1. Giới thiệu
EVA là viết tắt của ethylene vinyl acetate copolymer, một loại polymer polyolefin. Nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp, độ lưu động tốt, tính phân cực và không chứa halogen, cùng với khả năng tương thích với nhiều loại polymer và bột khoáng, EVA sở hữu sự cân bằng giữa các tính chất cơ học, vật lý, điện và hiệu suất gia công, đồng thời giá thành không cao và nguồn cung trên thị trường dồi dào, do đó, EVA được sử dụng làm vật liệu cách điện cáp, cũng như làm chất độn, vật liệu bọc; có thể được chế tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và vật liệu liên kết ngang nhiệt rắn.
EVA có phạm vi sử dụng rộng rãi, khi kết hợp với chất chống cháy, có thể được chế tạo thành vật liệu chắn nhiên liệu không chứa halogen hoặc halogen ít khói; lựa chọn EVA có hàm lượng VA cao làm nguyên liệu cơ bản cũng có thể được chế tạo thành vật liệu chống dầu; lựa chọn EVA có chỉ số nóng chảy trung bình, thêm chất chống cháy gấp 2 đến 3 lần lượng EVA có thể tạo ra vật liệu chắn oxy (chất độn) có hiệu suất và giá thành cân bằng hơn trong quá trình ép đùn.
Bài báo này sẽ trình bày về các đặc tính cấu trúc của EVA, giới thiệu ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp sản xuất cáp và triển vọng phát triển.
2. Đặc tính cấu trúc
Khi sản xuất tổng hợp, việc thay đổi tỷ lệ độ trùng hợp n/m có thể tạo ra EVA có hàm lượng VA từ 5 đến 90%; tăng tổng độ trùng hợp có thể tạo ra EVA có trọng lượng phân tử từ hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn; hàm lượng VA dưới 40%, do có sự kết tinh một phần, độ đàn hồi kém, thường được gọi là nhựa EVA; khi hàm lượng VA lớn hơn 40%, là chất đàn hồi giống cao su không kết tinh, thường được gọi là cao su EVM.
1. 2 Tính chất
Chuỗi phân tử của EVA có cấu trúc bão hòa tuyến tính, do đó nó có khả năng chống lão hóa nhiệt, chịu được thời tiết và ozone tốt.
Chuỗi chính của phân tử EVA không chứa liên kết đôi, vòng benzen, nhóm acyl, amin và các nhóm khác dễ tạo khói khi cháy; chuỗi nhánh cũng không chứa các nhóm dễ tạo khói như metyl, phenyl, xyanua, v.v. Ngoài ra, bản thân phân tử không chứa các nguyên tố halogen, do đó nó đặc biệt thích hợp làm nhiên liệu nền ít khói, không chứa halogen và có khả năng chịu nhiệt.
Kích thước lớn của nhóm vinyl axetat (VA) trong chuỗi bên của EVA và độ phân cực trung bình của nó có nghĩa là nó vừa ức chế xu hướng kết tinh của khung vinyl, vừa kết hợp tốt với các chất độn khoáng, tạo điều kiện cho nhiên liệu chắn hiệu suất cao. Điều này đặc biệt đúng đối với các chất cản ít khói và không chứa halogen, vì các chất chống cháy có hàm lượng thể tích hơn 50% [ví dụ: Al(OH)3, Mg(OH)2, v.v.] phải được thêm vào để đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn cáp về khả năng chống cháy. EVA với hàm lượng VA từ trung bình đến cao được sử dụng làm cơ sở để sản xuất nhiên liệu chống cháy ít khói và không chứa halogen với các đặc tính tuyệt vời.
Do nhóm vinyl axetat (VA) trong chuỗi bên của EVA có tính phân cực, nên hàm lượng VA càng cao thì polyme càng phân cực và khả năng chống dầu càng tốt. Khả năng chống dầu mà ngành công nghiệp cáp yêu cầu chủ yếu đề cập đến khả năng chịu được các loại dầu khoáng không phân cực hoặc phân cực yếu. Theo nguyên tắc tương thích tương tự, EVA có hàm lượng VA cao được sử dụng làm vật liệu cơ bản để sản xuất màng chắn nhiên liệu ít khói và không chứa halogen với khả năng chống dầu tốt.
Các phân tử EVA trong nguyên tử H của alpha-olefin hoạt động mạnh hơn, dễ dàng tham gia phản ứng liên kết ngang H dưới tác động của các gốc peroxide hoặc bức xạ electron năng lượng cao, trở thành nhựa hoặc cao su liên kết ngang, có thể tạo ra các vật liệu dây và cáp đặc biệt đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu năng.
Việc bổ sung nhóm vinyl axetat làm giảm đáng kể nhiệt độ nóng chảy của EVA, và số lượng chuỗi nhánh ngắn VA có thể làm tăng tính lưu biến của EVA. Do đó, hiệu suất ép đùn của nó tốt hơn nhiều so với cấu trúc phân tử của polyetylen tương tự, trở thành vật liệu cơ bản được ưa chuộng cho vật liệu chắn bán dẫn và các lớp chắn nhiên liệu halogen và không halogen.
2. Ưu điểm của sản phẩm
2.1 Hiệu suất chi phí cực cao
EVA có các đặc tính vật lý và cơ học, khả năng chịu nhiệt, chịu thời tiết, chịu ozone và tính chất điện rất tốt. Chọn loại phù hợp có thể tạo ra vật liệu cáp chịu nhiệt, chống cháy, cũng như chịu được dầu và dung môi.
Vật liệu EVA nhiệt dẻo chủ yếu được sử dụng với hàm lượng VA từ 15% đến 46%, có chỉ số nóng chảy từ 0,5 đến 4. EVA có nhiều nhà sản xuất, nhiều thương hiệu, đa dạng lựa chọn, giá cả phải chăng, nguồn cung dồi dào, người dùng chỉ cần mở mục EVA trên trang web, có thể xem nhanh thương hiệu, hiệu năng, giá cả, địa điểm giao hàng và lựa chọn, rất tiện lợi.
EVA là một loại polymer polyolefin, xét về độ mềm mại và hiệu suất sử dụng, thì nó tương tự như vật liệu polyetylen (PE) và vật liệu cáp polyvinyl clorua (PVC) mềm. Tuy nhiên, nghiên cứu sâu hơn sẽ cho thấy EVA và hai loại vật liệu trên có những ưu điểm vượt trội không thể thay thế.
2.2 Hiệu năng xử lý tuyệt vời
Trong ứng dụng cáp, EVA ban đầu được sử dụng làm vật liệu chắn bên trong và bên ngoài cáp điện trung và cao áp, sau đó được mở rộng sang vật liệu chắn nhiên liệu không chứa halogen. Từ góc độ gia công, hai loại vật liệu này được coi là “vật liệu có hàm lượng chất độn cao”: vật liệu chắn do cần thêm một lượng lớn muội than dẫn điện nên độ nhớt tăng lên, dẫn đến độ lưu động giảm mạnh; vật liệu chắn nhiên liệu chống cháy không chứa halogen cần thêm một lượng lớn chất chống cháy không chứa halogen, đồng thời độ nhớt của vật liệu không chứa halogen cũng tăng mạnh, độ lưu động giảm mạnh. Giải pháp là tìm một loại polymer có thể chứa được lượng lớn chất độn, nhưng cũng có độ nhớt nóng chảy thấp và độ lưu động tốt. Vì lý do này, EVA là lựa chọn được ưu tiên.
Độ nhớt nóng chảy của EVA sẽ giảm nhanh khi nhiệt độ xử lý ép đùn và tốc độ cắt tăng lên, người dùng chỉ cần điều chỉnh nhiệt độ máy ép đùn và tốc độ trục vít là có thể tạo ra các sản phẩm dây và cáp có hiệu suất tuyệt vời. Nhiều ứng dụng trong và ngoài nước cho thấy, đối với vật liệu không chứa halogen, ít khói, có hàm lượng chất độn cao, do độ nhớt quá lớn nên chỉ sử dụng trục vít có tỷ lệ nén thấp (tỷ lệ nén nhỏ hơn 1,3) để ép đùn nhằm đảm bảo chất lượng ép đùn tốt. Vật liệu EVA gốc cao su có chất lưu hóa có thể được ép đùn trên cả máy ép đùn cao su và máy ép đùn đa năng. Quá trình lưu hóa (liên kết ngang) tiếp theo có thể được thực hiện bằng liên kết ngang nhiệt hóa (peroxide) hoặc bằng liên kết ngang chiếu xạ máy gia tốc điện tử.
2.3 Dễ dàng chỉnh sửa và thích ứng
Dây điện và cáp có mặt ở khắp mọi nơi, từ trên trời xuống mặt đất, từ núi xuống biển. Nhu cầu của người sử dụng dây điện và cáp cũng rất đa dạng và khác nhau, trong khi cấu trúc của dây điện và cáp tương tự nhau, sự khác biệt về hiệu năng chủ yếu nằm ở vật liệu cách điện và lớp vỏ bọc.
Cho đến nay, cả trong và ngoài nước, nhựa PVC mềm vẫn chiếm phần lớn các vật liệu polymer được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất cáp. Tuy nhiên, với nhận thức ngày càng cao về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Vật liệu PVC bị hạn chế rất nhiều, các nhà khoa học đang làm mọi cách để tìm vật liệu thay thế cho PVC, trong đó EVA là vật liệu triển vọng nhất.
EVA có thể được trộn với nhiều loại polyme, cũng như nhiều loại bột khoáng và chất hỗ trợ xử lý tương thích. Sản phẩm hỗn hợp có thể được chế tạo thành nhựa nhiệt dẻo dùng cho cáp nhựa, hoặc cao su liên kết ngang dùng cho cáp cao su. Các nhà thiết kế công thức có thể dựa trên yêu cầu của người dùng (hoặc tiêu chuẩn), sử dụng EVA làm vật liệu cơ bản, để tạo ra vật liệu đáp ứng các yêu cầu đó.
3. Phạm vi ứng dụng của EVA
3.1 Được sử dụng làm vật liệu chắn bán dẫn cho cáp điện cao áp.
Như chúng ta đã biết, vật liệu chính của vật liệu chắn là muội than dẫn điện. Việc thêm một lượng lớn muội than vào vật liệu nền bằng nhựa hoặc cao su sẽ làm giảm nghiêm trọng tính lưu động của vật liệu chắn và độ mịn của bề mặt ép đùn. Để ngăn ngừa phóng điện cục bộ trong cáp cao áp, lớp chắn bên trong và bên ngoài phải mỏng, bóng, sáng và đồng đều. So với các polyme khác, EVA có thể làm được điều này dễ dàng hơn. Lý do là vì quá trình ép đùn của EVA đặc biệt tốt, có tính lưu động tốt và không dễ bị hiện tượng đứt gãy do nóng chảy. Vật liệu chắn được chia thành hai loại: lớp chắn bên trong bao bọc dây dẫn bên ngoài – được gọi là lớp chắn bên trong; lớp chắn bên ngoài bao bọc lớp cách điện bên ngoài – được gọi là lớp chắn bên ngoài; vật liệu chắn bên trong chủ yếu là nhựa nhiệt dẻo và thường dựa trên EVA với hàm lượng VA từ 18% đến 28%; vật liệu chắn bên ngoài chủ yếu là nhựa liên kết chéo và có thể bóc tách và thường dựa trên EVA với hàm lượng VA từ 40% đến 46%.
3.2 Nhiên liệu chống cháy nhiệt dẻo và liên kết ngang
Nhựa polyolefin nhiệt dẻo chống cháy được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cáp, chủ yếu để đáp ứng các yêu cầu về halogen hoặc không chứa halogen của cáp biển, cáp điện và các đường dây xây dựng cao cấp. Nhiệt độ hoạt động lâu dài của chúng nằm trong khoảng từ 70 đến 90 °C.
Đối với cáp điện trung và cao áp từ 10 kV trở lên, vốn có yêu cầu về hiệu suất điện rất cao, đặc tính chống cháy chủ yếu phụ thuộc vào lớp vỏ ngoài. Trong một số công trình hoặc dự án đòi hỏi khắt khe về môi trường, cáp cần phải có đặc tính ít khói, không chứa halogen, ít độc hại hoặc ít khói và ít halogen, do đó polyolefin chống cháy nhiệt dẻo là một giải pháp khả thi.
Đối với một số mục đích đặc biệt, đường kính ngoài không lớn, khả năng chịu nhiệt trong khoảng 105 ~ 150 ℃, loại cáp đặc biệt này sử dụng vật liệu polyolefin chống cháy liên kết chéo nhiều hơn. Nhà sản xuất cáp có thể lựa chọn phương pháp liên kết chéo theo điều kiện sản xuất của mình, có thể sử dụng phương pháp truyền thống như hơi nước áp suất cao hoặc bể muối nhiệt độ cao, hoặc phương pháp chiếu xạ nhiệt độ phòng bằng máy gia tốc điện tử. Nhiệt độ làm việc lâu dài được chia thành ba mức: 105 ℃, 125 ℃, 150 ℃. Nhà máy sản xuất có thể chế tạo theo yêu cầu khác nhau của người dùng hoặc tiêu chuẩn, có thể là loại cáp chắn nhiên liệu không chứa halogen hoặc có chứa halogen.
Ai cũng biết rằng polyolefin là các polyme không phân cực hoặc phân cực yếu. Do có độ phân cực tương tự như dầu khoáng, nên theo nguyên tắc tương thích tương tự, polyolefin thường được coi là kém kháng dầu. Tuy nhiên, nhiều tiêu chuẩn cáp trong và ngoài nước cũng quy định rằng các vật liệu liên kết ngang cũng phải có khả năng kháng tốt với dầu, dung môi và thậm chí cả bùn dầu, axit và kiềm. Đây là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu vật liệu, hiện nay, cả ở Trung Quốc và nước ngoài, các vật liệu đòi hỏi cao này đã được phát triển, và vật liệu cơ bản của chúng là EVA.
3.3 Vật liệu chắn oxy
Cáp đa lõi dạng sợi bện có nhiều khoảng trống giữa các lõi cần được lấp đầy để đảm bảo hình dạng cáp tròn trịa, nếu lớp lấp đầy bên trong lớp vỏ ngoài được làm bằng vật liệu chắn nhiên liệu không chứa halogen. Lớp lấp đầy này hoạt động như một lớp chắn lửa (oxy) khi cáp cháy và do đó được gọi là "lớp chắn oxy" trong ngành.
Các yêu cầu cơ bản đối với vật liệu chắn oxy là: đặc tính ép đùn tốt, khả năng chống cháy không chứa halogen tốt (chỉ số oxy thường trên 40) và chi phí thấp.
Lớp chắn oxy này đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cáp hơn một thập kỷ và đã dẫn đến những cải tiến đáng kể về khả năng chống cháy của cáp. Lớp chắn oxy có thể được sử dụng cho cả cáp chống cháy không chứa halogen và cáp chống cháy không chứa halogen (ví dụ: PVC). Nhiều nghiên cứu thực tiễn đã chỉ ra rằng cáp có lớp chắn oxy có khả năng vượt qua các thử nghiệm cháy thẳng đứng đơn và cháy bó cao hơn.
Từ góc độ công thức vật liệu, vật liệu chắn oxy này thực chất là “chất độn siêu cao”, bởi vì để đáp ứng chi phí thấp, cần phải sử dụng chất độn cao, để đạt được chỉ số oxy cao cũng phải thêm một tỷ lệ cao (2 đến 3 lần) Mg(OH)2 hoặc Al(OH)3, và để ép đùn tốt thì phải chọn EVA làm vật liệu cơ bản.
3.4 Vật liệu bọc PE cải tiến
Vật liệu bọc polyethylene dễ gặp phải hai vấn đề: thứ nhất, chúng dễ bị vỡ do nóng chảy (tức là hiện tượng da cá mập) trong quá trình ép đùn; thứ hai, chúng dễ bị nứt do ứng suất môi trường. Giải pháp đơn giản nhất là thêm một tỷ lệ EVA nhất định vào công thức. EVA được sử dụng như một loại EVA biến tính, chủ yếu sử dụng loại có hàm lượng VA thấp, chỉ số nóng chảy của nó trong khoảng từ 1 đến 2 là phù hợp.
4. Triển vọng phát triển
(1) EVA đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cáp, lượng hàng năm tăng trưởng dần dần và ổn định. Đặc biệt trong thập kỷ qua, do tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường, khả năng chống nhiên liệu dựa trên EVA đã phát triển nhanh chóng và đã phần nào thay thế xu hướng vật liệu cáp dựa trên PVC. Hiệu suất chi phí tuyệt vời và hiệu suất vượt trội của nó trong quá trình ép đùn khó có thể thay thế bất kỳ vật liệu nào khác.
(2) Ngành công nghiệp cáp tiêu thụ gần 100.000 tấn nhựa EVA mỗi năm, việc lựa chọn các loại nhựa EVA, hàm lượng VA từ thấp đến cao sẽ được sử dụng, cùng với quy mô doanh nghiệp sản xuất hạt nhựa vật liệu cáp không lớn, mỗi doanh nghiệp chỉ sản xuất vài nghìn tấn nhựa EVA mỗi năm, do đó sẽ không thu hút sự chú ý của các doanh nghiệp khổng lồ trong ngành EVA. Ví dụ, đối với vật liệu nền chống cháy không chứa halogen, lựa chọn chính là nhựa EVA có tỷ lệ VA/MI = 28/2 ~ 3 (chẳng hạn như EVA 265# của DuPont Mỹ). Và loại nhựa EVA có thông số kỹ thuật này cho đến nay vẫn chưa có nhà sản xuất trong nước nào sản xuất và cung cấp. Chưa kể đến việc sản xuất và cung cấp các loại nhựa EVA khác có hàm lượng VA cao hơn 28 và chỉ số nóng chảy nhỏ hơn 3.
(3) Các công ty nước ngoài sản xuất EVA do không có đối thủ cạnh tranh trong nước và giá thành từ lâu đã cao, làm giảm nghiêm trọng động lực sản xuất của các nhà máy cáp trong nước. Hơn 50% hàm lượng VA của EVA dạng cao su là do các công ty nước ngoài thống trị, và giá thành tương đương với EVA của các thương hiệu trong nước từ 2 đến 3 lần. Giá cao như vậy, đến lượt nó, cũng ảnh hưởng đến lượng EVA dạng cao su này, vì vậy ngành công nghiệp cáp kêu gọi các nhà sản xuất EVA trong nước nâng cao tỷ lệ sản xuất EVA trong nước. Ngành công nghiệp đã sử dụng nhiều nhựa EVA hơn.
(4) Dựa trên làn sóng bảo vệ môi trường trong kỷ nguyên toàn cầu hóa, EVA được ngành công nghiệp cáp coi là vật liệu cơ bản tốt nhất cho điện trở nhiên liệu thân thiện với môi trường. Việc sử dụng EVA đang tăng trưởng với tốc độ 15% mỗi năm và triển vọng rất hứa hẹn. Lượng và tốc độ tăng trưởng của vật liệu che chắn và sản xuất cáp điện trung và cao áp nằm trong khoảng 8% đến 10%; điện trở polyolefin đang tăng trưởng nhanh chóng, trong những năm gần đây đã duy trì ở mức 15% đến 20%, và trong 5 đến 10 năm tới có thể cũng duy trì tốc độ tăng trưởng này.
Thời gian đăng bài: 31/7/2022