1. Introduzione
EVA è l'acronimo di copolimero di etilene vinil acetato, un polimero poliolefinico. Grazie alla sua bassa temperatura di fusione, alla buona fluidità, alla polarità e all'assenza di alogeni, e alla compatibilità con una varietà di polimeri e polveri minerali, presenta un buon equilibrio tra proprietà meccaniche, fisiche, elettriche e di lavorazione, oltre a un prezzo contenuto e un'ampia disponibilità sul mercato. Pertanto, può essere utilizzato sia come materiale isolante per cavi, sia come riempitivo o materiale di rivestimento; può essere trasformato in un materiale termoplastico o in un materiale termoindurente reticolato.
L'EVA ha una vasta gamma di utilizzi e, grazie ai ritardanti di fiamma, può essere trasformato in una barriera a bassa emissione di fumo, priva di alogeni o per combustibili alogeni; scegliendo un EVA ad alto contenuto di VA come materiale di base, si può ottenere anche un materiale resistente agli oli; scegliendo un EVA con indice di fusione moderato e aggiungendo da 2 a 3 volte il riempimento di ritardanti di fiamma, si può ottenere un materiale barriera all'ossigeno (riempimento) con prestazioni e prezzo più equilibrati tramite processo di estrusione.
In questo articolo, a partire dalle proprietà strutturali dell'EVA, si introduce la sua applicazione nell'industria dei cavi e si illustrano le prospettive di sviluppo.
2. Proprietà strutturali
Durante la sintesi, modificando il rapporto del grado di polimerizzazione n/m è possibile ottenere un contenuto di VA dal 5 al 90% di EVA; aumentando il grado di polimerizzazione totale è possibile ottenere un peso molecolare dell'EVA da decine di migliaia a centinaia di migliaia; un contenuto di VA inferiore al 40%, dovuto alla presenza di cristallizzazione parziale e scarsa elasticità, è comunemente noto come plastica EVA; quando il contenuto di VA è superiore al 40%, si ottiene un elastomero simile alla gomma senza cristallizzazione, comunemente noto come gomma EVM.
1. 2 Proprietà
La catena molecolare dell'EVA ha una struttura lineare satura, quindi presenta una buona resistenza all'invecchiamento termico, agli agenti atmosferici e all'ozono.
La catena principale della molecola di EVA non contiene doppi legami, anelli benzenici, gruppi acilici, amminici o altri gruppi che producono fumo durante la combustione; anche le catene laterali non contengono gruppi metilici, fenilici, cianici o altri gruppi che producono fumo durante la combustione. Inoltre, la molecola stessa non contiene elementi alogeni, quindi è particolarmente adatta come base per combustibili resistivi a bassa emissione di fumo e privi di alogeni.
Le grandi dimensioni del gruppo vinilacetato (VA) nella catena laterale dell'EVA e la sua polarità media fanno sì che esso inibisca la tendenza alla cristallizzazione dello scheletro vinilico e si leghi bene ai riempitivi minerali, creando così le condizioni per combustibili barriera ad alte prestazioni. Ciò è particolarmente vero per i resist a bassa emissione di fumo e privi di alogeni, poiché è necessario aggiungere ritardanti di fiamma con un contenuto in volume superiore al 50% [ad esempio Al(OH)₃, Mg(OH)₂, ecc.] per soddisfare i requisiti degli standard per i cavi in termini di resistenza alla fiamma. L'EVA con un contenuto di VA da medio ad alto viene utilizzato come base per produrre combustibili ritardanti di fiamma a bassa emissione di fumo e privi di alogeni con proprietà eccellenti.
Poiché il gruppo vinilacetato (VA) della catena laterale dell'EVA è polare, maggiore è il contenuto di VA, più polare è il polimero e migliore è la sua resistenza agli oli. La resistenza agli oli richiesta dall'industria dei cavi si riferisce principalmente alla capacità di resistere a oli minerali non polari o debolmente polari. Secondo il principio di compatibilità simile, l'EVA con un alto contenuto di VA viene utilizzato come materiale di base per produrre una barriera per carburanti a bassa emissione di fumo e priva di alogeni con una buona resistenza agli oli.
Le molecole di EVA nell'atomo di H dell'alfa-olefina sono più attive, nei radicali perossidici o nell'effetto di radiazione elettronica ad alta energia è facile prendere la reazione di reticolazione H, diventando plastica o gomma reticolata, può realizzare materiali speciali per fili e cavi con requisiti prestazionali esigenti.
L'aggiunta del gruppo vinilacetato fa sì che la temperatura di fusione dell'EVA si abbassi significativamente, e il numero di catene laterali corte di VA può aumentare la fluidità dell'EVA. Pertanto, le sue prestazioni di estrusione sono molto migliori rispetto alla struttura molecolare del polietilene simile, diventando il materiale di base preferito per materiali di schermatura semiconduttivi e barriere per carburanti alogeni e non alogeni.
2 Vantaggi del prodotto
2.1 Rapporto costo-prestazioni estremamente elevato
Le proprietà fisiche e meccaniche dell'EVA, la resistenza al calore, agli agenti atmosferici, all'ozono e le proprietà elettriche sono eccellenti. Selezionando il grado appropriato, è possibile realizzare cavi speciali resistenti al calore, ignifughi e anche a oli e solventi.
Il materiale termoplastico EVA è utilizzato principalmente con un contenuto di VA dal 15% al 46% e un indice di fluidità da 0,5 a 4. L'EVA è prodotto da numerosi produttori e marchi, offrendo un'ampia gamma di opzioni, prezzi moderati e un'offerta adeguata. Gli utenti possono facilmente consultare la sezione EVA del sito web per visualizzare a colpo d'occhio marca, caratteristiche, prezzo e luogo di consegna, e scegliere con facilità.
L'EVA è un polimero poliolefinico che, per morbidezza e prestazioni, è simile al polietilene (PE) e al cloruro di polivinile (PVC), materiale utilizzato per i cavi. Tuttavia, un'analisi più approfondita rivela una superiorità insostituibile tra l'EVA e i due materiali sopra menzionati.
2.2 eccellenti prestazioni di elaborazione
L'EVA, nelle applicazioni per cavi, è stato inizialmente utilizzato come materiale di schermatura interna ed esterna per cavi di media e alta tensione, per poi estendersi alle barriere per combustibili privi di alogeni. Dal punto di vista della lavorazione, questi due tipi di materiale sono considerati "materiali ad alto contenuto di riempitivo": il materiale di schermatura, a causa della necessità di aggiungere una grande quantità di nerofumo conduttivo, ne aumenta la viscosità e ne riduce drasticamente la fluidità; il combustibile ignifugo privo di alogeni, a sua volta, richiede l'aggiunta di una grande quantità di ritardanti di fiamma privi di alogeni, con conseguente aumento della viscosità e riduzione della fluidità. La soluzione consiste nel trovare un polimero in grado di incorporare grandi quantità di riempitivo, ma che al contempo presenti una bassa viscosità di fusione e una buona fluidità. Per questo motivo, l'EVA è la scelta preferita.
La viscosità di fusione dell'EVA con la temperatura di processo di estrusione e la velocità di taglio aumenterà rapidamente, l'utente deve solo regolare la temperatura dell'estrusore e la velocità della vite per ottenere prodotti di fili e cavi dalle prestazioni eccellenti. Un gran numero di applicazioni nazionali ed estere dimostrano che, per il materiale a basso contenuto di alogeni e ad alto riempimento, poiché la viscosità è troppo elevata, l'indice di fusione è troppo basso, quindi è necessario utilizzare solo l'estrusione con vite a basso rapporto di compressione (rapporto di compressione inferiore a 1,3) per garantire una buona qualità di estrusione. I materiali EVM a base di gomma con agenti vulcanizzanti possono essere estrusi sia su estrusori per gomma che su estrusori per uso generale. Il successivo processo di vulcanizzazione (reticolazione) può essere effettuato mediante reticolazione termochimica (perossido) o mediante reticolazione mediante irradiazione con acceleratore di elettroni.
2. 3 Facile da modificare e adattare
Fili e cavi sono ovunque, dal cielo alla terra, dalle montagne al mare. Anche le esigenze degli utilizzatori di fili e cavi sono varie e complesse; sebbene la struttura di fili e cavi sia simile, le differenze prestazionali si riflettono principalmente nei materiali di isolamento e di rivestimento della guaina.
Finora, sia in patria che all'estero, il PVC morbido rappresenta ancora la stragrande maggioranza dei materiali polimerici utilizzati nell'industria dei cavi. Tuttavia, con la crescente consapevolezza della protezione ambientale e dello sviluppo sostenibile.
L'utilizzo dei materiali in PVC è stato fortemente limitato e gli scienziati stanno facendo tutto il possibile per trovare materiali alternativi, tra cui il più promettente è l'EVA.
L'EVA può essere miscelato con una varietà di polimeri, ma anche con diverse polveri minerali e coadiuvanti di processo compatibili. I prodotti miscelati possono essere trasformati in plastica termoplastica per cavi in plastica, ma anche in gomma reticolata per cavi in gomma. I progettisti di formulazioni possono basarsi sui requisiti dell'utente (o standard), utilizzando l'EVA come materiale di base, per far sì che le prestazioni del materiale soddisfino i requisiti.
3 Campo di applicazione EVA
3.1 Utilizzato come materiale di schermatura semiconduttore per cavi di alimentazione ad alta tensione
Come tutti sappiamo, il materiale principale del materiale di schermatura è il nerofumo conduttivo. Aggiungere una grande quantità di nerofumo al materiale di base in plastica o gomma comprometterebbe seriamente la fluidità del materiale di schermatura e la regolarità dell'estrusione. Per prevenire le scariche parziali nei cavi ad alta tensione, le schermature interne ed esterne devono essere sottili, lucide, brillanti e uniformi. Rispetto ad altri polimeri, l'EVA può raggiungere questo obiettivo più facilmente. Il motivo è che il processo di estrusione dell'EVA è particolarmente efficiente, ha una buona fluidità e non è soggetto al fenomeno della rottura per fusione. Il materiale di schermatura si divide in due categorie: quello che avvolge il conduttore all'esterno, chiamato schermatura interna, è costituito dal materiale di schermatura interna; quello che avvolge l'isolamento all'esterno, chiamato schermatura esterna, è costituito dal materiale di schermatura esterna. Il materiale di schermatura interna è per lo più termoplastico e spesso è a base di EVA con un contenuto di VA dal 18% al 28%; il materiale di schermatura esterna è per lo più reticolato e removibile e spesso è a base di EVA con un contenuto di VA dal 40% al 46%.
3. 2 Combustibili termoplastici e reticolati ignifughi
Le poliolefine termoplastiche ignifughe sono ampiamente utilizzate nell'industria dei cavi, principalmente per soddisfare i requisiti di resistenza agli alogeni o di assenza di alogeni dei cavi marini, dei cavi di alimentazione e delle linee di costruzione di alta qualità. Le loro temperature di esercizio a lungo termine variano da 70 a 90 °C.
Per i cavi di alimentazione a media e alta tensione da 10 kV in su, che presentano requisiti di prestazioni elettriche molto elevati, le proprietà ignifughe sono principalmente affidate alla guaina esterna. In alcuni edifici o progetti con particolari esigenze ambientali, i cavi devono possedere caratteristiche quali bassa emissione di fumo, assenza di alogeni, bassa tossicità o bassa emissione di fumo e basso contenuto di alogeni; in questi casi, le poliolefine termoplastiche ignifughe rappresentano una soluzione valida.
Per alcuni scopi speciali, il diametro esterno non è grande, resistenza alla temperatura tra 105 ~ 150 ℃ tra il cavo speciale, più materiale poliolefinico ignifugo reticolato, il suo reticolamento può essere selezionato dal produttore del cavo in base alle proprie condizioni di produzione, sia il tradizionale vapore ad alta pressione o bagno di sale ad alta temperatura, ma è disponibile anche il metodo di reticolazione mediante irradiazione a temperatura ambiente con acceleratore di elettroni. La sua temperatura di lavoro a lungo termine è divisa in tre file 105 ℃, 125 ℃, 150 ℃, l'impianto di produzione può realizzare in base ai diversi requisiti degli utenti o standard, barriera al combustibile senza alogeni o contenente alogeni.
È risaputo che le poliolefine sono polimeri non polari o debolmente polari. Essendo simili agli oli minerali in termini di polarità, le poliolefine sono generalmente considerate meno resistenti agli oli secondo il principio di compatibilità simile. Tuttavia, molti standard per cavi, sia nazionali che internazionali, prevedono che le resistenze reticolate debbano avere una buona resistenza a oli, solventi e persino a sospensioni oleose, acidi e alcali. Questa è una sfida per i ricercatori nel campo dei materiali; sia in Cina che all'estero, questi materiali esigenti sono stati sviluppati a partire dal materiale base EVA.
3.3 Materiale barriera all'ossigeno
I cavi multipolari a trefoli presentano numerosi spazi vuoti tra i conduttori che devono essere riempiti per garantire un aspetto arrotondato del cavo, se il materiale di riempimento all'interno della guaina esterna è costituito da una barriera al combustibile priva di alogeni. Questo strato di riempimento agisce da barriera alla fiamma (ossigeno) quando il cavo brucia ed è quindi noto nel settore come "barriera all'ossigeno".
I requisiti fondamentali per un materiale barriera all'ossigeno sono: buone proprietà di estrusione, buona resistenza alla fiamma senza alogeni (indice di ossigeno generalmente superiore a 40) e basso costo.
Questa barriera all'ossigeno è ampiamente utilizzata nell'industria dei cavi da oltre un decennio e ha portato a significativi miglioramenti nella resistenza alla fiamma dei cavi. La barriera all'ossigeno può essere utilizzata sia per cavi ignifughi senza alogeni che per cavi ignifughi senza alogeni (ad esempio in PVC). Numerosi test hanno dimostrato che i cavi con una barriera all'ossigeno hanno maggiori probabilità di superare i test di combustione verticale singola e di combustione di fasci di cavi.
Dal punto di vista della formulazione del materiale, questo materiale barriera all'ossigeno è in realtà un "riempitivo ultra-elevato", perché per soddisfare il basso costo, è necessario utilizzare un alto riempitivo, per ottenere un alto indice di ossigeno è necessario aggiungere anche un'alta proporzione (da 2 a 3 volte) di Mg(OH)₂ o Al(OH)₃, e per una buona estrusione è necessario scegliere EVA come materiale di base.
3. 4 Materiale di rivestimento in PE modificato
I materiali di rivestimento in polietilene sono soggetti a due problemi: in primo luogo, tendono a rompersi per fusione (effetto "pelle di squalo") durante l'estrusione; in secondo luogo, sono soggetti a fessurazioni da stress ambientale. La soluzione più semplice è aggiungere una certa proporzione di EVA alla formulazione. L'EVA modificato, utilizzato principalmente con un basso contenuto di VA, ha un indice di fusione compreso tra 1 e 2.
4. Prospettive di sviluppo
(1) L'EVA è stato ampiamente utilizzato nell'industria dei cavi, con una crescita annua graduale e costante. In particolare, nell'ultimo decennio, a causa dell'importanza della protezione ambientale, la resistenza ai carburanti a base di EVA ha avuto un rapido sviluppo e ha parzialmente sostituito la tendenza dei materiali per cavi a base di PVC. Il suo eccellente rapporto costo-prestazioni e le eccellenti prestazioni del processo di estrusione sono difficili da sostituire con qualsiasi altro materiale.
(2) Il consumo annuo di resina EVA dell'industria dei cavi si avvicina alle 100.000 tonnellate, la scelta delle varietà di resina EVA, il contenuto di VA da basso ad alto verrà utilizzato, unitamente alla dimensione delle imprese di granulazione del materiale per cavi non è grande, la distribuzione in ogni impresa ogni anno solo di migliaia di tonnellate di resina EVA in aumento e in diminuzione, e quindi non sarà l'attenzione delle grandi imprese dell'industria EVA. Ad esempio, la maggior parte del materiale di base ignifugo senza alogeni, la scelta principale è la resina EVA VA/MI = 28/2 ~ 3 (come l'EVA 265# della DuPont statunitense). E questo grado di specifica di EVA finora non esiste un produttore nazionale che produca e fornisca. Per non parlare del contenuto di VA superiore a 28 e dell'indice di fusione inferiore a 3 di altre resine EVA prodotte e fornite.
(3) Le aziende straniere producono EVA perché non ci sono concorrenti nazionali e il prezzo è rimasto a lungo elevato, sopprimendo seriamente l'entusiasmo della produzione degli impianti di cavi nazionali. Oltre il 50% del contenuto di VA dell'EVM di tipo gommoso è dominato da aziende straniere e il prezzo è simile al contenuto di VA del marchio 2 o 3 volte. Tali prezzi elevati, a loro volta, influenzano anche la quantità di questo EVM di tipo gommoso, quindi l'industria dei cavi chiede ai produttori nazionali di EVA di migliorare il tasso di produzione nazionale di EVA. Più produzione dell'industria è stato un grande utilizzo di resina EVA.
(4) Facendo affidamento sull'onda della protezione ambientale nell'era della globalizzazione, l'EVA è considerato dall'industria dei cavi il miglior materiale di base per la resistenza ai carburanti ecocompatibili. L'uso dell'EVA sta crescendo a un tasso del 15% all'anno e le prospettive sono molto promettenti. La quantità e il tasso di crescita dei materiali di schermatura e la produzione di cavi di alimentazione di media e alta tensione e il tasso di crescita, circa tra l'8% e il 10%; le resistenze in poliolefine stanno crescendo rapidamente, negli ultimi anni sono rimaste tra il 15% e il 20% e nei prossimi 5-10 anni prevedibili, potrebbero anche mantenere questo tasso di crescita.
Data di pubblicazione: 31 luglio 2022