1. Einleitung
EVA ist die Abkürzung für Ethylenvinylacetat-Copolymer, ein Polyolefinpolymer. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts, seiner guten Fließfähigkeit, Polarität und Halogenfreiheit ist EVA mit einer Vielzahl von Polymeren und Mineralpulvern kompatibel. Es weist eine Reihe mechanischer und physikalischer Eigenschaften, elektrische Eigenschaften und eine ausgewogene Verarbeitungsleistung auf. Der Preis ist niedrig, das Marktangebot ausreichend. Daher kann EVA sowohl als Kabelisolationsmaterial als auch als Füllmaterial und Mantelmaterial 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. Wenn Sie EVA mit hohem VA-Gehalt als Basismaterial wählen, können Sie auch ölbeständige Materialien herstellen. Wenn Sie EVA mit mittlerem Schmelzindex wählen und die 2- bis 3-fache Menge an Flammschutzmitteln hinzufügen, können Sie ein Material mit ausgewogenerer Sauerstoffbarriere (Füllung) hinsichtlich Leistung und Preis des Extrusionsprozesses herstellen.
In diesem Dokument werden die strukturellen Eigenschaften von EVA sowie seine Anwendung in der Kabelindustrie und Entwicklungsaussichten vorgestellt.
2. Strukturelle Eigenschaften
Bei der Synthese kann durch Veränderung des Verhältnisses des Polymerisationsgrads n/m ein VA-Gehalt von 5 bis 90 % EVA erreicht werden; durch Erhöhung des Gesamtpolymerisationsgrads kann ein Molekulargewicht von EVA von Zehntausenden bis Hunderttausenden erreicht werden; ein VA-Gehalt unter 40 % führt aufgrund der teilweisen Kristallisation zu geringer Elastizität und wird allgemein als EVA-Kunststoff bezeichnet; wenn der VA-Gehalt über 40 % liegt, 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, sodass es eine gute Wärmealterungs-, Witterungs- und Ozonbeständigkeit aufweist.
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 für die Herstellung raucharmer und halogenfreier Flammschutzkraftstoffe mit hervorragenden Eigenschaften.
Da die Vinylacetatgruppe (VA) der EVA-Seitenkette polar ist, gilt: Je höher der VA-Gehalt, desto polarer ist das Polymer und desto besser die Ölbeständigkeit. Die von 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 die Fließfähigkeit von EVA erhöhen. Daher ist seine Extrusionsleistung deutlich besser als die Molekularstruktur von ähnlichem Polyethylen, was EVA zum bevorzugten Basismaterial für halbleitende Abschirmmaterialien sowie halogen- und halogenfreie Kraftstoffbarrieren macht.
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 hitzebeständiges, flammhemmendes und auch öl- und lösungsmittelbeständiges Spezialkabelmaterial herzustellen.
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. Auf einen Blick sehen Sie Marke, Leistung, Preis und Lieferort und können ganz bequem auswählen.
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 jedoch deutlich, dass EVA den beiden oben genannten Materialien deutlich überlegen ist.
2. 2 hervorragende Verarbeitungsleistung
EVA wird in Kabelanwendungen zunächst als Abschirmmaterial für Mittel- und Hochspannungskabel innen und außen verwendet und später auch als Barriere für halogenfreie Kraftstoffe eingesetzt. Aus verarbeitungstechnischer Sicht gelten diese beiden Materialien als hochgefüllte Materialien: Abschirmmaterial muss durch die Zugabe einer großen Menge leitfähigen Rußes dessen Viskosität erhöhen, wodurch die Fließfähigkeit stark abnimmt; halogenfreiem, flammhemmendem Kraftstoff muss eine große Menge halogenfreier Flammschutzmittel zugesetzt werden, wodurch auch die Viskosität des halogenfreien Materials stark ansteigt und die Fließfähigkeit stark abnimmt. Die Lösung besteht darin, ein Polymer zu finden, das große Mengen Füllstoff aufnehmen kann, aber auch eine niedrige Schmelzviskosität und gute Fließfähigkeit aufweist. Aus diesem Grund ist EVA die bevorzugte Wahl.
Die Viskosität der EVA-Schmelze nimmt mit der Extrusionstemperatur und der 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 mit einer Schnecke mit niedrigem Kompressionsverhältnis (Kompressionsverhältnis unter 1,3) sichergestellt werden. Kautschukbasierte EVM-Materialien mit Vulkanisationsmitteln können sowohl auf Kautschukextrudern als auch auf Allzweckextrudern extrudiert werden. Der anschließende Vulkanisationsprozess (Vernetzung) kann entweder durch thermochemische Vernetzung (Peroxid) oder Vernetzung durch Bestrahlung mit einem Elektronenbeschleuniger erfolgen.
2. 3 Einfach zu modifizieren und anzupassen
Drähte und Kabel sind allgegenwärtig – vom Himmel bis zur Erde, von den Bergen bis zum Meer. Die Anforderungen der Anwender an Drähte und Kabel sind vielfältig und unterschiedlich. Obwohl sich der Aufbau von Drähten und Kabeln ähnelt, spiegeln sich die 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 wurden 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 verschiedenen Mineralpulvern und Verarbeitungshilfsmitteln gemischt werden. Aus den gemischten Produkten können thermoplastische Kunststoffe für Kunststoffkabel, aber auch vernetzte Kautschuke für Gummikabel hergestellt werden. Formulierungsentwickler können sich an den Anforderungen von Anwendern (oder Standards) orientieren und 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 des Extrusionsmaterials 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. Der Grund dafür ist, dass sich EVA im Extrusionsprozess besonders gut verarbeiten lässt, ein gutes Fließverhalten aufweist und nicht zum Schmelzbruch neigt. Abschirmmaterial wird in zwei Kategorien unterteilt: die Außenseite des Leiters, die als innere Abschirmung bezeichnet wird, wird mit dem inneren Abschirmmaterial umwickelt; die Außenseite der Isolierung, die als äußere Abschirmung bezeichnet wird, 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 und halogenfreie Anwendungen in Schiffskabeln, Stromkabeln und hochwertigen 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, wird die Flammschutzwirkung hauptsächlich vom Außenmantel getragen. In einigen umwelttechnisch anspruchsvollen Gebäuden oder Projekten müssen die Kabel raucharm, halogenfrei, wenig toxisch oder rauch- und halogenarm sein. Daher sind thermoplastische flammhemmende Polyolefine eine praktikable Lösung.
Für einige spezielle Zwecke ist der Außendurchmesser nicht groß und die Temperaturbeständigkeit liegt zwischen 105 und 150 °C. Das Spezialkabel besteht aus vernetztem, flammhemmendem Polyolefin. Die Vernetzung kann vom Kabelhersteller entsprechend seinen Produktionsbedingungen ausgewählt werden. Es kann sowohl herkömmliches Hochdruckdampf- oder Hochtemperatursalzbad als auch Vernetzung durch Bestrahlung mit einem Elektronenbeschleuniger bei Raumtemperatur verwendet werden. Die langfristige Betriebstemperatur 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 in ihrer Polarität Mineralöl ähneln, 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. Dies ist insbesondere dann notwendig, 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 über 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. Die Praxis zeigt, dass Kabel mit Sauerstoffbarriere Einzel- und Bündelbrenntests mit höherer Wahrscheinlichkeit bestehen.
Aus Sicht der Materialformulierung ist dieses Sauerstoffbarrierematerial eigentlich ein „Ultra-High-Filled-Material“, denn um die Kosten niedrig zu halten, ist die Verwendung eines High-Filled-Materials erforderlich. 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 zu Schmelzbrüchen (z. B. Haifischhautbildung); zweitens neigen sie zu Spannungsrissen. Die einfachste Lösung besteht darin, der Formulierung einen bestimmten Anteil EVA beizufügen. 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 unterschiedlichen VA-Gehalten von niedrig bis hoch verwendet. Da die Größe der Kabelmaterialgranulatunternehmen nicht groß ist, werden in jedem Unternehmen jährlich nur Tausende von Tonnen EVA-Harz produziert, was die Aufmerksamkeit der Riesenunternehmen der EVA-Industrie nicht auf sich zieht. 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 über 28 und einem Schmelzindex unter 3, die hergestellt und geliefert werden.
(3) Ausländische Unternehmen produzieren EVA, da es keine inländische Konkurrenz gibt und der Preis seit langem hoch ist, was die Produktionsfreude inländischer Kabelwerke stark dämpft. Mehr als 50 % des VA-Gehalts von kautschukartigem EVM werden von ausländischen Unternehmen dominiert, und der Preis entspricht dem zwei- bis dreimal höheren 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 Inlandsproduktion zu steigern. Eine höhere Produktion der Industrie bedeutet eine größere Verwendung von EVA-Harz.
(4) Angesichts der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes im Zeitalter der Globalisierung gilt EVA in der Kabelindustrie als das beste umweltfreundliche und kraftstoffbeständige Basismaterial. Die Verwendung von EVA wächst jährlich um 15 %, und die Aussichten sind vielversprechend. Die Menge und die Wachstumsrate von Abschirmmaterialien sowie von Mittel- und Hochspannungskabeln liegen bei etwa 8 % bis 10 %; die Polyolefin-Beständigkeit wächst rasant und lag in den letzten Jahren bei 15 % bis 20 % und dürfte in den nächsten fünf bis zehn Jahren ebenfalls bei dieser Wachstumsrate bleiben.
Veröffentlichungszeit: 31. Juli 2022