Tóm tắt: Nguyên lý liên kết ngang, phân loại, công thức, quy trình và thiết bị của vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane dùng cho dây và cáp được mô tả ngắn gọn, đồng thời giới thiệu một số đặc điểm của vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane trong ứng dụng và sử dụng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến tình trạng liên kết ngang của vật liệu.
Từ khóa: Liên kết ngang silan; Liên kết ngang tự nhiên; Polyetylen; Cách điện; Dây và cáp
Vật liệu cáp polyethylene liên kết ngang silane hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dây và cáp điện làm vật liệu cách điện cho cáp điện hạ thế. So với các thiết bị sản xuất cần thiết để liên kết ngang peroxide và liên kết ngang chiếu xạ, vật liệu này đơn giản, dễ vận hành, chi phí tổng hợp thấp và nhiều ưu điểm khác, đã trở thành vật liệu hàng đầu cho cáp điện hạ thế có cách điện.
1.Nguyên lý liên kết chéo vật liệu cáp liên kết ngang silane
Có hai quá trình chính liên quan đến việc tạo ra polyetylen liên kết ngang silane: ghép và liên kết ngang. Trong quá trình ghép, polyme mất nguyên tử H trên nguyên tử cacbon bậc ba dưới tác động của chất khơi mào tự do và quá trình nhiệt phân tạo thành các gốc tự do, phản ứng với nhóm –CH = CH2 của vinyl silane để tạo ra polyme ghép chứa nhóm este trioxysilyl. Trong quá trình liên kết ngang, polyme ghép trước tiên được thủy phân trong môi trường nước để tạo ra silanol, và nhóm –OH ngưng tụ với nhóm Si-OH liền kề để tạo thành liên kết Si-O-Si, qua đó tạo liên kết ngang cho các đại phân tử polyme.
2. Vật liệu cáp liên kết ngang silane và phương pháp sản xuất cáp
Như bạn đã biết, có hai phương pháp sản xuất cáp liên kết ngang silane và cáp của chúng. Sự khác biệt giữa phương pháp hai bước và phương pháp một bước nằm ở nơi thực hiện quy trình ghép silane, quy trình ghép tại nhà sản xuất vật liệu cáp đối với phương pháp hai bước, và quy trình ghép tại nhà máy sản xuất cáp đối với phương pháp một bước. Vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane hai bước chiếm thị phần lớn nhất được cấu thành từ vật liệu A và B, trong đó vật liệu A là polyethylene ghép silane và vật liệu B là mẻ tổng hợp chất xúc tác. Lõi cách điện sau đó được liên kết chéo trong nước ấm hoặc hơi nước.
Có một loại chất cách điện polyethylene liên kết ngang silane hai bước khác, trong đó vật liệu A được sản xuất theo một cách khác, bằng cách đưa vinyl silane trực tiếp vào polyethylene trong quá trình tổng hợp để thu được polyethylene có chuỗi nhánh silane.
Phương pháp một bước cũng có hai loại, phương pháp một bước truyền thống là sử dụng hệ thống định lượng chính xác đặc biệt để trộn nhiều loại nguyên liệu thô theo công thức, sau đó đưa vào máy đùn chuyên dụng được thiết kế đặc biệt trong một bước để hoàn thành quá trình ghép và đùn lõi cách điện cáp. Trong quy trình này, không cần tạo hạt, không cần sự tham gia của nhà máy vật liệu cáp, mà do nhà máy cáp tự hoàn thiện. Thiết bị và công nghệ sản xuất cáp liên kết ngang silan một bước này chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài, giá thành cao.
Một loại vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane một bước khác được sản xuất bởi các nhà sản xuất vật liệu cáp. Tất cả nguyên liệu thô được trộn theo công thức tỷ lệ đặc biệt, đóng gói và bán ra. Không có vật liệu A và vật liệu B, dây cáp có thể được đưa trực tiếp vào máy đùn để hoàn thành đồng thời một bước ghép và đùn lõi cách điện cáp. Điểm độc đáo của phương pháp này là không cần máy đùn chuyên dụng đắt tiền, vì quá trình ghép silane có thể được hoàn thành trong máy đùn PVC thông thường, và phương pháp hai bước loại bỏ nhu cầu trộn vật liệu A và B trước khi đùn.
3. Thành phần công thức
Công thức của vật liệu cáp polyethylene liên kết ngang silane thường bao gồm nhựa vật liệu cơ bản, chất khởi đầu, silane, chất chống oxy hóa, chất ức chế trùng hợp, chất xúc tác, v.v.
(1) Nhựa nền thường là nhựa polyethylene mật độ thấp (LDPE) có chỉ số nóng chảy (MI) là 2, nhưng gần đây, với sự phát triển của công nghệ nhựa tổng hợp và áp lực chi phí, polyethylene mật độ thấp tuyến tính (LLDPE) cũng đã được sử dụng hoặc sử dụng một phần làm nhựa nền cho vật liệu này. Các loại nhựa khác nhau thường có tác động đáng kể đến quá trình ghép và liên kết ngang do sự khác biệt về cấu trúc đại phân tử bên trong của chúng, vì vậy công thức sẽ được điều chỉnh bằng cách sử dụng các loại nhựa nền khác nhau hoặc cùng một loại nhựa từ các nhà sản xuất khác nhau.
(2) Chất khởi tạo thường được sử dụng là diisopropyl peroxide (DCP), điều quan trọng là phải nắm được lượng chất khởi tạo cần thiết, quá ít sẽ không đủ để gây ra hiện tượng ghép silane; quá nhiều sẽ gây ra hiện tượng liên kết ngang polyethylene, làm giảm tính lưu động của nó, bề mặt lõi cách nhiệt đùn thô ráp, hệ thống khó ép. Do lượng chất khởi tạo được thêm vào rất nhỏ và nhạy cảm, nên việc phân tán đều là rất quan trọng, vì vậy nó thường được thêm vào cùng với silane.
(3) Silan thường được sử dụng là silan vinyl không bão hòa, bao gồm vinyl trimethoxysilane (A2171) và vinyl triethoxysilane (A2151), do tốc độ thủy phân của A2171 nhanh, nên được nhiều người lựa chọn. Tương tự, việc bổ sung silan cũng gặp vấn đề, các nhà sản xuất vật liệu cáp hiện nay đang cố gắng đạt được giới hạn thấp hơn để giảm chi phí, vì silan nhập khẩu nên giá thành đắt hơn.
(4) Chất chống oxy hóa là để đảm bảo tính ổn định của quá trình xử lý polyethylene và chống lão hóa cáp, đồng thời bổ sung chất chống oxy hóa trong quá trình ghép silan có tác dụng ức chế phản ứng ghép, do đó, trong quá trình ghép, việc bổ sung chất chống oxy hóa cần được chú ý, lượng bổ sung cần cân nhắc lượng DCP phù hợp để lựa chọn. Trong quá trình liên kết ngang hai bước, phần lớn chất chống oxy hóa có thể được bổ sung vào mẻ chính của chất xúc tác, điều này có thể làm giảm tác động đến quá trình ghép. Trong quá trình liên kết ngang một bước, chất chống oxy hóa có mặt trong toàn bộ quá trình ghép, do đó việc lựa chọn loại và lượng chất chống oxy hóa là quan trọng hơn. Các chất chống oxy hóa thường được sử dụng là 1010, 168, 330, v.v.
(5) Chất ức chế trùng hợp được thêm vào để ức chế một số phản ứng phụ xảy ra trong quá trình ghép và liên kết ngang, trong quá trình ghép để thêm tác nhân chống liên kết ngang, có thể làm giảm hiệu quả sự xuất hiện của liên kết ngang C2C, do đó cải thiện tính lưu động của quá trình xử lý, ngoài ra, việc thêm ghép trong cùng điều kiện sẽ được tiến hành trước khi thủy phân silan trên chất ức chế trùng hợp có thể làm giảm quá trình thủy phân của polyetylen ghép, để cải thiện tính ổn định lâu dài của vật liệu ghép.
(6) Chất xúc tác thường là các dẫn xuất organotin (ngoại trừ liên kết ngang tự nhiên), phổ biến nhất là dibutyltin dilaurate (DBDTL), thường được thêm vào dưới dạng hỗn hợp chính. Trong quy trình hai bước, vật liệu ghép (vật liệu A) và hỗn hợp chính chất xúc tác (vật liệu B) được đóng gói riêng biệt và vật liệu A và B được trộn với nhau trước khi cho vào máy đùn để ngăn vật liệu A liên kết ngang trước. Trong trường hợp vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane một bước, polyethylene trong gói vẫn chưa được ghép, do đó không có vấn đề liên kết ngang trước và do đó chất xúc tác không cần phải được đóng gói riêng.
Ngoài ra, trên thị trường còn có các loại silan hỗn hợp, là sự kết hợp của silan, chất khởi đầu, chất chống oxy hóa, một số chất bôi trơn và chất chống đồng, thường được sử dụng trong các phương pháp liên kết ngang silan một bước trong các nhà máy cáp.
Do đó, công thức cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane, thành phần của nó không được coi là quá phức tạp và có sẵn trong thông tin liên quan, nhưng các công thức sản xuất thích hợp, có thể được điều chỉnh một số để hoàn thiện, đòi hỏi phải hiểu đầy đủ về vai trò của các thành phần trong công thức và quy luật tác động của chúng đến hiệu suất và ảnh hưởng lẫn nhau của chúng.
Trong nhiều loại vật liệu cáp, vật liệu cáp liên kết ngang silane (hai bước hoặc một bước) được coi là loại duy nhất của các quá trình hóa học xảy ra trong quá trình đùn, các loại khác như vật liệu cáp polyvinyl clorua (PVC) và vật liệu cáp polyethylene (PE), quá trình tạo hạt đùn là một quá trình trộn vật lý, ngay cả khi vật liệu cáp liên kết ngang hóa học và vật liệu cáp liên kết ngang chiếu xạ, cho dù trong quá trình tạo hạt đùn hay hệ thống đùn cáp, không có quá trình hóa học nào xảy ra, do đó, khi so sánh, quá trình sản xuất vật liệu cáp liên kết ngang silane và đùn cách điện cáp, việc kiểm soát quy trình quan trọng hơn.
4. Quy trình sản xuất vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane hai bước
Quy trình sản xuất vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane hai bước A có thể được biểu diễn ngắn gọn trong Hình 1.
Hình 1 Quy trình sản xuất vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane hai bước A

Một số điểm chính trong quy trình sản xuất vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane hai bước:
(1) Sấy khô. Do nhựa polyethylene chứa một lượng nước nhỏ, khi ép đùn ở nhiệt độ cao, nước phản ứng nhanh với các nhóm silyl tạo thành liên kết ngang, làm giảm độ lưu động của hỗn hợp nóng chảy và tạo thành liên kết ngang trước. Vật liệu thành phẩm cũng chứa nước sau khi làm mát bằng nước, nếu không được loại bỏ cũng có thể gây ra liên kết ngang trước, và cũng cần được sấy khô. Để đảm bảo chất lượng sấy khô, cần sử dụng thiết bị sấy sâu.
(2) Định lượng. Do độ chính xác của công thức vật liệu rất quan trọng, nên thường sử dụng cân định lượng nhập khẩu. Nhựa polyethylene và chất chống oxy hóa được đo và đưa vào qua cổng nạp liệu của máy đùn, trong khi silan và chất khởi đầu được bơm bằng bơm vật liệu lỏng vào thùng thứ hai hoặc thứ ba của máy đùn.
(3) Ghép đùn. Quá trình ghép silan được hoàn tất trong máy đùn. Các thiết lập quy trình của máy đùn, bao gồm nhiệt độ, tổ hợp trục vít, tốc độ trục vít và tốc độ cấp liệu, phải tuân theo nguyên tắc vật liệu trong phần đầu tiên của máy đùn có thể được nấu chảy hoàn toàn và trộn đều, khi không muốn peroxit bị phân hủy sớm, và vật liệu đồng đều hoàn toàn trong phần thứ hai của máy đùn phải được phân hủy hoàn toàn và quá trình ghép hoàn tất. Nhiệt độ điển hình của phần đùn (LDPE) được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1 Nhiệt độ của vùng máy đùn hai bước
Khu vực làm việc | Khu vực 1 | Khu vực 2 | Khu vực 3 ① | Khu vực 4 | Khu vực 5 |
Nhiệt độ P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
Khu vực làm việc | Khu vực 6 | Khu vực 7 | Khu vực 8 | Khu vực 9 | Miệng chết |
Nhiệt độ °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①là nơi silan được thêm vào.
Tốc độ của trục vít đùn quyết định thời gian lưu trú và hiệu quả trộn của vật liệu trong máy đùn. Nếu thời gian lưu trú ngắn, quá trình phân hủy peroxide không hoàn toàn; nếu thời gian lưu trú quá dài, độ nhớt của vật liệu đùn sẽ tăng. Nhìn chung, thời gian lưu trú trung bình của hạt trong máy đùn nên được kiểm soát trong khoảng thời gian bán hủy của chất khởi đầu phân hủy từ 5-10 lần. Tốc độ nạp liệu không chỉ ảnh hưởng nhất định đến thời gian lưu trú của vật liệu mà còn đến quá trình trộn và cắt vật liệu, việc lựa chọn tốc độ nạp liệu phù hợp cũng rất quan trọng.
(4) Đóng gói. Vật liệu cách điện liên kết ngang silan hai bước phải được đóng gói trong túi composite nhôm-nhựa tiếp xúc trực tiếp với không khí để loại bỏ độ ẩm.
5. Quy trình sản xuất vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane một bước
Vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane một bước do quá trình ghép của nó được thực hiện trong quá trình đùn lõi cách điện cáp tại nhà máy cáp, do đó nhiệt độ đùn cách điện cáp cao hơn đáng kể so với phương pháp hai bước. Mặc dù công thức cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane một bước đã được xem xét kỹ lưỡng về khả năng phân tán nhanh chóng của chất khởi tạo, silane và vật liệu cắt, nhưng quá trình ghép phải được đảm bảo bằng nhiệt độ. Nhà máy sản xuất vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane một bước đã nhiều lần nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn nhiệt độ đùn chính xác. Nhiệt độ đùn khuyến nghị chung được thể hiện trong Bảng 2.
Bảng 2 Nhiệt độ máy đùn một bước của từng vùng (đơn vị: ℃)
Vùng | Khu vực 1 | Khu vực 2 | Khu vực 3 | Khu vực 4 | Mặt bích | Cái đầu |
Nhiệt độ | 160 | 190 | 200~210 | 220~230 | 230 | 230 |
Đây là một trong những điểm yếu của quy trình polyetylen liên kết silan một bước, thường không cần thiết khi đùn cáp theo hai bước.
6. Thiết bị sản xuất
Thiết bị sản xuất là một đảm bảo quan trọng cho việc kiểm soát quy trình. Việc sản xuất cáp liên kết ngang silane đòi hỏi độ chính xác kiểm soát quy trình rất cao, vì vậy việc lựa chọn thiết bị sản xuất đặc biệt quan trọng.
Thiết bị sản xuất vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang silane hai bước, hiện nay chủ yếu sử dụng máy đùn trục vít đôi song song đẳng hướng trong nước, kết hợp với hệ thống cân không trọng lượng nhập khẩu. Các thiết bị này có thể đáp ứng yêu cầu về độ chính xác kiểm soát quy trình, lựa chọn chiều dài và đường kính của máy đùn trục vít đôi để đảm bảo thời gian lưu trú của vật liệu, lựa chọn hệ thống cân không trọng lượng nhập khẩu để đảm bảo độ chính xác của các thành phần. Tất nhiên, có nhiều chi tiết của thiết bị cần được chú ý đầy đủ.
Như đã đề cập trước đó, thiết bị sản xuất cáp liên kết ngang silane một bước trong nhà máy cáp đều được nhập khẩu, đắt tiền, các nhà sản xuất thiết bị trong nước không có thiết bị sản xuất tương tự, lý do là thiếu sự hợp tác giữa các nhà sản xuất thiết bị và các nhà nghiên cứu công thức và quy trình.
7.Vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang tự nhiên Silane
Vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane được phát triển trong những năm gần đây có thể được liên kết ngang trong điều kiện tự nhiên chỉ trong vài ngày mà không cần ngâm trong hơi nước hoặc nước ấm. So với phương pháp liên kết ngang silane truyền thống, vật liệu này có thể rút ngắn quy trình sản xuất cho các nhà sản xuất cáp, giúp giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả sản xuất. Vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane ngày càng được các nhà sản xuất cáp công nhận và sử dụng rộng rãi.
Trong những năm gần đây, vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane trong nước đã trưởng thành và được sản xuất với số lượng lớn, có một số ưu điểm nhất định về giá so với vật liệu nhập khẩu.
7. 1 Ý tưởng công thức cho vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang tự nhiên bằng silane
Vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane tự nhiên được sản xuất theo quy trình hai bước, với cùng một công thức bao gồm nhựa nền, chất khởi tạo, silane, chất chống oxy hóa, chất ức chế trùng hợp và chất xúc tác. Công thức của vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane tự nhiên dựa trên việc tăng tỷ lệ ghép silane của vật liệu A và lựa chọn chất xúc tác hiệu quả hơn so với vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane nước ấm. Việc sử dụng vật liệu A có tỷ lệ ghép silane cao hơn kết hợp với chất xúc tác hiệu quả hơn sẽ cho phép vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane liên kết ngang nhanh chóng ngay cả ở nhiệt độ thấp và độ ẩm không đủ.
Vật liệu A dùng cho vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane nhập khẩu được tổng hợp bằng phương pháp đồng trùng hợp, trong đó hàm lượng silane có thể được kiểm soát ở mức cao, trong khi việc sản xuất vật liệu A với tỷ lệ ghép cao bằng silane ghép là rất khó khăn. Nhựa nền, chất khởi đầu và silane được sử dụng trong công thức cần được thay đổi và điều chỉnh về chủng loại và tỷ lệ bổ sung.
Việc lựa chọn chất cản quang và điều chỉnh liều lượng cũng rất quan trọng, vì việc tăng tốc độ ghép silane chắc chắn sẽ dẫn đến nhiều phản ứng phụ liên kết ngang CC hơn. Để cải thiện tính lưu động trong quá trình xử lý và tình trạng bề mặt của vật liệu A cho quá trình đùn cáp tiếp theo, cần có một lượng chất ức chế trùng hợp phù hợp để ức chế hiệu quả quá trình liên kết ngang CC và quá trình liên kết ngang trước đó.
Ngoài ra, chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ liên kết ngang và nên được lựa chọn là chất xúc tác hiệu quả có chứa các nguyên tố không chứa kim loại chuyển tiếp.
7.2 Thời gian liên kết ngang của vật liệu cách nhiệt polyethylene liên kết ngang tự nhiên bằng silane
Thời gian cần thiết để hoàn thành quá trình liên kết ngang của vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang tự nhiên silane ở trạng thái tự nhiên phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm và độ dày của lớp cách điện. Nhiệt độ và độ ẩm càng cao, độ dày của lớp cách điện càng mỏng thì thời gian liên kết ngang cần thiết càng ngắn và ngược lại càng dài. Do nhiệt độ và độ ẩm thay đổi tùy theo khu vực và mùa, ngay cả ở cùng một nơi và cùng một thời điểm, nhiệt độ và độ ẩm hôm nay và ngày mai sẽ khác nhau. Do đó, trong quá trình sử dụng vật liệu, người dùng nên xác định thời gian liên kết ngang theo nhiệt độ và độ ẩm hiện tại và phổ biến, cũng như thông số kỹ thuật của cáp và độ dày của lớp cách điện.
Thời gian đăng: 13-08-2022