Resumo: O princípio de reticulação, a classificação, a formulação, o processo e o equipamento do material isolante de polietileno reticulado com silano para fios e cabos são brevemente descritos, e algumas características do material isolante de polietileno reticulado naturalmente com silano em aplicação e uso, bem como fatores que afetam a condição de reticulação do material são introduzidos.
Palavras-chave: Reticulação de silano; Reticulação natural; Polietileno; Isolamento; Fios e cabos
O material para cabos de polietileno reticulado com silano é amplamente utilizado na indústria de fios e cabos como material isolante para cabos de baixa tensão. O material utilizado na fabricação de fios e cabos reticulados, bem como na reticulação por peróxido e reticulação por irradiação, é simples, fácil de operar, apresenta baixo custo abrangente e outras vantagens, tornando-se o principal material para cabos reticulados de baixa tensão com isolamento.
1. Princípio de reticulação do material do cabo reticulado com silano
Existem dois processos principais envolvidos na produção de polietileno reticulado com silano: enxerto e reticulação. No processo de enxerto, o polímero perde seu átomo de hidrogênio no átomo de carbono terciário sob a ação de um iniciador livre e pirólise em radicais livres, que reagem com o grupo –CH = CH₂ do silano vinílico para produzir um polímero enxertado contendo um grupo éster trioxissilílico. No processo de reticulação, o polímero enxertado é primeiramente hidrolisado na presença de água para produzir silanol, e o –OH condensa com o grupo Si-OH adjacente para formar a ligação Si-O-Si, reticulando assim as macromoléculas do polímero.
2.Material de cabo reticulado com silano e seu método de produção de cabo
Como você sabe, existem métodos de produção de duas etapas e de uma etapa para cabos reticulados com silano e seus respectivos cabos. A diferença entre o método de duas etapas e o método de uma etapa reside no local onde o processo de enxerto de silano é realizado: no método de duas etapas, o processo de enxerto é realizado no fabricante do material do cabo; no método de uma etapa, o processo de enxerto é realizado na fábrica de cabos. O material isolante de polietileno reticulado com silano de duas etapas com a maior participação de mercado é composto pelos chamados materiais A e B, sendo o material A o polietileno enxertado com silano e o material B o lote mestre do catalisador. O núcleo isolante é então reticulado em água morna ou vapor.
Existe outro tipo de isolante de polietileno reticulado com silano de duas etapas, onde o material A é produzido de uma maneira diferente, introduzindo silano vinílico diretamente no polietileno durante a síntese para obter polietileno com cadeias ramificadas de silano.
O método de uma etapa também possui dois tipos: o processo tradicional de uma etapa consiste em uma variedade de matérias-primas, de acordo com a fórmula, na proporção de um sistema de dosagem de precisão especial, em uma extrusora especialmente projetada, em uma única etapa para concluir a enxertia e a extrusão do núcleo de isolamento do cabo. Neste processo, sem granulação, sem necessidade de participação da fábrica de materiais para cabos, a fábrica de cabos realiza a tarefa sozinha. Este equipamento de produção de cabos reticulados com silano de uma etapa e a tecnologia de formulação são, em sua maioria, importados do exterior e são caros.
Outro tipo de material isolante de polietileno reticulado com silano de uma etapa é produzido por fabricantes de materiais para cabos. Todas as matérias-primas são misturadas de acordo com a fórmula, embaladas e vendidas por um método especial. Não há material A e material B, e a planta de cabos pode ser diretamente na extrusora para concluir uma etapa simultaneamente, enxertando e extrudando o núcleo de isolamento do cabo. A característica única deste método é que não há necessidade de extrusoras especiais caras, pois o processo de enxerto de silano pode ser concluído em uma extrusora de PVC comum, e o método de duas etapas elimina a necessidade de misturar os materiais A e B antes da extrusão.
3. Composição da formulação
A formulação do material do cabo de polietileno reticulado com silano é geralmente composta de resina de material base, iniciador, silano, antioxidante, inibidor de polimerização, catalisador, etc.
(1) A resina base é geralmente uma resina de polietileno de baixa densidade (PEBD) com índice de fusão (IM) de 2, mas recentemente, com o desenvolvimento da tecnologia de resinas sintéticas e as pressões de custo, o polietileno linear de baixa densidade (PEBDL) também tem sido usado, ou parcialmente usado, como resina base para este material. Diferentes resinas frequentemente têm um impacto significativo na enxerto e reticulação devido às diferenças em sua estrutura macromolecular interna, portanto, a formulação será modificada pelo uso de diferentes resinas base ou do mesmo tipo de resina de diferentes fabricantes.
(2) O iniciador comumente utilizado é o peróxido de diisopropil (DCP). A chave é entender a quantidade do problema: pouco para causar enxerto de silano não é suficiente; muito para causar reticulação de polietileno, o que reduz sua fluidez, tornando a superfície do núcleo isolante extrudado áspera e difícil de comprimir. Como a quantidade de iniciador adicionada é muito pequena e sensível, é importante dispersá-la uniformemente, por isso geralmente é adicionada junto com o silano.
(3) O silano é geralmente utilizado como silano vinílico insaturado, incluindo vinil trimetoxissilano (A2171) e vinil trietoxissilano (A2151), devido à rápida taxa de hidrólise do A2171, o que faz com que mais pessoas optem por ele. Da mesma forma, há um problema com a adição de silano; os atuais fabricantes de materiais para cabos estão tentando atingir seu limite inferior para reduzir custos, pois o silano é importado e, portanto, o preço é mais caro.
(4) O antioxidante garante a estabilidade do processamento do polietileno e o antienvelhecimento do cabo. O antioxidante adicionado ao processo de enxerto de silano tem a função de inibir a reação de enxerto. Portanto, durante o processo de enxerto, é necessário ter cuidado ao adicionar antioxidante e considerar a quantidade de DCP para corresponder à seleção. No processo de reticulação em duas etapas, a maior parte do antioxidante pode ser adicionada ao lote mestre do catalisador, o que pode reduzir o impacto no processo de enxerto. No processo de reticulação em uma etapa, o antioxidante está presente em todo o processo de enxerto, portanto, a escolha da espécie e da quantidade é mais importante. Os antioxidantes comumente utilizados são 1010, 168, 330, etc.
(5) O inibidor de polimerização é adicionado para inibir alguns processos de enxerto e reticulação de reações colaterais que ocorrem, no processo de enxerto para adicionar um agente anti-reticulação, pode efetivamente reduzir a ocorrência de reticulação C2C, melhorando assim a fluidez do processamento, além disso, a adição de um enxerto nas mesmas condições será precedida pela hidrólise do silano no inibidor de polimerização que pode reduzir a hidrólise do polietileno enxertado, para melhorar a estabilidade a longo prazo do material de enxerto.
(6) Os catalisadores são frequentemente derivados organoestânicos (exceto para reticulação natural), sendo o mais comum o dilaurato de dibutilestanho (DBDTL), que geralmente é adicionado na forma de um masterbatch. No processo de duas etapas, o enxerto (material A) e o masterbatch do catalisador (material B) são embalados separadamente, e os materiais A e B são misturados antes de serem adicionados à extrusora para evitar a pré-reticulação do material A. No caso de isolamentos de polietileno reticulado com silano em uma etapa, o polietileno na embalagem ainda não foi enxertado, portanto, não há problema de pré-reticulação e, portanto, o catalisador não precisa ser embalado separadamente.
Além disso, há silanos compostos disponíveis no mercado, que são uma combinação de silano, iniciador, antioxidante, alguns lubrificantes e agentes anticobre, e são geralmente usados em métodos de reticulação de silano de uma etapa em plantas de cabos.
Portanto, a formulação do isolamento de polietileno reticulado com silano, cuja composição não é considerada muito complexa e está disponível nas informações relevantes, mas as formulações de produção apropriadas, sujeitas a alguns ajustes para serem finalizadas, exigem uma compreensão completa do papel dos componentes na formulação e da lei de seu impacto no desempenho e sua influência mútua.
Nas muitas variedades de materiais de cabos, o material de cabo reticulado com silano (de duas etapas ou de uma etapa) é considerado a única variedade de processos químicos que ocorrem na extrusão; outras variedades, como o material de cabo de cloreto de polivinila (PVC) e o material de cabo de polietileno (PE), o processo de granulação por extrusão é um processo de mistura física, mesmo que o material de cabo de reticulação química e reticulação por irradiação, seja no processo de granulação por extrusão ou no sistema de extrusão de cabo, não haja nenhum processo químico, portanto, em comparação, a produção de material de cabo reticulado com silano e a extrusão de isolamento de cabo, o controle do processo é mais importante.
4. Processo de produção de isolamento de polietileno reticulado com silano em duas etapas
O processo de produção do material isolante de polietileno reticulado com silano de duas etapas A pode ser brevemente representado pela Figura 1.
Figura 1 Processo de produção de material isolante de polietileno reticulado com silano de duas etapas A
Alguns pontos-chave no processo de produção de isolamento de polietileno reticulado com silano de duas etapas:
(1) Secagem. Como a resina de polietileno contém uma pequena quantidade de água, quando extrudada em altas temperaturas, a água reage rapidamente com os grupos silil, produzindo reticulação, o que reduz a fluidez da massa fundida e produz pré-reticulação. O material acabado também contém água após o resfriamento, que também pode causar pré-reticulação se não for removida, e deve ser seco. Para garantir a qualidade da secagem, utiliza-se uma unidade de secagem profunda.
(2) Dosagem. Como a precisão da formulação do material é importante, geralmente é utilizada uma balança de pesagem por perda de peso importada. A resina de polietileno e o antioxidante são medidos e alimentados pela porta de alimentação da extrusora, enquanto o silano e o iniciador são injetados por uma bomba de material líquido no segundo ou terceiro cilindro da extrusora.
(3) Enxertia por extrusão. O processo de enxerto do silano é concluído na extrusora. As configurações do processo da extrusora, incluindo temperatura, combinação de parafusos, velocidade do parafuso e taxa de alimentação, devem seguir o princípio de que o material na primeira seção da extrusora pode ser totalmente fundido e misturado uniformemente, quando a decomposição prematura do peróxido não é desejada, e que o material totalmente uniforme na segunda seção da extrusora deve ser totalmente decomposto e o processo de enxerto concluído. As temperaturas típicas da seção da extrusora (LDPE) são mostradas na Tabela 1.
Tabela 1 Temperaturas das zonas da extrusora de duas etapas
| Zona de trabalho | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 ① | Zona 4 | Zona 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Zona de trabalho | Zona 6 | Zona 7 | Zona 8 | Zona 9 | Morre a boca |
| Temperatura °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①é onde o silano é adicionado.
A velocidade da rosca extrusora determina o tempo de residência e o efeito de mistura do material na extrusora. Se o tempo de residência for curto, a decomposição do peróxido será incompleta; se for muito longo, a viscosidade do material extrudado aumentará. Em geral, o tempo médio de residência do grânulo na extrusora deve ser controlado na meia-vida de decomposição do iniciador de 5 a 10 vezes. A velocidade de alimentação não só tem um certo impacto no tempo de residência do material, mas também na mistura e cisalhamento do material. Escolher uma velocidade de alimentação adequada também é muito importante.
(4) Embalagem. O material isolante reticulado com silano de duas etapas deve ser embalado em sacos compostos de alumínio e plástico, expostos ao ar livre para eliminar a umidade.
5. Processo de produção de material isolante de polietileno reticulado com silano em uma etapa
O material isolante de polietileno reticulado com silano de uma etapa, devido ao seu processo de enxerto, é utilizado na extrusão do núcleo do isolamento do cabo na fábrica de cabos, de modo que a temperatura de extrusão do isolamento do cabo é significativamente maior do que a do método de duas etapas. Embora a fórmula do isolamento de polietileno reticulado com silano de uma etapa tenha sido totalmente considerada na rápida dispersão do iniciador e do cisalhamento do material, o processo de enxerto deve ser garantido pela temperatura. A fábrica de produção de isolamento de polietileno reticulado com silano de uma etapa enfatizou repetidamente a importância da escolha correta da temperatura de extrusão. A temperatura de extrusão geral recomendada é mostrada na Tabela 2.
Tabela 2 Temperatura da extrusora de uma etapa de cada zona (unidade: ℃)
| Zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Flange | Cabeça |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Esta é uma das fraquezas do processo de polietileno reticulado com silano de uma etapa, que geralmente não é necessário ao extrudar cabos em duas etapas.
6. Equipamentos de produção
O equipamento de produção é uma garantia importante do controle do processo. A produção de cabos reticulados de silano exige um alto grau de precisão no controle do processo, portanto, a escolha do equipamento de produção é particularmente importante.
A produção de material isolante de polietileno reticulado com silano de duas etapas. Um equipamento de produção de material, atualmente mais extrusora dupla-rosca paralela isotrópica doméstica com pesagem sem peso importada, tais dispositivos podem atender aos requisitos de precisão de controle de processo, a escolha do comprimento e diâmetro da extrusora dupla-rosca para garantir o tempo de residência do material, e a escolha da pesagem sem peso importada para garantir a precisão dos ingredientes. É claro que há muitos detalhes do equipamento que precisam de total atenção.
Como mencionado anteriormente, o equipamento de produção de cabos reticulados de silano de uma etapa na planta de cabos é importado, caro, os fabricantes de equipamentos nacionais não têm equipamentos de produção semelhantes, o motivo é a falta de cooperação entre os fabricantes de equipamentos e pesquisadores de fórmulas e processos.
7. Material isolante de polietileno reticulado natural de silano
O material isolante de polietileno reticulado natural com silano, desenvolvido nos últimos anos, pode ser reticulado em condições naturais em poucos dias, sem vapor ou imersão em água morna. Comparado ao método tradicional de reticulação com silano, este material pode simplificar o processo de produção para os fabricantes de cabos, reduzindo ainda mais os custos de produção e aumentando a eficiência da produção. O isolamento de polietileno reticulado natural com silano é cada vez mais reconhecido e utilizado pelos fabricantes de cabos.
Nos últimos anos, o isolamento doméstico de polietileno reticulado natural de silano amadureceu e tem sido produzido em grandes quantidades, com certas vantagens de preço em comparação aos materiais importados.
7.1 Ideias de formulação para isolamentos de polietileno reticulado naturalmente com silano
Os isolantes de polietileno reticulado natural com silano são produzidos em um processo de duas etapas, com a mesma formulação composta por resina base, iniciador, silano, antioxidante, inibidor de polimerização e catalisador. A formulação dos isoladores de polietileno reticulado natural com silano baseia-se no aumento da taxa de enxerto de silano do material A e na seleção de um catalisador mais eficiente do que os isoladores de polietileno reticulado com silano em água morna. O uso de materiais A com maior taxa de enxerto de silano, combinado com um catalisador mais eficiente, permitirá que o isolador de polietileno reticulado com silano reticule rapidamente, mesmo em baixas temperaturas e com umidade insuficiente.
Os materiais A para isoladores de polietileno reticulado naturalmente com silano importado são sintetizados por copolimerização, onde o teor de silano pode ser controlado em alto nível, enquanto a produção de materiais A com altas taxas de enxerto por enxerto de silano é difícil. A resina base, o iniciador e o silano utilizados na formulação devem ser variados e ajustados em termos de variedade e adição.
A seleção do resiste e o ajuste de sua dosagem também são cruciais, visto que um aumento na taxa de enxerto do silano inevitavelmente leva a mais reações colaterais de reticulação CC. Para melhorar a fluidez do processamento e a condição da superfície do material A para a extrusão subsequente do cabo, é necessária uma quantidade adequada de inibidor de polimerização para inibir eficazmente a reticulação CC e a pré-reticulação prévia.
Além disso, os catalisadores desempenham um papel importante no aumento da taxa de reticulação e devem ser selecionados como catalisadores eficientes que contenham elementos livres de metais de transição.
7.2 Tempo de reticulação de isolamentos de polietileno reticulado naturalmente com silano
O tempo necessário para completar a reticulação do isolamento de polietileno reticulado natural de silano em seu estado natural depende da temperatura, umidade e espessura da camada de isolamento. Quanto mais altas a temperatura e a umidade, mais fina a espessura da camada de isolamento, menor o tempo de reticulação necessário e, inversamente, maior o tempo de reticulação. Como a temperatura e a umidade variam de região para região e de estação para estação, mesmo no mesmo local e ao mesmo tempo, a temperatura e a umidade hoje e amanhã serão diferentes. Portanto, durante o uso do material, o usuário deve determinar o tempo de reticulação de acordo com a temperatura e umidade locais e predominantes, bem como as especificações do cabo e a espessura da camada de isolamento.
Data de publicação: 13/08/2022