Die Vernetzungstechnologie von Polyethylen (PE) ist eines der wichtigen Mittel zur Verbesserung seiner Materialeigenschaften. Das vernetzte modifizierte PE kann seine Eigenschaften erheblich verbessern, was nicht nur die umfassenden Eigenschaften von PE wie mechanische Eigenschaften, Spannungsrissbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit und elektrische Eigenschaften erheblich verbessert, sondern auch die Temperaturbeständigkeit erheblich verbessert Niveau, das die Hitzebeständigkeitstemperatur von PE von 70 Grad auf über 100 Grad erhöhen kann, wodurch der Anwendungsbereich von PE erheblich erweitert wird.
Bei der Isolierung aus vernetztem Polyethylen handelt es sich um Polyethylen, das der Einwirkung energiereicher Strahlen (z. B. Strahlen, Strahlen, Elektronenstrahlen usw.) oder Vernetzungsmitteln ausgesetzt ist, so dass durch die Vernetzung zwischen Makromolekülen seine Wärmebeständigkeit und andere Eigenschaften verbessert werden können. Die langfristige Arbeitstemperatur des Kabels mit vernetztem Polyethylen als Isolierung kann auf 90 Grad erhöht werden, und die momentane Kurzschlusstemperatur, der standgehalten werden kann, kann 170-250 Grad erreichen.
Kurze Einleitung
Polyethylen (PE) ist einer der fünf allgemeinen Kunststoffe, und seine Produktion und sein Verbrauch stehen unter den verschiedenen Kunstharzen an erster Stelle, werden in Industrie und Landwirtschaft eingesetzt und sind im täglichen Leben weit verbreitet. Allerdings ist die Hochtemperaturbeständigkeit von Polyethylen schlecht. Mechanische Eigenschaften und chemische Beständigkeit entsprechen manchmal nicht den Anforderungen des tatsächlichen Einsatzes. Daher war die Modifizierung von Polyethylen schon immer der Schlüssel zur Entwicklung und Anwendung von Polyethylenprodukten, und die Polyethylenvernetzungstechnologie ist eine wichtige Technologie zur Verbesserung seiner Materialeigenschaften. Vernetztes modifiziertes Polyethylen kann seine Eigenschaften erheblich verbessern, was nicht nur die umfassenden Eigenschaften von Polyethylen wie mechanische Eigenschaften, Spannungsrissbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit und elektrische Eigenschaften erheblich verbessert. Darüber hinaus wird die Temperaturbeständigkeit erheblich verbessert und die Hitzebeständigkeitstemperatur von Polyethylen kann von 70 Grad auf über 100 Grad erhöht werden. Dadurch hat sich der Anwendungsbereich von Polyethylen erheblich erweitert.
Derzeit wird vernetztes Polyethylen (XLPE) häufig in Rohren, Folien, Kabelmaterialien und Schaumstoffprodukten verwendet.
Leistung und Vorteile
Die Moleküle von Polyethylen bestehen aus linearen Molekülketten. Wenn die Temperatur steigt, wird die Bindungskraft zwischen den linearen Molekülketten (Van-der-Waals-Kraft) geschwächt, so dass das gesamte molekulare Material verformt wird, sodass die Temperaturbeständigkeit von Polyethylen schlecht ist. Vernetztes Polyethylen (XLPE) Zwischen den Molekülen wird eine chemische Kettenbrücke errichtet, so dass die Moleküle nicht verschoben werden können, wodurch der Mangel an Polyethylen überwunden wird. Der Leistungsvergleich von vernetztem Polyethylen und gewöhnlichem Polyethylen ist in Tabelle 1 dargestellt.
Vernetztes Polyethylen hat folgende Vorteile:
1. Hitzebeständigkeit: XLPE mit einer dreidimensionalen Netzstruktur weist eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf. Unter 200 Grad zersetzt es sich nicht und verkohlt nicht, die Langzeitarbeitstemperatur kann 90 Grad erreichen und die thermische Lebensdauer kann 40 Jahre erreichen.
2. Isolationsleistung: XLPE behält die ursprünglich guten Isolationseigenschaften von PE bei und der Isolationswiderstand wird weiter erhöht. Sein dielektrischer Verlustfaktor ist sehr klein und wird nicht stark von der Temperatur beeinflusst.
3. Mechanische Eigenschaften: Durch die Bildung neuer chemischer Bindungen zwischen Makromolekülen werden die Härte, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit von XLPE verbessert, wodurch die Nachteile von PE, das anfällig für Umwelteinflüsse und Risse ist, ausgeglichen werden.
4. Chemische Beständigkeit: XLPE weist eine starke Säure- und Alkalibeständigkeit sowie Ölbeständigkeit auf, und seine Verbrennungsprodukte sind hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid, was weniger schädlich für die Umwelt ist und den Anforderungen des modernen Brandschutzes entspricht.
Vernetzungsprinzip
Polyethylen ([CH2-CH2]n, n-Wiederholungseinheitszahl) ist eine Polymerverbindung, die zwei Elemente, Kohlenwasserstoffe und Wasserstoffe, mit linearer oder verzweigter Molekülstruktur, makromolekularen Ketten, fester Form bei Raumtemperatur und Kristallphase enthält amorphe Phasenkoexistenzform in fester Form von Polyethylen. Das relative Molekulargewicht von Polyethylen liegt zwischen 6,30 und<>,<>.
Polyethylen verfügt über ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften, seine geringe Hitzebeständigkeit beeinträchtigt jedoch die Verwendung von Rohstoffen für die Kabelisolierung. Aufgrund der schwachen intermolekularen Wechselwirkung im amorphen Bereich liegt die Schmelztemperatur der meisten Polyethylene bei etwa 140 Grad, und ihre mechanische Festigkeit nimmt deutlich ab, wenn sie sich dem Schmelzpunkt des Polyethylens nähert, und auch die Rissbeständigkeit verschlechtert sich.
Bei der chemischen oder physikalischen Verarbeitung linearer makromolekularer Ketten wird der Vorgang der Verbindung in Form vernetzter Bindungen als Vernetzung oder „Vulkanisation“ bezeichnet. Vernetztes Polyethylen hat die Eigenschaften eines Netztyps und einer Körperstruktur, und seine Wärmebeständigkeit wird mit zunehmender Vernetzung erhöht und die relative Wärmedehnung nimmt entsprechend ab. Aufgrund seiner erheblichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Hitzebeständigkeit hat es sich zu einem weit verbreiteten Isoliermaterial für Stromkabel entwickelt.
Die Methode zur Vernetzung von Polyethylen durch Vernetzung zu vernetztem Polyethylen wird in zwei Kategorien unterteilt: chemische Methode und physikalische Methode. Die in der Industrie realisierten Prozessmethoden umfassen hauptsächlich die folgenden fünf: Vernetzung durch hochenergetische Strahlung, Silanvernetzung und Peroxidvernetzung , UV-Vernetzung und Salzvernetzung. Unter diesen ist die Peroxidvernetzungsmethode (auch als chemische Vernetzung bekannt) eine Vernetzungsmethode, die für die Herstellung von Mittel- und Hochspannungskabeln geeignet ist und deren Prinzip eine Reihe freier Radikalreaktionen ist, die durch die Hochtemperaturzersetzung von Peroxid ausgelöst werden , und dann wird PE vernetzt. Peroxide werden durch Hitze zersetzt, um freie Radikale zu bilden, und der Prozess der Vernetzungsreaktion ist wie folgt:
Vernetzungsmethode
Es gibt zwei Arten von Vernetzungsmethoden für Polyethylen: physikalische Vernetzung (Strahlenvernetzung) und chemische Vernetzung. Die chemische Vernetzung wird in Silanvernetzung und Peroxidvernetzung unterteilt.
Physikalische Vernetzung
Strahlenvernetzung: Polyethylenprodukte wie Polyethylenhüllen, -folien, dünnwandige Rohre und andere auf den Draht beschichtete Produkte werden mit -Strahlen und hochenergetischen Strahlen vernetzt (wodurch Polyethylenmakromoleküle freie Radikale erzeugen und CC-vernetzte Ketten bilden). . Der Vernetzungsgrad wird durch die Strahlungsdosis und die Temperatur beeinflusst, und der Vernetzungspunkt steigt mit zunehmender Strahlungsdosis, sodass durch Steuerung der Strahlungsbedingungen vernetzte Polyethylenprodukte mit einem bestimmten Vernetzungsgrad erhalten werden können.
Vernetztes Polyethylen, das durch die Strahlenvernetzungsmethode hergestellt wird, hat die folgenden Vorteile: Vernetzung und Extrusion werden getrennt durchgeführt, die Produktqualität ist leicht zu kontrollieren, die Produktionseffizienz ist hoch und die Ausschussrate ist niedrig; Während des Vernetzungsprozesses sind keine zusätzlichen Radikalinitiatoren (wie Peroxide usw.) erforderlich, wodurch die Sauberkeit des Materials erhalten bleibt und die elektrischen Eigenschaften des Materials verbessert werden. Es eignet sich besonders für dünnwandige isolierte Kabel mit kleinem Querschnitt, die sich nur schwer durch chemische Vernetzung herstellen lassen. Allerdings hat die Strahlungsvernetzung auch einige Nachteile, wie zum Beispiel die Notwendigkeit, die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls zu erhöhen, wenn dicke Materialien vernetzt werden; Zur Vernetzung runder Gegenstände wie Drähte und Kabel ist es notwendig, diese zu drehen oder mehrere Elektronenstrahlen zu verwenden, um die Bestrahlung gleichmäßig zu machen; Die einmaligen Investitionskosten sind erheblich; Die Betriebs- und Wartungstechnik ist komplex und auch die Sicherheitsschutzprobleme im Betrieb sind relativ gravierend.
Chemische Vernetzung
Unter chemischer Vernetzung versteht man die Verwendung chemischer Vernetzungsmittel zur Vernetzung von Polymeren, wobei der Übergang von einer linearen Struktur zu einer Netzwerkstruktur erfolgt.
Die Wahl des Vernetzungsmittels sollte von der Polymersorte, der Verarbeitungstechnologie und der Produktleistung abhängen. Das ideale Vernetzungsmittel sollte neben der Erfüllung einiger spezifischer Anforderungen auch die folgenden Grundanforderungen erfüllen: hohe Vernetzungsrate, stabile Vernetzungsstruktur; große Verarbeitungssicherheit, einfache Handhabung, mäßige Gültigkeitsdauer nach Harzzugabe, keine vorzeitigen oder zu späten Vernetzungsnachteile; hat keinen Einfluss auf die Verarbeitungsleistung und die Nutzungsleistung des Produkts; ungiftig, umweltfreundlich, reizt Haut und Augen nicht.
Bei der chemischen Vernetzung gibt es Peroxidvernetzung, Silanvernetzung und Azovernetzung:
(1) Peroxidvernetzung und VernetzungsmittelPeroxidvernetzung, bei der im Allgemeinen organisches Peroxid als Vernetzungsmittel verwendet wird, zersetzt sich unter Einwirkung von Wärme, um aktive freie Radikale zu erzeugen, die dazu führen, dass die Polymerkohlenstoffkette aktive Punkte erzeugt und eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzung erzeugt, um eine zu bilden Netzwerkstruktur. Diese Technologie erfordert eine Hochdruck-Extrusionsausrüstung, damit die Vernetzungsreaktion im Zylinder durchgeführt wird. Anschließend wird das Produkt mithilfe einer Schnellheizmethode erhitzt, was zu einem vernetzten Produkt führt. Daher ist die Verwendung des Peroxidvernetzungsverfahrens zur Herstellung von Polyethylenrohren nicht einfach zu kontrollieren, die Produktqualität ist instabil und ein kontinuierlicher Betrieb ist schwieriger.
(2) Azovernetzung
Das Verfahren besteht darin, die Azoverbindung in PE zu mischen und bei einer Temperatur zu extrudieren, die unter der Zersetzung der Azoverbindung liegt. Die Extrusion wird durch ein Hochtemperatur-Salzbad zersetzt und die Azoverbindung wird unter Bildung freier Radikale zersetzt, wodurch die Polyethylenvernetzung initiiert wird. Es wird im Allgemeinen für Zypressengummimaterialien mit niedrigen Schmelztemperaturen verwendet und hat für Kunststoffe nur wenige praktische Anwendungen.
(3) Silan-Vernetzungs- und Vernetzungsmittel
In den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde die Silanvernetzungstechnologie erfolgreich entwickelt. Die Technologie verwendet Vinylsilane, die Doppelbindungen enthalten, um mit geschmolzenen Polymeren unter der Wirkung von Initiatoren zu silangepfropften Polymeren zu reagieren, die in Wasser in Gegenwart eines Silanol-Kondensationskatalysators hydrolysiert werden, um eine vernetzte Oxanketten-vernetzte Struktur zu bilden. Die Silanvernetzungstechnologie hat die Produktion und Anwendung von vernetztem Polyethylen aufgrund ihrer einfachen Ausrüstung, des leicht kontrollierbaren Prozesses, der geringeren Investitionen, des hohen Vernetzungsgrads der Endprodukte und der guten Qualität erheblich gefördert. Neben Polyethylen und Silan kommen bei der Vernetzung auch Katalysatoren, Initiatoren, Antioxidantien etc. zum Einsatz.
Im Vergleich zu anderen Verfahren weisen die durch Silanvernetzung erhaltenen Polyethylenprodukte folgende Vorteile auf:
(1) Geringere Ausrüstungsinvestitionen, hohe Produktionseffizienz und niedrige Kosten.
(2) Das Verfahren ist äußerst vielseitig, für Polyethylen aller Dichten und auch für die meisten Polyethylene mit Füllstoff geeignet.
(3) Keine Einschränkung durch die Dicke.
(4) Die Menge an Peroxid ist gering (nur 10 %, wenn Peroxid allein vernetzt wird), sodass weniger Mikroporen in der Polyethylen-Isolierschicht erzeugt werden, was zur Aufrechterhaltung der hohen Isolierung von Polyethylen beiträgt.
Hauptanwendungen
Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird vernetztes Polyethylen als hochspannungs-, hochfrequenz- und hitzebeständiges Isoliermaterial sowie als Draht- und Kabelummantelung für Raketen, Flugkörper, Motoren, Transformatoren usw. verwendet. Herstellung von Schrumpfschläuchen, Schrumpffolien, verschiedene hitzebeständige Rohre, Schaumkunststoffe, korrosionsbeständige chemische Geräteauskleidungen, Komponenten und Behälter, Herstellung von flammhemmenden Baumaterialien usw. Die größten Einsatzgebiete sind derzeit hauptsächlich Drähte und Kabel, Rohre, und Schaum.
1. Vernetztes Polyethylen-Kabelmaterial
Die Hitzebeständigkeit des Kabels mit vernetztem Polyethylen als Isolierung ist höher als die von Polyvinylchlorid, es kann lange Zeit bei 90 Grad verwendet werden und die Hitzebeständigkeitstemperatur im Kurzschluss kann bis zu 250 Grad erreichen; Der Isolationswiderstand ist hoch, der dielektrische Verlustfaktor ist klein und ändert sich grundsätzlich nicht mit der Temperaturänderung; Es verfügt über eine gute Verschleißfestigkeit und weist eine gute Beständigkeit gegen Spannungsrisse auf. Sobald vernetztes Polyethylen durch Kabel verbrannt wird, entstehen Kohlendioxid und Wasser, während PVC-Kabel beim Verbrennen schädliche Chlorwasserstoffgase erzeugen; Darüber hinaus ist die Dichte von vernetztem Polyethylen etwa 40 % geringer als die von PVC, was die Qualität von Freileitungen erheblich beeinträchtigen kann.
2. Vernetztes Polyethylenrohr
Das aus vernetztem Polyethylen hergestellte Rohr bietet die Vorteile einer hohen Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, eines geringen Gewichts und einer guten Wärmebeständigkeit. Das Aluminium-Kunststoff-Verbundrohr aus vernetztem Polyethylen weist eine hohe Luftdichtheit und eine hohe Berstfestigkeit auf. Es wirkt antistatisch und abschirmend.
Im Vergleich zu PVC-Rohren und gewöhnlichen Polyethylenrohren enthalten vernetzte Polyethylenrohre keine Weichmacher, bilden keinen Schimmel und vermehren keine Bakterien. Enthält keine schädlichen Inhaltsstoffe, erfüllt die FDA-Standards und kann in Trinkwasserleitungen verwendet werden; Gute Hitzebeständigkeit, gewöhnliche Polyvinylchlorid- und Polyethylenrohre haben eine Hitzebeständigkeit von 60-75 Grad, während vernetzte Polyethylenrohre 90 Grad haben. Die maximale Momentantemperatur kann 185 Grad erreichen und kann niedrigen Temperaturen von -75 Grad standhalten. Großer Betriebstemperaturbereich, kann über einen langen Zeitraum unter -75-95 Grad-Bedingungen verwendet werden und die Lebensdauer beträgt bis zu 50 Jahre. Hohe Vernetzung, hohe Dichte, gute Druckbeständigkeit; Die chemische Korrosionsbeständigkeit ist sehr gut und die Spannungsrissbeständigkeit in der Umgebung ist ausgezeichnet. Selbst bei höheren Temperaturen kann es zum Transport einer Vielzahl von Chemikalien und Spannungsmaterialien mit beschleunigten Rohren verwendet werden. Rohre aus vernetztem Polyethylen haben ein geringes Gewicht und wiegen nur etwa 1 /8 aus Metallrohr; Gute Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Verschleißrate beträgt weniger als 1/4 des Stahlrohrs und die Lebensdauer beträgt das 2-6-fache der des Stahlrohrs. Die Innenwand ist glatt, der Flüssigkeitsströmungswiderstand ist gering und bei gleichem Rohrdurchmesser ist der Förderstrom größer als bei Metallrohren und der Lärm ist viel geringer; Die Übertragungsleistung ist gut und die Übertragungsmenge der Flüssigkeit ist im Vergleich zum Stahlrohr um 30 %-40 % erhöht; Die Wärmeleitfähigkeit ist viel geringer als die von Metallrohren, daher ist die Wärmedämmleistung ausgezeichnet. Bei Verwendung im Heizsystem ist keine Wärmespeicherung erforderlich und der Wärmeverlust ist gering. Es kann beliebig gebogen werden und wird nicht spröde und rissig; Hervorragende elektrische Isolationsleistung, einfache Installation und Installationsaufwand von weniger als der Hälfte des Metallrohrs, niedrige Installationskosten.
Aufgrund der hervorragenden Materialeigenschaften von vernetzten Polyethylenrohren. Mit völlig ungiftiger Hygiene gilt es als eine neue Generation umweltfreundlicher Pfeifen, die hauptsächlich in folgenden Aspekten eingesetzt werden:
(1) Kalt- und Warmwasserversorgungssysteme und Trinkwasserleitungssysteme für Gebäude;
(2) Kaltwassersystem zur Gebäudeklimatisierung;
(3) Heizsystem für Wohngebäude;
(4) Bodenheizungssystem;
(5) Rohrleitungen des Warmwasserbereitungssystems;
(6) Transportleitungen für Getränke, Alkohol, Milch und andere Flüssigkeiten in der Lebensmittelindustrie;
(7) Flüssigkeitstransportleitungen für die Chemie- und Erdölindustrie;
(8) Rohrleitung für Kühlsystem und Wasseraufbereitungssystem.
(5) Gute Alterungsbeständigkeit und lange Lebensdauer.
