Zusammenfassung: Das Vernetzungsprinzip, die Klassifizierung, die Formulierung, der Prozess und die Ausrüstung von silanvernetztem Polyethylen-Isoliermaterial für Drähte und Kabel werden kurz beschrieben, und einige Eigenschaften von silanvernetztem Polyethylen-Isoliermaterial in Anwendung und Verwendung sowie Faktoren, die den Vernetzungszustand des Materials beeinflussen, werden eingeführt.
Schlüsselwörter: Silanvernetzung; Natürliche Vernetzung; Polyethylen; Isolierung; Draht und Kabel
Kabelmaterial aus silanvernetztem Polyethylen wird heute in der Draht- und Kabelindustrie häufig als Isoliermaterial für Niederspannungsstromkabel verwendet. Das Material bei der Herstellung von vernetzten Drähten und Kabeln sowie Peroxidvernetzung und Strahlungsvernetzung ist im Vergleich zu den erforderlichen Herstellungsgeräten einfach, leicht zu bedienen, hat niedrige Gesamtkosten und andere Vorteile und ist zum führenden Material für niedrige Preise geworden Hochspannungsvernetztes Kabel mit Isolierung.
1.Silanvernetztes Kabelmaterial-Vernetzungsprinzip
Bei der Herstellung von silanvernetztem Polyethylen gibt es zwei Hauptprozesse: Pfropfen und Vernetzen. Beim Pfropfprozess verliert das Polymer sein H-Atom am tertiären Kohlenstoffatom unter der Wirkung des freien Initiators und der Pyrolyse in freie Radikale, die mit der – CH = CH2-Gruppe von Vinylsilan reagieren, um ein gepfropftes Polymer zu erzeugen, das einen Trioxysilylester enthält Gruppe. Beim Vernetzungsprozess wird das Pfropfpolymer zunächst in Gegenwart von Wasser hydrolysiert, um Silanol zu erzeugen, und das -OH kondensiert mit der benachbarten Si-OH-Gruppe unter Bildung der Si-O-Si-Bindung, wodurch das Polymer vernetzt wird Makromoleküle.
2.Silanvernetztes Kabelmaterial und seine Kabelherstellungsmethode
Wie Sie wissen, gibt es zweistufige und einstufige Herstellungsverfahren für silanvernetzte Kabel und deren Kabel. Der Unterschied zwischen der zweistufigen Methode und der einstufigen Methode liegt darin, wo der Silan-Pfropfprozess durchgeführt wird, bei der zweistufigen Methode beim Kabelmaterialhersteller und bei der Kabelherstellungsanlage Ein-Schritt-Methode. Das zweistufige silanvernetzte Polyethylen-Isoliermaterial mit dem größten Marktanteil besteht aus den sogenannten A- und B-Materialien, wobei A-Material das mit Silan gepfropfte Polyethylen und B-Material das Katalysator-Masterbatch ist. Anschließend wird der Isolierkern in warmem Wasser oder Dampf vernetzt.
Es gibt eine andere Art von zweistufigen silanvernetzten Polyethylenisolatoren, bei denen das A-Material auf andere Weise hergestellt wird, indem Vinylsilan während der Synthese direkt in das Polyethylen eingebracht wird, um Polyethylen mit verzweigten Silanketten zu erhalten.
Bei der einstufigen Methode gibt es auch zwei Arten: Beim traditionellen einstufigen Verfahren werden verschiedene Rohstoffe gemäß der Formel im Verhältnis eines speziellen Präzisionsdosiersystems in einen speziell entwickelten Spezialextruder in einem Schritt geleitet, um das Pfropfen und Extrudieren abzuschließen Kabelisolierungskern, in diesem Prozess keine Granulierung, keine Notwendigkeit einer Beteiligung der Kabelmaterialfabrik, die von der Kabelfabrik alleine abgeschlossen werden muss. Diese einstufige Produktionsausrüstung und Formulierungstechnologie für silanvernetzte Kabel wird größtenteils aus dem Ausland importiert und ist teuer.
Eine andere Art von einstufigem silanvernetztem Polyethylen-Isoliermaterial wird von Kabelmaterialherstellern hergestellt. Alle Rohstoffe werden nach der Formel im Verhältnis einer speziellen Methode zusammengemischt, verpackt und verkauft. Es gibt kein A-Material und B Material, Kabelanlage kann direkt im Extruder sein, um einen Schritt gleichzeitig mit dem Pfropfen und Extrudieren des Kabelisolationskerns abzuschließen. Das Besondere an dieser Methode ist, dass keine teuren Spezialextruder erforderlich sind, da der Silanpfropfprozess in einem gewöhnlichen PVC-Extruder durchgeführt werden kann und das zweistufige Verfahren das Mischen der A- und B-Materialien vor der Extrusion überflüssig macht.
3. Zusammensetzung der Formulierung
Die Formulierung von Kabelmaterial aus silanvernetztem Polyethylen besteht im Allgemeinen aus dem Grundmaterial Harz, Initiator, Silan, Antioxidans, Polymerisationsinhibitor, Katalysator usw.
(1) Das Basisharz ist im Allgemeinen ein Harz aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) mit einem Schmelzindex (MI) von 2, aber in jüngster Zeit, mit der Entwicklung der Kunstharztechnologie und dem Kostendruck, wurde auch lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) verwendet als Basisharz für dieses Material verwendet oder teilweise verwendet. Unterschiedliche Harze haben aufgrund von Unterschieden in ihrer inneren makromolekularen Struktur häufig einen erheblichen Einfluss auf die Pfropfung und Vernetzung. Daher wird die Formulierung durch die Verwendung unterschiedlicher Basisharze oder desselben Harztyps von verschiedenen Herstellern geändert.
(2) Der üblicherweise verwendete Initiator ist Diisopropylperoxid (DCP). Der Schlüssel besteht darin, das Ausmaß des Problems zu erfassen. Zu wenig, um eine Silanpfropfung zu verursachen, reicht nicht aus. zu viel, um eine Vernetzung des Polyethylens zu verursachen, was seine Fließfähigkeit verringert, die Oberfläche des extrudierten Isolierkerns rau und das System schwer zu quetschen ist. Da die Menge des zugegebenen Initiators sehr gering und empfindlich ist, ist es wichtig, ihn gleichmäßig zu verteilen, weshalb er im Allgemeinen zusammen mit dem Silan zugegeben wird.
(3) Bei Silan handelt es sich im Allgemeinen um ungesättigtes Vinylsilan, einschließlich Vinyltrimethoxysilan (A2171) und Vinyltriethoxysilan (A2151). Aufgrund der schnellen Hydrolyserate von A2171 wählen mehr Menschen A2171. Ebenso gibt es ein Problem bei der Zugabe von Silan. Die aktuellen Kabelmaterialhersteller versuchen, die Untergrenze zu erreichen, um die Kosten zu senken, da Silan importiert wird und der Preis teurer ist.
(4) Das Antioxidationsmittel soll die Stabilität der Polyethylenverarbeitung und den Alterungsschutz des Kabels gewährleisten. Das zugesetzte Antioxidationsmittel im Silan-Pfropfprozess hat die Aufgabe, die Pfropfreaktion zu hemmen, sodass beim Pfropfprozess ein Antioxidans hinzugefügt wird Seien Sie vorsichtig und achten Sie darauf, dass die hinzugefügte Menge an DCP mit der Auswahl übereinstimmt. Beim zweistufigen Vernetzungsprozess kann der Großteil des Antioxidans dem Katalysator-Masterbatch zugesetzt werden, wodurch die Auswirkungen auf den Pfropfprozess verringert werden können. Beim einstufigen Vernetzungsprozess ist das Antioxidans im gesamten Pfropfprozess vorhanden, daher ist die Wahl der Art und Menge wichtiger. Häufig verwendete Antioxidantien sind 1010, 168, 330 usw.
(5) Ein Polymerisationsinhibitor wird zugesetzt, um einige Nebenreaktionen im Pfropf- und Vernetzungsprozess zu verhindern. Durch die Zugabe eines Antivernetzungsmittels im Pfropfprozess kann das Auftreten einer C2C-Vernetzung wirksam reduziert und dadurch verbessert werden Die Verarbeitungsflüssigkeit, außerdem wird die Zugabe eines Pfropfes unter den gleichen Bedingungen durch die Hydrolyse von Silan auf dem Polymerisationsinhibitor vorangestellt, um die Hydrolyse des gepfropften Polyethylens zu reduzieren, um die Langzeitstabilität des Pfropfmaterials zu verbessern.
(6) Katalysatoren sind häufig Organozinnderivate (mit Ausnahme der natürlichen Vernetzung), am häufigsten ist Dibutylzinndilaurat (DBDTL), das im Allgemeinen in Form eines Masterbatches zugesetzt wird. Beim zweistufigen Verfahren werden das Pfropfmaterial (A-Material) und der Katalysator-Masterbatch (B-Material) getrennt verpackt und die A- und B-Materialien miteinander vermischt, bevor sie in den Extruder gegeben werden, um eine Vorvernetzung des A-Materials zu verhindern. Bei einstufigen silanvernetzten Polyethylenisolierungen ist das Polyethylen in der Verpackung noch nicht gepfropft, sodass kein Vorvernetzungsproblem besteht und der Katalysator daher nicht separat verpackt werden muss.
Darüber hinaus sind auf dem Markt zusammengesetzte Silane erhältlich, die eine Kombination aus Silan, Initiator, Antioxidationsmittel, einigen Gleitmitteln und Antikupfermitteln darstellen und im Allgemeinen in einstufigen Silanvernetzungsverfahren in Kabelfabriken verwendet werden.
Daher ist die Formulierung der Isolierung aus silanvernetztem Polyethylen, deren Zusammensetzung nicht als sehr komplex angesehen wird und in den entsprechenden Informationen verfügbar ist, aber die entsprechenden Produktionsformulierungen, vorbehaltlich einiger Anpassungen, um sie fertigzustellen, was eine vollständige Verständnis der Rolle der Komponenten bei der Formulierung und des Gesetzes ihres Einflusses auf die Leistung und ihrer gegenseitigen Beeinflussung.
Unter den vielen Arten von Kabelmaterialien gilt silanvernetztes Kabelmaterial (entweder zweistufig oder einstufig) als die einzige Art chemischer Prozesse, die bei der Extrusion ablaufen, andere Arten wie Kabelmaterial aus Polyvinylchlorid (PVC) usw Polyethylen (PE)-Kabelmaterial, der Extrusionsgranulationsprozess ist ein physikalischer Mischprozess, auch wenn das Kabelmaterial chemisch vernetzt und strahlenvernetzt, egal ob im Extrusionsgranulationsprozess oder im Extrusionssystem Kabel, es findet kein chemischer Prozess statt Daher ist im Vergleich zur Herstellung von silanvernetztem Kabelmaterial und der Extrusion von Kabelisolierungen die Prozesskontrolle wichtiger.
4. Zweistufiger Herstellungsprozess für Isolierungen aus silanvernetztem Polyethylen
Der Herstellungsprozess des zweistufigen silanvernetzten Polyethylen-Isoliermaterials A kann in Abbildung 1 kurz dargestellt werden.
Abbildung 1 Herstellungsprozess des zweistufigen silanvernetzten Polyethylen-Isoliermaterials A
Einige wichtige Punkte im Produktionsprozess der zweistufigen silanvernetzten Polyethylenisolierung:
(1) Trocknen. Da das Polyethylenharz eine kleine Menge Wasser enthält, reagiert das Wasser beim Extrudieren bei hohen Temperaturen schnell mit den Silylgruppen und erzeugt eine Vernetzung, die die Fließfähigkeit der Schmelze verringert und eine Vorvernetzung bewirkt. Das fertige Material enthält auch nach der Wasserkühlung Wasser, das bei Nichtentfernung ebenfalls zu einer Vorvernetzung führen kann und zusätzlich getrocknet werden muss. Um die Qualität der Trocknung sicherzustellen, wird eine Tiefentrocknungsanlage eingesetzt.
(2) Messung. Da die Genauigkeit der Materialformulierung wichtig ist, wird im Allgemeinen eine importierte Gewichtsverlustwaage verwendet. Das Polyethylenharz und das Antioxidans werden abgemessen und durch die Zufuhröffnung des Extruders zugeführt, während das Silan und der Initiator durch eine Pumpe für flüssiges Material in den zweiten oder dritten Zylinder des Extruders eingespritzt werden.
(3) Extrusionspfropfung. Der Pfropfprozess des Silans wird im Extruder abgeschlossen. Die Prozesseinstellungen des Extruders, einschließlich Temperatur, Schneckenkombination, Schneckengeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit, müssen dem Prinzip folgen, dass das Material im ersten Abschnitt des Extruders vollständig geschmolzen und gleichmäßig gemischt werden kann, wenn eine vorzeitige Zersetzung des Peroxids nicht erwünscht ist und dass das vollständig einheitliche Material im zweiten Abschnitt des Extruders vollständig zersetzt und der Pfropfprozess abgeschlossen sein muss. Typische Temperaturen im Extruderabschnitt (LDPE) sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Temperaturen der zweistufigen Extruderzonen
| Arbeitsbereich | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 ① | Zone 4 | Zone 5 |
| Temperatur P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Arbeitsbereich | Zone 6 | Zone 7 | Zone 8 | Zone 9 | Mund sterben |
| Temperatur °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①Hier wird das Silan hinzugefügt.
Die Drehzahl der Extruderschnecke bestimmt die Verweilzeit und die Mischwirkung des Materials im Extruder, bei kurzer Verweilzeit ist die Peroxidzersetzung unvollständig; Bei zu langer Verweilzeit erhöht sich die Viskosität des extrudierten Materials. Im Allgemeinen sollte die durchschnittliche Verweilzeit des Granulats im Extruder auf das 5- bis 10-fache der Initiatorzersetzungshalbwertszeit eingestellt werden. Die Zufuhrgeschwindigkeit hat nicht nur einen gewissen Einfluss auf die Verweilzeit des Materials, sondern auch auf das Mischen und Scheren des Materials. Die Wahl einer geeigneten Zufuhrgeschwindigkeit ist ebenfalls sehr wichtig.
(4) Verpackung. Zweistufiges Silan-vernetztes Isoliermaterial sollte in Aluminium-Kunststoff-Verbundbeuteln an direkter Luft verpackt werden, um Feuchtigkeit zu entfernen.
5. Einstufiger Herstellungsprozess für silanvernetztes Polyethylen-Isoliermaterial
Einstufiges silanvernetztes Polyethylen-Isoliermaterial wird aufgrund seines Pfropfprozesses in der Kabelfabrik zur Extrusion des Kabelisolationskerns verwendet, sodass die Extrusionstemperatur der Kabelisolierung deutlich höher ist als bei der zweistufigen Methode. Obwohl die einstufige Silan-vernetzte Polyethylen-Isolierformel bei der schnellen Dispersion von Initiator und Silan sowie der Materialscherung vollständig berücksichtigt wurde, muss der Pfropfprozess durch die Temperatur gewährleistet werden, bei der es sich um das einstufige silanvernetzte Polyethylen handelt Da die Dämmstoffproduktionsanlage wiederholt auf die Wichtigkeit der richtigen Wahl der Extrusionstemperatur hingewiesen hat, ist die allgemein empfohlene Extrusionstemperatur in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 Einstufen-Extrudertemperatur jeder Zone (Einheit: ℃)
| Zone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 | Zone 4 | Flansch | Kopf |
| Temperatur | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Dies ist eine der Schwächen des einstufigen silanvernetzten Polyethylenverfahrens, das bei der Extrusion von Kabeln in zwei Schritten im Allgemeinen nicht erforderlich ist.
6. Produktionsausrüstung
Die Produktionsausrüstung ist ein wichtiger Garant für die Prozesskontrolle. Die Herstellung silanvernetzter Kabel erfordert ein sehr hohes Maß an Prozesskontrollgenauigkeit, daher ist die Wahl der Produktionsausrüstung besonders wichtig.
Bei der Herstellung von zweistufigem silanvernetztem Polyethylen-Isoliermaterial handelt es sich um eine Materialproduktionsausrüstung, derzeit eher inländische isotrope parallele Doppelschneckenextruder mit importiertem schwerelosem Wiegen. Solche Geräte können die Anforderungen an die Genauigkeit der Prozesssteuerung sowie die Wahl der Länge und des Durchmessers erfüllen der Doppelschneckenextruder, um sicherzustellen, dass die Materialverweilzeit, die Wahl des importierten schwerelosen Wiegens, um die Genauigkeit der Zutaten sicherzustellen. Natürlich gibt es viele Details der Ausrüstung, denen volle Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der einstufigen Silan-vernetzten Kabelproduktionsausrüstung im Kabelwerk um importierte, teure Gerätehersteller, die nicht über ähnliche Produktionsanlagen verfügen. Der Grund dafür ist die mangelnde Zusammenarbeit zwischen Geräteherstellern und Formel- und Prozessforschern.
7.Silan-Isoliermaterial aus natürlichem, vernetztem Polyethylen
Das in den letzten Jahren entwickelte Silan-Isoliermaterial aus natürlich vernetztem Polyethylen kann unter natürlichen Bedingungen innerhalb weniger Tage ohne Eintauchen in Dampf oder warmes Wasser vernetzt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Silanvernetzungsmethode kann dieses Material den Produktionsprozess für Kabelhersteller verkürzen, wodurch die Produktionskosten weiter gesenkt und die Produktionseffizienz gesteigert werden. Silan-natürlich vernetzte Polyethylenisolierung wird von Kabelherstellern zunehmend anerkannt und verwendet.
In den letzten Jahren ist die inländische Isolierung aus natürlich vernetztem Polyethylen mit Silan ausgereift und wurde in großen Mengen hergestellt, mit gewissen Preisvorteilen im Vergleich zu importierten Materialien.
7. 1 Formulierungsideen für silanvernetzte Polyethylenisolierungen
Silan-natürlich vernetzte Polyethylen-Isolierungen werden in einem zweistufigen Verfahren hergestellt, wobei die gleiche Rezeptur aus Basisharz, Initiator, Silan, Antioxidans, Polymerisationsinhibitor und Katalysator besteht. Die Formulierung von natürlich mit Silan vernetzten Polyethylen-Isolatoren basiert auf der Erhöhung der Silan-Pfropfrate des A-Materials und der Auswahl eines effizienteren Katalysators als mit Silan warmwasservernetzte Polyethylen-Isolatoren. Die Verwendung von A-Materialien mit einer höheren Silan-Pfropfrate in Kombination mit einem effizienteren Katalysator ermöglicht eine schnelle Vernetzung des Isolators aus silanvernetztem Polyethylen, selbst bei niedrigen Temperaturen und unzureichender Feuchtigkeit.
Die A-Materialien für importierte Silan-Isolatoren aus natürlich vernetztem Polyethylen werden durch Copolymerisation synthetisiert, wobei der Silangehalt auf einem hohen Niveau kontrolliert werden kann, wohingegen die Herstellung von A-Materialien mit hohen Pfropfraten durch Pfropfen von Silan schwierig ist. Die in der Rezeptur eingesetzten Basisharze, Initiatoren und Silane sollten hinsichtlich Sorte und Zugabe variiert und angepasst werden.
Auch die Auswahl des Resists und die Anpassung seiner Dosierung sind entscheidend, da eine Erhöhung der Pfropfrate des Silans zwangsläufig zu mehr CC-vernetzenden Nebenreaktionen führt. Um die Verarbeitungsfließfähigkeit und den Oberflächenzustand des A-Materials für die anschließende Kabelextrusion zu verbessern, ist eine geeignete Menge an Polymerisationsinhibitor erforderlich, um die CC-Vernetzung und die vorherige Vorvernetzung wirksam zu hemmen.
Darüber hinaus spielen Katalysatoren eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der Vernetzungsgeschwindigkeit und sollten als effiziente Katalysatoren ausgewählt werden, die übergangsmetallfreie Elemente enthalten.
7.2 Vernetzungszeit von silanvernetzten Polyethylenisolierungen
Die Zeit, die erforderlich ist, um die Vernetzung der Isolierung aus natürlich vernetztem Polyethylen mit Silan in ihrem natürlichen Zustand abzuschließen, hängt von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Dicke der Isolierschicht ab. Je höher die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, desto dünner die Dicke der Isolierschicht, desto kürzer ist die erforderliche Vernetzungszeit und desto länger ist das Gegenteil. Da Temperatur und Luftfeuchtigkeit von Region zu Region und von Jahreszeit zu Jahreszeit variieren, selbst am selben Ort und zur gleichen Zeit, werden Temperatur und Luftfeuchtigkeit heute und morgen unterschiedlich sein. Daher sollte der Anwender bei der Verwendung des Materials die Vernetzungszeit entsprechend der örtlichen und vorherrschenden Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie der Spezifikation des Kabels und der Dicke der Isolationsschicht bestimmen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. August 2022