Сшивание - преобразует линейные молекулы полиэтилена в трехмерную сетчатую структуру с помощью физических или химических методов, тем самым улучшая их механические и термические свойства. Существует два основных типа сшитой изоляции: физическая сшивка-и химическая сшивка-.
Физическая сшивка, также известная как сшивка облучением, обычно подходит для низковольтных кабелей с тонкой изоляцией.
Химическое сшивание-в основном делится на два типа: сшивание пероксидом-и сшивание прививкой силана-. Среди них пероксидная сшивка-используется для изоляции кабелей среднего и (сверх)высокого напряжения, тогда как силановая прививочная сшивка-обычно используется для обычных сшитых кабелей низкого напряжения-.
Процесс сшивки облучением-в основном подходит для производства специальных низко-сшитых-кабелей, таких как кабели ядерного класса, кабели для высоких рабочих температур (длительная-рабочая температура может достигать 150 градусов), сшитые-сшитые малодымные галогенные-неогнестойкие-провода и кабели и т. д. Из-за влияния технологии материалов и y-проникновение радиационного излучения, процесс сшивания облучением-не подходит для производства кабелей среднего и (сверх)высокого напряжения.
Технология УФ-сшивки — это еще одна новая технология сшивки, разработанная после химической сшивки и радиационной сшивки. Это технологическое инновационное достижение, разработанное независимо и имеющее независимые права интеллектуальной собственности в Китае. Принцип ультрафиолетовой сшивки заключается в использовании полиолефина в качестве основного сырья и добавлении соответствующего количества фотоинициатора. Облучая ультрафиолетовым светом, фотоинициатор поглощает определенные длины волн ультрафиолетового света, генерируя свободные радикалы полиолефина, которые затем подвергаются серии быстрых реакций полимеризации с образованием сшитых полиолефинов с трехмерной сетчатой структурой. Это открыло новый путь для производства сшитых кабелей и привело к производству сшитых кабелей низкого-напряжения. Нижеследующее в основном описывает химическую сшивку.
1. Пероксидная сшивка
Метод пероксидной сшивки представляет собой метод индукции сшивки путем добавления сшивающих агентов. В основном он подходит для изготовления силовых кабелей с -сшитой полиэтиленовой изоляцией с номинальным напряжением 10 кВ и выше и различной площадью поперечного- сечения.
(1) Сшивка паром (SCP)
Технология производства сшивки паром является старейшим методом сшивания, который произошел от технологии непрерывной вулканизации резины. В этом методе используется пар при определенном давлении и температуре в качестве среды для нагрева и повышения давления для сшивания полиэтилена. Сшивка паром была успешно исследована компанией GE в 1957 году, а японская компания Sumitomo Electric Company представила эту технологию в 1959 году и запустила в производство в 1960 году.
На ранней стадии в качестве среды использовался насыщенный пар, а давление и температура внутри сшивающей-трубки были напрямую связаны. Для повышения температуры пара необходимо было одновременно увеличить и давление пара. На каждые 10 градусов повышения температуры давление будет увеличиваться примерно на 5 кг, что затрудняет достижение достаточно высокой температуры и высокого энергопотребления; Позже был разработан метод повышения температуры пара путем нагревания сшитой стенки трубы (известный как перегретый пар, который не требует повышения давления для повышения температуры), в основном используемый в установках вулканизации резины. Из-за прямого контакта водяного пара и расплавленного полиэтилена внутри сшитой трубы влага будет проникать и диффундировать в изоляцию. В процессе охлаждения кабеля водяной пар внутри изоляции достигает насыщения и образует микропоры, которые могут спровоцировать ответвительные разряды после ввода в эксплуатацию. В этом фатальная слабость этого метода. Итак, начиная с 1960-х годов появились новые процессы сухой сшивки.
(2) Метод инфракрасной сшивки (RCP) и сухая сшивка.
Метод инфракрасной сшивки, также известный как метод сшивки тепловым излучением (RCP), представляет собой процесс сухой сшивки, изобретенный компанией Sumitomo Electric Company в Японии в 1967 году.
Метод сшивания полимеров инфракрасным излучением был запатентован еще в 1937 году компанией General Electric (GE) во Франции для вулканизации резиновых изделий. В 1961 году У. Р. Грейс из США получил патент на производство полиэтиленовой пленки методом инфракрасного облучения. Компания Sumitomo Electric в Японии была вдохновлена двумя вышеуказанными патентами и в июне 1966 года подала заявку на патент, в котором слой поперечно--сшитого полиэтилена, содержащего органический пероксидный сшивающий агент, был экструдирован на проводнике и нагрет излучением в инертном газе под давлением более 2 кг/см², чтобы вызвать реакцию поперечной-сшивки в полиэтилене. В апреле 1967 года компания Sumitomo Electric подала заявку на еще один патент, предложив, чтобы весь блок сшивки состоял из секции радиационного нагрева, секции охлаждения и секции водяного охлаждения. Секция радиационного нагрева разделена на две зоны, каждая из которых может независимо контролировать температуру. В ходе длительной-реакции поперечной-сшивки на внутренней стенке трубки поперечной-сшивки, которая представляет собой естественно сформированное черное тело, излучающее инфракрасное излучение, образуется слой черной грязи, осажденной перекисью. Благодаря технологическому прогрессу процесс RCP постепенно был заменен обычным процессом сухой сшивки с электрическим нагревом-. В настоящее время широко используются технология суспензионной сшивки и технология башенной сшивки VCV.
Детали нагрева и предварительного охлаждения защищены газообразным азотом. В нагревательной сшивающей трубке основная функция азота — действовать как теплопередающий уголь и защищать поверхность полиэтилена от окисления и разрушения при более высоких температурах. В то же время к изоляции прикладывается достаточное давление, чтобы предотвратить или свести к минимуму возникновение воздушных зазоров в процессе сшивания-. Поток азота также может уносить большое количество воды, испаренной из охлаждающей воды, а также воды и летучих веществ, разложившихся из пероксидов во время реакции поперечной -сшивки. Основная функция азота в секции предварительного охлаждения заключается в предварительном охлаждении поверхности изоляционной жилы кабеля, позволяя поверхности жилы попадать в секцию водяного охлаждения при более низкой температуре, тем самым предотвращая внутреннее напряжение изоляции, вызванное внезапным охлаждением жилы и влияющее на качество продукции. За счет использования электрического нагрева скорость производства можно увеличить за счет повышения температуры. В изоляции из сшитого полиэтилена содержание влаги при сухом методе сшивания-составляет всего 0,018 %, тогда как содержание влаги при методе сшивания паром достигает 0,29 %. Испытания показали, что прочность на разрыв при переменном токе и ударная прочность изоляции, полученной методом сухого сшивания- выше, чем у изоляции, полученной методом сшивания паром-.
Производственное оборудование для сухой сшивки-в основном включает два типа: подвесные-установки для сшивки и вертикальные башенные установки для сшивки-. В вертикальном башенном поперечно--связывающем блоке VCV используется метод вертикальной экструзии, который более способствует контролю эксцентриситета толстой изоляции.
(3) Долговечная перекрестная-сшивка плесени (MDCV).
Сшивка длинной формы была изобретена компанией Anaconda Wire and Cable Company в 1959 году и запатентована в том же году, известная как процесс MCP. Позже, из-за жесткой конкуренции в отрасли производства проводов и кабелей, компания вышла из конкурса по производству проводов и кабелей из сшитого полиэтилена, что помешало внедрению этого нового процесса на практике. В 1971 году компании Daihatsu Electric Wire and Cable Company и Mitsubishi Petrochemical Company совместно приобрели патенты у Anaconda Corporation, что позволило реализовать этот метод, известный как MDCVI Art. В 1973 году компания Daiichi Electric Wire and Cable Company подала заявку на патент на процесс MDCV. Первоначальное значение MDCV — «Метод непрерывного сшивания Mitsubishi Daiichi», а его техническое значение — метод процесса сшивания на длинной матрице.
В методе MDCV используется горизонтальная поперечно-трубка, которая устанавливается внутри головки экструдера. Длина экструзионной формы составляет 20 метров. При выдавливании изолированного сердечника провода в трубку заливается смазка, которая сшивает полиэтилен в этой форме.
Характеристики метода MDCV — низкие инвестиции в оборудование, небольшая занимаемая площадь, стабильное производство кабелей большого сечения, скорость производства, сравнимая с устройствами сшивки CCV, стабильное и надежное качество продукции. Напряженность поля пробоя переменного тока у кабелей, изготовленных с использованием этого процесса, на 60–70 % выше, чем у кабелей, сшитых паром. Однако, когда дело доходит до производства кабелей различных характеристик, необходимо заменять всю длинную опорную форму, а гибкость недостаточна, поэтому она не получила широкого распространения.
(4) Процесс сшивки расплавленной солью под давлением (PLCV)
Этот метод изначально был изобретен итальянской компанией Careillo. В августе 1976 года компания совместно с компанией General Engineering в Великобритании исследовала возможности использования силовых кабелей с -сшитой полиэтиленовой изоляцией. В 1977 году Джерард Смарт из Британской компании General Engineering опубликовал это достижение и продал первое оборудование британской компании BICC. Соль, используемая в системе PLCV, такая же, как и соль, используемая в методе вулканизации каучука LCM. Например, формула расплавленной соли представляет собой смесь неорганических солей, состоящую из 53% нитрата калия, 40% нитрита натрия и 7% нитрата натрия. Эта смесь плавится при температуре 145–150 градусов и остается стабильной до 540 градусов. Сшитая расплавленной солью труба-герметизирована. В процессе производства кабеля обычно применяется давление (3-4) атмосферы, а температура расплавленной соли составляет от 200 до 250 градусов. В секции охлаждения также используется метод под давлением. За счет высокого удельного веса расплавленной солевой смеси решается проблема протаскивания тяжелых кабелей. Принимая во внимание различные факторы, этот процесс применяется на производственной линии вулканизации резиновых рукавов и особенно подходит для производства тяжелых резиновых кабелей.
(5) Процесс сшивания силиконовым маслом (FZCV)
В 1979 году Садаеси Касима и другие сотрудники компании Fujikura Electric Wire Company в Японии изобрели процесс сшивания силиконовым маслом (FZCV), в котором силиконовое масло под давлением используется в качестве материала для нагрева и охлаждения угля. Под давлением силиконового масла кабель можно подвешивать в силиконовом масле без трения или эксцентриситета. Силиконовое масло можно переработать. В 1979 году компания Tengcang Electric Wire начала производство кабелей из сшитого полиэтилена напряжением 275 кВ- с использованием двух блоков FZCV, что эффективно решило техническую проблему высокого напряжения, связанную с кабелями из сшитого полиэтилена с большим -сечением-. Из-за высоких инвестиционных затрат он не получил широкого распространения и использования.
В описанных выше процессах химической сшивки-с учетом различных факторов подвесные-узлы сшивки и башенные сшивающие-установки широко использовались при производстве пластиковых силовых кабелей среднего и (сверх)высокого напряжения. Все вышеперечисленные способы сшивки являются методами сшивания внешним нагревом. В 1975 г. Г. Менгер из ФРГ предложил использовать нагрев проводника для сокращения времени сшивки. Он экспериментально доказал, что для каждой полиэтиленовой изоляции толщиной 1 миллиметр время сшивки составляет около 1 минуты. Следовательно, этого можно добиться только за счет замедления скорости проволоки или увеличения длины сшивающей трубки. Если ток силой 1000 ампер используется для повышения температуры проводника до 200 градусов, время сшивки сокращается на 20%. В настоящее время на многих предприятиях по производству поперечной-сшивки применяется технология предварительного нагрева проводников, которая эффективно повышает эффективность производства и улучшает качество изоляции.
2, силановая сшивка
Сшивка силаном, также известная как сшивка в теплой воде, была предложена и разработана компанией Dow Corning в 1960 году. Она также известна как метод Sioplas, который представляет собой процесс сшивки с прививкой силана. Это осуществляется в два этапа: прививка и экструзия, и называется двухэтапной силановой сшивкой. Первым шагом на заводе по производству изоляционных материалов является прививка и экструдирование силанового сшивающего агента на базовый материал в экструдере, а полученные частицы называются материалом А (прививочный материал). В то же время также предусмотрен исходный материал для катализатора и красителя, называемый материалом B. Второй шаг — смешать материалы A и B в определенном соотношении (например, соотношение A:B 95:5), экструдировать их на жилу кабеля с помощью обычного экструдера, а затем поместить их в ванну для поперечной-сшивки с горячей водой при температуре 80–95 градусов или в парилке для завершения поперечной-сшивки. Этот процесс имеет низкие инвестиционные затраты и может обрабатываться с использованием обычных экструдеров. Цена материала умеренная и широко используется.
Но есть и следующие недостатки:
(1) Привитой полиэтилен склонен к раннему образованию перекрестных-сшивок под воздействием влаги воздуха, что сокращает время хранения, которое обычно составляет шесть месяцев.
(2) Смесь привитого полиэтилена и маточной смеси катализатора обычно имеет срок хранения не более 3 часов, поэтому ее необходимо экструдировать при перемешивании.
(3) Из-за нескольких стадий смешивания двухэтапный-метод подвержен загрязнению и в основном используется при производстве изоляции для кабелей напряжением ниже 10 кВ.
Чтобы преодолеть ограничения Sioplas, в 1977 году BICC из Великобритании и Maillefer из Швейцарии совместно разработали одноэтапный процесс силановой сшивки, также известный как процесс Monosil, основанный на двухэтапном методе, изобретенном компанией Dow Corning. Он одновременно измеряет и смешивает материалы на основе полиэтилена, антиоксиданты и жидкий силан, сочетая реакцию прививки и процесс добавления катализатора, а также использует экструдер с соотношением длины к диаметру 30:1 для экструзии изоляции на жилу кабеля. Прививка и экструзия изоляционного слоя выполняются за один этап, поэтому его называют одноэтапным-методом. Он имеет самую низкую стоимость материала, снижает вероятность загрязнения примесями и может значительно увеличить срок хранения материалов. Однако этот процесс требует более крупных инвестиций в оборудование, чем двухэтапный метод, и требует системы подачи жидкого силана.
С развитием технологии материалов применение одноэтапной технологии силановой сшивки также может быть достигнуто путем предварительного равномерного смешивания материалов на основе полиэтилена, антиоксидантов и жидкого силана с помощью высокоскоростного-смесителя и помещения их в определенные условия, обеспечивающие полное проникновение добавленных антиоксидантов и жидкого силана. Затем можно использовать обычные экструдеры для прививки и экструзии за один раз. Во время процесса экструзии температура материала должна строго контролироваться, а требования к температуре материала должны быть высокими, чтобы обеспечить завершение прививки силана во время процесса экструзии. Экструдированную сердцевину изоляционного провода следует поместить в бассейн для сшивки с теплой водой или паровую баню для сшивки; Если температура материала в процессе экструзии слишком низкая и прививка не завершена, изоляция после экструзии не сможет сшиваться.
В 1980-х годах японская компания Lingclone разработала метод сополимеризации, основанный на преимуществах двух-и одно-методов. Метод сополимеризации также представляет собой силановый сополимер мономера этилен-триметоксисилана, но с другим процессом. Этот процесс не прививает органосилан к полимерным цепям, а вводит гидролизуемый силан в процессе полимеризации для получения легко обрабатываемого силанового сополимера. Метод включает сополимеризацию этилена с мономерами силанового сополимера в реакторе высокого- давления. Ключом к этому процессу является то, что выбранные мономеры сополимера должны содержать ненасыщенную группу, которая может реагировать с этиленом с образованием полимерных цепей. Структура сополимера этиленсилана и привитого соединения Сиопласа в основном одинакова.
Благодаря тому, что производство силановых сополимеров осуществляется в реакционном сосуде, это позволяет обеспечить высокую чистоту, а также избежать проблемы загрязнения остатками перекиси во время прививки. Основное преимущество силановых сополимеров состоит в том, что в ходе реакции полимеризации достигается регулярное распределение сшитой решетки за счет однократного-введения мономеров силанового сополимера, поэтому необходимое количество силана меньше, чем требуется для силаново-привитых соединений. Благодаря передовому и уникальному процессу сополимеризации производимый силановый сшитый полиэтилен имеет следующие преимущества:
(1) Хорошая стабильность при хранении, срок хранения обычно превышает один год, что лучше, чем у прививочных материалов.
(2) При обработке сшитого полиэтилена методом сополимеризации в него попадает очень мало свободных веществ и примесей, что улучшает изоляционные характеристики кабеля.
(3) Его можно экструдировать на обычном экструдере с хорошей стабильностью производственного процесса.
Впоследствии были последовательно разработаны твердофазный одноэтапный-процесс и силановый процесс затвердевания. Твердофазный одноэтапный-процесс включает проникновение и абсорбцию силана в материалы на основе полиэтилена через носители, такие как белый углерод. Процесс затвердевания силана направлен на улучшение способа подачи силана. Жидкий силан может быть адсорбирован на пористом полипропилене или полиэтиленовом пластике с образованием твердого силана. Оба процесса основаны на одно-методах.
С развитием технологии материалов, основанной на двухэтапной технологии силановой сшивки, был представлен силановый самосшитый полиэтиленовый изоляционный материал (также известный как силановый изоляционный материал из сшитого при комнатной температуре полиэтилена). Его принцип заключается в улучшении маточной смеси катализатора (материал B) путем добавления композитных водообразующих агентов и эффективных катализаторов. После смешивания прививочного материала (материал А) и каталитического материала (материал В) и их экструзии их, как правило, можно сшить после помещения в помещение на (2-7) дней (если температура окружающей среды высокая и время размещения короткое), без необходимости сшивки в бассейне для сшивки с теплой водой или паровой бане. Стоимость материала высока, но из-за удобства производства он также нашел свое применение в определенной степени.
Принимая во внимание характеристики различных процессов силановой сшивки, стоимость материалов и другие факторы, широко используются одноэтапная силановая сшивка и двух-этапная силановая сшивка. Среди них двухэтапный процесс силановой сшивки из-за завершения реакции прививки материала А требует низкой температуры экструзии для изоляции жил проводов, что способствует изменению спецификаций производства. Одноэтапный процесс силановой сшивки требует низкой стоимости материала, а прививку и экструзию можно выполнить за один проход. Требования к температуре экструзии высоки, и прививка не может быть завершена, если температура материала не соответствует требованиям. Экструдер настроен на высокую температуру, а частые остановки и изменения технических характеристик могут привести к образованию клинкера, что делает его пригодным для производства длинных кабельных сердечников.
