תקציר: מתוארים בקצרה עקרון הקישור הצולב, הסיווג, הניסוח, התהליך והציוד של חומר בידוד פוליאתילן מקושר צולב באמצעות סילאן עבור חוטים וכבלים, ומוצגים כמה מאפיינים של חומר בידוד פוליאתילן מקושר צולב באופן טבעי באמצעות סילאן ביישום ובשימוש, כמו גם גורמים המשפיעים על מצב הקישור הצולב של החומר.
מילות מפתח: קישור צולב של סילאן; קישור צולב טבעי; פוליאתילן; בידוד; חוטים וכבלים
חומר כבלים מפוליאתילן צולב סילאן נמצא כיום בשימוש נרחב בתעשיית החוטים והכבלים כחומר מבודד לכבלי חשמל במתח נמוך. החומר בייצור חוטים וכבלים צולבים, וקישור צולב באמצעות מי חמצן וקישור צולב באמצעות הקרנה הוא פשוט, קל לתפעול, בעל עלות כוללת נמוכה ויתרונות נוספים, והפך לחומר המוביל לכבלים צולבים במתח נמוך עם בידוד.
1. עקרון קישור צולב של חומר כבלים מקושרים עם סילאן
ישנם שני תהליכים עיקריים המעורבים בייצור פוליאתילן מקושר צולב בסילאן: השתלה וקישור צולב. בתהליך ההשתלה, הפולימר מאבד את אטום ה-H שלו על אטום הפחמן השלישוני תחת פעולת יוזם חופשי ופירוליזה לרדיקלים חופשיים, אשר מגיבים עם קבוצת – CH = CH2 של ויניל סילאן ליצירת פולימר מורכב המכיל קבוצת טריאוקסיסיליל אסטר. בתהליך הקישור הצולב, פולימר ההשתלה עובר תחילה הידרוליזה בנוכחות מים ליצירת סילאנול, ו-– OH מתעבה עם קבוצת Si-OH הסמוכה ליצירת קשר Si-O-Si, ובכך מקשר צולב את המקרומולקולות של הפולימר.
2. חומר כבלים צולבים סילאן ושיטת ייצור הכבלים שלו
כידוע לכם, ישנן שיטות ייצור דו-שלביות וחד-שלביות לכבלים מקושרים צולבים בסילאן ולכבלים שלהם. ההבדל בין שיטת הדו-שלביות לשיטת הצעד החד-שלבית טמון במקום שבו מתבצע תהליך השתלת הסילאן, תהליך ההשתלה אצל יצרן חומר הכבלים עבור שיטת הדו-שלביות, ותהליך ההשתלה במפעל ייצור הכבלים עבור שיטת הצעד החד-שלבית. חומר הבידוד מפוליאתילן מקושר צולב בסילאן דו-שלבי בעל נתח השוק הגדול ביותר מורכב מחומרים מסוג A ו-B, כאשר חומר A הוא הפוליאתילן המורכב עם סילאן וחומר B הוא אצף הזרז. לאחר מכן, ליבת הבידוד מקושרת צולבת במים חמים או בקיטור.
ישנו סוג נוסף של מבודד פוליאתילן צולב דו-שלבי מסילאן, שבו חומר A מיוצר בצורה שונה, על ידי החדרת ויניל סילאן ישירות לפוליאתילן במהלך הסינתזה כדי לקבל פוליאתילן עם שרשראות מסועפות של סילאן.
לשיטת הצעד החד-שלבית יש גם שני סוגים. התהליך המסורתי של הצעד החד-שלבי הוא שילוב של מגוון חומרי גלם ביחס של מערכת מדידה מדויקת מיוחדת, אשר משלימים את תהליך ההשתלה והשיחול של ליבת בידוד הכבלים בשלב אחד לתוך מכבש מיוחד שתוכנן במיוחד. בתהליך זה, אין צורך בגרנולציה ואין צורך בהשתתפות מפעל חומרי הכבלים, ומפעל הכבלים צריך להשלים את התהליך לבדו. ציוד ייצור וטכנולוגיית ניסוח כבלים צולבים מסוג סילאן בצעד אחד מיובאים בעיקר מחו"ל והם יקרים.
סוג נוסף של חומר בידוד פוליאתילן צולב סילאן בשלב אחד מיוצר על ידי יצרני חומרי כבלים. כל חומרי הגלם מורכבים מתערובת של חומרים לפי נוסחה ביחס של שיטה מיוחדת של ערבוב, אריזה ומכירה. אין חומר A וחומר B, ניתן להכניס את הכבלים ישירות לתוך המכבש כדי להשלים שלב בו זמנית של השתלת והשתלה של ליבת בידוד הכבלים. הייחודיות של שיטה זו היא שאין צורך במכונות השתלה מיוחדות ויקרות, מכיוון שניתן להשלים את תהליך השתלת הסילאן במכבש PVC רגיל, ושיטת הדו-שלבית מבטלת את הצורך לערבב חומרים A ו-B לפני ההשתלה.
3. הרכב הפורמולציה
ניסוח חומר כבל פוליאתילן צולב סילאן מורכב בדרך כלל משרף בסיסי, יוזם, סילאן, נוגד חמצון, מעכב פילמור, זרז וכו'.
(1) שרף הבסיס הוא בדרך כלל שרף פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE) עם מדד התכה (MI) של 2, אך לאחרונה, עם התפתחות טכנולוגיית שרף סינתטי ולחצי עלויות, פוליאתילן לינארי בצפיפות נמוכה (LLDPE) שימש גם הוא או שימש חלקית כשרף בסיס לחומר זה. לשרפים שונים יש לעיתים קרובות השפעה משמעותית על השתלה וקישור צולב עקב הבדלים במבנה המקרומולקולרי הפנימי שלהם, כך שהניסוח ישונה על ידי שימוש בשרפי בסיס שונים או באותו סוג שרף מיצרנים שונים.
(2) היוזם הנפוץ הוא דיאיזופרופיל פרוקסיד (DCP), המפתח הוא להבין את היקף הבעיה, מעט מדי לא מספיק כדי לגרום להשתלת סילאן; יותר מדי יגרום לקישור צולב של פוליאתילן, מה שמפחית את נזילותו, משטח ליבת הבידוד האקסטרודד הופך מחוספס וקשה לסחיטה. מכיוון שכמות היוזם שנוספת קטנה מאוד ורגישה, חשוב לפזר אותה באופן שווה, ולכן בדרך כלל מוסיפים אותה יחד עם הסילאן.
(3) סילאן משמש בדרך כלל כסילאן ויניל בלתי רווי, כולל ויניל טרימתוקסיסילאן (A2171) ויניל טריאתוקסיסילאן (A2151), בשל קצב ההידרוליזה המהיר של A2171, לכן יותר אנשים בוחרים ב-A2171. באופן דומה, יש בעיה של הוספת סילאן, ויצרני חומרי הכבלים הנוכחיים מנסים להגיע לגבול התחתון שלו כדי להפחית עלויות, מכיוון שהסילאן מיובא והמחיר שלו יקר יותר.
(4) נוגדי חמצון נועדו להבטיח את יציבות עיבוד הפוליאתילן ואת עמידות הכבלים בפני הזדקנות. נוגדי החמצון בתהליך השתלת הסילאן מעכבים את תגובת ההשתלה, ולכן בתהליך ההשתלה יש לנקוט משנה זהירות בהוספת נוגדי החמצון, תוך התחשבות בכמות ה-DCP שתתאים לבחירה. בתהליך הקישור הצולב הדו-שלבי, ניתן להוסיף את רוב נוגדי החמצון לאצף האב של הזרז, מה שיכול להפחית את ההשפעה על תהליך ההשתלה. בתהליך הקישור הצולב החד-שלבי, נוגדי החמצון נמצאים בכל תהליך ההשתלה, ולכן בחירת המינים והכמות חשובה יותר. נוגדי החמצון הנפוצים הם 1010, 168, 330 וכו'.
(5) מעכב פילמור נוסף על מנת לעכב תגובות לוואי מסוימות בתהליך ההשתלה והקישור הצולב. בתהליך ההשתלה, הוספת חומר מונע קישור צולב, יכולה להפחית ביעילות את התרחשות קישורי הצלב של C2C, ובכך לשפר את נזילות העיבוד. בנוסף, הוספת שתל באותם תנאים תקדם הידרוליזה של סילאן על מעכב הפילמור, שיכול להפחית את ההידרוליזה של הפוליאתילן המושתל, ולשפר את היציבות ארוכת הטווח של חומר ההשתל.
(6) זרזים הם לרוב נגזרות של פח אורגני (למעט קישור צולב טבעי), כאשר הנפוץ ביותר הוא דיבוטילטין דילאורט (DBDTL), אשר בדרך כלל מתווסף בצורת אבבאץ'. בתהליך הדו-שלבי, השתל (חומר A) ואצב האב של הזרז (חומר B) נארזים בנפרד וחומרי A ו-B מעורבבים יחד לפני הוספתם למכבש כדי למנוע קישור צולב מוקדם של חומר A. במקרה של בידוד פוליאתילן מקושר צולב בסילאן בשלב אחד, הפוליאתילן באריזה טרם הורכב, כך שאין בעיית קישור צולב מוקדם ולכן אין צורך לארוז את הזרז בנפרד.
בנוסף, קיימים בשוק סילאנים מורכבים, שהם שילוב של סילאן, יוזם, נוגד חמצון, חומרי סיכה מסוימים וחומרים נוגדי נחושת, ומשמשים בדרך כלל בשיטות קישור צולבות של סילאן בשלב אחד במפעלי כבלים.
לכן, ניסוח בידוד פוליאתילן צולב סילאן, שהרכבו אינו נחשב למורכב במיוחד וזמין במידע הרלוונטי, אך ניסוחי הייצור המתאימים, בכפוף להתאמות מסוימות על מנת לסיים, דורש הבנה מלאה של תפקיד הרכיבים בניסוח וחוק השפעתם על הביצועים וההשפעה ההדדית שלהם.
מבין מגוון רחב של חומרי כבלים, חומר כבלים מצולבים סילאן (דו-שלבי או חד-שלבי) נחשב למגוון היחיד של תהליכים כימיים המתרחשים בתהליך האקסטרוזיה. סוגים אחרים של חומרי כבלים כמו חומרי כבלים מפוליוויניל כלוריד (PVC) וחומרי כבלים מפוליאתילן (PE), תהליך גרנולציה של האקסטרוזיה הוא תהליך ערבוב פיזיקלי. גם אם קיימים קשרי צולבות כימיים וקישור צולב באמצעות קרינה, בין אם בתהליך גרנולציה של האקסטרוזיה או במערכת שחול, אין תהליך כימי. לכן, בהשוואה לייצור כבלים מצולבים סילאן ובידוד כבלים, בקרת התהליך חשובה יותר.
4. תהליך ייצור בידוד פוליאתילן צולב סילאן דו-שלבי
ניתן לייצג בקצרה את תהליך הייצור של חומר בידוד פוליאתילן צולב דו-שלבי A מסילאן באיור 1.
איור 1 תהליך ייצור של חומר בידוד פוליאתילן מקושר צולב דו-שלבי מסילאן A
כמה נקודות מפתח בתהליך הייצור של בידוד פוליאתילן צולב דו-שלבי מסילאן:
(1) ייבוש. מכיוון ששרף הפוליאתילן מכיל כמות קטנה של מים, כאשר הוא מועבר בטמפרטורות גבוהות, המים מגיבים במהירות עם קבוצות הסיליל ויוצרים קישור צולב, מה שמפחית את נוזליות החומר המותך ויוצר קישור צולב מקדים. החומר המוגמר מכיל גם מים לאחר קירור במים, אשר עלולים לגרום גם הם לקישור צולב מקדים אם לא מוסרים, וגם אותו יש לייבש. על מנת להבטיח את איכות הייבוש, משתמשים ביחידת ייבוש עמוק.
(2) מדידה. מכיוון שדיוק ניסוח החומר חשוב, בדרך כלל משתמשים במשקל מיובא להפחתת משקל. שרף הפוליאתילן ונוגד החמצון נמדדים ומוזנים דרך פתח ההזנה של המכבש, בעוד שהסילאן והאינציטור מוזרקים באמצעות משאבת חומר נוזלי בחבית השנייה או השלישית של המכבש.
(3) השתלת שיחול. תהליך ההשתלה של הסילאן מושלם במכונת השיחול. הגדרות התהליך של המכונה, כולל טמפרטורה, שילוב בורגים, מהירות בורג וקצב הזנה, חייבות לפעול לפי העיקרון שהחומר בחלק הראשון של המכונה יכול להיות מותך לחלוטין וערבב בצורה אחידה, כאשר פירוק מוקדם של המי חמצן אינו רצוי, וכי החומר האחיד לחלוטין בחלק השני של המכונה חייב להיות מפורק לחלוטין ותהליך ההשתלה יושלם. טמפרטורות אופייניות למקטע השיחול (LDPE) מוצגות בטבלה 1.
טבלה 1 טמפרטורות של אזורי האקסטרודר הדו-שלביים
| אזור עבודה | אזור 1 | אזור 2 | אזור 3 ① | אזור 4 | אזור 5 |
| טמפרטורה P°C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| אזור עבודה | אזור 6 | אזור 7 | אזור 8 | אזור 9 | למות הפה |
| טמפרטורה מעלות צלזיוס | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①הוא המקום שבו מוסיפים את הסילאן.
מהירות בורג המכבש קובעת את זמן השהייה ואת אפקט הערבוב של החומר במכבש. אם זמן השהייה קצר, פירוק החמצן אינו שלם; אם זמן השהייה ארוך מדי, צמיגות החומר הממושכת עולה. באופן כללי, יש לשלוט על זמן השהייה הממוצע של הגרגיר במכבש, כך שזמן מחצית החיים של הפירוק של היוזם הוא פי 5-10. למהירות ההזנה יש השפעה מסוימת לא רק על זמן השהייה של החומר, אלא גם על הערבוב והגזירה של החומר. בחירת מהירות הזנה מתאימה חשובה מאוד.
(4) אריזה. יש לארוז חומר בידוד מצולב דו-שלבי המכיל סילאן בשקיות מרוכבות מאלומיניום-פלסטיק הנמצאות באוויר ישיר כדי למנוע לחות.
5. תהליך ייצור חומר בידוד פוליאתילן צולב סילאן בשלב אחד
חומר בידוד פוליאתילן מקושר צולב סילאן בשלב אחד בשל תהליך ההשתלה שלו, ליבת בידוד הכבלים נמצאת במפעל הכבלים, ולכן טמפרטורת ההשתלה של בידוד הכבלים גבוהה משמעותית משיטת הדו-שלבית. למרות שנוסחת בידוד פוליאתילן מקושר צולב סילאן בשלב אחד נלקחה בחשבון במלואה בפיזור מהיר של יוזם וסילאן וגזירת החומר, תהליך ההשתלה חייב להיות מובטח על ידי הטמפרטורה. מפעל ייצור בידוד פוליאתילן מקושר צולב סילאן בשלב אחד הדגיש שוב ושוב את חשיבות הבחירה הנכונה של טמפרטורת השיחול. טמפרטורת השיחול המומלצת הכללית מוצגת בטבלה 2.
טבלה 2 טמפרטורת מכבש חד-שלבי של כל אזור (יחידה: ℃)
| אֵזוֹר | אזור 1 | אזור 2 | אזור 3 | אזור 4 | אוֹגֶן | רֹאשׁ |
| טֶמפֶּרָטוּרָה | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
זוהי אחת החולשות של תהליך פוליאתילן צולב בסילאן בשלב אחד, שבדרך כלל אינו נדרש בעת ייצור כבלים בשני שלבים.
6. ציוד ייצור
ציוד הייצור הוא ערובה חשובה לבקרת תהליכים. ייצור כבלים מקושרים מצולבים בסילאן דורש רמה גבוהה מאוד של דיוק בבקרת תהליכים, ולכן בחירת ציוד הייצור חשובה במיוחד.
ייצור חומר בידוד פוליאתילן צולב דו-שלבי מסילאן הוא ציוד לייצור חומרים, כיום מכבש בורגי כפול מקבילי איזוטרופי מקומי יותר עם שקילה ללא משקל מיובאת. מכשירים כאלה יכולים לעמוד בדרישות דיוק בקרת התהליך, בחירת אורך וקוטר של מכבש בורגי כפול כדי להבטיח את זמן שהיית החומר, ובחירת שקילה ללא משקל מיובאת כדי להבטיח את דיוק המרכיבים. כמובן שישנם פרטים רבים של הציוד שיש לתת להם תשומת לב מלאה.
כפי שצוין קודם לכן, ציוד ייצור הכבלים המצולבים בצורת סילאן בשלב אחד במפעל הכבלים מיובא, יקר, וליצרני ציוד מקומיים אין ציוד ייצור דומה, הסיבה לכך היא חוסר שיתוף פעולה בין יצרני ציוד לחוקרי נוסחאות ותהליכים.
7. חומר בידוד פוליאתילן צולב טבעי מסילאן
חומר בידוד פוליאתילן טבעי מסילאן שפותח בשנים האחרונות ניתן לקישור צולב בתנאים טבעיים תוך מספר ימים, ללא טבילה בקיטור או במים חמים. בהשוואה לשיטת קישור צולב מסורתית של סילאן, חומר זה יכול להפחית את תהליך הייצור עבור יצרני כבלים, להפחית עוד יותר את עלויות הייצור ולהגדיל את יעילות הייצור. בידוד פוליאתילן טבעי מסילאן זוכה להכרה ושימוש גובר על ידי יצרני כבלים.
בשנים האחרונות, בידוד פוליאתילן צולב טבעי מסילאן מקומי התבגר ויוצר בכמויות גדולות, עם יתרונות מסוימים במחיר בהשוואה לחומרים מיובאים.
7. 1 רעיונות לניסוח של בידוד פוליאתילן מקושר באופן טבעי מסילאן
בידוד פוליאתילן צולב טבעי מסילאן מיוצר בתהליך דו-שלבי, כאשר אותה פורמולציה מורכבת משרף בסיס, יוזם, סילאן, נוגד חמצון, מעכב פילמור וזרז. פורמולציית מבודדי פוליאתילן צולב טבעי מסילאן מבוססת על הגברת קצב השתלת הסילאן של חומר A ובחירת זרז יעיל יותר מאשר מבודדי פוליאתילן צולב במים חמים מסילאן. השימוש בחומרי A עם קצב השתלת סילאן גבוה יותר בשילוב עם זרז יעיל יותר יאפשר למבודד הפוליאתילן הצולב מסילאן להתחבר במהירות גם בטמפרטורות נמוכות ועם לחות לא מספקת.
חומרי ה-A עבור מבודדי פוליאתילן מקושרים באופן טבעי מסילאן מיובאים מסונתזים על ידי קופולימריזציה, שבה ניתן לשלוט בתכולת הסילאן ברמה גבוהה, בעוד שייצור חומרי ה-A עם שיעורי השתלה גבוהים על ידי השתלת סילאן קשה. יש לגוון ולהתאים את שרף הבסיס, היוזם והסילאן המשמשים במתכון מבחינת מגוון ותוספות.
בחירת הרזיסט והתאמת המינון שלו הן גם הן קריטיות, שכן עלייה בקצב ההשתלה של הסילאן מובילה בהכרח ליותר תגובות לוואי של קישור צולב של CC. על מנת לשפר את נוזליות העיבוד ואת מצב פני השטח של חומר A לצורך שיחול כבלים לאחר מכן, נדרשת כמות מתאימה של מעכב פילמור כדי לעכב ביעילות קישור צולב של CC וקישור צולב מקדים.
בנוסף, זרזים ממלאים תפקיד חשוב בהגברת קצב הקישור הצילינדרלי ויש לבחור בהם כזרזים יעילים המכילים יסודות נטולי מתכות מעבר.
7. 2 זמן קישור צולב של בידוד פוליאתילן מקושר באופן טבעי בסילאן
הזמן הנדרש להשלמת תהליך הקישור הצולב של בידוד פוליאתילן צולב טבעי מסילאן במצבו הטבעי תלוי בטמפרטורה, בלחות ובעובי שכבת הבידוד. ככל שהטמפרטורה והלחות גבוהות יותר, כך עובי שכבת הבידוד דק יותר, כך זמן הקישור הצולב קצר יותר, וכך זמן הקישור הנדרש ארוך יותר. מכיוון שהטמפרטורה והלחות משתנות מאזור לאזור ומעונה לעונה, גם באותו מקום ובאותו זמן, הטמפרטורה והלחות היום ומחר יהיו שונות. לכן, במהלך השימוש בחומר, על המשתמש לקבוע את זמן הקישור הצולב בהתאם לטמפרטורה וללחות המקומיות והשוררות, כמו גם למפרט הכבל ולעובי שכבת הבידוד.
זמן פרסום: 13 באוגוסט 2022