Поперечне зшивання - перетворює лінійні молекули поліетилену в три{1}}вимірну сітчасту структуру за допомогою фізичних або хімічних методів, таким чином покращуючи їхні механічні та термічні властивості. Існує два основних типи перехресно-зшитої ізоляції: фізичне перехресно-зшивання та хімічне перехресно-зшивання.
Фізичне зшивання, також відоме як зшивання опроміненням, зазвичай підходить для кабелів низької-напруги з малою товщиною ізоляції.
Хімічне перехресне-зшивання в основному поділяється на два типи: пероксидне перехресне-зшивання та перехресне-щеплення силаном. Серед них пероксидне перехресне-зшивання використовується для ізоляції кабелів середньої та (над)високої напруги, тоді як перехресне{5}}зшивання силаном зазвичай використовується для звичайних низьковольтних перехресно-кабелів.
Процес перехресного-зшивання опроміненням в основному підходить для виробництва спеціальних перехресних-кабелів низької{1}}напруги, таких як кабелі ядерного класу, високотемпературні кабелі (довго-робоча температура може досягати 150 градусів), перехресні-з’єднані малодимні галогенні-вогнестійкі-проводи та кабелі тощо. Через вплив технології матеріалів і проникнення радіаційного випромінювання, процес перехресного зв’язування опромінення не підходить для виробництва кабелів середньої та (над)високої напруги.
Технологія УФ-зшивання — ще одна нова технологія зшивання, розроблена після хімічного зшивання та зшивання опроміненням. Це досягнення технологічної інновації, розроблене незалежною компанією та має незалежні права інтелектуальної власності в Китаї. Принцип ультрафіолетового зшивання полягає у використанні поліолефіну як основної сировини та додаванні відповідної кількості фотоініціатора. Опромінюючи ультрафіолетовим світлом, фотоініціатор поглинає певні довжини хвилі ультрафіолетового світла для генерації вільних радикалів поліолефіну, які потім проходять серію швидких реакцій полімеризації для отримання зшитих поліолефінів із три-вимірною мережевою структурою. Це відкрило новий шлях для виробництва зшитих кабелів і було впроваджено у виробництво низько-зшитих кабелів напруги. Далі в основному представлено хімічне зшивання.
1, Перекисне зшивання
Метод пероксидного зшивання - це метод індукції зшивання шляхом додавання зшиваючих агентів. В основному він придатний для виробництва силових кабелів зі зшитою поліетиленовою ізоляцією з номінальною напругою 10 кВ і вище та різною площею поперечного-перерізу.
(1) Парове зшивання (SCP)
Технологія парового зшивання є найстарішим методом зшивання, який розвинувся з технології безперервної вулканізації гуми. У цьому методі для зшивання поліетилену використовується пара при певному тиску та температурі як середовище для нагріву та тиску. GE в 1957 році успішно досліджувала зшивання паром, а Sumitomo Electric Company в Японії представила цю технологію в 1959 році та запустила у виробництво в 1960 році.
На ранній стадії як середовище використовувалася насичена пара, а тиск і температура всередині поперечно-зв’язувальної труби були безпосередньо пов’язані. Щоб підвищити температуру пари, потрібно було одночасно збільшити тиск пари. З кожним підвищенням температури на 10 градусів тиск зросте приблизно на 5 кг, що ускладнить досягнення достатньо високої температури та високого споживання енергії; Пізніше його було розроблено для підвищення температури пари шляхом нагрівання поперечно-зшитої стінки труби (відомої як перегріта пара, яка не вимагає збільшення тиску для підвищення температури), що в основному використовується в установках вулканізації гуми. Завдяки прямому контакту між водяною парою та розплавленим поліетиленом усередині поперечно-з’єднаної труби волога буде проникати та дифундувати в ізоляцію. У процесі охолодження кабелю водяна пара всередині ізоляції досягає насичення і утворює мікропори, які можуть викликати розгалуження після введення в експлуатацію. Це фатальна слабкість цього методу. Так, починаючи з 1960-х років, з'явилися нові процеси сухого зшивання.
(2) Метод інфрачервоного зшивання (RCP) і сухе зшивання
Метод інфрачервоного зшивання, також відомий як метод зшивання тепловим випромінюванням (RCP), — це процес сухого зшивання, винайдений Sumitomo Electric Company в Японії в 1967 році.
Метод зшивання полімерів інфрачервоним випромінюванням був запатентований ще в 1937 році компанією General Electric (GE) у Франції для вулканізації гумових виробів. У 1961 році В. Р. Грейс з США отримав патент на виробництво поліетиленової плівки методом інфрачервоного опромінення. Компанія Sumitomo Electric в Японії була натхненна цими двома патентами та подала заявку на патент у червні 1966 року, у якому шар зшитого поліетилену, що містить органічний перекисний зшиваючий агент, був екструдований на провіднику та нагрівався випромінюванням в інертному газі під тиском понад 2 кг/см², щоб викликати реакцію зшивання в поліетилені. У квітні 1967 року компанія Sumitomo Electric Company подала заявку на отримання ще одного патенту, пропонуючи, щоб весь вузол перехресного зв’язування складався з секції радіаційного нагріву, секції охолодження та секції водяного охолодження. Секція радіаційного нагріву розділена на дві зони, і кожна зона може незалежно регулювати температуру. Під час тривалої -реакції перехресного{16}}зв’язування на внутрішній стінці перехресної{17}}зв’язувальної трубки утворився шар чорного бруду, що осідає з пероксидом, який є природним чорним тілом, що випромінює інфрачервоне випромінювання. Завдяки технічному прогресу процес RCP поступово був замінений загальним процесом сухого перехресного -зшивання електричним опаленням. В даний час широко використовуються технологія суспензійного зшивання та технологія зшивання башти VCV.
Частини нагріву та попереднього охолодження захищені газоподібним азотом. Основна функція азоту в нагрівальній -зшиваючій трубі — діяти як вугілля для передачі тепла та захищати поверхню поліетилену від окислення та руйнування за високих температур. Водночас на ізоляцію прикладається достатній тиск, щоб запобігти або звести до мінімуму виникнення повітряних проміжків під час процесу зшивання. Азот, що тече, також може виносити велику кількість води, що випаровується з охолоджувальної води, а також води та летких речовин, що розкладаються з пероксидів під час реакції поперечного-зшивання. Основною функцією азоту в секції попереднього охолодження є попереднє охолодження поверхні сердечника ізоляції кабелю, дозволяючи поверхні сердечника входити в секцію водяного охолодження при більш низькій температурі, тим самим запобігаючи внутрішній напрузі ізоляції, спричиненій раптовим охолодженням сердечника та впливаючим на якість продукції. Завдяки використанню електричного підігріву швидкість виробництва можна збільшити за рахунок підвищення температури. У ізоляції зі зшитого поліетилену вміст вологи методом сухого зшивання становить лише 0,018 %, тоді як вміст вологи методом парового зшивання досягає 0,29 %. Випробування показали, що міцність до пробою змінним струмом і міцність до ударного розриву сухої ізоляції з перехресним-зв’язуванням вищі, ніж ізоляції з паровим з’єднанням.
Виробниче обладнання для сухого-зшивання в основному включає два типи: підвісні{1}}зшивальні агрегати та вертикальні баштові-зшивальні агрегати. Вертикальний баштовий з’єднувальний блок VCV використовує метод вертикальної екструзії, який є більш сприятливим для контролю ексцентриситету товстої ізоляції.
(3) Довготривале перехресне-зшивання цвілі (MDCV).
Зшивання довгої форми було винайдено Anaconda Wire and Cable Company у 1959 році та запатентовано того ж року, відоме як процес MCP. Пізніше через жорстку конкуренцію в галузі виробництва дроту та кабелю компанія відмовилася від змагань із виробництва дроту та кабелю з перехресно-зшитого поліетилену, що завадило практичному використанню цього нового процесу. У 1971 році Daihatsu Electric Wire and Cable Company і Mitsubishi Petrochemical Company разом купили патенти у Anaconda Corporation, що дозволило реалізувати цей метод, відомий як MDCVI Art. У 1973 році Daiichi Electric Wire and Cable Company подала заявку на патент на процес для MDCV. Оригінальне значення MDCV — «метод безперервного зшивання Mitsubishi Daiichi», тоді як його технічне значення — метод процесу зшивання з довгим штампом.
Метод MDCV використовує горизонтальну -з’єднану трубу, яка встановлюється всередині головки екструдера. Довжина прес-форми становить 20 метрів. Під час екструдування ізольованого сердечника в трубку заповнюється мастило для зшивання поліетилену в цій формі.
Характеристиками методу MDCV є низькі інвестиції в обладнання, невелика площа, стабільне виробництво кабелів великого перерізу, швидкість виробництва, порівнянна з блоками крос-з’єднання CCV, стабільна та надійна якість продукції. Напруженість поля змінного струму в кабелях, виготовлених за допомогою цього процесу, на 60–70% вища, ніж у парових кабелів із перехресним зв’язуванням. Однак, коли справа доходить до виробництва кабелів різних специфікацій, всю довгу опорну форму потрібно замінити, а гнучкість невисока, тому вона не використовується широко.
(4) Процес зшивання розплавленої солі під тиском (PLCV).
Цей метод спочатку був винайдений італійською компанією Careillo. У серпні 1976 року компанія співпрацювала з General Engineering у Великій Британії для дослідження використання силових кабелів із зшитою поліетиленовою ізоляцією. У 1977 році Джерард Смарт з British General Engineering Company опублікував це досягнення і продав перше обладнання британській компанії BICC. Сіль, яка використовується в системі PLCV, така сама, як та, що використовується в методі LCM вулканізації каучуку. Наприклад, формула розплавленої солі — це суміш неорганічної солі, що складається з 53% нітрату калію, 40% нітриту натрію та 7% нітрату натрію. Ця суміш плавиться при 145 ~ 150 градусах і залишається стабільною до 540 градусів. Поперечна-з’єднана труба розплавленої солі герметична. У процесі виробництва кабелю зазвичай використовується тиск (3-4) атмосфери, а температура розплавленої солі становить від 200 до 250 градусів. Секція охолодження також використовує метод під тиском. Завдяки високій питомій вазі розплавленої сольової суміші вирішується проблема перетягування важких кабелів. Беручи до уваги різні фактори, цей процес використовується на виробничій лінії вулканізації гумових рукавів і особливо підходить для виробництва важких гумових кабелів.
(5) Процес зшивання силіконового масла (FZCV).
У 1979 році Садайоші Касіма та інші з Fujikura Electric Wire Company в Японії винайшли процес зшивання силіконового масла (FZCV), який використовує силіконову олію під тиском як матеріал для нагрівання та охолодження вугілля. Під тиском силіконового масла кабель можна підвішувати в силіконовому маслі без тертя або ексцентриситету. Силіконове масло можна переробити. У 1979 році компанія Tengcang Electric Wire Company почала виробництво кабелів із зшитого поліетилену напругою 275 кВ за допомогою двох установок FZCV, ефективно вирішуючи технічну проблему високої напруги з кабелями з зшитого поліетилену з великим-перерізом. Через високі інвестиційні витрати він не отримав широкого поширення та використання.
У наведених вище процесах хімічного перехресного зв’язування, зважаючи на різні фактори, підвісні перехресні-блоки та баштові перехресні-блоки широко використовувалися у виробництві пластикових силових кабелів середньої та (над)високої напруги. У наведених вище методах зшивання всі є методами зшивання зовнішнім нагріванням. У 1975 році Г. Менгер із Західної Німеччини запропонував використовувати нагрівання провідника для скорочення часу зшивання. Він експериментально довів, що для кожного поліетиленового утеплювача товщиною 1 міліметр час зшивання становить близько 1 хвилини. Тому цього можна досягти лише шляхом уповільнення швидкості дроту або збільшення довжини зшиваючої трубки. Якщо для підвищення температури провідника до 200 градусів використовується струм у 1000 ампер, час-зшивання скорочується на 20%. Наразі багато виробничих одиниць із перехресним зв’язуванням використовують технологію попереднього нагрівання провідників, яка ефективно підвищує ефективність виробництва та покращує якість ізоляції.
2, Силанове зшивання
Зшивання силаном, також відоме як зшивання теплою водою, було запропоновано та розроблено компанією Dow Corning у 1960 році. Він також відомий як метод Sioplas, який є процесом зшивання силаном. Він виконується у два етапи, щеплення та екструзія, і називається дво-зшиванням силану. Першим кроком для фабрики із виробництва ізоляційних матеріалів є щеплення та екструдування силанового зшиваючого агента на основний матеріал на екструдері, а отримані частинки називаються матеріалом А (щеплений матеріал). У той же час також надається вихідний матеріал для каталізатора та барвника, який називається матеріалом В. Другим кроком є змішування матеріалів A і B у певному співвідношенні (наприклад, співвідношення A:B 95:5), екструдування їх на провідник кабелю на звичайному екструдері, а потім поміщення в гарячу воду для перехресного з’єднання при температурі 80 градусів ~95 градусів або в парну для завершення перехресного{13}}зшивання. Цей процес має низьку інвестиційну вартість і може бути оброблений за допомогою звичайних екструдерів. Ціна матеріалу помірна і широко використовується.
Але є і наступні недоліки:
(1) Щеплений поліетилен схильний до раннього перехресного-зв’язування з вологою в повітрі, що скорочує час зберігання, який зазвичай становить шість місяців.
(2) Суміш щепленого поліетилену та маткової суміші каталізатора зазвичай має період зберігання не більше 3 годин, тому її потрібно екструдувати під час змішування.
(3) Через кілька етапів змішування дво-метод схильний до домішок і в основному використовується у виробництві ізоляції для кабелів нижче 10 кВ.
Щоб подолати обмеження Sioplas, у 1977 році BICC з Великобританії та Maillefer зі Швейцарії спільно розробили-процес одноетапного силанового зшивання, також відомий як процес Monosil, заснований на дво-методи, винайдений Dow Corning. Він одночасно відмірює та змішує матеріали на основі поліетилену, антиоксиданти та рідкий силан, поєднуючи реакцію щеплення та процес додавання каталізатора, а також використовує екструдер із співвідношенням довжини до діаметра 30:1 для екструдування ізоляції на провідник кабелю. Щеплення та екструзія ізоляційного шару завершуються в один етап, тому його називають одно-етапним методом. Він має найнижчу вартість матеріалу, зменшує ймовірність забруднення домішками та може значно збільшити термін зберігання матеріалів. Однак цей процес вимагає більших інвестицій в обладнання, ніж дво{10}}етапний метод, і вимагає системи подачі рідкого силану.
З розвитком технології матеріалів застосування одно-технології перехресного зшивання силану також може бути досягнуто, попередньо рівномірно змішавши матеріали на основі поліетилену, антиоксиданти та рідкий силан за допомогою високошвидкісного змішувача та поставивши їх у певні умови, щоб дозволити доданим антиоксидантам і рідкому силану повністю проникнути. Тоді звичайні екструдери можна використовувати для завершення щеплення та екструзії за один прийом. Під час процесу екструзії слід суворо контролювати температуру матеріалу, а вимоги до температури матеріалу мають бути високими, щоб забезпечити завершення прищеплення силану під час процесу екструзії. Екструдовану ізоляційну жилу дроту слід помістити в теплу воду для зшивання або парильню для зшивання; Якщо температура матеріалу надто низька під час процесу екструзії і щеплення не завершено, ізоляція після екструзії не зможе зшиватися.
У 1980-х роках японська компанія Lingclone розробила кополімеризацію на основі переваг дво-та одно-етапного методів. Метод кополімеризації також являє собою силановий сополімерний мономер етилентриметоксисилан, але з іншим процесом. Цей процес не прищеплює органосилан до полімерних ланцюгів, але вводить гідролізований силан під час процесу полімеризації для отримання силанового співполімеру, який легко переробляється. Метод включає кополімеризацію етилену з силановими сополімерними мономерами в реакторі високого -тиску. Ключ до цього процесу полягає в тому, що вибрані кополімерні мономери повинні містити ненасичену групу, яка може реагувати з етиленом з утворенням полімерних ланцюгів. Структура сополімеру етиленсилану та прищепленої суміші Sioplas в основному однакова.
Завдяки тому, що виробництво силанових співполімерів здійснюється в реакційній ємності, це може забезпечити високу чистоту, а також уникнути проблеми забруднення залишками перекису під час щеплення. Основна перевага силанових кополімерів полягає в тому, що під час реакції полімеризації регулярний розподіл поперечно-зшитої решітки досягається завдяки{-разовому введенню мономерів силанового співполімеру, тому необхідна кількість силану нижча, ніж необхідна для силанових сполук. Завдяки вдосконаленому та унікальному процесу кополімеризації силановий зшитий поліетиленовий матеріал має такі переваги:
(1) Хороша стабільність при зберіганні, причому час зберігання зазвичай перевищує один рік, що краще, ніж матеріали для щеплення.
(2) Під час обробки зшитого поліетилену методом кополімеризації змішується дуже мало вільних речовин і домішок, що покращує ізоляційні характеристики кабелю.
(3) Його можна екструдувати на звичайному екструдері з хорошою стабільністю виробничого процесу.
Згодом послідовно були розроблені одностадійний-твердофазний-процес і процес затвердіння силану. Тверда{3}}фаза першого-процесу включає інфільтрацію та поглинання силану матеріалами на основі ПЕ через носії, такі як біла сажа. Процес твердіння силану спрямований на вдосконалення методу подачі силану. Рідкий силан можна адсорбувати на пористому поліпропілені або поліетиленовому пластику з утворенням твердого силану. Обидва процеси є похідними-одноетапних методів.
З удосконаленням технології матеріалів, заснованої на дво-технології зшивання силаном, був представлений силановий самозшитий поліетиленовий ізоляційний матеріал (також відомий як силановий ізоляційний матеріал із зшитого поліетилену кімнатної температури). Його принцип полягає в покращенні маткової суміші каталізатора (матеріал B) шляхом додавання композитних агентів, що утворюють воду, і ефективних каталізаторів. Після змішування матеріалу для прищеплення (матеріал A) і каталітичного матеріалу (матеріалу B) і їх екструдування, вони зазвичай можуть бути зшиті після розміщення в приміщенні на (2-7) днів (якщо температура навколишнього середовища висока і час розміщення короткий), без необхідності зшивання в басейні для зшивання з теплою водою або парній. Вартість матеріалу висока, але через зручність виробництва певною мірою знайшла своє застосування.
Беручи до уваги характеристики різних процесів зшивання силаном, вартість матеріалів та інші фактори, широко використовуються одно-зшивання силаном і дво{1}}ступеневе зшивання силаном. Серед них дво{3}}ступеневий процес зшивання силаном через завершення реакції щеплення матеріалу A вимагає низької температури екструзії для ізоляції серцевини дроту, що сприяє зміні специфікацій виробництва. Одноетапний-процес зшивання силаном має низьку вартість матеріалу, а щеплення та екструзію можна завершити за один раз. Вимоги до температури екструзії є високими, і щеплення не може бути завершено, якщо температура матеріалу не відповідає вимогам. Екструдер налаштований на високу температуру, тому часті зупинки та зміни технічних характеристик можуть призвести до утворення клінкеру, що робить його придатним для виробництва довгих кабельних жил.
