Tóm tắt: Bài viết mô tả ngắn gọn nguyên lý liên kết ngang, phân loại, công thức, quy trình và thiết bị sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang bằng silan cho dây và cáp, đồng thời giới thiệu một số đặc điểm của vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan trong ứng dụng và sử dụng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện liên kết ngang của vật liệu.
Từ khóa: Liên kết ngang silan; Liên kết ngang tự nhiên; Polyetylen; Vật liệu cách điện; Dây và cáp
Vật liệu cáp polyetylen liên kết ngang silan hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dây và cáp làm vật liệu cách điện cho cáp điện hạ thế. So với các phương pháp liên kết ngang bằng peroxit và liên kết ngang bằng chiếu xạ, vật liệu này có ưu điểm là thiết bị sản xuất đơn giản, dễ vận hành, chi phí tổng thể thấp, và nhiều ưu điểm khác, đã trở thành vật liệu hàng đầu cho cáp điện hạ thế liên kết ngang có khả năng cách điện.
1. Nguyên lý liên kết ngang của vật liệu cáp liên kết ngang silane
Có hai quá trình chính liên quan đến việc sản xuất polyetylen liên kết ngang bằng silan: ghép và liên kết ngang. Trong quá trình ghép, polyme mất nguyên tử H trên nguyên tử cacbon bậc ba dưới tác dụng của chất khơi mào tự do và quá trình nhiệt phân thành các gốc tự do, các gốc này phản ứng với nhóm –CH=CH2 của vinyl silan để tạo ra polyme ghép chứa nhóm trioxysilyl este. Trong quá trình liên kết ngang, polyme ghép trước tiên được thủy phân trong sự có mặt của nước để tạo ra silanol, và nhóm –OH ngưng tụ với nhóm Si-OH liền kề để tạo thành liên kết Si-O-Si, do đó liên kết ngang các đại phân tử polyme.
2. Vật liệu cáp liên kết ngang silan và phương pháp sản xuất cáp từ vật liệu này
Như bạn đã biết, có hai phương pháp sản xuất cáp liên kết ngang silane và cáp của chúng: phương pháp hai bước và phương pháp một bước. Sự khác biệt giữa phương pháp hai bước và phương pháp một bước nằm ở nơi thực hiện quá trình ghép silane: quá trình ghép được thực hiện tại nhà sản xuất vật liệu cáp đối với phương pháp hai bước, còn quá trình ghép được thực hiện tại nhà máy sản xuất cáp đối với phương pháp một bước. Vật liệu cách điện polyethylene liên kết ngang silane hai bước có thị phần lớn nhất được cấu tạo từ vật liệu A và B, trong đó vật liệu A là polyethylene được ghép silane và vật liệu B là chất xúc tác chính. Lõi cách điện sau đó được liên kết ngang trong nước ấm hoặc hơi nước.
Có một loại vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan hai bước khác, trong đó vật liệu A được sản xuất theo cách khác, bằng cách đưa trực tiếp vinyl silan vào polyetylen trong quá trình tổng hợp để thu được polyetylen có chuỗi nhánh silan.
Phương pháp một bước cũng có hai loại, quy trình một bước truyền thống là sử dụng nhiều loại nguyên liệu thô theo công thức với tỷ lệ nhất định, được đưa vào hệ thống định lượng chính xác đặc biệt, sau đó được đưa vào máy đùn đặc biệt được thiết kế riêng để hoàn thành quá trình ghép và đùn lõi cách điện cáp trong một bước duy nhất. Trong quy trình này, không cần tạo hạt, không cần sự tham gia của nhà máy sản xuất vật liệu cáp, mà do chính nhà máy sản xuất cáp hoàn thành. Thiết bị sản xuất cáp liên kết ngang silan một bước và công thức chế tạo này chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài và có giá thành cao.
Một loại vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan một bước khác được sản xuất bởi các nhà sản xuất vật liệu cáp, tất cả các nguyên liệu thô được trộn với nhau theo tỷ lệ công thức đặc biệt bằng một phương pháp riêng biệt, đóng gói và bán ra thị trường. Không có nguyên liệu A và nguyên liệu B riêng biệt, nhà máy sản xuất cáp có thể trực tiếp đưa vào máy đùn để hoàn thành đồng thời một bước ghép và đùn lõi cách điện cáp. Đặc điểm độc đáo của phương pháp này là không cần đến các máy đùn đặc biệt đắt tiền, vì quá trình ghép silan có thể được hoàn thành trong máy đùn PVC thông thường, và phương pháp hai bước này loại bỏ được nhu cầu trộn nguyên liệu A và B trước khi đùn.
3. Thành phần công thức
Công thức chế tạo vật liệu cáp polyetylen liên kết ngang bằng silan thường bao gồm nhựa nền, chất khơi mào, silan, chất chống oxy hóa, chất ức chế trùng hợp, chất xúc tác, v.v.
(1) Nhựa nền thường là nhựa polyetylen 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 về chi phí, polyetylen 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 chéo do sự khác biệt trong cấu trúc đại phân tử bên trong của chúng, vì vậy công thức sẽ được sửa đổi bằng cách sử dụng các loại nhựa nền khác nhau hoặc cùng loại nhựa từ các nhà sản xuất khác nhau.
(2) Chất khởi đầu thường được sử dụng là diisopropyl peroxide (DCP), vấn đề mấu chốt là phải nắm bắt được lượng chất này, quá ít sẽ gây ra hiện tượng ghép silane không đủ; quá nhiều sẽ gây ra hiện tượng liên kết chéo polyetylen, làm giảm tính lưu động của nó, bề mặt lõi cách điện đùn ra thô ráp, khó ép hệ thống. Vì lượng chất khởi đầu được thêm vào rất nhỏ và nhạy cảm, nên việc phân tán đều rất quan trọng, do đó nó thường được thêm vào cùng với silane.
(3) Silan thường được sử dụng là silan vinyl không bão hòa, bao gồm vinyl trimethoxysilan (A2171) và vinyl triethoxysilan (A2151), do tốc độ thủy phân nhanh của A2171 nên nhiều người chọn A2171 hơn. Tương tự, có một vấn đề là thêm silan, các nhà sản xuất vật liệu cáp hiện đang cố gắng đạt được giới hạn thấp nhất của nó để giảm chi phí, vì silan được nhập khẩu nên giá thành đắt hơn.
(4) Chất chống oxy hóa được thêm vào để đảm bảo tính ổn định của quá trình xử lý polyetylen và chống lão hóa cáp. Trong quá trình ghép silan, chất chống oxy hóa có vai trò ức chế phản ứng ghép, do đó, trong quá trình ghép, việc thêm chất chống oxy hóa cần được thực hiện cẩn thận, lượng thêm vào phải phù hợp với lượng DCP được lựa chọn. Trong quá trình liên kết chéo hai bước, hầu hết chất chống oxy hóa có thể được thêm vào trong hỗn hợp xúc tác, điều này có thể làm giảm tác động đến quá trình ghép. Trong quá trình liên kết chéo một bước, chất chống oxy hóa có mặt trong toàn bộ quá trình ghép, vì vậy việc lựa chọn loại và lượng càng 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 chéo. Trong quá trình ghép, việc thêm chất chống liên kết chéo có thể làm giảm hiệu quả sự xuất hiện của liên kết chéo C2C, do đó cải thiện tính lưu động của quá trình xử lý. Ngoài ra, việc thêm chất ức chế trùng hợp trong cùng điều kiện sẽ được thực hiện trước đó bằng cách thủy phân silan trên polyetylen ghép, giúp cải thiện độ ổn định lâu dài của vật liệu ghép.
(6) Chất xúc tác thường là dẫn xuất organotin (ngoại trừ liên kết chéo 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 lẫn với nhau trước khi đưa vào máy đùn để ngăn ngừa liên kết chéo trước của vật liệu A. Trong trường hợp vật liệu cách điện polyetylen liên kết chéo silan một bước, polyetylen trong gói chưa được ghép nên không có vấn đề liên kết chéo 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, và thường được sử dụng trong các phương pháp liên kết ngang silan một bước trong các nhà máy sản xuất cáp.
Do đó, việc pha chế vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan, với thành phần không được coi là quá phức tạp và có sẵn trong các thông tin liên quan, nhưng các công thức sản xuất phù hợp, cần phải điều chỉnh một số chi tiết để hoàn thiện, đòi hỏi sự hiểu biết đầy đủ về vai trò của các thành phần trong công thức và quy luật tác động của chúng đến hiệu suất cũng như ảnh hưởng lẫn nhau.
Trong nhiều loại vật liệu cáp, vật liệu cáp liên kết ngang bằng silan (hai bước hoặc một bước) được coi là loại duy nhất trải qua quá trình hóa học trong quá trình ép đùn. Các loại khác như vật liệu cáp polyvinyl clorua (PVC) và vật liệu cáp polyetylen (PE) thì quá trình tạo hạt bằng ép đùn là quá trình trộn vật lý. Ngay cả đối với vật liệu cáp liên kết ngang bằng hóa chất và liên kết ngang bằng bức xạ, dù trong quá trình tạo hạt bằng ép đùn hay trong hệ thống ép đùn cáp, cũng không có quá trình hóa học nào xảy ra. Vì vậy, so với việc sản xuất vật liệu cáp cách điện bằng ép đùn, việc kiểm soát quy trình quan trọng hơn.
4. Quy trình sản xuất vật liệu cách nhiệt polyetylen liên kết ngang silan hai bước
Quy trình sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan hai bước loại A có thể được mô tả ngắn gọn trong Hình 1.
Hình 1. Quy trình sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan hai bước A.
Một số điểm chính trong quy trình sản xuất vật liệu cách nhiệt polyetylen liên kết ngang silan hai bước:
(1) Sấy khô. Do nhựa polyetylen chứa một lượng nhỏ nước, khi ép đùn ở nhiệt độ cao, nước phản ứng nhanh với các nhóm silyl để tạo ra liên kết ngang, làm giảm độ lưu động của chất nóng chảy và tạo ra liên kết ngang trước. Vật liệu thành phẩm cũng chứa nước sau khi làm nguội bằng nước, nếu không được loại bỏ cũng có thể gây ra liên kết ngang trước và cũng phải được sấy khô. Để đảm bảo chất lượng sấy khô, người ta sử dụng thiết bị sấy sâu.
(2) Định lượng. Vì độ chính xác của công thức vật liệu rất quan trọng, nên người ta thường sử dụng cân định lượng trọng lượng nhập khẩu. Nhựa polyetylen và chất chống oxy hóa được định lượng và đưa vào qua cổng cấp 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 thành 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 của máy đùn có thể được nóng chảy hoàn toàn và trộn đều, khi không mong muốn sự phân hủy sớm của peroxit, và vật liệu đồng nhất hoàn toàn trong phần thứ hai của máy đùn phải được phân hủy hoàn toàn và quá trình ghép được hoàn thành. Nhiệt độ phần máy đùn điển hình (LDPE) được thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1 Nhiệt độ của các 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 |
① là nơi thêm silan.
Tốc độ của trục vít máy 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 lên. Nói chung, thời gian lưu trú trung bình của hạt trong máy đùn nên được kiểm soát trong khoảng 5-10 lần thời gian bán hủy phân hủy chất khởi đầu. Tốc độ cấp liệu không chỉ ảnh hưởng đến thời gian lưu trú của vật liệu mà còn ảnh hưởng đến quá trình trộn và cắt vật liệu, do đó việc lựa chọn tốc độ cấp liệu phù hợp cũng rất quan trọng.
(4) Đóng gói. Vật liệu cách nhiệt liên kết ngang silan hai bước nên được đóng gói trong túi composite nhôm-nhựa trong không khí trực tiếp để loại bỏ hơi ẩm.
5. Quy trình sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan một bước
Vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan một bước, do quy trình ghép nối được thực hiện trong quá trình ép đùn lõi cách điện cáp tại nhà máy sản xuất cáp, nên nhiệt độ ép đùn lõi cách điện cáp cao hơn đáng kể so với phương pháp hai bước. Mặc dù công thức vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan một bước đã xem xét đầy đủ sự phân tán nhanh chóng của chất khởi đầu và silan cũng như sự biến dạng vật liệu, nhưng quá trình ghép nối phải được đảm bảo bởi nhiệt độ, đó là lý do tại sao nhà máy sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan một bước liên tục nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn nhiệt độ ép đùn chính xác. Nhiệt độ ép đùn được 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 ngang bằng silan một bước, điều này thường không cần thiết khi ép đùn cáp theo hai bước.
6. Thiết bị sản xuất
Thiết bị sản xuất là yếu tố quan trọng đảm bảo kiểm soát quy trình. Việc sản xuất cáp liên kết ngang silan đòi hỏi độ chính xác kiểm soát quy trình rất cao, do đó việc lựa chọn thiết bị sản xuất đặc biệt quan trọng.
Sản xuất vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang silan hai bước. Hiện nay, thiết bị sản xuất vật liệu chủ yếu là máy đùn trục vít đôi song song đẳng hướng trong nước kết hợp với cân không trọng lượng nhập khẩu. Những thiết bị như vậy 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 cân không trọng lượng nhập khẩu để đảm bảo độ chính xác của các thành phần. Tất nhiên, còn nhiều chi tiết khác của thiết bị cần được chú trọng đầy đủ.
Như đã đề cập trước đó, thiết bị sản xuất cáp liên kết ngang silan 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 do 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 polyetylen liên kết ngang tự nhiên Silane
Vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silane được phát triển trong những năm gần đây có thể được liên kết ngang trong điều kiện tự nhiên trong vòng 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, từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả sản xuất. Vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng 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 polyetylen liên kết ngang tự nhiên silane trong nước đã phát triển hoàn thiện và được sản xuất với số lượng lớn, mang lại một số lợi thế về giá so với vật liệu nhập khẩu.
7.1 Ý tưởng công thức cho vật liệu cách nhiệt polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan
Vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan được sản xuất theo quy trình hai bước, với cùng một công thức bao gồm nhựa nền, chất khởi đầu, silan, chất chống oxy hóa, chất ức chế trùng hợp và chất xúc tác. Công thức của vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan dựa trên việc tăng tỷ lệ ghép silan của vật liệu A và lựa chọn chất xúc tác hiệu quả hơn so với vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang bằng nước ấm sử dụng silan. Việc sử dụng vật liệu A có tỷ lệ ghép silan cao hơn kết hợp với chất xúc tác hiệu quả hơn sẽ cho phép vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang bằng silan liên kết ngang nhanh chóng ngay cả ở nhiệt độ thấp và độ ẩm không đủ.
Vật liệu A dùng cho chất cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan nhập khẩu được tổng hợp bằng phương pháp đồng trùng hợp, trong đó hàm lượng silan có thể được kiểm soát ở mức cao, trong khi việc sản xuất vật liệu A với tỷ lệ ghép cao bằng cách ghép silan lại khó khăn. Nhựa nền, chất khơi mào và silan 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 của nó cũng rất quan trọng, vì việc tăng tỷ lệ ghép silan chắc chắn sẽ dẫn đến nhiều phản ứng phụ liên kết ngang CC hơn. Để cải thiện tính lưu động trong quá trình gia công và điều kiện bề mặt của vật liệu A cho quá trình ép đùn cáp tiếp theo, cần một lượng chất ức chế trùng hợp thích hợp để ức chế hiệu quả sự liên kết ngang CC và quá trình tiền liên kết ngang trước đó.
Ngoài ra, chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ liên kết ngang và cần được lựa chọn là các chất xúc tác hiệu quả có chứa các nguyên tố không phải kim loại chuyển tiếp.
7.2 Thời gian liên kết ngang của vật liệu cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan
Thời gian cần thiết để hoàn thành quá trình liên kết ngang của lớp cách điện polyetylen liên kết ngang tự nhiên bằng silan 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 lớp cách điện càng mỏng thì thời gian liên kết ngang càng ngắn, và ngược lại thì thời gian liên kết ngang càng dài. Vì nhiệt độ và độ ẩm thay đổi theo từng vùng và từng mùa, ngay cả ở cùng một địa điểm và cùng một thời điểm, nhiệt độ và độ ẩm hôm nay và ngày mai cũng 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 hành tại địa phương, cũng như thông số kỹ thuật của cáp và độ dày của lớp cách điện.
Thời gian đăng bài: 13/08/2022