1. מבוא
EVA הוא קיצור של קופולימר אתילן ויניל אצטט, פולימר פוליאולפיני. בשל טמפרטורת ההיתוך הנמוכה שלו, נזילות טובה, קוטביות טובה ויסודות שאינם הלוגניים, והוא יכול להיות תואם למגוון פולימרים ואבקות מינרלים, מגוון תכונות מכניות ופיזיקליות, תכונות חשמליות וביצועי עיבוד מאוזנים, והמחיר אינו גבוה, והיצע השוק מספק, כך שניתן להשתמש בו גם כחומר בידוד כבלים, כחומר מילוי, חומר ציפוי; ניתן להפוך אותו לחומר תרמופלסטי, וניתן להפוך אותו לחומר קישור צולב תרמוסטי.
מגוון רחב של שימושים של EVA, עם מעכבי בעירה, ניתן לייצר ממנו מחסום דלק ללא הלוגן בעל רמת עשן נמוכה או הלוגן; ניתן לבחור EVA בעל תכולת VA גבוהה כחומר בסיס, והוא גם עמיד לשמן; ניתן לבחור EVA בעל מדד התכה בינוני, להוסיף פי 2 עד 3 את המילוי של מעכבי בעירה של EVA, כדי להשיג ביצועים ומחיר של תהליך שחול, מחסום חמצן (מילוי) מאוזן יותר.
במאמר זה, מהתכונות המבניות של EVA, הכנסת יישומה בתעשיית הכבלים וסיכויי הפיתוח.
2. תכונות מבניות
בעת ייצור סינתזה, שינוי יחס דרגת הפולימריזציה n/m יכול לייצר תכולת VA מ-5% עד 90% של EVA; הגדלת דרגת הפולימריזציה הכוללת יכולה לייצר משקל מולקולרי מעשרות אלפי עד מאות אלפי EVA; תכולת VA מתחת ל-40%, עקב נוכחות של התגבשות חלקית וגמישות ירודה, המכונה בדרך כלל פלסטיק EVA; כאשר תכולת VA גדולה מ-40%, אלסטומר דמוי גומי ללא התגבשות, המכונה בדרך כלל גומי EVM.
1. 2 נכסים
שרשרת המולקולות של EVA היא מבנה רווי ליניארי, ולכן יש לה עמידות טובה בפני הזדקנות בחום, מזג אוויר ואוזון.
שרשרת ראשית של מולקולת EVA אינה מכילה קשרים כפולים, טבעות בנזן, קבוצות אציל, קבוצות אמין וקבוצות אחרות שקל לעשן בעת שריפה, וגם שרשראות צד אינן מכילות קבוצות מתיל, פניל, ציאנו וקבוצות אחרות שקל לעשן בעת שריפתן. בנוסף, המולקולה עצמה אינה מכילה יסודות הלוגן, ולכן היא מתאימה במיוחד לבסיס דלק התנגדותי נטול הלוגן בעל עשן נמוך.
הגודל הגדול של קבוצת ויניל אצטט (VA) בשרשרת הצד של ה-EVA והקוטביות הבינונית שלה גורמים לכך שהיא גם מעכבת את הנטייה של עמוד השדרה הוויניל להתגבש וגם מתחברת היטב עם חומרי מילוי מינרליים, מה שיוצר את התנאים לדלקים בעלי ביצועים גבוהים. זה נכון במיוחד עבור רזיסטים בעלי עשן נמוך וללא הלוגן, מכיוון שיש להוסיף מעכבי בעירה עם תכולת נפח של יותר מ-50% [למשל Al(OH)3, Mg(OH)2 וכו'] כדי לעמוד בדרישות תקני הכבלים לעמידות בעירה. EVA עם תכולת VA בינונית עד גבוהה משמשת כבסיס לייצור דלקים מעכבי בעירה בעלי עשן נמוך וללא הלוגן ובעלי תכונות מצוינות.
מכיוון שקבוצת ויניל אצטט (VA) של שרשרת הצד של EVA היא קוטבית, ככל שתכולת ה-VA גבוהה יותר, כך הפולימר קוטבי יותר ועמידותו לשמן טובה יותר. עמידות השמן הנדרשת על ידי תעשיית הכבלים מתייחסת בעיקר ליכולת לעמוד בשמנים מינרליים לא קוטביים או חלשים. על פי עקרון התאימות הדומה, EVA עם תכולת VA גבוהה משמשת כחומר בסיס לייצור מחסום דלק נטול עשן וללא הלוגן עם עמידות טובה לשמן.
מולקולות EVA פעילות יותר באטום H של אלפא-אולפין, ותגובת קישור צולבת של H נצפתה בקלות בתגובת קרינה צולבת של רדיקלים של חמצן או אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, והופכות לפלסטיק או גומי מקושרים צולבים, וניתן לייצר אותן בחומרי חוט וכבלים מיוחדים בדרישות ביצועים תובעניות.
הוספת קבוצת ויניל אצטט גורמת לטמפרטורת ההיתוך של EVA לרדת משמעותית, ומספר שרשראות הצד הקצרות של VA יכול להגביר את זרימת ה-EVA. לכן, ביצועי השיחול שלו טובים בהרבה מהמבנה המולקולרי של פוליאתילן דומה, והוא הופך לחומר הבסיס המועדף עבור חומרי מיגון מוליכים למחצה ומחסומי דלק הלוגניים וללא הלוגנים.
2 יתרונות המוצר
2. 1 ביצועי עלות גבוהים במיוחד
התכונות הפיזיות והמכניות של EVA, עמידות בחום, עמידות בפני מזג אוויר, עמידות לאוזון ותכונות חשמליות טובות מאוד. בחר את הדרגה המתאימה, ניתן לייצר כבלים בעלי עמידות בחום, ביצועים מעכבי בעירה, וגם עמידים בפני שמן וממסים.
חומר תרמופלסטי EVA משמש בעיקר בתכולת VA של 15% עד 46%, עם מדד התכה של 0.5 עד 4 דרגות. ל-EVA יש יצרנים רבים, מותגים רבים, מגוון רחב של אפשרויות, מחירים נוחים, אספקה מספקת, המשתמשים צריכים רק לפתוח את מדור ה-EVA באתר האינטרנט, המותג, הביצועים, המחיר, מיקום המשלוח במבט חטוף, ניתן לבחור, נוח מאוד.
EVA הוא פולימר פוליאולפיני, מבחינת רכות ושימוש, וחומר פוליאתילן (PE) וחומר כבל רך דומה. אך במחקר נוסף, תמצא כי EVA ושני סוגי החומרים הנ"ל בעלי עדיפות שאין לה תחליף.
2. 2 ביצועי עיבוד מצוינים
EVA ביישומי כבלים הוא החל מחומר מיגון כבלי מתח בינוני וגבוה מבפנים ומבחוץ, ומאוחר יותר הורחב למחסום דלק נטול הלוגן. שני סוגי חומרים אלה מנקודת מבט של עיבוד נחשבים ל"חומרים בעלי מילוי גבוה": חומר מיגון זקוק להוספת כמות גדולה של פחמן שחור מוליך כדי להגדיל את צמיגותו ולצמצם את הנזילות בחדות; דלק מעכב בעירה נטול הלוגן זקוק להוספת כמות גדולה של מעכבי בעירה נטול הלוגן, וכך גם צמיגות החומר נטול הלוגן עולה בחדות ונצילותו ירדה בחדות. הפתרון הוא למצוא פולימר שיכול להכיל מינונים גדולים של מילוי, אך גם בעל צמיגות התכה נמוכה ונזילות טובה. מסיבה זו, EVA היא הבחירה המועדפת.
צמיגות ההיתוך של EVA עם טמפרטורת עיבוד האקסטרודר וקצב הגזירה יגדילו את הירידה המהירה. המשתמש צריך רק להתאים את טמפרטורת האקסטרודר ואת מהירות הבורג, כדי להשיג ביצועים מצוינים של מוצרי חוטים וכבלים. מספר רב של יישומים מקומיים וזרים מראים כי עבור חומרים נטולי הלוגן בעלי מילוי גבוה ודל עשן, בגלל הצמיגות גדולה מדי ומדד ההיתוך קטן מדי, נעשה שימוש רק באקסטרודר עם יחס דחיסה נמוך של הברגה (יחס דחיסה נמוך מ-1.3) על מנת להבטיח איכות אקסטרוד טובה. חומרי EVM מבוססי גומי עם חומרי גיפור ניתנים לאקראי הן במכונות אקסטרודר של גומי והן במכונות אקסטרודר למטרות כלליות. תהליך הגיפור (קישור צולב) שלאחר מכן יכול להתבצע באמצעות קישור צולב תרמוכימי (מי חמצן) או באמצעות קישור צולב באמצעות מאיץ אלקטרונים.
2. 3 קל לשינוי והתאמה
חוטים וכבלים נמצאים בכל מקום, מהשמיים ועד הקרקע, מההרים ועד הים. דרישות המשתמשים לחוטים וכבלים הן גם מגוונות ומשונות, בעוד שמבנה החוטים והכבלים דומה, הבדלי הביצועים שלהם באים לידי ביטוי בעיקר בחומרי הבידוד והכיסוי.
עד כה, הן בארץ והן בחו"ל, PVC רך עדיין מהווה את הרוב המכריע של חומרי הפולימר המשמשים בתעשיית הכבלים. עם זאת, עם המודעות הגוברת להגנת הסביבה ולפיתוח בר-קיימא.
חומרי PVC הוגבלו מאוד, מדענים עושים כל שביכולתם כדי למצוא חומרים חלופיים ל-PVC, שהמבטיח שבהם הוא EVA.
ניתן לערבב EVA עם מגוון פולימרים, וגם עם מגוון אבקות מינרליות ועזרים תואמים. ניתן לייצר את המוצרים המעורבבים לפלסטיק תרמופלסטי לכבלים מפלסטיק, וגם לגומי צולב לכבלים מגומי. מתכנני הניסוח יכולים להשתמש ב-EVA כחומר הבסיס בהתבסס על דרישות המשתמש (או הסטנדרט), כדי להבטיח שביצועי החומר יעמדו בדרישות.
3 טווח יישומים של EVA
3. 1 משמש כחומר מיגון מוליך למחצה לכבלי חשמל במתח גבוה
כידוע לכולנו, החומר העיקרי של חומר המיגון הוא פחמן שחור מוליך. בחומר הבסיס מפלסטיק או גומי, הוספת כמות גדולה של פחמן שחור תפגע קשות בנזילות חומר המיגון ובחלקות רמת השיחול. כדי למנוע פריקות חלקיות בכבלים מתח גבוה, המגנים הפנימיים והחיצוניים חייבים להיות דקים, מבריקים, בהירים ואחידים. בהשוואה לפולימרים אחרים, EVA יכול לעשות זאת ביתר קלות. הסיבה לכך היא שתהליך השיחול של EVA טוב במיוחד, בעל זרימה טובה, ואינו נוטה לתופעת קרע בהתכה. חומר המיגון מחולק לשתי קטגוריות: עטוף למוליך מבחוץ הנקרא מגן פנימי - עם חומר המסך הפנימי; עטוף בבידוד מבחוץ הנקרא מגן חיצוני - עם חומר המסך החיצוני; חומר המסך הפנימי הוא ברובו תרמופלסטי. חומר המסך הפנימי הוא ברובו תרמופלסטי ולעתים קרובות מבוסס על EVA עם תכולת VA של 18% עד 28%; חומר המסך החיצוני הוא ברובו מקושר וניתן לקילוף ולעתים קרובות מבוסס על EVA עם תכולת VA של 40% עד 46%.
3. 2 דלקים תרמופלסטיים ומעכבי בעירה צולבים
פוליאולפין תרמופלסטי מעכב בעירה נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הכבלים, בעיקר לדרישות הלוגן או ללא הלוגן של כבלים ימיים, כבלי חשמל וקווי בנייה איכותיים. טמפרטורות ההפעלה ארוכות הטווח שלהם נעות בין 70 ל-90 מעלות צלזיוס.
עבור כבלי חשמל במתח בינוני וגבוה של 10 קילו-וולט ומעלה, בעלי דרישות ביצועים חשמליים גבוהות מאוד, תכונות מעכבות בעירה נובעות בעיקר מהמעטפת החיצונית. בבניינים או פרויקטים בעלי דרישות סביבתיות גבוהות, הכבלים נדרשים להיות בעלי תכונות נמוכות של עשן, נטולי הלוגן, רעילות נמוכה או נמוכות של עשן והלוגן, ולכן פוליאולפינים תרמופלסטיים מעכבי בעירה הם פתרון בר-קיימא.
למטרות מיוחדות מסוימות, הקוטר החיצוני אינו גדול, עמידות הטמפרטורה בין 105 ~ 150 ℃ בין כבלים מיוחדים, חומר פוליאולפין מעכב בעירה מצולבים יותר, קישור צולב שלו יכול להיבחר על ידי יצרן הכבל בהתאם לתנאי הייצור שלו, הן קיטור בלחץ גבוה מסורתי או אמבט מלח בטמפרטורה גבוהה, אלא גם דרך קישור צולב של מאיץ אלקטרונים בטמפרטורת החדר. טמפרטורת העבודה ארוכת הטווח שלו מחולקת לשלושה קטגוריות: 105 ℃, 125 ℃, 150 ℃, ניתן לייצר את מפעל הייצור בהתאם לדרישות או לתקנים שונים של המשתמשים, האם הוא מכיל הלוגן או מכיל הלוגן.
ידוע היטב שפוליאולפינים הם פולימרים קוטביים לא קוטביים או חלשים. מכיוון שהם דומים לשמן מינרלי בקוטביות, פוליאולפינים נחשבים לרוב פחות עמידים לשמן על פי עקרון התאימות הדומה. עם זאת, תקני כבלים רבים בארץ ובחו"ל קובעים גם כי התנגדויות צולבות חייבות להיות בעלות עמידות טובה גם לשמנים, ממסים ואפילו לתרחי שמן, חומצות ובסיסים. זהו אתגר עבור חוקרי חומרים, וכעת, בין אם בסין ובין אם בחו"ל, פותחו חומרים תובעניים אלה, וחומר הבסיס שלהם הוא EVA.
3. 3 חומר מחסום חמצן
כבלים מרובי ליבות משופעים מכילים חללים רבים בין הליבות שיש למלא כדי להבטיח מראה מעוגל של הכבל, אם המילוי בתוך המעטפת החיצונית עשוי מחסום דלק נטול הלוגן. שכבת מילוי זו משמשת כמחסום להבה (חמצן) כאשר הכבל נשרף ולכן מכונה "מחסום חמצן" בתעשייה.
הדרישות הבסיסיות לחומר מחסום חמצן הן: תכונות שיחול טובות, עמידות טובה בפני בעירה ללא הלוגן (מדד חמצן בדרך כלל מעל 40) ועלות נמוכה.
מחסום חמצן זה נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הכבלים במשך יותר מעשור והוביל לשיפורים משמעותיים בעמידות הבעירה של כבלים. ניתן להשתמש במחסום החמצן הן עבור כבלים מעכבי בעירה נטולי הלוגן והן עבור כבלים מעכבי בעירה נטולי הלוגן (למשל PVC). ניסיון רב הראה כי כבלים עם מחסום חמצן נוטים יותר לעבור בדיקות בעירה אנכית בודדת ובעירת צרורות.
מנקודת מבט של ניסוח החומר, חומר מחסום חמצן זה הוא למעשה "מילוי גבוה במיוחד", מכיוון שכדי לעמוד בעלות נמוכה, יש צורך להשתמש בחומר מילוי גבוה. כדי להשיג מדד חמצן גבוה יש להוסיף גם שיעור גבוה (פי 2 עד 3) של Mg(OH)2 או Al(OH)3, וליצירת חומר טוב יש לבחור ב-EVA כחומר הבסיס.
3. 4 חומר ציפוי PE משופר
חומרי ציפוי פוליאתילן נוטים לשתי בעיות: ראשית, הם נוטים לשבירה כתוצאה מהתכה (כלומר, עור כריש) במהלך שיחול; שנית, הם נוטים לסדיקה עקב מאמץ סביבתי. הפתרון הפשוט ביותר הוא להוסיף שיעור מסוים של EVA לפורמולציה. כאשר משתמשים ב-EVA שעבר שינוי, משתמשים בעיקר בתכולת VA נמוכה של הדרגתי, ומדד ההיתוך שלו הוא בין 1 ל-2 מתאים.
4. סיכויי פיתוח
(1) חומר EVA נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הכבלים, וכמותו גדלה בהדרגה ובקבוע מדי שנה. במיוחד בעשור האחרון, בשל חשיבות הגנת הסביבה, חומרי EVA מבוססי דלק התפתחו במהירות, והחליפו חלקית את מגמת חומרי הכבלים מבוססי PVC. ביצועי העלות המצוינים שלו וביצועיו המצוינים בתהליך האקסטרוזיה מקשים על תחליף חומרים אחרים.
(2) צריכת שרף EVA השנתית של תעשיית הכבלים קרובה ל-100,000 טון. מבחר הזנים של שרף EVA, כאשר תכולת VA נמוכה לגבוה, בשילוב עם גודל הארגון של חומרי הכבל אינו גדול, ומשתרע רק על אלפי טונות של שרף EVA בכל מיזם בשנה, ולכן תעשיית ה-EVA לא תמשוך את תשומת הלב של ארגונים גדולים. לדוגמה, כמות החומרים הבסיסיים מעכבי בעירה ללא הלוגן הגדולה ביותר, הבחירה העיקרית היא VA/MI = 28/2 ~ 3 של שרף EVA (כגון EVA 265# של דופונט האמריקאית). ודרגת מפרט זו של EVA עדיין אינה מיוצרת על ידי יצרנים מקומיים. שלא לדבר על תכולת VA גבוהה מ-28 ומדד התכה נמוך מ-3 של ייצור ואספקה של שרפי EVA אחרים.
(3) חברות זרות מייצרות EVA עקב היעדר מתחרים מקומיים, והמחיר הגבוה מזה זמן רב, מה שמדכא קשות את התלהבותם של מפעלי הכבלים המקומיים. יותר מ-50% מתכולת ה-VA של EVM מסוג גומי נשלטת על ידי חברות זרות, והמחיר דומה לתכולת ה-VA של המותג פי 2 עד 3. מחירים גבוהים כאלה, בתורם, משפיעים גם על כמות ה-EVM מסוג גומי זה, ולכן תעשיית הכבלים קוראת ליצרני EVA מקומיים לשפר את קצב הייצור המקומי של EVA. ייצור רב יותר של התעשייה מביא לשימוש רב בשרף EVA.
(4) בהסתמך על גל הגנת הסביבה בעידן הגלובליזציה, EVA נחשב על ידי תעשיית הכבלים כחומר הבסיס הטוב ביותר לעמידות ידידותית לסביבה בפני דלק. השימוש ב-EVA גדל בקצב של 15% בשנה והתחזית מבטיחה מאוד. כמות וקצב הצמיחה של חומרי מיגון וייצור כבלי חשמל למתח בינוני וגבוה וקצב הצמיחה שלהם נעים בין 8% ל-10%; עמידויות הפוליאולפין גדלות במהירות, בשנים האחרונות נותרו על 15% ל-20%, וב-5 עד 10 השנים הקרובות, הן עשויות גם לשמור על קצב צמיחה זה.
זמן פרסום: 31 ביולי 2022