1. Introdução
EVA é a abreviação de copolímero de etileno-acetato de vinila, um polímero poliolefínico. Devido à sua baixa temperatura de fusão, boa fluidez, polaridade e ausência de halogênios, além da compatibilidade com diversos polímeros e pós minerais, apresenta um equilíbrio entre propriedades mecânicas, físicas, elétricas e de processamento, e um preço acessível, com oferta de mercado suficiente. Assim, pode ser utilizado como material isolante para cabos, bem como enchimento e revestimento; pode ser transformado em material termoplástico e em material termofixo reticulado.
O EVA possui uma ampla gama de aplicações e, com retardantes de chama, pode ser transformado em um material com baixa emissão de fumaça, livre de halogênios ou com barreira contra halogênios; o uso de EVA com alto teor de VA como material base também permite a produção de material resistente a óleo; o uso de EVA com índice de fluidez moderado, com adição de 2 a 3 vezes a quantidade de retardantes de chama, resulta em um material com barreira de oxigênio (enchimento) que apresenta melhor desempenho e custo-benefício no processo de extrusão.
Neste artigo, abordaremos as propriedades estruturais do EVA, sua aplicação na indústria de cabos e as perspectivas de desenvolvimento.
2. Propriedades estruturais
Na síntese, a alteração da proporção do grau de polimerização n/m permite produzir EVA com teor de VA variando de 5 a 90%; o aumento do grau de polimerização total pode resultar em EVA com massa molecular de dezenas de milhares a centenas de milhares; teores de VA inferiores a 40%, devido à presença de cristalização parcial, apresentam baixa elasticidade, sendo comumente conhecidos como plástico EVA; quando o teor de VA é superior a 40%, obtém-se um elastômero com propriedades semelhantes à borracha, sem cristalização, comumente conhecido como borracha EVM.
1. 2 Propriedades
A cadeia molecular do EVA possui uma estrutura linear saturada, o que lhe confere boa resistência ao envelhecimento térmico, às intempéries e ao ozono.
A cadeia principal da molécula de EVA não contém ligações duplas, anel benzênico, grupos acila, grupos amina e outros grupos que produzem fumaça durante a combustão. As cadeias laterais também não contêm grupos metil, fenil, ciano e outros que produzem fumaça durante a combustão. Além disso, a própria molécula não contém elementos halogênios, sendo, portanto, particularmente adequada para bases de combustíveis resistivos isentos de halogênios e com baixa emissão de fumaça.
O grande tamanho do grupo acetato de vinila (VA) na cadeia lateral do EVA e sua polaridade média fazem com que ele iniba a tendência de cristalização da cadeia principal de vinil e se acople bem a cargas minerais, criando as condições para combustíveis de barreira de alto desempenho. Isso é particularmente verdadeiro para resistes de baixa emissão de fumaça e livres de halogênios, já que retardantes de chama com teor superior a 50% em volume [por exemplo, Al(OH)₃, Mg(OH)₂, etc.] devem ser adicionados para atender aos requisitos das normas de cabos para retardância à chama. O EVA com teor de VA de médio a alto é usado como base para produzir combustíveis retardantes de chama de baixa emissão de fumaça e livres de halogênios com excelentes propriedades.
Como o grupo acetato de vinila (VA) da cadeia lateral do EVA é polar, quanto maior o teor de VA, mais polar será o polímero e melhor será sua resistência a óleos. A resistência a óleos exigida pela indústria de cabos refere-se principalmente à capacidade de suportar óleos minerais não polares ou fracamente polares. De acordo com o princípio da similaridade de compatibilidade, o EVA com alto teor de VA é utilizado como material base para produzir uma barreira contra combustíveis com baixa emissão de fumaça e livre de halogênios, além de apresentar boa resistência a óleos.
As moléculas de EVA, na estrutura alfa-olefínica, apresentam maior atividade atômica, sendo suscetíveis à reação de reticulação por radicais peróxido ou radiação eletrônica de alta energia, resultando em plástico ou borracha reticulada. Dessa forma, podem ser produzidos materiais especiais para fios e cabos que atendem às exigências de alto desempenho.
A adição do grupo acetato de vinila reduz significativamente a temperatura de fusão do EVA, e o número de cadeias laterais curtas de VA aumenta a fluidez do material. Consequentemente, seu desempenho de extrusão é muito superior ao do polietileno de estrutura molecular similar, tornando-o o material base preferido para blindagem semicondutora e barreiras de combustível com e sem halogênios.
2 Vantagens do produto
2.1 Relação custo-benefício extremamente alta
As propriedades físicas e mecânicas do EVA, sua resistência ao calor, às intempéries e ao ozônio, além de suas propriedades elétricas, são excelentes. Selecionando a qualidade apropriada, é possível produzir materiais resistentes ao calor, retardantes de chamas e também resistentes a óleos e solventes, inclusive para cabos especiais.
O material termoplástico EVA é geralmente utilizado com um teor de VA de 15% a 46% e um índice de fluidez de 0,5 a 4. O EVA possui muitos fabricantes, diversas marcas, uma ampla gama de opções, preços moderados e disponibilidade adequada. Para que os usuários possam escolher, basta acessar a seção de EVA no site e visualizar, de forma rápida e prática, a marca, as características, o preço e o local de entrega.
O EVA é um polímero poliolefínico que, em termos de maciez e desempenho, é semelhante ao polietileno (PE) e ao PVC (policloreto de vinila) para cabos. No entanto, pesquisas mais aprofundadas revelam que o EVA supera insubstituivelmente os dois materiais mencionados.
2.2 excelente desempenho de processamento
O EVA, em aplicações para cabos, começou como material de blindagem interna e externa para cabos de média e alta tensão, e posteriormente foi estendido para barreiras de combustível livres de halogênio. Do ponto de vista do processamento, esses dois tipos de materiais são considerados "materiais com alta carga": o material de blindagem, devido à necessidade de adicionar uma grande quantidade de negro de carbono condutor, aumenta sua viscosidade e reduz drasticamente sua fluidez; já o material de combustível retardante de chama livre de halogênio requer a adição de uma grande quantidade de retardantes de chama livres de halogênio, o que também aumenta drasticamente sua viscosidade e reduz drasticamente sua fluidez. A solução é encontrar um polímero que possa acomodar grandes doses de carga, mas que também apresente baixa viscosidade de fusão e boa fluidez. Por esse motivo, o EVA é a escolha preferencial.
A viscosidade do EVA fundido diminui rapidamente com o aumento da temperatura de extrusão e da taxa de cisalhamento. O usuário precisa apenas ajustar a temperatura da extrusora e a velocidade da rosca para obter excelentes produtos de fios e cabos. Diversas aplicações nacionais e internacionais demonstram que, para materiais de baixa emissão de fumaça e livres de halogênios com alta carga, a viscosidade excessiva e o índice de fluidez muito baixo tornam necessária a extrusão com rosca de baixa taxa de compressão (inferior a 1,3) para garantir a qualidade do produto. Materiais de EVA à base de borracha com agentes vulcanizantes podem ser extrudados tanto em extrusoras de borracha quanto em extrusoras de uso geral. O processo subsequente de vulcanização (reticulação) pode ser realizado por reticulação termoquímica (com peróxido) ou por irradiação com acelerador de elétrons.
2.3 Fácil de modificar e adaptar
Fios e cabos estão por toda parte, do céu à terra, das montanhas ao mar. As necessidades dos usuários de fios e cabos também são variadas e peculiares, e embora a estrutura de fios e cabos seja semelhante, suas diferenças de desempenho se refletem principalmente nos materiais de isolamento e revestimento.
Até o momento, tanto no mercado interno quanto no externo, o PVC flexível ainda representa a grande maioria dos materiais poliméricos utilizados na indústria de cabos. No entanto, com a crescente conscientização sobre a proteção ambiental e o desenvolvimento sustentável.
Com a grande restrição ao uso de PVC, os cientistas estão fazendo todo o possível para encontrar materiais alternativos, sendo o EVA o mais promissor.
O EVA pode ser misturado com uma variedade de polímeros, bem como com diversos pós minerais e auxiliares de processamento compatíveis. Os produtos resultantes dessa mistura podem ser transformados em plástico termoplástico para cabos plásticos, assim como em borracha reticulada para cabos de borracha. Os projetistas de formulações podem basear-se nos requisitos do usuário (ou em normas), utilizando o EVA como material base, para que o desempenho do material atenda às exigências.
3 Faixa de aplicação do EVA
3.1 Utilizado como material de blindagem semicondutor para cabos de energia de alta tensão
Como todos sabemos, o principal material da blindagem é o negro de carbono condutor. Adicionar uma grande quantidade de negro de carbono a um material base de plástico ou borracha deteriora seriamente a fluidez da blindagem e a suavidade da extrusão. Para evitar descargas parciais em cabos de alta tensão, as blindagens interna e externa devem ser finas, brilhantes, uniformes e com bom acabamento. Comparado a outros polímeros, o EVA permite atingir esses requisitos com mais facilidade. Isso se deve ao excelente processo de extrusão do EVA, que proporciona boa fluidez e não é propenso a rupturas por fusão. O material de blindagem é dividido em duas categorias: blindagem interna, que envolve o condutor externamente; e blindagem externa, que envolve o isolante externamente. A blindagem interna é geralmente termoplástica e frequentemente à base de EVA com teor de VA de 18% a 28%. Já a blindagem externa é geralmente reticulada e removível, frequentemente à base de EVA com teor de VA de 40% a 46%.
3.2 Combustíveis termoplásticos e reticulados retardantes de chama
A poliolefina termoplástica retardante de chama é amplamente utilizada na indústria de cabos, principalmente para atender aos requisitos de ausência ou ausência de halogênios em cabos marítimos, cabos de energia e linhas de construção de alta qualidade. Suas temperaturas de operação contínua variam de 70 a 90 °C.
Para cabos de energia de média e alta tensão, de 10 kV ou mais, que possuem requisitos de desempenho elétrico muito elevados, as propriedades retardantes de chama são principalmente da camada externa. Em alguns edifícios ou projetos com exigências ambientais rigorosas, os cabos devem apresentar baixa emissão de fumaça, serem isentos de halogênios, terem baixa toxicidade ou baixa emissão de fumaça e baixo teor de halogênios, sendo, portanto, as poliolefinas termoplásticas retardantes de chama uma solução viável.
Para algumas aplicações específicas, o diâmetro externo não é grande, a resistência à temperatura entre 105 e 150 °C é um fator importante, sendo o cabo especial fabricado com material poliolefínico retardante de chamas e com maior grau de reticulação. O método de reticulação pode ser escolhido pelo fabricante do cabo de acordo com suas próprias condições de produção, podendo ser realizado tanto por vapor de alta pressão ou banho de sal em alta temperatura, quanto por irradiação em acelerador de elétrons à temperatura ambiente. A temperatura de operação contínua é dividida em três faixas: 105 °C, 125 °C e 150 °C. A fábrica pode produzir cabos com barreira de combustível livre de halogênios ou contendo halogênios, de acordo com as diferentes necessidades dos usuários ou normas vigentes.
É sabido que as poliolefinas são polímeros apolares ou fracamente polares. Por serem semelhantes ao óleo mineral em polaridade, as poliolefinas são geralmente consideradas menos resistentes a óleos, de acordo com o princípio da similaridade de polaridade. No entanto, muitas normas para cabos, tanto nacionais quanto internacionais, estipulam que os resistores reticulados também devem apresentar boa resistência a óleos, solventes e até mesmo a pastas oleosas, ácidos e álcalis. Isso representa um desafio para os pesquisadores de materiais, e atualmente, tanto na China quanto no exterior, materiais com essas exigências vêm sendo desenvolvidos, tendo o EVA como matéria-prima.
3.3 Material de barreira de oxigênio
Cabos multicondutores trançados possuem muitos espaços vazios entre os condutores que precisam ser preenchidos para garantir uma aparência arredondada do cabo, caso o material de preenchimento dentro da bainha externa seja uma barreira de combustível livre de halogênio. Essa camada de preenchimento atua como uma barreira contra chamas (oxigênio) quando o cabo queima e, portanto, é conhecida como "barreira de oxigênio" na indústria.
Os requisitos básicos para um material de barreira de oxigênio são: boas propriedades de extrusão, boa resistência à chama livre de halogênios (índice de oxigênio geralmente acima de 40) e baixo custo.
Essa barreira de oxigênio tem sido amplamente utilizada na indústria de cabos há mais de uma década e resultou em melhorias significativas na resistência à chama dos cabos. A barreira de oxigênio pode ser usada tanto em cabos com retardante de chama livre de halogênio quanto em cabos com retardante de chama livre de halogênio (como o PVC). Uma vasta experiência prática demonstrou que cabos com barreira de oxigênio têm maior probabilidade de passar em testes de queima vertical individual e em testes de queima de feixe.
Do ponto de vista da formulação do material, este material de barreira de oxigênio é na verdade "ultra alto enchimento", porque para atender ao baixo custo, é necessário usar um alto enchimento, para atingir um alto índice de oxigênio também deve adicionar uma alta proporção (2 a 3 vezes) de Mg(OH)2 ou Al(OH)3, e para extrudar bem e deve escolher EVA como material base.
3.4 Material de revestimento de PE modificado
Os materiais de revestimento de polietileno são propensos a dois problemas: primeiro, são suscetíveis à quebra por fusão (ou seja, ao efeito "pele de tubarão") durante a extrusão; segundo, são suscetíveis a fissuras por tensão ambiental. A solução mais simples é adicionar uma certa proporção de EVA à formulação. Utiliza-se EVA modificado, geralmente com baixo teor de VA, e seu índice de fluidez entre 1 e 2 é adequado.
4. Perspectivas de desenvolvimento
(1) O EVA tem sido amplamente utilizado na indústria de cabos, com um crescimento gradual e constante do volume anual. Especialmente na última década, devido à importância da proteção ambiental, a resistência a combustíveis à base de EVA tem apresentado rápido desenvolvimento, substituindo parcialmente a tendência de materiais para cabos à base de PVC. Seu excelente custo-benefício e excelente desempenho no processo de extrusão tornam difícil a substituição por qualquer outro material.
(2) O consumo anual de resina EVA na indústria de cabos se aproxima de 100.000 toneladas, e a escolha das variedades de resina EVA varia de acordo com o teor de VA, do mais baixo ao mais alto. Considerando que o tamanho das empresas de granulação de materiais para cabos não é grande, cada empresa produz apenas algumas centenas de toneladas de resina EVA por ano, o que impede que as grandes empresas do setor de EVA se destaquem. Por exemplo, a maior quantidade de material base retardante de chama livre de halogênio, a principal escolha para resina EVA é a VA/MI = 28/2 ~ 3 (como a EVA 265# da DuPont dos EUA). Até o momento, não há fabricantes nacionais produzindo e fornecendo EVA com essa especificação. Sem mencionar a produção e o fornecimento de outras resinas EVA com teor de VA superior a 28 e índice de fluidez inferior a 3.
(3) Devido à ausência de concorrentes nacionais, empresas estrangeiras produzem EVA e o preço, que já se encontra elevado há muito tempo, reprimindo seriamente o entusiasmo das fábricas de cabos nacionais pela produção. Mais de 50% do conteúdo de VA do EVM do tipo borracha é dominado por empresas estrangeiras, e o preço é de 2 a 3 vezes maior do que o de marcas com o mesmo teor de VA. Esses preços elevados, por sua vez, também afetam a quantidade desse EVM do tipo borracha, levando a indústria de cabos a solicitar aos fabricantes nacionais de EVA que aumentem a taxa de produção nacional de EVA. O aumento da produção industrial tem contribuído para o uso significativo de resina EVA.
(4) Aproveitando a onda de proteção ambiental na era da globalização, o EVA é considerado pela indústria de cabos como o melhor material base para resistência a combustíveis ecologicamente correta. O uso de EVA está crescendo a uma taxa de 15% ao ano e a perspectiva é muito promissora. A quantidade e a taxa de crescimento dos materiais de blindagem e da produção de cabos de energia de média e alta tensão estão entre 8% e 10%; as resistências de poliolefina estão crescendo rapidamente, mantendo-se nos últimos anos entre 15% e 20%, e nos próximos 5 a 10 anos, essa taxa de crescimento também poderá ser mantida.
Data da publicação: 31 de julho de 2022