Riassunto: Vengono brevemente descritti il principio di reticolazione, la classificazione, la formulazione, il processo e le attrezzature per la produzione di materiale isolante in polietilene reticolato con silano per fili e cavi, e vengono inoltre presentate alcune caratteristiche del materiale isolante in polietilene reticolato naturalmente con silano in termini di applicazione e utilizzo, nonché i fattori che influenzano le condizioni di reticolazione del materiale.
Parole chiave: Reticolazione con silano; Reticolazione naturale; Polietilene; Isolamento; Fili e cavi
Il polietilene reticolato con silano è ormai ampiamente utilizzato nell'industria dei cavi e dei fili come materiale isolante per cavi di alimentazione a bassa tensione. Grazie ai suoi vantaggi, tra cui la semplicità, la facilità d'uso e i bassi costi complessivi, il materiale per la produzione di cavi e fili reticolati, ottenuto tramite reticolazione con perossido o irradiazione, è diventato il materiale di punta per i cavi a bassa tensione reticolati con isolamento.
1. Principio di reticolazione del materiale del cavo reticolato con silano
Nella produzione di polietilene reticolato con silano sono coinvolti due processi principali: l'innesto e la reticolazione. Nel processo di innesto, il polimero perde il suo atomo di idrogeno sull'atomo di carbonio terziario per azione di un iniziatore libero e pirolisi, generando radicali liberi che reagiscono con il gruppo –CH=CH2 del vinilsilano per produrre un polimero innestato contenente un gruppo estere triossisililico. Nel processo di reticolazione, il polimero innestato viene prima idrolizzato in presenza di acqua per produrre silanolo, e il gruppo –OH si condensa con il gruppo Si-OH adiacente per formare il legame Si-O-Si, reticolando così le macromolecole del polimero.
2. Materiale per cavi reticolati con silano e relativo metodo di produzione dei cavi
Come sapete, esistono metodi di produzione a due fasi e a una fase per i cavi reticolati con silano. La differenza tra il metodo a due fasi e quello a una fase risiede nel luogo in cui viene eseguito il processo di innesto del silano: nel metodo a due fasi, l'innesto viene effettuato presso il produttore del materiale per cavi, mentre nel metodo a una fase viene eseguito nello stabilimento di produzione dei cavi. Il materiale isolante in polietilene reticolato con silano a due fasi con la maggiore quota di mercato è composto dai cosiddetti materiali A e B, dove il materiale A è il polietilene innestato con silano e il materiale B è il masterbatch del catalizzatore. L'anima isolante viene quindi reticolata in acqua calda o vapore.
Esiste un altro tipo di isolante in polietilene reticolato con silano in due fasi, in cui il materiale A viene prodotto in modo diverso, introducendo il vinilsilano direttamente nel polietilene durante la sintesi per ottenere polietilene con catene ramificate di silano.
Il metodo a un solo passaggio presenta due tipologie. Il processo tradizionale prevede l'utilizzo di diverse materie prime, dosate con precisione secondo una formula specifica, in un estrusore appositamente progettato, per completare in un unico passaggio l'innesto e l'estrusione dell'anima isolante del cavo. In questo processo, non è necessaria la granulazione né l'intervento di un impianto di produzione di materiali per cavi, in quanto la fabbrica di cavi può completare l'intero processo autonomamente. Le attrezzature e la tecnologia di produzione di cavi reticolati con silano in un unico passaggio sono per lo più importate dall'estero e risultano costose.
Un altro tipo di materiale isolante in polietilene reticolato con silano in un'unica fase, prodotto dai produttori di materiali per cavi, consiste nella miscelazione di tutte le materie prime secondo una formula specifica, in un determinato rapporto, con un metodo speciale. Il materiale viene quindi confezionato e venduto. Non essendoci materiali A e B, l'impianto di produzione di cavi può procedere direttamente all'estrusione, completando contemporaneamente l'innesto e l'estrusione dell'anima isolante del cavo. La caratteristica unica di questo metodo è che non sono necessari costosi estrusori speciali, poiché il processo di innesto con silano può essere completato in un normale estrusore per PVC, e il metodo in due fasi elimina la necessità di miscelare i materiali A e B prima dell'estrusione.
3. Composizione della formulazione
La formulazione del materiale per cavi in polietilene reticolato con silano è generalmente composta da resina di base, iniziatore, silano, antiossidante, inibitore di polimerizzazione, catalizzatore, ecc.
(1) La resina di base è generalmente una resina di polietilene a bassa densità (LDPE) con un indice di fusione (MI) pari a 2, ma recentemente, con lo sviluppo della tecnologia delle resine sintetiche e le pressioni sui costi, anche il polietilene lineare a bassa densità (LLDPE) è stato utilizzato o parzialmente utilizzato come resina di base per questo materiale. Resine diverse hanno spesso un impatto significativo sull'innesto e sulla reticolazione a causa delle differenze nella loro struttura macromolecolare interna, quindi la formulazione verrà modificata utilizzando resine di base diverse o lo stesso tipo di resina di diversi produttori.
(2) L'iniziatore comunemente usato è il perossido di diisopropile (DCP), la chiave è capire la quantità del problema, troppo poco per causare un innesto di silano insufficiente; troppo per causare la reticolazione del polietilene, che ne riduce la fluidità, la superficie del nucleo isolante estruso è ruvida, il sistema è difficile da spremere. Poiché la quantità di iniziatore aggiunta è molto piccola e sensibile, è importante disperderla uniformemente, quindi viene generalmente aggiunta insieme al silano.
(3) Il silano è generalmente vinil insaturo, compreso il vinil trimetossisilano (A2171) e il vinil trietossisilano (A2151), a causa della rapida velocità di idrolisi dell'A2171, quindi l'A2171 è scelto dalla maggior parte delle persone. Allo stesso modo, c'è un problema nell'aggiunta di silano, gli attuali produttori di materiale per cavi stanno cercando di raggiungere il suo limite inferiore per ridurre i costi, poiché il silano è importato, il prezzo è più elevato.
(4) L'antiossidante serve a garantire la stabilità della lavorazione del polietilene e dell'anti-invecchiamento del cavo e, aggiunto, l'antiossidante nel processo di innesto del silano ha il ruolo di inibire la reazione di innesto, quindi il processo di innesto, l'aggiunta di antiossidante deve essere eseguita con attenzione, la quantità aggiunta deve considerare la quantità di DCP per abbinare la selezione. Nel processo di reticolazione in due fasi, la maggior parte dell'antiossidante può essere aggiunta nel masterbatch del catalizzatore, il che può ridurre l'impatto sul processo di innesto. Nel processo di reticolazione in una fase, l'antiossidante è presente nell'intero processo di innesto, quindi la scelta della specie e della quantità è più importante. Gli antiossidanti comunemente usati sono 1010, 168, 330, ecc.
(5) L'inibitore di polimerizzazione viene aggiunto per inibire alcune reazioni collaterali del processo di innesto e reticolazione, nel processo di innesto l'aggiunta di un agente anti-reticolazione può ridurre efficacemente il verificarsi della reticolazione C2C, migliorando così la fluidità del processo, inoltre, l'aggiunta di un innesto nelle stesse condizioni sarà preceduta dall'idrolisi del silano sull'inibitore di polimerizzazione può ridurre l'idrolisi del polietilene innestato, per migliorare la stabilità a lungo termine del materiale di innesto.
(6) I catalizzatori sono spesso derivati organostannici (tranne che per la reticolazione naturale), il più comune dei quali è il dilaurato di dibutilstagno (DBDTL), che viene generalmente aggiunto sotto forma di masterbatch. Nel processo a due fasi, l'innesto (materiale A) e il masterbatch del catalizzatore (materiale B) vengono confezionati separatamente e i materiali A e B vengono miscelati insieme prima di essere aggiunti all'estrusore per impedire la pre-reticolazione del materiale A. Nel caso di isolanti in polietilene reticolato con silano in un'unica fase, il polietilene nella confezione non è ancora stato innestato, quindi non vi è alcun problema di pre-reticolazione e pertanto il catalizzatore non necessita di essere confezionato separatamente.
Inoltre, sul mercato sono disponibili silani composti, che sono una combinazione di silano, iniziatore, antiossidante, alcuni lubrificanti e agenti anti-rame, e sono generalmente utilizzati nei metodi di reticolazione con silano in un'unica fase negli impianti di produzione di cavi.
Pertanto, la formulazione dell'isolamento in polietilene reticolato con silano, la cui composizione non è considerata molto complessa ed è disponibile nelle informazioni pertinenti, ma le opportune formulazioni di produzione, soggette ad alcuni aggiustamenti per la finalizzazione, richiedono una piena comprensione del ruolo dei componenti nella formulazione e della legge del loro impatto sulle prestazioni e della loro reciproca influenza.
Tra le numerose varietà di materiali per cavi, il materiale reticolato con silano (sia a due che a una fase) è considerato l'unica varietà in cui i processi chimici avvengono durante l'estrusione. Altre varietà, come il materiale per cavi in cloruro di polivinile (PVC) e in polietilene (PE), prevedono un processo di granulazione per estrusione che è un processo di miscelazione fisica. Anche nel caso di materiali per cavi reticolati chimicamente o mediante irradiazione, sia nel processo di granulazione per estrusione che nel sistema di estrusione del cavo, non si verificano processi chimici. Pertanto, in confronto, il controllo del processo di produzione del materiale per cavi reticolato con silano e dell'isolamento per cavi mediante estrusione è di fondamentale importanza.
4. Processo di produzione di isolante in polietilene reticolato con silano in due fasi
Il processo di produzione del materiale isolante A in polietilene reticolato con silano in due fasi può essere brevemente rappresentato nella Figura 1.
Figura 1 Processo di produzione del materiale isolante in polietilene reticolato con silano in due fasi A
Alcuni punti chiave del processo di produzione dell'isolante in polietilene reticolato con silano in due fasi:
(1) Essiccazione. Poiché la resina di polietilene contiene una piccola quantità di acqua, quando estrusa ad alte temperature, l'acqua reagisce rapidamente con i gruppi sililici producendo reticolazione, che riduce la fluidità del fuso e produce pre-reticolazione. Anche il materiale finito contiene acqua dopo il raffreddamento ad acqua, che può causare pre-reticolazione se non rimossa e deve essere anch'essa essiccata. Per garantire la qualità dell'essiccazione, viene utilizzata un'unità di essiccazione profonda.
(2) Dosaggio. Poiché l'accuratezza della formulazione del materiale è importante, si utilizza generalmente una bilancia a perdita di peso importata. La resina di polietilene e l'antiossidante vengono dosati e alimentati attraverso la porta di alimentazione dell'estrusore, mentre il silano e l'iniziatore vengono iniettati da una pompa per materiali liquidi nel secondo o terzo cilindro dell'estrusore.
(3) Innesto per estrusione. Il processo di innesto del silano viene completato nell'estrusore. Le impostazioni del processo dell'estrusore, inclusi temperatura, combinazione delle viti, velocità delle viti e velocità di alimentazione, devono seguire il principio che il materiale nella prima sezione dell'estrusore possa essere completamente fuso e miscelato uniformemente, quando non si desidera una decomposizione prematura del perossido, e che il materiale completamente uniforme nella seconda sezione dell'estrusore debba essere completamente decomposto e il processo di innesto completato. Le temperature tipiche delle sezioni dell'estrusore (LDPE) sono mostrate nella Tabella 1.
Tabella 1 Temperature delle zone dell'estrusore a due stadi
| Zona di lavoro | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 ① | Zona 4 | Zona 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Zona di lavoro | Zona 6 | Zona 7 | Zona 8 | Zona 9 | Morso della bocca |
| Temperatura °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
① è il punto in cui viene aggiunto il silano.
La velocità della vite dell'estrusore determina il tempo di permanenza e l'effetto di miscelazione del materiale all'interno dell'estrusore. Se il tempo di permanenza è breve, la decomposizione del perossido è incompleta; se il tempo di permanenza è troppo lungo, la viscosità del materiale estruso aumenta. In generale, il tempo di permanenza medio del granulato nell'estrusore dovrebbe essere controllato in modo da essere pari a 5-10 volte il tempo di dimezzamento della decomposizione dell'iniziatore. La velocità di alimentazione non solo ha un certo impatto sul tempo di permanenza del materiale, ma anche sulla miscelazione e sul taglio del materiale stesso; la scelta di una velocità di alimentazione appropriata è quindi molto importante.
(4) Imballaggio. Il materiale isolante reticolato con silano in due fasi deve essere imballato in sacchetti compositi alluminio-plastica in aria diretta per eliminare l'umidità.
5. Processo di produzione in un'unica fase del materiale isolante in polietilene reticolato con silano
Il materiale isolante in polietilene reticolato con silano in un'unica fase, a causa del suo processo di innesto, viene estruso direttamente nello stabilimento di produzione dei cavi, pertanto la temperatura di estrusione dell'isolamento del cavo è significativamente più elevata rispetto al metodo a due fasi. Sebbene la formula dell'isolamento in polietilene reticolato con silano in un'unica fase tenga pienamente conto della rapida dispersione dell'iniziatore e del silano e del taglio del materiale, il processo di innesto deve essere garantito dalla temperatura, motivo per cui l'impianto di produzione di isolamento in polietilene reticolato con silano in un'unica fase ha ripetutamente sottolineato l'importanza della corretta scelta della temperatura di estrusione; la temperatura di estrusione generalmente raccomandata è mostrata nella Tabella 2.
Tabella 2 Temperatura dell'estrusore in un'unica fase per ciascuna zona (unità: ℃)
| Zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Flangia | Testa |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Questo è uno dei punti deboli del processo di reticolazione del polietilene con silano in un'unica fase, che generalmente non è necessario quando si estrudono i cavi in due fasi.
6. Attrezzature di produzione
Le apparecchiature di produzione rappresentano una garanzia fondamentale per il controllo del processo. La produzione di cavi reticolati con silano richiede un grado di precisione molto elevato nel controllo del processo, pertanto la scelta delle apparecchiature di produzione è di particolare importanza.
La produzione di materiale isolante in polietilene reticolato con silano a due fasi richiede un'attrezzatura di produzione del materiale, attualmente la maggior parte delle attrezzature nazionali è costituita da estrusori bivite paralleli isotropi con sistema di pesatura senza peso importato. Tali dispositivi possono soddisfare i requisiti di precisione del controllo del processo, la scelta della lunghezza e del diametro dell'estrusore bivite per garantire il tempo di permanenza del materiale, la scelta del sistema di pesatura senza peso importato per garantire la precisione degli ingredienti. Naturalmente, ci sono molti dettagli dell'attrezzatura che richiedono la massima attenzione.
Come accennato in precedenza, le apparecchiature per la produzione di cavi reticolati con silano in un'unica fase presenti nello stabilimento di produzione di cavi sono importate, costose e i produttori nazionali non dispongono di apparecchiature di produzione simili, a causa della mancanza di collaborazione tra i produttori di apparecchiature e i ricercatori di formule e processi.
7. Materiale isolante in polietilene reticolato naturale silano
Il materiale isolante in polietilene reticolato naturalmente con silano, sviluppato negli ultimi anni, può essere reticolato in condizioni naturali in pochi giorni, senza vapore o immersione in acqua calda. Rispetto al tradizionale metodo di reticolazione con silano, questo materiale consente ai produttori di cavi di ridurre i tempi di produzione, diminuendo ulteriormente i costi e aumentando l'efficienza produttiva. L'isolamento in polietilene reticolato naturalmente con silano è sempre più apprezzato e utilizzato dai produttori di cavi.
Negli ultimi anni, l'isolamento in polietilene reticolato naturale silanico di produzione nazionale si è consolidato e viene prodotto in grandi quantità, offrendo alcuni vantaggi in termini di prezzo rispetto ai materiali importati.
7.1 Idee di formulazione per isolanti in polietilene reticolato naturalmente con silano
Gli isolanti in polietilene reticolato naturale con silano vengono prodotti con un processo in due fasi, utilizzando la stessa formulazione composta da resina base, iniziatore, silano, antiossidante, inibitore di polimerizzazione e catalizzatore. La formulazione degli isolanti in polietilene reticolato naturale con silano si basa sull'aumento del tasso di innesto del silano nel materiale A e sulla selezione di un catalizzatore più efficiente rispetto agli isolanti in polietilene reticolato con silano in acqua calda. L'utilizzo di materiali A con un tasso di innesto del silano più elevato, combinato con un catalizzatore più efficiente, consentirà all'isolante in polietilene reticolato con silano di reticolare rapidamente anche a basse temperature e con umidità insufficiente.
I materiali A per gli isolatori in polietilene reticolato naturalmente con silano importati vengono sintetizzati mediante copolimerizzazione, dove il contenuto di silano può essere controllato ad un livello elevato, mentre la produzione di materiali A con elevati tassi di innesto tramite innesto di silano è difficile. La resina di base, l'iniziatore e il silano utilizzati nella ricetta devono essere variati e regolati in termini di varietà e aggiunta.
Anche la selezione del resist e la regolazione del suo dosaggio sono cruciali, poiché un aumento del tasso di innesto del silano porta inevitabilmente a un maggior numero di reazioni collaterali di reticolazione CC. Al fine di migliorare la fluidità di lavorazione e le condizioni superficiali del materiale A per la successiva estrusione del cavo, è necessaria una quantità adeguata di inibitore di polimerizzazione per inibire efficacemente la reticolazione CC e la pre-reticolazione preliminare.
Inoltre, i catalizzatori svolgono un ruolo importante nell'aumentare la velocità di reticolazione e dovrebbero essere selezionati come catalizzatori efficienti contenenti elementi privi di metalli di transizione.
7. 2 Tempo di reticolazione degli isolanti in polietilene reticolato naturalmente con silano
Il tempo necessario per completare la reticolazione dell'isolamento in polietilene reticolato naturale con silano, allo stato naturale, dipende dalla temperatura, dall'umidità e dallo spessore dello strato isolante. Maggiore è la temperatura e l'umidità, minore è lo spessore dello strato isolante e minore sarà il tempo di reticolazione richiesto; viceversa, maggiore sarà il tempo necessario. Poiché la temperatura e l'umidità variano da regione a regione e da stagione a stagione, anche nello stesso luogo e nello stesso momento, la temperatura e l'umidità di oggi e di domani saranno diverse. Pertanto, durante l'utilizzo del materiale, l'utente deve determinare il tempo di reticolazione in base alla temperatura e all'umidità locali e prevalenti, nonché alle specifiche del cavo e allo spessore dello strato isolante.
Data di pubblicazione: 13 agosto 2022