۱. مقدمه
EVA مخفف کوپلیمر اتیلن وینیل استات، یک پلیمر پلی اولفین است. به دلیل دمای ذوب پایین، سیالیت خوب، قطبیت و عناصر غیر هالوژنی، می‌تواند با انواع پلیمرها و پودرهای معدنی سازگار باشد، تعدادی از خواص مکانیکی و فیزیکی، خواص الکتریکی و عملکرد پردازش متعادلی دارد و قیمت آن بالا نیست، عرضه در بازار کافی است، بنابراین هم به عنوان ماده عایق کابل، هم به عنوان پرکننده و هم به عنوان ماده پوشش دهنده استفاده می‌شود؛ می‌تواند به ماده ترموپلاستیک تبدیل شود و می‌تواند به ماده اتصال عرضی ترموست تبدیل شود.
EVA کاربردهای گسترده‌ای دارد و می‌تواند به همراه بازدارنده‌های شعله، به عنوان مانع سوخت بدون هالوژن یا مانع سوخت هالوژن با دود کم استفاده شود؛ انتخاب EVA با محتوای VA بالا به عنوان ماده پایه، می‌تواند به عنوان ماده مقاوم در برابر روغن نیز استفاده شود؛ انتخاب EVA با شاخص ذوب متوسط، اضافه کردن 2 تا 3 برابر پرکننده EVA به بازدارنده‌های شعله، می‌تواند عملکرد فرآیند اکستروژن و قیمت یک ماده مانع اکسیژن (پرکننده) متعادل‌تر را افزایش دهد.
در این مقاله، از خواص ساختاری EVA، به معرفی کاربرد آن در صنعت کابل و چشم‌انداز توسعه پرداخته شده است.
۲. خواص ساختاری
هنگام تولید سنتز، تغییر نسبت درجه پلیمریزاسیون n/m می‌تواند محتوای VA را از 5 تا 90 درصد EVA تولید کند؛ افزایش درجه پلیمریزاسیون کل می‌تواند وزن مولکولی را از ده‌ها هزار تا صدها هزار EVA تولید کند؛ محتوای VA کمتر از 40 درصد، به دلیل وجود تبلور جزئی، الاستیسیته ضعیف، معمولاً به عنوان پلاستیک EVA شناخته می‌شود؛ هنگامی که محتوای VA بیشتر از 40 درصد باشد، یک الاستومر لاستیک مانند بدون تبلور، معمولاً به عنوان لاستیک EVM شناخته می‌شود.
۱. ۲ ویژگی
زنجیره مولکولی EVA یک ساختار خطی اشباع شده است، بنابراین در برابر پیری حرارتی، آب و هوا و اوزون مقاومت خوبی دارد.
زنجیره اصلی مولکول EVA حاوی پیوندهای دوگانه، حلقه بنزن، آسیل، گروه‌های آمین و سایر گروه‌هایی که هنگام سوختن به راحتی دود می‌کنند، نیست، زنجیره‌های جانبی نیز حاوی متیل، فنیل، سیانو و سایر گروه‌هایی که هنگام سوختن به راحتی دود می‌کنند، نیستند. علاوه بر این، خود مولکول حاوی عناصر هالوژن نیست، بنابراین به ویژه برای پایه سوخت مقاومتی بدون هالوژن با دود کم مناسب است.
اندازه بزرگ گروه وینیل استات (VA) در زنجیره جانبی EVA و قطبیت متوسط آن به این معنی است که هم تمایل ستون فقرات وینیل به کریستال شدن را مهار می‌کند و هم به خوبی با پرکننده‌های معدنی جفت می‌شود، که شرایط را برای سوخت‌های مانع با عملکرد بالا ایجاد می‌کند. این امر به ویژه در مورد مقاومت‌های کم دود و بدون هالوژن صادق است، زیرا مواد مقاوم در برابر شعله با بیش از 50٪ حجم [مانند Al(OH)3، Mg(OH)2 و غیره] باید برای برآورده کردن الزامات استانداردهای کابل برای مقاومت در برابر شعله اضافه شوند. EVA با محتوای VA متوسط تا زیاد به عنوان پایه برای تولید سوخت‌های مقاوم در برابر شعله کم دود و بدون هالوژن با خواص عالی استفاده می‌شود.
از آنجایی که گروه وینیل استات (VA) زنجیره جانبی EVA قطبی است، هرچه مقدار VA بیشتر باشد، پلیمر قطبی‌تر و مقاومت روغنی بهتری دارد. مقاومت روغنی مورد نیاز صنعت کابل، عمدتاً به توانایی مقاومت در برابر روغن‌های معدنی غیرقطبی یا با قطبیت ضعیف اشاره دارد. طبق اصل سازگاری مشابه، EVA با مقدار VA بالا به عنوان ماده پایه برای تولید یک مانع سوختی کم دود و بدون هالوژن با مقاومت خوب در برابر روغن استفاده می‌شود.
مولکول‌های EVA در حضور اتم H آلفا-الفین عملکرد فعال‌تری دارند، در حضور رادیکال‌های پراکسید یا تابش الکترونی پرانرژی، به راحتی می‌توانند واکنش پیوند عرضی H انجام دهند و به پلاستیک یا لاستیک پیوند عرضی تبدیل شوند و می‌توانند مطابق با الزامات عملکردی خاص سیم و کابل ساخته شوند.
افزودن گروه وینیل استات باعث می‌شود دمای ذوب EVA به طور قابل توجهی کاهش یابد و تعداد زنجیره‌های جانبی کوتاه VA می‌تواند جریان EVA را افزایش دهد. بنابراین، عملکرد اکستروژن آن بسیار بهتر از ساختار مولکولی پلی‌اتیلن مشابه است و به ماده پایه ترجیحی برای مواد محافظ نیمه رسانا و موانع سوختی هالوژن و بدون هالوژن تبدیل می‌شود.
۲ مزایای محصول
۲. ۱ عملکرد بسیار مقرون به صرفه
خواص فیزیکی و مکانیکی EVA، مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر آب و هوا، مقاومت در برابر ازن و خواص الکتریکی آن بسیار خوب است. با انتخاب گرید مناسب، می‌توان آن را به ماده‌ای مقاوم در برابر حرارت، مقاوم در برابر شعله و همچنین مقاوم در برابر روغن و حلال تبدیل کرد.
ماده ترموپلاستیک EVA عمدتاً با محتوای VA بین ۱۵ تا ۴۶ درصد و با شاخص ذوب ۰.۵ تا ۴ گرید استفاده می‌شود. EVA تولیدکنندگان، برندهای متعدد، طیف گسترده‌ای از گزینه‌ها، قیمت‌های متوسط، عرضه کافی دارد، کاربران فقط باید بخش EVA وب‌سایت را باز کنند، برند، عملکرد، قیمت، محل تحویل در یک نگاه، می‌توانند انتخاب کنند، بسیار راحت است.
EVA یک پلیمر پلی اولفین است که از نظر نرمی و کاربرد، عملکرد آن با مواد پلی اتیلن (PE) و مواد کابل پلی وینیل کلراید نرم (PVC) مشابه است. اما با تحقیقات بیشتر، برتری غیرقابل جایگزینی EVA و دو نوع ماده فوق را در مقایسه با یکدیگر خواهید یافت.
2. 2 عملکرد پردازش عالی
کاربرد EVA در کابل از ابتدا به عنوان ماده محافظ کابل ولتاژ متوسط و بالا در داخل و خارج از آن بوده و بعداً به عنوان مانع سوخت بدون هالوژن گسترش یافته است. این دو نوع ماده از نظر فرآوری به عنوان "ماده بسیار پر شده" در نظر گرفته می‌شوند: ماده محافظ به دلیل نیاز به افزودن تعداد زیادی کربن سیاه رسانا و افزایش ویسکوزیته آن، سیالیت آن به شدت کاهش می‌یابد؛ سوخت مقاوم در برابر شعله بدون هالوژن نیاز به افزودن تعداد زیادی بازدارنده شعله بدون هالوژن دارد، همچنین ویسکوزیته مواد بدون هالوژن به شدت افزایش می‌یابد و سیالیت آن به شدت کاهش می‌یابد. راه حل، یافتن پلیمری است که بتواند دوزهای زیادی از پرکننده را در خود جای دهد، اما همچنین ویسکوزیته مذاب کم و سیالیت خوبی داشته باشد. به همین دلیل، EVA انتخاب ارجح است.
ویسکوزیته مذاب EVA با دمای پردازش اکستروژن و سرعت برش افزایش می‌یابد و به سرعت کاهش می‌یابد. کاربر فقط باید دمای اکسترودر و سرعت پیچ را تنظیم کند تا عملکرد عالی محصولات سیم و کابل را ایجاد کند. تعداد زیادی از کاربردهای داخلی و خارجی نشان می‌دهد که برای مواد پر شده با دود کم و بدون هالوژن، به دلیل ویسکوزیته بسیار زیاد، شاخص ذوب بسیار کوچک است، بنابراین فقط استفاده از اکستروژن با نسبت فشرده‌سازی کم (نسبت فشرده‌سازی کمتر از ۱.۳) برای اطمینان از کیفیت خوب اکستروژن کافی است. مواد EVM مبتنی بر لاستیک با عوامل ولکانیزه کننده را می‌توان هم در اکسترودرهای لاستیکی و هم در اکسترودرهای عمومی اکسترود کرد. فرآیند ولکانیزاسیون (اتصال عرضی) بعدی را می‌توان یا با اتصال عرضی ترموشیمیایی (پراکسید) یا با اتصال عرضی تابشی شتاب‌دهنده الکترون انجام داد.
۲. ۳ آسان برای اصلاح و تطبیق
سیم و کابل همه جا هستند، از آسمان تا زمین، از کوه تا دریا. کاربران الزامات سیم و کابل نیز متنوع و عجیب هستند، در حالی که ساختار سیم و کابل مشابه است، تفاوت‌های عملکرد آن عمدتاً در عایق و مواد پوشش غلاف منعکس می‌شود.
تاکنون، چه در داخل و چه در خارج از کشور، PVC نرم هنوز اکثریت قریب به اتفاق مواد پلیمری مورد استفاده در صنعت کابل را تشکیل می‌دهد. با این حال، با افزایش آگاهی در مورد حفاظت از محیط زیست و توسعه پایدار.
مواد PVC به شدت محدود شده‌اند، دانشمندان تمام تلاش خود را می‌کنند تا مواد جایگزینی برای PVC پیدا کنند که امیدوارکننده‌ترین آنها EVA است.
EVA را می‌توان با انواع پلیمرها، و همچنین با انواع پودرهای معدنی و مواد کمکی سازگار، مخلوط کرد. محصولات مخلوط را می‌توان به پلاستیک ترموپلاستیک برای کابل‌های پلاستیکی و همچنین به لاستیک شبکه‌ای برای کابل‌های لاستیکی تبدیل کرد. طراحان فرمولاسیون می‌توانند بر اساس الزامات کاربر (یا استاندارد)، EVA را به عنوان ماده پایه در نظر بگیرند تا عملکرد ماده مطابق با الزامات باشد.
۳ محدوده کاربرد EVA
۳. ۱ به عنوان ماده محافظ نیمه رسانا برای کابل‌های برق ولتاژ بالا استفاده می‌شود
همانطور که همه ما می‌دانیم، ماده اصلی ماده محافظ، کربن سیاه رسانا است، اضافه کردن مقدار زیادی کربن سیاه به ماده پایه پلاستیکی یا لاستیکی، سیالیت ماده محافظ و صافی سطح اکستروژن را به طور جدی خراب می‌کند. برای جلوگیری از تخلیه جزئی در کابل‌های ولتاژ بالا، سپرهای داخلی و خارجی باید نازک، براق، روشن و یکنواخت باشند. در مقایسه با سایر پلیمرها، EVA می‌تواند این کار را راحت‌تر انجام دهد. دلیل این امر این است که فرآیند اکستروژن EVA به ویژه خوب، جریان خوب و مستعد پدیده پارگی ذوب نیست. ماده محافظ به دو دسته تقسیم می‌شود: پیچیده شده در رسانای بیرونی به نام سپر داخلی - با ماده صفحه داخلی؛ پیچیده شده در عایق بیرونی به نام سپر خارجی - با ماده صفحه خارجی؛ ماده صفحه داخلی عمدتاً ترموپلاستیک است. ماده صفحه داخلی عمدتاً ترموپلاستیک است و اغلب بر اساس EVA با محتوای VA 18٪ تا 28٪ است. ماده صفحه خارجی عمدتاً کراس لینک شده و قابل جدا شدن است و اغلب بر اساس EVA با محتوای VA 40٪ تا 46٪ است.
۳. ۲ سوخت‌های مقاوم در برابر شعله ترموپلاستیک و پیوند عرضی
پلی اولفین ترموپلاستیک مقاوم در برابر شعله به طور گسترده در صنعت کابل، عمدتاً برای الزامات هالوژن یا بدون هالوژن کابل‌های دریایی، کابل‌های برق و خطوط ساختمانی درجه یک، مورد استفاده قرار می‌گیرد. دمای کارکرد طولانی مدت آنها از 70 تا 90 درجه سانتیگراد است.
برای کابل‌های برق ولتاژ متوسط و بالا از 10 کیلوولت و بالاتر، که الزامات عملکرد الکتریکی بسیار بالایی دارند، خواص ضد حریق عمدتاً توسط غلاف بیرونی تأمین می‌شود. در برخی از ساختمان‌ها یا پروژه‌های با الزامات زیست‌محیطی، کابل‌ها باید دارای خواص کم دود، بدون هالوژن، کم سمی یا کم دود و کم هالوژن باشند، بنابراین پلی‌اولفین‌های ضد حریق ترموپلاستیک یک راه حل مناسب هستند.
برای برخی از اهداف خاص، قطر بیرونی بزرگ نیست، مقاومت دمایی در 105 ~ 150 ℃ بین کابل مخصوص، مواد پلی اولفین مقاوم در برابر شعله با پیوند عرضی بیشتر، پیوند عرضی آن می‌تواند توسط سازنده کابل با توجه به شرایط تولید خود، هم بخار فشار بالا سنتی یا حمام نمک با دمای بالا، و هم روش تابش متقاطع شتاب‌دهنده الکترون در دمای اتاق، انتخاب شود. دمای کار طولانی مدت آن به سه فایل 105 ℃، 125 ℃، 150 ℃ تقسیم می‌شود، کارخانه تولید می‌تواند با توجه به الزامات مختلف کاربران یا استانداردها، مانع سوخت بدون هالوژن یا حاوی هالوژن ساخته شود.
کاملاً مشخص است که پلی‌الفین‌ها پلیمرهای غیرقطبی یا با قطبیت ضعیف هستند. از آنجایی که از نظر قطبیت شبیه روغن معدنی هستند، طبق اصل سازگاری مشابه، پلی‌الفین‌ها عمدتاً در برابر روغن مقاومت کمتری دارند. با این حال، بسیاری از استانداردهای کابل در داخل و خارج از کشور نیز تصریح می‌کنند که مقاومت‌های اتصال عرضی باید مقاومت خوبی در برابر روغن‌ها، حلال‌ها و حتی دوغاب‌های نفتی، اسیدها و قلیاها نیز داشته باشند. این یک چالش برای محققان مواد است، اکنون، چه در چین و چه در خارج از کشور، این مواد مورد نیاز توسعه یافته‌اند و ماده پایه آن EVA است.
۳. ۳ ماده‌ی مانع اکسیژن
کابل‌های چند رشته‌ای دارای حفره‌های زیادی بین هسته‌ها هستند که برای اطمینان از ظاهر گرد کابل، باید پر شوند، اگر پرکننده داخل غلاف بیرونی از مانع سوخت بدون هالوژن ساخته شده باشد. این لایه پرکننده هنگام سوختن کابل به عنوان یک مانع شعله (اکسیژن) عمل می‌کند و بنابراین در صنعت به عنوان "مانع اکسیژن" شناخته می‌شود.
الزامات اساسی برای یک ماده‌ی مانع اکسیژن عبارتند از: خواص اکستروژن خوب، بازدارندگی شعله‌ی خوب و عاری از هالوژن (شاخص اکسیژن معمولاً بالای ۴۰) و هزینه‌ی پایین.
این مانع اکسیژن بیش از یک دهه است که به طور گسترده در صنعت کابل مورد استفاده قرار گرفته و منجر به پیشرفت‌های قابل توجهی در مقاومت در برابر شعله کابل‌ها شده است. مانع اکسیژن را می‌توان هم برای کابل‌های مقاوم در برابر شعله بدون هالوژن و هم برای کابل‌های مقاوم در برابر شعله بدون هالوژن (مانند PVC) استفاده کرد. تجربیات زیادی نشان داده است که کابل‌های دارای مانع اکسیژن احتمال بیشتری دارد که آزمایش‌های سوختن عمودی تکی و سوختن دسته‌ای را با موفقیت پشت سر بگذارند.
از نقطه نظر فرمولاسیون مواد، این ماده‌ی مانع اکسیژن در واقع «پرکننده‌ی فوق‌العاده قوی» است، زیرا برای رسیدن به هزینه‌ی پایین، استفاده از پرکننده‌ی قوی ضروری است، برای دستیابی به شاخص اکسیژن بالا باید نسبت بالایی (۲ تا ۳ برابر) از Mg(OH)2 یا Al(OH)3 اضافه شود، و برای اکسترود خوب باید EVA را به عنوان ماده‌ی پایه انتخاب کرد.
۳. ۴ مواد پوشش پلی‌اتیلن اصلاح‌شده
مواد پوششی پلی‌اتیلن مستعد دو مشکل هستند: اولاً، آنها مستعد شکستگی در اثر ذوب (مثلاً پوست کوسه) در حین اکستروژن هستند؛ ثانیاً، مستعد ترک خوردگی ناشی از تنش محیطی هستند. ساده‌ترین راه حل، افزودن نسبت مشخصی از EVA به فرمولاسیون است. به عنوان یک EVA اصلاح شده که عمدتاً با استفاده از محتوای کم VA در گرید استفاده می‌شود، شاخص ذوب آن بین ۱ تا ۲ مناسب است.
۴. چشم‌انداز توسعه
(1) EVA به طور گسترده در صنعت کابل مورد استفاده قرار گرفته است و میزان مصرف سالانه آن به تدریج و به طور مداوم در حال رشد است. به خصوص در دهه گذشته، به دلیل اهمیت حفاظت از محیط زیست، مقاومت در برابر سوخت مبتنی بر EVA به سرعت در حال توسعه بوده و تا حدودی جایگزین روند مواد کابل مبتنی بر PVC شده است. عملکرد عالی آن در هزینه و عملکرد عالی در فرآیند اکستروژن، جایگزینی هر ماده دیگری را دشوار می‌کند.
(2) مصرف سالانه رزین EVA در صنعت کابل نزدیک به 100000 تن است. انواع رزین EVA با محتوای VA کم تا زیاد انتخاب می‌شوند. اندازه دانه‌بندی مواد کابل زیاد نیست و هر شرکت سالانه فقط هزاران تن رزین EVA را به بالا و پایین توزیع می‌کند و بنابراین مورد توجه شرکت‌های بزرگ صنعت EVA قرار نخواهد گرفت. به عنوان مثال، بیشترین مقدار مواد پایه مقاوم در برابر شعله بدون هالوژن، انتخاب اصلی رزین EVA با نسبت VA/MI = 28/2 ~ 3 (مانند EVA 265# شرکت DuPont آمریکا) است. و این درجه مشخصات EVA تاکنون توسط تولیدکنندگان داخلی تولید و عرضه نشده است. ناگفته نماند که محتوای VA بالاتر از 28 و شاخص ذوب کمتر از 3 از دیگر رزین‌های EVA تولید و عرضه می‌شود.
(3) شرکت‌های خارجی به دلیل عدم وجود رقبای داخلی، EVA تولید می‌کنند و قیمت آن مدت‌هاست که بالا بوده و اشتیاق تولید کارخانه‌های کابل‌سازی داخلی را به شدت سرکوب کرده است. بیش از 50٪ از محتوای VA در EVM لاستیکی، تحت سلطه شرکت‌های خارجی است و قیمت آن 2 تا 3 برابر محتوای VA این برند است. چنین قیمت‌های بالایی، به نوبه خود، بر میزان این EVM لاستیکی نیز تأثیر می‌گذارد، بنابراین صنعت کابل از تولیدکنندگان داخلی EVA می‌خواهد تا میزان تولید داخلی EVA را بهبود بخشند. تولید بیشتر این صنعت، استفاده زیادی از رزین EVA را به همراه داشته است.
(4) با تکیه بر موج حفاظت از محیط زیست در عصر جهانی شدن، EVA توسط صنعت کابل به عنوان بهترین ماده پایه برای مقاومت در برابر سوخت سازگار با محیط زیست در نظر گرفته می‌شود. استفاده از EVA با نرخ 15٪ در سال در حال رشد است و چشم‌انداز آن بسیار امیدوارکننده است. میزان و نرخ رشد مواد محافظ و تولید کابل‌های برق ولتاژ متوسط و بالا و نرخ رشد آن، حدود 8٪ تا 10٪ بین این دو متغیر است. مقاومت‌های پلی‌اولفین به سرعت در حال رشد هستند و در سال‌های اخیر بین 15٪ تا 20٪ بین این دو متغیر باقی مانده‌اند و در 5 تا 10 سال آینده قابل پیش‌بینی، ممکن است این نرخ رشد را نیز حفظ کنند.
زمان ارسال: ۳۱ ژوئیه ۲۰۲۲