicht zu einer H-Vernetzungsreaktion, wodurch vernetzter Kunststoff oder Gummi entsteht und spezielle Draht- und Kabelmaterialien mit hohen Leistungsanforderungen hergestellt werden können.
Durch die Zugabe der Vinylacetatgruppe sinkt die Schmelztemperatur von EVA deutlich, und die Anzahl der kurzen VA-Seitenketten kann den Fluss von EVA erhöhen. Daher ist seine Extrusionsleistung viel besser als die Molekülstruktur von ähnlichem Polyethylen, weshalb es zum bevorzugten Basismaterial für halbleitende Abschirmmaterialien sowie halogen- und halogenfreie Kraftstoffbarrieren wird.
2 Produktvorteile
2. 1 Extrem hohes Preis-Leistungs-Verhältnis
Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von EVA sind sehr gut: Hitzebeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Ozonbeständigkeit und elektrische Eigenschaften. Wählen Sie die entsprechende Qualität aus, um Hitzebeständigkeit, Flammschutzleistung sowie Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit als spezielles Kabelmaterial zu erzielen.
Thermoplastisches EVA-Material wird meist mit einem VA-Gehalt von 15 % bis 46 % und einem Schmelzindex von 0,5 bis 4 Grad verwendet. EVA gibt es von vielen Herstellern, vielen Marken, einer großen Auswahl, moderaten Preisen und ausreichendem Angebot. Benutzer müssen lediglich den EVA-Bereich der Website öffnen und können auf einen Blick Marke, Leistung, Preis und Lieferort auswählen – ganz bequem.
EVA ist ein Polyolefinpolymer. Im Vergleich zu Polyethylen (PE) und weichem Polyvinylchlorid (PVC) sind sich EVA und PE hinsichtlich Weichheit und Leistung sehr ähnlich. Bei genauerer Betrachtung wird sich jedoch zeigen, dass EVA den beiden oben genannten Materialien unübertroffen überlegen ist.
2. 2 hervorragende Verarbeitungsleistung
EVA wurde in Kabelanwendungen zunächst als Abschirmmaterial für die Innen- und Außenseite von Mittel- und Hochspannungskabeln verwendet und später auch als Barriere für halogenfreie Kraftstoffe. Aus verarbeitungstechnischer Sicht gelten diese beiden Materialien als „hochgefüllte Materialien“: Abschirmmaterial muss eine große Menge leitfähigen Rußes zugesetzt werden, wodurch seine Viskosität steigt und die Fließfähigkeit stark abnimmt; halogenfreiem, flammhemmendem Kraftstoff muss eine große Menge halogenfreier Flammschutzmittel zugesetzt werden, wodurch auch die Viskosität des halogenfreien Materials stark steigt und die Fließfähigkeit stark abnimmt. Die Lösung besteht darin, ein Polymer zu finden, das große Dosen Füllstoff aufnehmen kann, aber auch eine niedrige Schmelzviskosität und gute Fließfähigkeit aufweist. Aus diesem Grund ist EVA die bevorzugte Wahl.
Die Schmelzviskosität von EVA nimmt mit zunehmender Extrusionstemperatur und Schergeschwindigkeit rapide ab. Der Benutzer muss lediglich die Extrudertemperatur und die Schneckengeschwindigkeit anpassen, um hervorragende Leistungen bei Draht- und Kabelprodukten zu erzielen. Zahlreiche in- und ausländische Anwendungen haben gezeigt, dass bei hochgefüllten, halogenfreien Materialien mit geringer Rauchentwicklung die Viskosität zu hoch und der Schmelzindex zu niedrig ist. Daher kann für die Extrusion eine gute Extrusionsqualität nur durch die Verwendung einer Schnecke mit niedrigem Kompressionsverhältnis (Kompressionsverhältnis unter 1,3) sichergestellt werden. EVM-Materialien auf Kautschukbasis mit Vulkanisationsmitteln können sowohl auf Kautschukextrudern als auch auf Allzweckextrudern extrudiert werden. Der anschließende Vulkanisationsprozess (Vernetzung) kann entweder durch thermochemische Vernetzung (Peroxid) oder durch Vernetzung mit Elektronenbeschleunigerbestrahlung erfolgen.
2. 3 Einfach zu modifizieren und anzupassen
Drähte und Kabel sind überall, vom Himmel bis zur Erde, von den Bergen bis zum Meer. Die Anforderungen der Benutzer an Drähte und Kabel sind ebenfalls vielfältig und ungewöhnlich. Während die Struktur von Drähten und Kabeln ähnlich ist, spiegeln sich ihre Leistungsunterschiede hauptsächlich in den Isolierungs- und Mantelmaterialien wider.
Bisher macht Weich-PVC im In- und Ausland noch immer den größten Teil der in der Kabelindustrie verwendeten Polymermaterialien aus. Mit dem zunehmenden Bewusstsein für Umweltschutz und nachhaltige Entwicklung.
PVC-Materialien sind stark eingeschränkt, Wissenschaftler tun alles Mögliche, um alternative Materialien zu PVC zu finden, von denen EVA das vielversprechendste ist.
EVA kann mit einer Vielzahl von Polymeren, aber auch mit einer Vielzahl von Mineralpulvern und Verarbeitungshilfsmitteln gemischt werden. Aus den gemischten Produkten können thermoplastische Kunststoffe für Kunststoffkabel, aber auch vernetzte Gummis für Gummikabel hergestellt werden. Formulierungsdesigner können auf der Grundlage von Benutzer- (oder Standard-)Anforderungen EVA als Basismaterial verwenden, um die Leistung des Materials den Anforderungen entsprechend zu gestalten.
3 EVA-Anwendungsbereich
3. 1 Wird als halbleitendes Abschirmmaterial für Hochspannungskabel verwendet
Wie wir alle wissen, besteht Abschirmmaterial hauptsächlich aus leitfähigem Ruß. Wird dem Kunststoff- oder Gummigrundmaterial eine große Menge Ruß hinzugefügt, verschlechtert sich dessen Fließfähigkeit und die Glätte beim Extrudieren erheblich. Um Teilentladungen in Hochspannungskabeln zu vermeiden, müssen die inneren und äußeren Abschirmungen dünn, glänzend, hell und gleichmäßig sein. Im Vergleich zu anderen Polymeren ist dies bei EVA leichter möglich. Der Grund dafür ist, dass EVA im Extrusionsprozess besonders gut fließt und nicht zum Schmelzbruch neigt. Abschirmmaterial wird in zwei Kategorien unterteilt: die Außenseite des Leiters, die sogenannte innere Abschirmung, wird mit dem inneren Abschirmmaterial umwickelt; die Außenseite der Isolierung, die sogenannte äußere Abschirmung, wird mit dem äußeren Abschirmmaterial umwickelt; das innere Abschirmmaterial besteht meist aus Thermoplast. Das innere Abschirmmaterial besteht meist aus Thermoplast und basiert oft auf EVA mit einem VA-Gehalt von 18 % bis 28 %; das äußere Abschirmmaterial ist meist vernetzt und abziehbar und basiert oft auf EVA mit einem VA-Gehalt von 40 % bis 46 %.
3. 2 Thermoplastische und vernetzte flammhemmende Kraftstoffe
Thermoplastisches, flammhemmendes Polyolefin wird in der Kabelindustrie häufig eingesetzt, vor allem für halogenfreie oder halogenfreie Schiffskabel, Stromkabel und hochwertige Konstruktionsleitungen. Die Dauerbetriebstemperaturen liegen zwischen 70 und 90 °C.
Bei Mittel- und Hochspannungskabeln ab 10 kV, die sehr hohe Anforderungen an die elektrische Leistung stellen, werden die flammhemmenden Eigenschaften hauptsächlich vom Außenmantel getragen. In einigen umwelttechnisch anspruchsvollen Gebäuden oder Projekten müssen die Kabel raucharm, halogenfrei, wenig toxisch oder raucharm und halogenarm sein. Daher sind thermoplastische flammhemmende Polyolefine eine praktikable Lösung.
Für einige spezielle Zwecke ist der Außendurchmesser nicht groß, die Temperaturbeständigkeit liegt zwischen 105 und 150 °C. Das Spezialkabel besteht aus stärker vernetztem, flammhemmendem Polyolefin. Die Vernetzung kann vom Kabelhersteller entsprechend seinen eigenen Produktionsbedingungen ausgewählt werden. Es kann sowohl herkömmlicher Hochdruckdampf oder Hochtemperatur-Salzbad als auch Vernetzung durch Bestrahlung bei Raumtemperatur mit Elektronenbeschleunigern erfolgen. Die langfristige Arbeitstemperatur ist in drei Bereiche unterteilt: 105 °C, 125 °C und 150 °C. Die Produktionsanlage kann entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen der Benutzer oder Standards halogenfreie oder halogenhaltige Brennstoffbarrieren herstellen.
Polyolefine sind bekanntlich unpolare oder schwach polare Polymere. Da sie eine ähnliche Polarität wie Mineralöl aufweisen, gelten Polyolefine nach dem Prinzip der ähnlichen Verträglichkeit meist als weniger ölbeständig. Viele Kabelnormen im In- und Ausland schreiben jedoch auch eine gute Beständigkeit vernetzter Kabel gegenüber Ölen, Lösungsmitteln und sogar Ölschlämmen, Säuren und Laugen vor. Dies stellt eine Herausforderung für Materialforscher dar. Inzwischen wurden in China und im Ausland anspruchsvolle Materialien entwickelt, deren Basismaterial EVA ist.
3. 3 Sauerstoffbarrierematerial
Litzenkabel weisen zwischen den Adern zahlreiche Hohlräume auf, die gefüllt werden müssen, um ein abgerundetes Kabelbild zu gewährleisten, wenn die Füllung im Außenmantel aus halogenfreier Brennstoffbarriere besteht. Diese Füllschicht wirkt beim Verbrennen des Kabels als Flammenbarriere (Sauerstoff) und wird daher in der Industrie als „Sauerstoffbarriere“ bezeichnet.
Die Grundanforderungen an ein Sauerstoffbarrierematerial sind: gute Extrusionseigenschaften, gute halogenfreie Flammhemmung (Sauerstoffindex normalerweise über 40) und niedrige Kosten.
Diese Sauerstoffbarriere wird seit mehr als einem Jahrzehnt in der Kabelindustrie umfassend eingesetzt und hat zu deutlichen Verbesserungen der Flammwidrigkeit von Kabeln geführt. Die Sauerstoffbarriere kann sowohl für halogenfreie flammhemmende Kabel als auch für halogenfreie flammhemmende Kabel (z. B. PVC) verwendet werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass Kabel mit Sauerstoffbarriere Einzel- und Bündelbrenntests mit höherer Wahrscheinlichkeit bestehen.
Aus Sicht der Materialzusammensetzung handelt es sich bei diesem Sauerstoffbarrierematerial eigentlich um einen „Ultra-High-Filled-Material“, da zur Erzielung niedriger Kosten ein hoher Füllstoff verwendet werden muss. Um einen hohen Sauerstoffindex zu erreichen, muss außerdem ein hoher Anteil (das Zwei- bis Dreifache) an Mg(OH)2 oder Al(OH)3 hinzugefügt werden. Und um eine gute Extrusion zu gewährleisten, muss EVA als Basismaterial gewählt werden.
3. 4 Modifiziertes PE-Mantelmaterial
Polyethylen-Ummantelungsmaterialien sind anfällig für zwei Probleme: Erstens neigen sie beim Extrudieren zum Schmelzbruch (z. B. Haifischhautbildung); zweitens neigen sie zu umweltbedingter Spannungsrissbildung. Die einfachste Lösung besteht darin, der Formulierung einen bestimmten Anteil EVA hinzuzufügen. Als modifiziertes EVA wird meist ein niedriger VA-Gehalt der Sorte verwendet, dessen Schmelzindex zwischen 1 und 2 liegt.
4. Entwicklungsperspektiven
(1) EVA wird in der Kabelindustrie häufig verwendet und verzeichnet ein stetiges jährliches Wachstum. Insbesondere im letzten Jahrzehnt hat sich die Kraftstoffbeständigkeit von EVA aufgrund der Bedeutung des Umweltschutzes rasant entwickelt und den Trend zu PVC-basierten Kabelmaterialien teilweise verdrängt. Das hervorragende Preis-Leistungs-Verhältnis und die hervorragende Leistung im Extrusionsprozess machen es schwierig, andere Materialien zu ersetzen.
(2) Der jährliche Verbrauch von EVA-Harz in der Kabelindustrie beträgt fast 100.000 Tonnen. Es werden EVA-Harzsorten mit unterschiedlichem VA-Gehalt von niedrig bis hoch verwendet. Da die Größe der Kabelgranulatunternehmen nicht groß ist, werden in jedem Unternehmen jährlich nur Tausende von Tonnen EVA-Harz produziert und verkleinert, sodass die EVA-Industrie keine große Aufmerksamkeit erhält. Beispielsweise wird bei den meisten halogenfreien, flammhemmenden Basismaterialien hauptsächlich EVA-Harz mit einem VA/MI-Wert von 28/2 bis 3 gewählt (wie etwa EVA 265 # von DuPont in den USA). Und diese EVA-Spezifikationsklasse wird bisher von keinem inländischen Hersteller hergestellt und geliefert. Ganz zu schweigen von anderen EVA-Harzen mit einem VA-Gehalt von über 28 und einem Schmelzindex von unter 3.
(3) Ausländische Unternehmen produzieren EVA, da es keine inländische Konkurrenz gibt und der Preis seit langem hoch ist, was die Produktionsfreude der inländischen Kabelhersteller stark dämpft. Mehr als 50 % des VA-Gehalts von kautschukartigem EVM werden von ausländischen Unternehmen dominiert, und der Preis ist zwei- bis dreimal so hoch wie der VA-Gehalt der Marke. Solche hohen Preise wirken sich wiederum auf die Menge dieses kautschukartigen EVM aus. Daher fordert die Kabelindustrie inländische EVA-Hersteller auf, ihre Inlandsproduktionsrate zu erhöhen. Eine höhere Produktion der Industrie bedeutet einen größeren Einsatz von EVA-Harz.
(4) Im Zuge der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes im Zeitalter der Globalisierung gilt EVA in der Kabelindustrie als das beste umweltfreundliche und kraftstoffbeständige Basismaterial. Der Einsatz von EVA wächst jährlich um 15 %, und die Aussichten sind vielversprechend. Die Menge und die Wachstumsrate der Produktion von Abschirmmaterialien sowie von Mittel- und Hochspannungskabeln liegen bei etwa 8 % bis 10 %, während die von Polyolefinen stark zunimmt und in den letzten Jahren bei 15 % bis 20 % lag und diese Wachstumsrate in den nächsten 5 bis 10 Jahren voraussichtlich beibehalten wird.
Veröffentlichungszeit: 31. Juli 2022