1. Einleitung
EVA ist die Abkürzung für Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, ein Polyolefin-Polymer. Aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur, guten Fließfähigkeit, Polarität und Halogenfreiheit ist es mit einer Vielzahl von Polymeren und Mineralpulvern kompatibel. Es weist eine Reihe von mechanischen und physikalischen Eigenschaften sowie elektrische Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften auf und ist preisgünstig und ausreichend verfügbar. Daher eignet es sich sowohl als Kabelisolationsmaterial als auch als Füll- und Mantelmaterial. Es kann zu thermoplastischen und duroplastischen Materialien verarbeitet werden.
EVA ist vielseitig einsetzbar und kann mit Flammschutzmitteln zu halogenfreien, raucharmen oder halogenhaltigen Barrierematerialien verarbeitet werden. Bei Verwendung von EVA mit hohem VA-Gehalt als Basismaterial lassen sich auch ölbeständige Materialien herstellen. Durch die Auswahl von EVA mit moderatem Schmelzindex und die Zugabe der 2- bis 3-fachen Menge an Flammschutzmitteln kann ein im Extrusionsverfahren besser geeignetes Sauerstoffbarrierematerial (Füllmaterial) mit einem ausgewogeneren Preis-Leistungs-Verhältnis erzielt werden.
In diesem Beitrag werden die strukturellen Eigenschaften von EVA, seine Anwendung in der Kabelindustrie und seine Entwicklungsperspektiven vorgestellt.
2. Strukturelle Eigenschaften
Bei der Synthese kann durch Änderung des Polymerisationsgradverhältnisses n/m der VA-Gehalt von EVA von 5 bis 90 % variiert werden; durch Erhöhung des Gesamtpolymerisationsgrades kann das Molekulargewicht von EVA von Zehntausenden bis Hunderttausenden erhöht werden; ein VA-Gehalt unter 40 % führt aufgrund partieller Kristallisation zu geringer Elastizität und wird gemeinhin als EVA-Kunststoff bezeichnet; bei einem VA-Gehalt über 40 % entsteht ein gummiartiges Elastomer ohne Kristallisation, das gemeinhin als EVM-Kautschuk bezeichnet wird.
1.2 Eigenschaften
Die Molekülkette von EVA ist eine lineare, gesättigte Struktur, daher besitzt es eine gute Beständigkeit gegenüber Wärmealterung, Witterungseinflüssen und Ozon.
Die Hauptkette des EVA-Moleküls enthält keine Doppelbindungen, Benzolringe, Acyl-, Aminogruppen oder andere leicht rauchende Gruppen. Auch die Seitenketten enthalten keine leicht rauchenden Methyl-, Phenyl-, Cyano- oder andere Gruppen. Darüber hinaus ist das Molekül selbst halogenfrei und eignet sich daher besonders für raucharme, halogenfreie, resistive Brennstoffe.
Die Größe der Vinylacetat-(VA)-Gruppe in der EVA-Seitenkette und ihre mittlere Polarität hemmen die Kristallisationstendenz des Vinylgerüsts und ermöglichen eine gute Kopplung mit mineralischen Füllstoffen. Dies schafft die Voraussetzungen für leistungsstarke Barrierebrennstoffe. Dies gilt insbesondere für raucharme und halogenfreie Resists, da zur Erfüllung der Anforderungen der Kabelnormen an die Flammwidrigkeit Flammschutzmittel mit einem Volumenanteil von über 50 % [z. B. Al(OH)₃, Mg(OH)₂ usw.] zugesetzt werden müssen. EVA mit einem mittleren bis hohen VA-Gehalt dient als Basis für die Herstellung raucharmer und halogenfreier Flammschutzbrennstoffe mit hervorragenden Eigenschaften.
Da die Vinylacetatgruppe (VA) der EVA-Seitenkette polar ist, führt ein höherer VA-Gehalt zu einer höheren Polarität des Polymers und damit zu einer besseren Ölbeständigkeit. Die in der Kabelindustrie geforderte Ölbeständigkeit bezieht sich hauptsächlich auf die Fähigkeit, unpolaren oder schwach polaren Mineralölen standzuhalten. Nach dem Prinzip der ähnlichen Kompatibilität wird EVA mit hohem VA-Gehalt als Basismaterial verwendet, um eine raucharme und halogenfreie Kraftstoffbarriere mit guter Ölbeständigkeit herzustellen.
EVA-Moleküle weisen im Bereich der Alpha-Olefin-H-Atome eine höhere Aktivität auf. Durch Peroxidradikale oder hochenergetische Elektronenstrahlung kann es leicht zu einer H-Vernetzungsreaktion kommen, wodurch vernetzte Kunststoffe oder Gummi entstehen. Dadurch können anspruchsvolle Draht- und Kabelmaterialien hergestellt werden.
Durch die Einführung der Vinylacetatgruppe sinkt die Schmelztemperatur von EVA deutlich, und die Anzahl der kurzen VA-Seitenketten erhöht die Fließfähigkeit von EVA. Daher ist die Extrusionsleistung deutlich besser als bei vergleichbarem Polyethylen, wodurch EVA zum bevorzugten Basismaterial für halbleitende Abschirmmaterialien sowie für halogenfreie und halogenfreie Brennstoffbarrieren wird.
2 Produktvorteile
2.1 Extrem hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis
EVA besitzt sehr gute physikalische und mechanische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Ozonbeständigkeit und elektrische Eigenschaften. Durch Auswahl der geeigneten Sorte lassen sich hitzebeständige, flammhemmende sowie öl- und lösungsmittelbeständige Spezialkabelmaterialien herstellen.
Thermoplastisches EVA-Material wird hauptsächlich mit einem VA-Gehalt von 15 % bis 46 % und einem Schmelzindex von 0,5 bis 4 verwendet. EVA ist von vielen Herstellern und Marken erhältlich und bietet eine große Auswahl an Optionen, moderate Preise und eine ausreichende Verfügbarkeit. Nutzer müssen lediglich den EVA-Bereich der Website aufrufen, um Marke, Leistung, Preis und Lieferort auf einen Blick zu erfassen und das passende Produkt auszuwählen – sehr komfortabel.
EVA ist ein Polyolefin-Polymer, das hinsichtlich Weichheit und Anwendungseigenschaften Polyethylen (PE) und weichem Polyvinylchlorid (PVC) ähnelt. Weiterführende Untersuchungen zeigen jedoch, dass EVA den beiden genannten Materialien in einigen Punkten unübertroffen überlegen ist.
2.2 Hervorragende Verarbeitungsleistung
EVA wurde in der Kabelindustrie ursprünglich als Abschirmmaterial für Mittel- und Hochspannungskabel (innen und außen) eingesetzt und später auch als Barriere für halogenfreie Brennstoffe verwendet. Beide Materialarten gelten aus verarbeitungstechnischer Sicht als „hochgefüllte Materialien“: Abschirmmaterialien erfordern die Zugabe großer Mengen leitfähigen Rußes, was zu einer erhöhten Viskosität und einem starken Abfall der Fließfähigkeit führt; halogenfreie, flammhemmende Brennstoffe benötigen ebenfalls große Mengen halogenfreier Flammschutzmittel, was wiederum die Viskosität und Fließfähigkeit stark reduziert. Die Lösung besteht darin, ein Polymer zu finden, das hohe Füllstoffmengen aufnehmen kann, gleichzeitig aber eine niedrige Schmelzviskosität und gute Fließfähigkeit aufweist. Aus diesem Grund ist EVA die bevorzugte Wahl.
Die Schmelzviskosität von EVA steigt mit zunehmender Extrusionstemperatur und Scherrate rapide an und sinkt dann wieder ab. Durch die Anpassung der Extrudertemperatur und der Schneckendrehzahl lassen sich hervorragende Draht- und Kabelprodukte herstellen. Zahlreiche in- und ausländische Anwendungen zeigen, dass bei hochgefüllten, halogenfreien Materialien mit geringer Rauchentwicklung aufgrund der zu hohen Viskosität und des zu niedrigen Schmelzindexes nur die Extrusion mit einer Schnecke mit niedrigem Kompressionsverhältnis (unter 1,3) eine gute Extrusionsqualität gewährleistet. Kautschukbasierte EVM-Materialien mit Vulkanisationsmitteln können sowohl auf Kautschukextrudern als auch auf Standardextrudern extrudiert werden. Die anschließende Vulkanisation (Vernetzung) kann entweder thermochemisch (peroxidisch) oder durch Elektronenbestrahlung erfolgen.
2.3 Leicht zu modifizieren und anzupassen
Drähte und Kabel sind allgegenwärtig, vom Himmel bis zur Erde, von den Bergen bis zum Meer. Auch die Anforderungen an Drähte und Kabel sind vielfältig und ungewöhnlich. Obwohl der Aufbau von Drähten und Kabeln ähnlich ist, spiegeln sich die Leistungsunterschiede hauptsächlich in den Isolier- und Mantelmaterialien wider.
Bislang macht Weich-PVC sowohl im In- als auch im Ausland den Großteil der in der Kabelindustrie verwendeten Polymermaterialien aus. Mit dem zunehmenden Bewusstsein für Umweltschutz und nachhaltige Entwicklung ändert sich jedoch einiges.
Da die Verwendung von PVC stark eingeschränkt ist, setzen Wissenschaftler alles daran, alternative Materialien zu PVC zu finden. Das vielversprechendste davon ist EVA.
EVA lässt sich mit einer Vielzahl von Polymeren, aber auch mit verschiedenen Mineralpulvern und kompatiblen Verarbeitungshilfsmitteln mischen. Die Mischprodukte können zu thermoplastischen Kunststoffen für Kunststoffkabel oder zu vernetztem Gummi für Gummikabel verarbeitet werden. Die Rezepturentwicklung kann auf Basis von EVA als Basismaterial und unter Berücksichtigung von Anwender- oder Normenvorgaben erfolgen, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erzielen.
3 EVA-Anwendungsbereich
3.1 Verwendung als halbleitendes Abschirmmaterial für Hochspannungskabel
Wie bekannt, besteht der Hauptbestandteil von Schirmungsmaterialien aus leitfähigem Ruß. Eine zu hohe Rußbeigabe zum Kunststoff- oder Gummi-Basismaterial würde die Fließfähigkeit des Schirmungsmaterials und die Extrusionsqualität erheblich beeinträchtigen. Um Teilentladungen in Hochspannungskabeln zu vermeiden, müssen die inneren und äußeren Schirmungen dünn, glänzend und gleichmäßig sein. EVA eignet sich hierfür besser als andere Polymere. Grund dafür ist das besonders gute Extrusionsverfahren von EVA, das eine gute Fließfähigkeit aufweist und nicht zum Schmelzbruch neigt. Schirmungsmaterialien werden in zwei Kategorien unterteilt: die innere Schirmung, die den Leiter umschließt, und die äußere Schirmung, die die Isolierung umschließt, mit dem äußeren Schirmmaterial. Das innere Schirmmaterial ist meist thermoplastisch und basiert häufig auf EVA mit einem VA-Gehalt von 18 % bis 28 %. Das äußere Schirmmaterial ist meist vernetzt und abziehbar und basiert häufig auf EVA mit einem VA-Gehalt von 40 % bis 46 %.
3.2 Thermoplastische und vernetzte flammhemmende Kraftstoffe
Thermoplastische, flammhemmende Polyolefine finden breite Anwendung in der Kabelindustrie, insbesondere für halogenfreie oder halogenhaltige Schiffskabel, Stromkabel und hochwertige Bauleitungen. Ihre Dauerbetriebstemperaturen liegen zwischen 70 und 90 °C.
Bei Mittel- und Hochspannungskabeln ab 10 kV, die sehr hohe elektrische Leistungsanforderungen stellen, werden die flammhemmenden Eigenschaften hauptsächlich vom Außenmantel getragen. In manchen umweltbelastenden Gebäuden oder Projekten müssen die Kabel raucharm, halogenfrei, toxizitätsarm oder raucharm und halogenarm sein. Hierfür stellen thermoplastische, flammhemmende Polyolefine eine praktikable Lösung dar.
Für spezielle Anwendungen ist der Außendurchmesser gering. Das Spezialkabel mit einer Temperaturbeständigkeit zwischen 105 und 150 °C besteht aus einem stärker vernetzten, flammhemmenden Polyolefin. Die Vernetzung kann vom Kabelhersteller je nach Produktionsbedingungen gewählt werden, beispielsweise durch traditionelle Hochdruckdampf- oder Hochtemperatur-Salzbadvernetzung oder durch Elektronenbestrahlung bei Raumtemperatur. Die Dauerbetriebstemperatur ist in drei Kategorien (105 °C, 125 °C und 150 °C) unterteilt. Die Fertigung erfolgt kundenspezifisch und je nach Normen, mit oder ohne Halogen-Schutzgas.
Es ist bekannt, dass Polyolefine unpolare oder schwach polare Polymere sind. Aufgrund ihrer ähnlichen Polarität wie Mineralöl gelten Polyolefine nach dem Prinzip der ähnlichen Kompatibilität meist als weniger ölbeständig. Viele Kabelnormen im In- und Ausland fordern jedoch auch von vernetzten Materialien eine gute Beständigkeit gegenüber Ölen, Lösungsmitteln und sogar Ölsuspensionen, Säuren und Laugen. Dies stellt eine Herausforderung für Materialforscher dar. Mittlerweile wurden sowohl in China als auch im Ausland solche anspruchsvollen Materialien entwickelt, deren Basismaterial EVA ist.
3.3 Sauerstoffsperrmaterial
Litzenkabel mit mehreren Adern weisen zahlreiche Hohlräume zwischen den Adern auf, die gefüllt werden müssen, um ein abgerundetes Kabelbild zu gewährleisten, sofern die Füllung innerhalb des Außenmantels aus halogenfreier Brennstoffbarriere besteht. Diese Füllschicht dient im Brandfall des Kabels als Flammschutz (Sauerstoffbarriere) und wird daher in der Branche als „Sauerstoffbarriere“ bezeichnet.
Die grundlegenden Anforderungen an ein Sauerstoffbarrierematerial sind: gute Extrusionseigenschaften, gute halogenfreie Flammschutzwirkung (Sauerstoffindex üblicherweise über 40) und niedrige Kosten.
Diese Sauerstoffbarriere wird in der Kabelindustrie seit über einem Jahrzehnt umfassend eingesetzt und hat zu deutlichen Verbesserungen der Flammwidrigkeit von Kabeln geführt. Sie eignet sich sowohl für halogenfreie als auch für flammhemmende Kabel (z. B. PVC). Zahlreiche praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass Kabel mit Sauerstoffbarriere die Brennprüfungen (einzeln und gebündelt) mit höherer Wahrscheinlichkeit bestehen.
Aus Sicht der Materialrezeptur handelt es sich bei diesem Sauerstoffbarrierematerial eigentlich um ein „ultrahochgefülltes“ Material, da zur Erreichung niedriger Kosten ein hoher Füllstoffgehalt erforderlich ist. Um einen hohen Sauerstoffindex zu erzielen, muss außerdem ein hoher Anteil (2- bis 3-fach) an Mg(OH)₂ oder Al(OH)₃ hinzugefügt werden. Für eine gute Extrusion muss EVA als Basismaterial gewählt werden.
3.4 Modifiziertes PE-Ummantelungsmaterial
Polyethylen-Ummantelungsmaterialien weisen zwei Probleme auf: Erstens neigen sie beim Extrudieren zu Schmelzbruch (sogenannter „Haifischhaut“), zweitens sind sie anfällig für Spannungsrisskorrosion durch Umwelteinflüsse. Die einfachste Lösung besteht in der Zugabe eines bestimmten Anteils EVA zur Rezeptur. Verwendet wird meist modifiziertes EVA mit einem niedrigen VA-Gehalt, dessen Schmelzindex zwischen 1 und 2 liegen sollte.
4. Entwicklungsperspektiven
(1) EVA findet breite Anwendung in der Kabelindustrie, wobei die jährliche Produktionsmenge stetig wächst. Insbesondere im letzten Jahrzehnt hat die zunehmende Bedeutung des Umweltschutzes die Entwicklung von EVA-basierten, kraftstoffbeständigen Materialien rasant vorangetrieben und den Trend zu PVC-basierten Kabelmaterialien teilweise abgelöst. Aufgrund seines hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses und der exzellenten Extrusionseigenschaften ist es schwierig, andere Materialien zu ersetzen.
(2) Die Kabelindustrie verbraucht jährlich fast 100.000 Tonnen EVA-Harz. Dabei werden EVA-Harzsorten mit unterschiedlichem VA-Gehalt (von niedrig bis hoch) verwendet. Da die Unternehmen, die Kabelmaterialien granulieren, nicht sehr groß sind und jedes Unternehmen jährlich nur wenige Tausend Tonnen EVA-Harz verbraucht, spielt dies für die großen Unternehmen der EVA-Industrie keine große Rolle. Beispielsweise wird für die meisten halogenfreien, flammhemmenden Basismaterialien hauptsächlich EVA-Harz mit einem VA/MI-Wert von 28/2 bis 3 verwendet (z. B. EVA 265# von DuPont). Bislang gibt es inländische Hersteller, die EVA-Harz dieser Spezifikation produzieren und liefern. Auch andere EVA-Harze mit einem VA-Gehalt über 28 und einem Schmelzindex unter 3 werden derzeit nicht angeboten.
(3) Ausländische Unternehmen produzieren EVA aufgrund fehlender inländischer Konkurrenz zu seit Langem hohen Preisen, was die Produktionsbereitschaft der heimischen Kabelhersteller erheblich dämpft. Mehr als 50 % des EVA-Anteils in EVM vom Gummityp werden von ausländischen Unternehmen dominiert, deren Preis das Zwei- bis Dreifache des Preises von Markenprodukten mit ähnlichem EVA-Anteil beträgt. Diese hohen Preise wirken sich wiederum auf die Menge dieses EVM-Typs aus, weshalb die Kabelindustrie inländische EVA-Hersteller auffordert, die heimische EVA-Produktion zu steigern. Die zunehmende Produktion in der Branche führt zu einem verstärkten Einsatz von EVA-Harz.
(4) Angesichts des wachsenden Umweltbewusstseins im Zeitalter der Globalisierung gilt EVA in der Kabelindustrie als optimales Basismaterial für umweltfreundliche Kraftstoffbeständigkeit. Der Einsatz von EVA wächst jährlich um 15 % und die Zukunftsaussichten sind vielversprechend. Auch die Menge und Wachstumsrate von Abschirmungsmaterialien sowie die Produktion von Mittel- und Hochspannungskabeln steigen rasant an und lagen in den letzten Jahren bei 15 % bis 20 %. Dieses Wachstum dürfte sich in den nächsten 5 bis 10 Jahren fortsetzen.
Veröffentlichungsdatum: 31. Juli 2022