ניתוח היתרונות והחסרונות של חומרי בידוד נפוצים לחוטים וכבלים

ביצועי חומרי הבידוד משפיעים ישירות על האיכות, יעילות העיבוד והיקף היישום של חוטים וכבלים. ביצועי חומרי הבידוד משפיעים ישירות על האיכות, יעילות העיבוד והיקף היישום של חוטים וכבלים.

1. חוטי וכבלים מפוליוויניל כלוריד PVC

פוליוויניל כלוריד (להלןPVCחומרי בידוד הם תערובות בהן מוסיפים לאבקת PVC מייצבים, פלסטייזרים, מעכבי בעירה, חומרי סיכה ותוספים אחרים. בהתאם ליישומים השונים ולדרישות האופייניות של חוטים וכבלים, הנוסחה מותאמת בהתאם. לאחר עשרות שנים של ייצור ויישום, טכנולוגיית הייצור והעיבוד של PVC הפכה לבשלה מאוד. לחומר בידוד PVC יישומים רחבים מאוד בתחום החוטים והכבלים ויש לו מאפיינים ייחודיים משלו:

א. טכנולוגיית הייצור בוגרת, קלה לעיצוב ולעיבוד. בהשוואה לסוגים אחרים של חומרי בידוד כבלים, לא רק שיש לה עלות נמוכה, אלא גם יכולה לשלוט ביעילות בהבדל הצבע, הברק, ההדפסה, יעילות העיבוד, הרכות והקשיות של פני השטח של החוט, ההידבקות של המוליך, כמו גם בתכונות המכניות והפיזיקליות והתכונות החשמליות של החוט עצמו.

ב. יש לו ביצועים מעולים של מעכבי בעירה, כך שחוטי PVC מבודדים יכולים בקלות לעמוד בדרישות מעכבי הבעירה שנקבעו בתקנים שונים.

ג. מבחינת עמידות לטמפרטורות, באמצעות אופטימיזציה ושיפור של נוסחאות חומרים, סוגי בידוד ה-PVC הנפוצים כיום כוללים בעיקר את שלוש הקטגוריות הבאות:

מבחינת מתח מדורג, הוא משמש בדרך כלל ברמות מתח מדורגות של 1000V AC ומטה, וניתן ליישם אותו באופן נרחב בתעשיות כגון מכשירי חשמל ביתיים, מכשירים ומונים, תאורה ותקשורת רשת.

ל-PVC יש גם כמה חסרונות אינהרנטיים המגבילים את יישומו:

א. בשל תכולת הכלור הגבוהה שלו, הוא יפלוט כמות גדולה של עשן סמיך בעת הבעירה, אשר עלול לגרום לחנק, לפגוע בנראות ולייצר חומרים מסרטנים וגז HCl, ולגרום נזק חמור לסביבה. עם התפתחות טכנולוגיית ייצור חומרי בידוד דלת עשן ללא הלוגן, החלפה הדרגתית של בידוד PVC הפכה למגמה בלתי נמנעת בפיתוח כבלים.

ב. לבידוד PVC רגיל יש עמידות נמוכה לחומצות ובסיסים, שמן חום וממסים אורגניים. על פי העיקרון הכימי של "דומה מתמוסס דומה", חוטי PVC נוטים מאוד לנזק ולסדקים בסביבה הספציפית שהוזכרה. עם זאת, בזכות ביצועי העיבוד המצוינים והעלות הנמוכה שלהם, כבלי PVC עדיין נמצאים בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים, גופי תאורה, ציוד מכני, מכשירים ומונים, תקשורת רשת, חיווט מבנים ותחומים אחרים.

2. חוטים וכבלים מפוליאתילן מקושרים צולבים

PE מקושר צולב (להלןXLPE) הוא סוג של פוליאתילן שיכול להפוך ממבנה מולקולרי ליניארי למבנה תלת-ממדי בתנאים מסוימים תחת פעולת קרניים בעלות אנרגיה גבוהה או חומרי קישור צולבים. במקביל, הוא הופך מתרמופלסטי לפלסטיק תרמוסטי בלתי מסיס.

כיום, ביישום בידוד חוטים וכבלים, ישנן בעיקר שלוש שיטות קישור צולב:

א. קישור צולב באמצעות מי חמצן: תהליך זה כרוך תחילה בשימוש בשרף פוליאתילן בשילוב עם חומרי קישור צולבים ונוגדי חמצון מתאימים, ולאחר מכן הוספת רכיבים אחרים לפי הצורך כדי לייצר חלקיקי תערובת פוליאתילן הניתנים לקישור צולב. במהלך תהליך האקסטרוזיה, קישור צולב מתרחש באמצעות צינורות קישור צולבים בקיטור חם.

ב. קישור צולב של סילאן (קישור צולב במים חמים): זוהי גם שיטה של ​​קישור צולב כימי. המנגנון העיקרי שלה הוא קישור צולב של אורגנוסילוקסאן ופוליאתילן בתנאים ספציפיים, א
ומידת הקישור הצולב יכולה להגיע בדרך כלל לכ-60%.

ג. קישור צולב באמצעות הקרנה: משתמש בקרניים בעלות אנרגיה גבוהה כגון קרני R, קרני אלפא וקרני אלקטרונים כדי להפעיל את אטומי הפחמן במקרומולקולות פוליאתילן ולגרום לקישור צולב. קרני האנרגיה הגבוהה הנפוצות בחוטים וכבלים הן קרני אלקטרונים הנוצרות על ידי מאיצי אלקטרונים. מכיוון שקישור צולב זה מסתמך על אנרגיה פיזיקלית, הוא שייך לקישור צולב פיזיקלי.

לשלוש שיטות הקישור הצולבות הנ"ל יש מאפיינים ויישומים שונים:

בהשוואה לפוליאתילן תרמופלסטי (PVC), לבידוד XLPE יש את היתרונות הבאים:

א. הוא שיפר את העמידות לעיוות חום, שיפר את התכונות המכניות בטמפרטורות גבוהות, ושיפר את העמידות בפני סדקים במאמץ סביבתי והזדקנות בחום.

ב. יש לו יציבות כימית משופרת ועמידות לממסים, זרימה קרה מופחתת, ובעיקרון שמירה על הביצועים החשמליים המקוריים. טמפרטורת העבודה לטווח ארוך יכולה להגיע ל-125 מעלות צלזיוס ו-150 מעלות צלזיוס. חוטים וכבלים מבודדים מפוליאתילן צולב משפרים גם את ההתנגדות למעגל קצר, ועמידותם לטמפרטורה לטווח קצר יכולה להגיע ל-250 מעלות צלזיוס, עבור חוטים וכבלים באותו עובי, כושר נשיאת הזרם של פוליאתילן צולב גדול בהרבה.

ג. יש לו תכונות מכניות, עמידות למים וקרינה מצוינות, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב בתחומים שונים. כגון: חוטי חיבור פנימיים למכשירי חשמל, חוטי מנוע, חוטי תאורה, חוטי בקרת אותות מתח נמוך למכוניות, חוטי קטר, חוטים וכבלים לרכבות תחתיות, כבלים להגנת הסביבה למכרות, כבלים ימיים, כבלים להנחת אנרגיה גרעינית, חוטי מתח גבוה לטלוויזיה, חוטי מתח גבוה לירי רנטגן, וחוטי וכבלים להעברת חשמל וכו'.

לחוטים וכבלים מבודדים של XLPE יתרונות משמעותיים אך יש להם גם כמה חסרונות אינהרנטיים המגבילים את יישומם:

א. ביצועי הידבקות ירודים בעמידות בחום. בעת עיבוד ושימוש בחוטים מעבר לטמפרטורה המדורגת, קל לחוטים להידבק זה לזה. במקרים חמורים, הדבר עלול לגרום לנזק לבידוד ולקצר חשמלי.

ב. עמידות ירודה להולכת חום. בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס, בידוד החוטים הופך רך במיוחד. כאשר הוא נתון לכוח חיצוני, לחיצה או התנגשות, הוא נוטה לגרום לחוטים להיחתך ולקצר חשמלי.

ג. קשה לשלוט בהבדלי הצבע בין קבוצות. בעיות כגון שריטות, הלבנה וקילוף של אותיות מודפסות נוטות להתרחש במהלך העיבוד.

ד. בידוד XLPE בעל עמידות לטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס הוא נטול הלוגן לחלוטין ויכול לעבור את מבחן הבעירה VW-1 בהתאם לתקני UL1581, תוך שמירה על תכונות מכניות וחשמליות מצוינות. עם זאת, עדיין קיימים צווארי בקבוק מסוימים בטכנולוגיית הייצור והעלות גבוהה.

3. חוטים וכבלים מגומי סיליקון

מולקולות הפולימר של גומי סיליקון הן מבני שרשרת הנוצרים על ידי קשרי SI-O (סיליקון-חמצן). קשר ה-SI-O הוא 443.5 קילו-ג'אול/מול, שהוא גבוה בהרבה מאנרגיית קשר ה-CC (355 קילו-ג'אול/מול). רוב חוטי וכבלי גומי הסיליקון מיוצרים באמצעות תהליכי שיחול קר וגיפור בטמפרטורה גבוהה. מבין חוטי וכבלי גומי סינתטיים שונים, בשל המבנה המולקולרי הייחודי שלו, לגומי סיליקון ביצועים עדיפים בהשוואה לגומי רגיל אחר.

א. הוא רך במיוחד, בעל גמישות טובה, חסר ריח ואינו רעיל, אינו חושש מטמפרטורות גבוהות ויכול לעמוד בקור קשה. טווח טמפרטורות ההפעלה הוא בין -90 ל-300 מעלות צלזיוס. לגומי סיליקון עמידות בחום טובה בהרבה מגומי רגיל. ניתן להשתמש בו ברציפות ב-200 מעלות צלזיוס ולמשך זמן ב-350 מעלות צלזיוס.

ב. עמידות מעולה בפני מזג אוויר. אפילו לאחר חשיפה ממושכת לקרניים אולטרה סגולות ולתנאי אקלים אחרים, תכונותיו הפיזיות עברו שינויים קלים בלבד.

ג. לגומי סיליקון יש התנגדות גבוהה מאוד וההתנגדות שלו נשארת יציבה על פני טווח רחב של טמפרטורות ותדרים.

בינתיים, לגומי סיליקון עמידות מצוינת בפני פריקת קורונה במתח גבוה ופריקה בקשת. חוטים וכבלים מבודדים מגומי סיליקון הם בעלי סדרת היתרונות הנ"ל והם נמצאים בשימוש נרחב בחוטי התקני מתח גבוה עבור טלוויזיות, חוטים עמידים בטמפרטורה גבוהה עבור תנורי מיקרוגל, חוטים לכיריים אינדוקציה, חוטים לקנקני קפה, חוטים למנורות, ציוד UV, מנורות הלוגן, חוטי חיבור פנימיים לתנורים ומאווררים, במיוחד בתחום מכשירי חשמל ביתיים קטנים.

עם זאת, חלק מהחסרונות שלו עצמו מגבילים גם את יישומו הרחב יותר. לדוגמה:

א. עמידות נמוכה בפני קריעה. במהלך העיבוד או השימוש, הוא נוטה להינזק עקב לחיצה, שריטות ושחיקה של כוח חיצוני, מה שעלול לגרום לקצר חשמלי. אמצעי ההגנה הנוכחי הוא הוספת שכבה של סיבי זכוכית או סיבי פוליאסטר עמידים בטמפרטורה גבוהה, קלועים מחוץ לבידוד הסיליקון. עם זאת, במהלך העיבוד, עדיין יש צורך להימנע ככל האפשר מפציעות הנגרמות כתוצאה מלחיצה של כוח חיצוני.

ב. חומר הגיפור המשמש כיום בעיקר בייצור גיפור הוא כפול, שניים, ארבע. חומר גיפור זה מכיל כלור. לחומרי גיפור נטולי הלוגן לחלוטין (כגון גיפור פלטינה) יש דרישות מחמירות לטמפרטורת סביבת הייצור והם יקרים. לכן, בעת עיבוד רתמות חוטים, יש לשים לב לנקודות הבאות: לחץ גלגל הלחץ לא צריך להיות גבוה מדי. עדיף להשתמש בחומר גומי כדי למנוע שברים במהלך תהליך הייצור, מה שעלול להוביל לעמידות ללחץ ירודה.

4. חוט גומי אתילן פרופילן דיאן מונומר (EPDM) (XLEPDM) צולב

גומי אתילן-פרופילן-דיאן מונומר צולב (EPDM) הוא טרפולימר של אתילן, פרופילן ודיאן לא מצומד, אשר מקושר צולב באמצעות שיטות כימיות או הקרנה. חוט מבודד מגומי EPDM צולב משלב את היתרונות של חוט מבודד פוליאולפין וחוט מבודד גומי רגיל:

א. רך, גמיש, אלסטי, לא נדבק בטמפרטורות גבוהות, עמיד בפני הזדקנות לטווח ארוך ועמיד בתנאי מזג אוויר קשים (-60 עד 125 ℃).

ב. עמידות לאוזון, עמידות לקרינת UV, עמידות לבידוד חשמלי ועמידות בפני קורוזיה כימית.

ג. עמידות השמן והממסים דומה לזו של בידוד גומי כלורופרן למטרות כלליות. הוא מעובד על ידי ציוד שיחול חם רגיל ומאומץ קישור צולב באמצעות קרינה, שהוא פשוט לעיבוד ועלות נמוכה. חוטי בידוד גומי אתילן-פרופילן-דיאן מונומר (EPDM) מקושרים צולבים בעלי היתרונות הרבים שהוזכרו לעיל והם נמצאים בשימוש נרחב בתחומים כגון כבלי מדחס קירור, כבלי מנוע עמידים למים, כבלי שנאים, כבלים ניידים במכרות, קידוח, מכוניות, מכשירים רפואיים, ספינות וחיווט פנימי כללי של מכשירי חשמל.

החסרונות העיקריים של חוטי XLEPDM הם:

א. כמו חוטי XLPE ו-PVC, יש לו עמידות נמוכה יחסית לקרע.

ב. הידבקות ודבקות עצמית ירודים משפיעים על יכולת העיבוד שלאחר מכן.

5. חוטים וכבלים פלואורופלסטיים

בהשוואה לכבלים נפוצים מפוליאתילן ופוליוויניל כלוריד, לכבלים פלואורופלסטיים יש את המאפיינים הבולטים הבאים:

א. כבלי פלואורפלסטיקה עמידים לטמפרטורות גבוהות הם בעלי יציבות תרמית יוצאת דופן, המאפשרת להם להסתגל לסביבות בטמפרטורות גבוהות הנעות בין 150 ל-250 מעלות צלזיוס. בתנאי מוליכים בעלי שטח חתך זהה, כבלי פלואורפלסטיקה יכולים להעביר זרם מותר גדול יותר, ובכך להרחיב מאוד את טווח היישום של סוג זה של חוט מבודד. בשל תכונה ייחודית זו, כבלי פלואורפלסטיקה משמשים לעתים קרובות לחיווט פנימי וחוטי מוליך במטוסים, ספינות, תנורים בטמפרטורה גבוהה וציוד אלקטרוני.

ב. עמידות טובה לעילוי בעירה: לפלואורופלסטיקה יש מדד חמצן גבוה, ובעת הבעירה, טווח התפשטות הלהבה קטן, מה שמייצר פחות עשן. החוט העשוי ממנו מתאים לכלים ולמקומות עם דרישות מחמירות לעילוי בעירה. לדוגמה: רשתות מחשבים, רכבות תחתיות, כלי רכב, בנייני קומות ומקומות ציבוריים אחרים וכו'. ברגע שפורצת שריפה, אנשים יכולים לקבל זמן מה להתפנות מבלי להיפגע מעשן סמיך, ובכך לצבור זמן חילוץ יקר.

ג. ביצועים חשמליים מצוינים: בהשוואה לפוליאתילן, לכבלים פלואורופלסטיים יש קבוע דיאלקטרי נמוך יותר. לכן, בהשוואה לכבלים קואקסיאליים בעלי מבנים דומים, לכבלים פלואורופלסטיים יש פחות דעיכה והם מתאימים יותר להעברת אותות בתדר גבוה. כיום, תדירות השימוש בכבלים הפכה למגמה. בינתיים, בשל עמידותם לטמפרטורות גבוהות של פלואורופלסטיים, הם משמשים בדרך כלל כחיווט פנימי לציוד שידור ותקשורת, מגשרים בין מזיני שידור אלחוטיים ומשדרים, וכבלי וידאו ואודיו. בנוסף, לכבלים פלואורופלסטיים חוזק דיאלקטרי ועמידות בידוד טובים, מה שהופך אותם למתאימים לשימוש ככבלי בקרה עבור מכשירים ומדי חשמל חשובים.

ד. תכונות מכניות וכימיות מושלמות: לפלואורופלסטיקה יש אנרגיית קשר כימית גבוהה, יציבות גבוהה, כמעט ואינה מושפעת משינויי טמפרטורה, ועמידות מצוינת בפני הזדקנות מזג אוויר וחוזק מכני. בנוסף, היא אינה מושפעת מחומצות, בסיסים וממסים אורגניים שונים. לכן, היא מתאימה לסביבות עם שינויי אקלים משמעותיים ותנאים קורוזיביים, כגון פטרוכימיה, זיקוק נפט ובקרת מכשירי בארות נפט.

ה. מקל על חיבורי ריתוך במכשירים אלקטרוניים, חיבורים רבים נעשים באמצעות ריתוך. בשל נקודת ההיתוך הנמוכה של פלסטיק כללי, הוא נוטה להימס בקלות בטמפרטורות גבוהות, מה שדורש כישורי ריתוך מיומנים. יתר על כן, חלק מנקודות הריתוך דורשות זמן ריתוך מסוים, וזו גם הסיבה לכך שכבלים פלואורפלסטיים פופולריים. כגון חיווט פנימי של ציוד תקשורת ומכשירים אלקטרוניים.

כמובן, לפלואורופלסטיקה עדיין יש כמה חסרונות המגבילים את השימוש בה:

א. מחיר חומרי הגלם גבוה. נכון לעכשיו, הייצור המקומי עדיין מסתמך בעיקר על יבוא (דייקין מיפן ודופונט מארצות הברית). למרות שפלואורפלסטיקה מקומית התפתחה במהירות בשנים האחרונות, זני הייצור עדיין יחידים. בהשוואה לחומרים מיובאים, עדיין קיים פער מסוים ביציבות התרמית ובתכונות מקיפות אחרות של החומרים.

ב. בהשוואה לחומרי בידוד אחרים, תהליך הייצור קשה יותר, יעילות הייצור נמוכה, האותיות המודפסות נוטות ליפול, וההפסד גדול, מה שהופך את עלות הייצור לגבוהה יחסית.

לסיכום, היישום של כל סוגי חומרי הבידוד שהוזכרו לעיל, ובמיוחד חומרי בידוד מיוחדים לטמפרטורה גבוהה בעלי עמידות טמפרטורה של מעל 105 מעלות צלזיוס, עדיין נמצא בתקופת מעבר בסין. בין אם מדובר בייצור חוטים או בעיבוד רתמות חוטים, יש לא רק תהליך בוגר, אלא גם תהליך של הבנה רציונלית של היתרונות והחסרונות של סוג זה של חוט.