1. Uvod
EVA je okrajšava za etilen vinil acetatni kopolimer, poliolefinski polimer. Zaradi nizke temperature taljenja, dobre tekočnosti, polarnosti in nehalogenskih elementov je združljiv z različnimi polimeri in mineralnimi praški. Ima številne mehanske in fizikalne lastnosti, električne lastnosti in zmogljivost obdelave ter ni visoka cena, zato je ponudba na trgu zadostna, zato se lahko uporablja tako kot izolacijski material za kable kot tudi kot polnilo in material za plašč; lahko se izdela v termoplastičnem materialu in termoreaktivnem zamreženem materialu.
EVA se lahko uporablja za široko paleto uporabe, z zaviralci gorenja pa se lahko uporablja kot nizkodimna ali brezhalogenska zaščita za gorivo; če izberete EVA z visoko vsebnostjo VA kot osnovni material, se lahko uporabi tudi kot material, odporen proti olju; če izberete EVA z zmernim talilnim indeksom, dodajte 2- do 3-krat več polnila z zaviralci gorenja EVA, kar lahko izboljša učinkovitost ekstruzijskega procesa in ceno materiala za bolj uravnoteženo kisikovo zaščito (polnilo).
V tem članku so predstavljene strukturne lastnosti EVA, uvedba njene uporabe v kabelski industriji in razvojne možnosti.
2. Strukturne lastnosti
Pri sintezi lahko spreminjanje razmerja stopnje polimerizacije n/m povzroči vsebnost VA od 5 do 90 % EVA; povečanje skupne stopnje polimerizacije lahko povzroči molekulsko maso od deset tisoč do sto tisoč EVA; vsebnost VA pod 40 % zaradi delne kristalizacije in slabe elastičnosti je splošno znana kot EVA plastika; ko je vsebnost VA večja od 40 %, je gumijast elastomer brez kristalizacije splošno znan kot EVM guma.
1. 2 Nepremičnine
Molekularna veriga EVA je linearna nasičena struktura, zato ima dobro odpornost na toplotno staranje, vremenske vplive in ozon.
Glavna veriga molekule EVA ne vsebuje dvojnih vezi, benzenskega obroča, acila, aminskih skupin in drugih skupin, ki se med gorenjem zlahka kadijo, stranske verige pa tudi ne vsebujejo metilnih, fenilnih, ciano in drugih skupin, ki se med gorenjem zlahka kadijo. Poleg tega sama molekula ne vsebuje halogenskih elementov, zato je še posebej primerna za nizkodimno uporovno gorivo brez halogenov.
Zaradi velike velikosti vinil acetatne (VA) skupine v stranski verigi EVA in njene srednje polarnosti zavira nagnjenost vinilne hrbtenice k kristalizaciji in se dobro veže z mineralnimi polnili, kar ustvarja pogoje za visokozmogljiva barierna goriva. To še posebej velja za nizkodimne in brezhalogenske uporovne materiale, saj je treba za izpolnjevanje zahtev standardov za kable glede negorljivosti dodati zaviralce gorenja z več kot 50 % prostornine [npr. Al(OH)3, Mg(OH)2 itd.]. EVA s srednjo do visoko vsebnostjo VA se uporablja kot osnova za proizvodnjo nizkodimnih in brezhalogenskih goriv, ki zavirajo gorenje in imajo odlične lastnosti.
Ker je stranska veriga vinil acetatne skupine (VA) EVA polarna, višja kot je vsebnost VA, bolj je polimer polaren in boljša je njegova odpornost na olje. Odpornost na olje, ki jo zahteva kabelska industrija, se večinoma nanaša na sposobnost odpornosti na nepolarna ali šibko polarna mineralna olja. V skladu z načelom podobne združljivosti se EVA z visoko vsebnostjo VA uporablja kot osnovni material za izdelavo nizkodimne in brezhalogenske pregrade za gorivo z dobro odpornostjo na olje.
Molekule EVA v delovanju alfa-olefinskih atomov vodika so bolj aktivne, v peroksidnih radikalih ali visokoenergijskem elektronskem sevanju pa je enostavno sprejeti reakcijo zamreženja vodika, ki postane zamrežena plastika ali guma, in lahko izpolnjuje zahteve glede delovanja posebnih žic in kabelskih materialov.
Dodatek vinil acetatne skupine znatno zniža temperaturo taline EVA, število kratkih stranskih verig VA pa lahko poveča tečnost EVA. Zato je njegova ekstruzijska zmogljivost veliko boljša od molekularne strukture podobnega polietilena, zaradi česar je postal prednostni osnovni material za polprevodniške zaščitne materiale ter halogenske in brezhalogenske gorivne pregrade.
2 Prednosti izdelka
2. 1 Izjemno visoka stroškovna učinkovitost
EVA ima zelo dobre fizikalne in mehanske lastnosti, toplotno odpornost, odpornost na vremenske vplive, odpornost na ozon in električne lastnosti. Z izbiro ustreznega razreda je mogoče izdelati material, ki je odporen na toploto in ognjevarnost, pa tudi na olje in topila.
Termoplastični material EVA se večinoma uporablja z vsebnostjo VA od 15 % do 46 %, s talilnim indeksom od 0,5 do 4 stopnje. EVA ima veliko proizvajalcev, veliko blagovnih znamk, široko paleto možnosti, zmerne cene, zadostno ponudbo, uporabniki morajo le odpreti razdelek EVA na spletni strani, blagovna znamka, zmogljivost, cena, lokacija dostave na prvi pogled, lahko izberete, zelo priročno.
EVA je poliolefinski polimer, ki se primerja z mehkobo in uporabnostjo ter polietilenskim (PE) materialom in mehkim polivinilkloridom (PVC) kablom, kar je podobno. Toda nadaljnje raziskave bodo pokazale, da sta EVA in zgornji dve vrsti materiala v primerjavi z njo nezamenljivo superiorni.
2. 2 odlična zmogljivost obdelave
EVA se v kabelski uporabi uporablja od zaščitnega materiala za srednje- in visokonapetostne kable znotraj in zunaj, kasneje pa se je razširil na brezhalogensko gorilno pregrado. Ti dve vrsti materiala se z vidika obdelave štejeta za "visoko polnjeni material": zaščitni material zaradi potrebe po dodajanju velike količine prevodnega saj, kar poveča njegovo viskoznost, se likvidnost močno zmanjša; brezhalogensko gorilno gorivo, ki ne vsebuje halogenov, pa zaradi potrebe po dodajanju velike količine brezhalogenskih zaviralcev gorenja tudi viskoznost brezhalogenskega materiala močno poveča in likvidnost močno zmanjša. Rešitev je najti polimer, ki lahko sprejme velike odmerke polnila, hkrati pa ima nizko viskoznost taline in dobro tekočnost. Zato je EVA prednostna izbira.
Viskoznost taline EVA se bo s temperaturo ekstrudiranja in strižno hitrostjo hitro zmanjšala, uporabnik pa mora le prilagoditi temperaturo ekstruderja in hitrost vijaka, da doseže odlično delovanje žičnih in kabelskih izdelkov. Številne domače in tuje aplikacije kažejo, da je pri visoko polnjenih materialih brez halogenov z nizko stopnjo dimljenja indeks taline premajhen zaradi prevelike viskoznosti, zato se za zagotovitev dobre kakovosti ekstrudiranja uporablja le ekstrudiranje z vijakom z nizkim kompresijskim razmerjem (kompresijsko razmerje manjše od 1,3). Materiale EVM na osnovi gume z vulkanizacijskim sredstvom je mogoče ekstrudirati tako na gumijastih ekstruderjih kot na ekstruderjih za splošno uporabo. Nadaljnji postopek vulkanizacije (zamreženja) se lahko izvede s termokemičnim (peroksidnim) zamreženjem ali z zamreženjem z obsevanjem z elektronskim pospeševalnikom.
2. 3 Enostavno spreminjanje in prilagajanje
Žice in kabli so povsod, od neba do tal, od gora do morja. Tudi zahteve uporabnikov glede žic in kablov so različne in nenavadne, čeprav je struktura žic in kablov podobna, se razlike v njihovi zmogljivosti odražajo predvsem v izolacijskih in plaščnih materialih.
Do sedaj, tako doma kot v tujini, mehki PVC še vedno predstavlja veliko večino polimernih materialov, ki se uporabljajo v kabelski industriji. Vendar pa se z naraščajočo ozaveščenostjo o varstvu okolja in trajnostnem razvoju.
PVC materiali so bili močno omejeni, znanstveniki pa počnejo vse, kar je mogoče, da bi našli alternativne materiale za PVC, med katerimi je najbolj obetaven EVA.
EVA se lahko meša z različnimi polimeri, pa tudi z različnimi mineralnimi praški in združljivimi pomožnimi sredstvi za obdelavo. Zmešane izdelke je mogoče predelati v termoplastično plastiko za plastične kable, pa tudi v zamreženo gumo za gumijaste kable. Oblikovalci formul lahko EVA kot osnovni material uporabijo na podlagi zahtev uporabnika (ali standarda), da se doseže želena učinkovitost materiala.
3 Območje uporabe EVA
3. 1 Uporablja se kot polprevodniški zaščitni material za visokonapetostne napajalne kable
Kot vsi vemo, je glavni material zaščitnega materiala prevodni ogljikovi črni material. Dodatek velike količine ogljikovega črnega materiala v plastično ali gumijasto osnovno plast bo resno poslabšal fluidnost zaščitnega materiala in gladkost ekstrudiranja. Da bi preprečili delna praznjenja v visokonapetostnih kablih, morata biti notranji in zunanji ščit tanka, sijoča, svetla in enakomerna. V primerjavi z drugimi polimeri lahko EVA to stori lažje. Razlog za to je, da je postopek ekstrudiranja EVA še posebej dober, ima dober pretok in ni nagnjen k pojavu lomljenja taline. Zaščitni material je razdeljen v dve kategoriji: zunanji ovit v prevodnik, imenovan notranji ščit – z notranjim materialom zaslona; zunanji ovit v izolacijo, imenovano zunanji ščit – z zunanjim materialom zaslona; notranji material zaslona je večinoma termoplastičen. Notranji material zaslona je večinoma termoplastičen in pogosto temelji na EVA z vsebnostjo VA od 18 % do 28 %; zunanji material zaslona je večinoma zamrežen in se ga da luščiti ter pogosto temelji na EVA z vsebnostjo VA od 40 % do 46 %.
3. 2 Termoplastična in zamrežena goriva, ki zavirajo gorenje
Termoplastični poliolefin, ki zavira gorenje, se pogosto uporablja v kabelski industriji, predvsem za halogenske ali brezhalogenske zahteve za morske kable, energetske kable in visokokakovostne gradbene vode. Njihove dolgoročne obratovalne temperature se gibljejo od 70 do 90 °C.
Pri srednje- in visokonapetostnih kablih z napetostjo 10 kV in več, ki imajo zelo visoke zahteve glede električnih lastnosti, so lastnosti zaviranja gorenja predvsem posledica zunanjega plašča. V nekaterih okoljsko zahtevnih stavbah ali projektih morajo imeti kabli lastnosti z nizko vsebnostjo dima, brez halogenov, nizko toksičnostjo ali nizko vsebnostjo dima in nizko vsebnostjo halogenov, zato so termoplastični poliolefini, ki zavirajo gorenje, izvedljiva rešitev.
Za nekatere posebne namene zunanji premer ni velik, temperaturna odpornost med posebnim kablom in bolj zamreženim negorljivim poliolefinskim materialom je med 105 in 150 ℃. Proizvajalec kabla lahko izbere zamreženje glede na lastne proizvodne pogoje, tako s tradicionalno visokotlačno paro ali visokotemperaturno solno kopeljo kot tudi z obsevanjem v elektronskem pospeševalniku pri sobni temperaturi. Dolgoročna delovna temperatura je razdeljena na tri vrste: 105 ℃, 125 ℃ in 150 ℃. Proizvodni obrat se lahko izvede v skladu z različnimi zahtevami uporabnikov ali standardi, brez halogenov ali z gorivnimi pregradami, ki vsebujejo halogene.
Dobro je znano, da so poliolefini nepolarni ali šibko polarni polimeri. Ker so po polarnosti podobni mineralnemu olju, veljajo poliolefini večinoma za manj odporne na olje v skladu z načelom podobne združljivosti. Vendar pa številni kabelski standardi doma in v tujini določajo tudi, da morajo biti zamreženi upori dobro odporni tudi na olja, topila in celo na oljne brozge, kisline in alkalije. To je izziv za raziskovalce materialov, saj so bili ti zahtevni materiali razviti tako na Kitajskem kot v tujini, njihov osnovni material pa je EVA.
3. 3 Material za kisikovo pregrado
Večžilni kabli z več žilami imajo med žilami veliko praznin, ki jih je treba zapolniti, da se zagotovi zaobljen videz kabla, če je polnilo v zunanjem plašču izdelano iz gorivne pregrade brez halogenov. Ta polnilna plast deluje kot plamenska pregrada (kisik), ko kabel gori, zato je v industriji znana kot "kisikova pregrada".
Osnovne zahteve za material, ki preprečuje dostop kisika, so: dobre ekstruzijske lastnosti, dobra odpornost proti gorenju brez halogenov (indeks kisika je običajno nad 40) in nizki stroški.
Ta kisikova pregrada se v kabelski industriji pogosto uporablja že več kot desetletje in je privedla do znatnih izboljšav v ognjevarni odpornosti kablov. Kisikova pregrada se lahko uporablja tako za negorljive kable brez halogenov kot za negorljive kable brez halogenov (npr. PVC). Obsežna praksa je pokazala, da kabli s kisikovo pregrado pogosteje opravijo preizkuse enojnega navpičnega gorenja in snopov gorenja.
Z vidika formulacije materiala je ta material z zaporo za kisik pravzaprav "ultra visoko polnilo", saj je za doseganje nizkih stroškov potrebno uporabiti visoko polnilo, za doseganje visokega kisikovega indeksa pa je treba dodati tudi visok delež (2- do 3-krat) Mg(OH)2 ali Al(OH)3, za dobro ekstrudiranje pa je treba kot osnovni material izbrati EVA.
3. 4 Modificiran PE material za plašč
Polietilenski ovojni materiali so nagnjeni k dvema težavama: prvič, nagnjeni so k lomljenju taline (npr. "morski pes") med ekstrudiranjem, drugič pa so nagnjeni k razpokam zaradi okoljske napetosti. Najenostavnejša rešitev je, da se v formulacijo doda določen delež EVA. Če se uporablja kot modificiran EVA, večinoma z nizko vsebnostjo VA te vrste, je primeren njen talilni indeks med 1 in 2.
4. Razvojne možnosti
(1) EVA se pogosto uporablja v kabelski industriji, letna količina pa postopoma in enakomerno narašča. Še posebej v zadnjem desetletju se je zaradi pomena varstva okolja hitro razvijala odpornost na gorivo na osnovi EVA, ki je delno nadomestila trend kabelskih materialov na osnovi PVC. Zaradi odlične stroškovne učinkovitosti in odlične zmogljivosti ekstruzijskega postopka je težko nadomestiti kateri koli drug material.
(2) Letna poraba smole EVA v kabelski industriji je blizu 100.000 ton, izbira sort smole EVA pa se giblje od nizke do visoke vsebnosti VA. Velikost podjetja za granulacijo kabelskega materiala ni velika, zato se vsako podjetje letno porabi le nekaj tisoč ton smole EVA, zato industrija EVA ne bo pritegnila veliko pozornosti. Na primer, pri največji količini brezhalogenskega osnovnega materiala, ki zavira gorenje, se v glavnem izbira smole EVA z razmerjem VA/MI = 28/2 ~ 3 (na primer ameriška DuPontova EVA 265#). Te specifikacije EVA trenutno ni na voljo nobenemu domačemu proizvajalcu. Poleg tega ima vsebnost VA višjo od 28 in indeks taljenja manjši od 3 pri drugih proizvedenih in dobavljenih smolah EVA.
(3) Tuja podjetja proizvajajo EVA, ker nimajo domače konkurence, in cena je že dolgo visoka, kar resno zavira navdušenje domačih kabelskih obratov nad proizvodnjo. Več kot 50 % vsebnosti VA v EVM kavčuka predstavlja prevladujoča tuja podjetja, cena pa je 2- do 3-krat podobna vsebnosti VA znamke. Tako visoke cene pa vplivajo tudi na količino EVM kavčuka, zato kabelska industrija poziva domače proizvajalce EVA, naj izboljšajo domačo proizvodnjo EVA. Industrija se je v veliki meri osredotočila na uporabo smole EVA.
(4) Zaradi globalizacije in varstva okolja kabelska industrija meni, da je EVA najboljši osnovni material za okolju prijazno odpornost na goriva. Uporaba EVA narašča s 15-odstotno letno stopnjo, kar je zelo obetavno. Količina in stopnja rasti zaščitnih materialov ter proizvodnje in stopnje rasti srednje- in visokonapetostnih električnih kablov znašata približno 8 % do 10 %; odpornost na poliolefine hitro narašča, v zadnjih letih je ostala na ravni 15 % do 20 % in v naslednjih 5 do 10 letih se lahko ta stopnja rasti ohrani.
Čas objave: 31. julij 2022