Özet: Tel ve kablolar için silan çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesinin çapraz bağlanma prensibi, sınıflandırılması, formülasyonu, işleme süreci ve ekipmanı kısaca açıklanmış, ayrıca silan doğal çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesinin uygulama ve kullanımındaki bazı özellikleri ve malzemenin çapraz bağlanma durumunu etkileyen faktörler tanıtılmıştır.
Anahtar kelimeler: Silan çapraz bağlama; Doğal çapraz bağlama; Polietilen; Yalıtım; Tel ve kablo
Silan çapraz bağlı polietilen kablo malzemesi, günümüzde tel ve kablo endüstrisinde düşük voltajlı güç kabloları için yalıtım malzemesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Çapraz bağlı tel ve kablo üretiminde kullanılan bu malzeme, peroksit çapraz bağlama ve ışınlama çapraz bağlama yöntemlerine kıyasla, üretim ekipmanının basitliği, kolay kullanımı, düşük toplam maliyeti ve diğer avantajları sayesinde düşük voltajlı çapraz bağlı yalıtımlı kablolar için önde gelen malzeme haline gelmiştir.
1. Silan çapraz bağlı kablo malzemesinin çapraz bağlanma prensibi
Silan çapraz bağlı polietilen üretiminde iki ana işlem vardır: aşılama ve çapraz bağlama. Aşılama işleminde, polimer, serbest başlatıcının etkisi altında üçüncül karbon atomundaki H atomunu kaybeder ve piroliz yoluyla serbest radikallere dönüşür; bu radikaller, vinil silanın –CH=CH2 grubuyla reaksiyona girerek trioksisilil ester grubu içeren aşılanmış bir polimer üretir. Çapraz bağlama işleminde ise, aşılanmış polimer önce su varlığında hidrolize edilerek silanol üretilir ve –OH grubu bitişik Si-OH grubuyla yoğunlaşarak Si-O-Si bağı oluşturur, böylece polimer makromolekülleri çapraz bağlanır.
2. Silan çapraz bağlı kablo malzemesi ve kablo üretim yöntemi
Bildiğiniz gibi, silan çapraz bağlı kablolar ve bunların kabloları için iki aşamalı ve tek aşamalı üretim yöntemleri mevcuttur. İki aşamalı yöntem ile tek aşamalı yöntem arasındaki fark, silan aşılama işleminin nerede gerçekleştirildiğidir; iki aşamalı yöntemde aşılama işlemi kablo malzemesi üreticisinde, tek aşamalı yöntemde ise kablo üretim tesisinde yapılır. En büyük pazar payına sahip iki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi, A ve B malzemeleri olarak adlandırılan iki malzemeden oluşur; A malzemesi silan ile aşılanmış polietilen, B malzemesi ise katalizör ana karışımıdır. Yalıtım çekirdeği daha sonra sıcak su veya buharda çapraz bağlanır.
İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen yalıtkanının bir başka türü daha vardır; burada A malzemesi farklı bir şekilde üretilir, yani sentez sırasında vinil silan doğrudan polietilene eklenerek silan dallı zincirlere sahip polietilen elde edilir.
Tek aşamalı yöntemin de iki türü vardır; geleneksel tek aşamalı işlemde, çeşitli ham maddeler, özel bir hassas ölçüm sistemiyle formüle göre oranlanarak, özel olarak tasarlanmış bir ekstrüderde tek aşamada aşılama ve ekstrüzyon işlemiyle kablo izolasyon çekirdeği oluşturulur. Bu işlemde granülasyon gerekmez, kablo malzemesi üretim tesisinin katılımına ihtiyaç duyulmaz, kablo fabrikası tarafından tek başına tamamlanır. Bu tek aşamalı silan çapraz bağlı kablo üretim ekipmanı ve formülasyon teknolojisi çoğunlukla yurt dışından ithal edilir ve pahalıdır.
Kablo malzemesi üreticileri tarafından üretilen bir diğer tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon malzemesi türü, tüm hammaddelerin özel bir yöntemle formüle göre oranlarda karıştırılması, paketlenmesi ve satılmasıyla elde edilir; A ve B malzemesi ayrı ayrı kullanılmaz, kablo fabrikası doğrudan ekstrüderde tek aşamada aşılama ve kablo izolasyon çekirdeğinin ekstrüzyonunu aynı anda tamamlayabilir. Bu yöntemin benzersiz özelliği, pahalı özel ekstrüderlere ihtiyaç duyulmamasıdır, çünkü silan aşılama işlemi sıradan bir PVC ekstrüderinde tamamlanabilir ve iki aşamalı yöntem, ekstrüzyondan önce A ve B malzemelerinin karıştırılması ihtiyacını ortadan kaldırır.
3. Formülasyon bileşimi
Silan çapraz bağlı polietilen kablo malzemesinin formülasyonu genellikle baz malzeme reçinesi, başlatıcı, silan, antioksidan, polimerizasyon inhibitörü, katalizör vb. bileşenlerden oluşur.
(1) Temel reçine genellikle erime indeksi (MI) 2 olan düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) reçinedir, ancak son zamanlarda sentetik reçine teknolojisinin gelişmesi ve maliyet baskıları nedeniyle, bu malzeme için temel reçine olarak doğrusal düşük yoğunluklu polietilen (LLDPE) de kısmen veya tamamen kullanılmaktadır. Farklı reçineler, iç makromoleküler yapılarındaki farklılıklar nedeniyle aşılama ve çapraz bağlama üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğundan, formülasyon farklı temel reçineler veya farklı üreticilerden aynı tip reçine kullanılarak değiştirilecektir.
(2) Yaygın olarak kullanılan başlatıcı diizopropil peroksittir (DCP), önemli olan miktar sorununu kavramaktır; çok azı silan aşılama işlemine neden olur; çok fazlası ise polietilen çapraz bağlanmasına neden olur, bu da akışkanlığını azaltır, ekstrüde yalıtım çekirdeğinin yüzeyi pürüzlü olur ve sistemin sıkıştırılması zorlaşır. Eklenen başlatıcı miktarı çok küçük ve hassas olduğundan, eşit şekilde dağıtılması önemlidir, bu nedenle genellikle silan ile birlikte eklenir.
(3) Silan genellikle vinil trimetoksisilan (A2171) ve vinil trietoksisilan (A2151) dahil olmak üzere vinil doymamış silan olarak kullanılır; A2171'in hızlı hidroliz oranı nedeniyle A2171 daha çok tercih edilir. Benzer şekilde, silan eklenmesinde de bir sorun vardır; mevcut kablo malzemesi üreticileri maliyetleri düşürmek için alt sınırına ulaşmaya çalışmaktadır, çünkü silan ithal edildiği için fiyatı daha yüksektir.
(4) Antioksidan, polietilen işleme ve kablo yaşlanmasının önlenmesinin stabilitesini sağlamak için eklenir ve silan aşılama işleminde antioksidan, aşılama reaksiyonunu engelleme rolüne sahiptir; bu nedenle aşılama işleminde antioksidan ilavesine dikkat edilmeli, eklenen miktar DCP miktarıyla uyumlu olacak şekilde seçilmelidir. İki aşamalı çapraz bağlama işleminde, antioksidanın çoğu katalizör ana karışımına eklenebilir, bu da aşılama işlemine olan etkiyi azaltabilir. Tek aşamalı çapraz bağlama işleminde, antioksidan tüm aşılama işleminde mevcuttur, bu nedenle tür ve miktar seçimi daha önemlidir. Yaygın olarak kullanılan antioksidanlar 1010, 168, 330 vb.'dir.
(5) Aşılama ve çapraz bağlama süreçlerinde meydana gelen bazı yan reaksiyonları engellemek için polimerizasyon inhibitörü eklenir; aşılama sürecinde çapraz bağlamayı önleyici bir madde eklenmesi, C2C çapraz bağlanmasının oluşumunu etkili bir şekilde azaltabilir ve böylece işleme akışkanlığını iyileştirebilir; ayrıca, aynı koşullar altında bir aşının eklenmesinden önce silanın hidrolizi polimerizasyon inhibitörü üzerinde gerçekleşir ve aşılanmış polietilenin hidrolizini azaltarak aşı malzemesinin uzun vadeli stabilitesini iyileştirebilir.
(6) Katalizörler genellikle organotin türevleridir (doğal çapraz bağlama hariç), en yaygın olanı genellikle bir ana karışım şeklinde eklenen dibutiltin dilaurattır (DBDTL). İki aşamalı işlemde, aşı (A malzemesi) ve katalizör ana karışımı (B malzemesi) ayrı ayrı paketlenir ve A ve B malzemeleri, A malzemesinin ön çapraz bağlanmasını önlemek için ekstrüdere eklenmeden önce karıştırılır. Tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyonlarında, paketteki polietilen henüz aşılanmamıştır, bu nedenle ön çapraz bağlanma sorunu yoktur ve bu nedenle katalizörün ayrı olarak paketlenmesine gerek yoktur.
Ek olarak, piyasada silan, başlatıcı, antioksidan, bazı yağlayıcılar ve bakır önleyici maddelerin birleşiminden oluşan ve genellikle kablo üretim tesislerinde tek aşamalı silan çapraz bağlama yöntemlerinde kullanılan bileşik silanlar da mevcuttur.
Bu nedenle, bileşimi çok karmaşık olarak değerlendirilmeyen ve ilgili bilgilerde mevcut olan silan çapraz bağlı polietilen izolasyonunun formülasyonu, nihai hale getirilmesi için bazı ayarlamalara tabi olmakta olup, bu da formülasyondaki bileşenlerin rolünün, performans üzerindeki etkilerinin ve karşılıklı etkileşimlerinin yasasının tam olarak anlaşılmasını gerektirmektedir.
Çeşitli kablo malzemeleri arasında, silan çapraz bağlı kablo malzemesi (iki aşamalı veya tek aşamalı) ekstrüzyonda kimyasal işlemlerin gerçekleştiği tek çeşit olarak kabul edilir; polivinil klorür (PVC) kablo malzemesi ve polietilen (PE) kablo malzemesi gibi diğer çeşitlerde ise ekstrüzyon granülasyon işlemi fiziksel bir karıştırma işlemidir. Kimyasal çapraz bağlama ve ışınlama ile çapraz bağlama yöntemleriyle üretilen kablo malzemelerinde bile, ekstrüzyon granülasyon işleminde veya ekstrüzyon sisteminde kimyasal bir işlem gerçekleşmez. Bu nedenle, silan çapraz bağlı kablo malzemesi ve kablo izolasyonu ekstrüzyonunun üretiminde proses kontrolü daha önemlidir.
4. İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon üretim süreci
İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi A'nın üretim süreci Şekil 1'de kısaca gösterilebilir.
Şekil 1. İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesinin üretim süreci A
İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon üretim sürecindeki bazı önemli noktalar:
(1) Kurutma. Polietilen reçinesi az miktarda su içerdiğinden, yüksek sıcaklıklarda ekstrüzyon yapıldığında, su silil gruplarıyla hızla reaksiyona girerek çapraz bağlama oluşturur; bu da eriyiğin akışkanlığını azaltır ve ön çapraz bağlamaya neden olur. Bitmiş malzeme, suyla soğutulduktan sonra da su içerir; bu su giderilmezse ön çapraz bağlamaya neden olabilir ve kurutulması gerekir. Kurutmanın kalitesini sağlamak için derin kurutma ünitesi kullanılır.
(2) Ölçüm. Malzeme formülasyonunun doğruluğu önemli olduğundan, genellikle ithal bir ağırlık kaybı tartım terazisi kullanılır. Polietilen reçinesi ve antioksidan ölçülür ve ekstrüderin besleme portundan beslenirken, silan ve başlatıcı ekstrüderin ikinci veya üçüncü namlusuna bir sıvı malzeme pompası ile enjekte edilir.
(3) Ekstrüzyon aşılama. Silanın aşılama işlemi ekstrüderde tamamlanır. Ekstrüderin işlem ayarları, sıcaklık, vida kombinasyonu, vida hızı ve besleme hızı dahil olmak üzere, peroksitin erken ayrışmasının istenmediği durumlarda ekstrüderin ilk bölümündeki malzemenin tamamen eriyip homojen bir şekilde karıştırılabilmesi ve ekstrüderin ikinci bölümündeki malzemenin tamamen ayrışarak aşılama işleminin tamamlanması prensibine uygun olmalıdır. Tipik ekstrüder bölümü sıcaklıkları (LDPE) Tablo 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1 İki aşamalı ekstrüder bölgelerinin sıcaklıkları
| Çalışma alanı | Bölge 1 | Bölge 2 | Bölge 3 ① | Bölge 4 | Bölge 5 |
| Sıcaklık P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Çalışma alanı | Bölge 6 | Bölge 7 | Bölge 8 | Bölge 9 | Ağız ölümü |
| Sıcaklık °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①Silanın eklendiği yerdir.
Ekstrüder vidasının hızı, malzemenin ekstrüderdeki kalış süresini ve karıştırma etkisini belirler; kalış süresi kısa olursa, peroksit ayrışması tamamlanmaz; kalış süresi çok uzun olursa, ekstrüde edilen malzemenin viskozitesi artar. Genel olarak, granülün ekstrüderdeki ortalama kalış süresi, başlatıcı ayrışma yarı ömrünün 5-10 katı aralığında kontrol edilmelidir. Besleme hızı sadece malzemenin kalış süresini değil, aynı zamanda malzemenin karıştırılmasını ve kesilmesini de etkiler; bu nedenle uygun bir besleme hızı seçmek de çok önemlidir.
(4) Ambalajlama. İki aşamalı silan çapraz bağlı yalıtım malzemesi, nemi gidermek için doğrudan hava alacak şekilde alüminyum-plastik kompozit torbalara paketlenmelidir.
5. Tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi üretim süreci
Tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon malzemesi, aşılama işlemi nedeniyle kablo fabrikasında kablo izolasyon çekirdeğinin ekstrüzyonunda kullanılır; bu nedenle kablo izolasyon ekstrüzyon sıcaklığı, iki aşamalı yönteme göre önemli ölçüde daha yüksektir. Tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon formülünde başlatıcı ve silanın hızlı dağılımı ve malzeme kesme kuvveti tamamen dikkate alınmış olsa da, aşılama işleminin sıcaklıkla güvence altına alınması gerekir; bu nedenle tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon üretim tesisleri, doğru ekstrüzyon sıcaklığının seçilmesinin önemini defalarca vurgulamıştır. Genel olarak önerilen ekstrüzyon sıcaklığı Tablo 2'de gösterilmiştir.
Tablo 2 Her bir bölgenin tek aşamalı ekstrüder sıcaklığı (birim: ℃)
| Alan | Bölge 1 | Bölge 2 | Bölge 3 | Bölge 4 | Flanş | KAFA |
| Sıcaklık | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Bu, genellikle iki aşamalı kablo ekstrüzyonunda gerekli olmayan tek aşamalı silan çapraz bağlı polietilen işleminin zayıf yönlerinden biridir.
6. Üretim ekipmanları
Üretim ekipmanı, proses kontrolünün önemli bir güvencesidir. Silan çapraz bağlı kabloların üretimi, çok yüksek derecede proses kontrol doğruluğu gerektirir; bu nedenle üretim ekipmanının seçimi özellikle önemlidir.
İki aşamalı silan çapraz bağlı polietilen izolasyon malzemesinin üretiminde kullanılan malzeme üretim ekipmanları arasında, günümüzde daha çok yerli izotropik paralel çift vidalı ekstrüder ve ithal ağırlıksız tartım cihazları bulunmaktadır. Bu tür cihazlar, proses kontrol doğruluğu gereksinimlerini karşılayabilir; çift vidalı ekstrüderin uzunluğu ve çapı, malzeme kalış süresini sağlamak için seçilirken, ithal ağırlıksız tartım cihazı da bileşenlerin doğruluğunu sağlar. Elbette, ekipmanın birçok detayı da tam olarak dikkate alınmalıdır.
Daha önce de belirtildiği gibi, kablo fabrikalarındaki tek aşamalı silan çapraz bağlı kablo üretim ekipmanları ithaldir, pahalıdır ve yerli ekipman üreticilerinin benzer üretim ekipmanları bulunmamaktadır; bunun nedeni ekipman üreticileri ile formül ve süreç araştırmacıları arasındaki işbirliği eksikliğidir.
7. Silan doğal çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi
Son yıllarda geliştirilen silan doğal çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi, buhar veya sıcak suya daldırma işlemine gerek kalmadan, birkaç gün içinde doğal koşullar altında çapraz bağlanabilir. Geleneksel silan çapraz bağlama yöntemiyle karşılaştırıldığında, bu malzeme kablo üreticileri için üretim sürecini kısaltarak üretim maliyetlerini daha da düşürür ve üretim verimliliğini artırır. Silan doğal çapraz bağlı polietilen yalıtım malzemesi, kablo üreticileri tarafından giderek daha fazla kabul görmekte ve kullanılmaktadır.
Son yıllarda, yerli silan bazlı doğal çapraz bağlı polietilen izolasyon malzemesi olgunlaşmış ve ithal malzemelere kıyasla belirli fiyat avantajlarıyla büyük miktarlarda üretilmektedir.
7.1 Silan bazlı doğal çapraz bağlı polietilen izolasyonlar için formülasyon fikirleri
Silan doğal çapraz bağlı polietilen izolasyonlar, baz reçine, başlatıcı, silan, antioksidan, polimerizasyon inhibitörü ve katalizörden oluşan aynı formülasyonla iki aşamalı bir işlemle üretilir. Silan doğal çapraz bağlı polietilen izolasyonların formülasyonu, A malzemesinin silan aşılama oranının artırılmasına ve silan sıcak su çapraz bağlı polietilen izolasyonlara göre daha verimli bir katalizör seçilmesine dayanmaktadır. Daha yüksek silan aşılama oranına sahip A malzemelerinin daha verimli bir katalizörle birleştirilmesi, silan çapraz bağlı polietilen izolasyonun düşük sıcaklıklarda ve yetersiz nemde bile hızlı bir şekilde çapraz bağlanmasını sağlayacaktır.
İthal silan bazlı doğal çapraz bağlı polietilen izolatörler için A malzemeleri, silan içeriğinin yüksek düzeyde kontrol edilebildiği kopolimerizasyon yoluyla sentezlenirken, silan aşılama yoluyla yüksek aşılama oranlarına sahip A malzemelerinin üretimi zordur. Formülde kullanılan baz reçine, başlatıcı ve silan, çeşitlilik ve ilave açısından değiştirilmeli ve ayarlanmalıdır.
Direnç malzemesinin seçimi ve dozajının ayarlanması da çok önemlidir, çünkü silanın aşılama oranındaki artış kaçınılmaz olarak daha fazla CC çapraz bağlama yan reaksiyonuna yol açar. Daha sonraki kablo ekstrüzyonu için A malzemesinin işleme akışkanlığını ve yüzey durumunu iyileştirmek amacıyla, CC çapraz bağlamayı ve önceden çapraz bağlamayı etkili bir şekilde engellemek için uygun miktarda polimerizasyon inhibitörü gereklidir.
Ek olarak, katalizörler çapraz bağlanma hızını artırmada önemli bir rol oynar ve geçiş metali içermeyen elementler içeren verimli katalizörler olarak seçilmelidir.
7.2 Silan ile doğal olarak çapraz bağlanmış polietilen izolasyonların çapraz bağlanma süresi
Doğal haldeki silan bazlı çapraz bağlı polietilen izolasyonun çapraz bağlanma süresi, sıcaklığa, neme ve izolasyon tabakasının kalınlığına bağlıdır. Sıcaklık ve nem ne kadar yüksekse, izolasyon tabakasının kalınlığı o kadar ince olur ve çapraz bağlanma süresi o kadar kısalır; bunun tersi de geçerlidir. Sıcaklık ve nem bölgeden bölgeye ve mevsimden mevsime değiştiğinden, aynı yerde ve aynı zamanda bile, bugünkü ve yarınki sıcaklık ve nem farklı olacaktır. Bu nedenle, malzemeyi kullanırken, kullanıcı yerel ve hakim sıcaklık ve neme, ayrıca kablonun özelliklerine ve izolasyon tabakasının kalınlığına göre çapraz bağlanma süresini belirlemelidir.
Yayın tarihi: 13 Ağustos 2022