Liên kết ngang - chuyển đổi các phân tử polyetylen tuyến tính thành cấu trúc mạng ba chiều-thông qua các phương pháp vật lý hoặc hóa học, từ đó cải thiện các tính chất cơ học và nhiệt của chúng. Có hai loại cách điện-liên kết chéo chính: liên kết chéo-vật lý và liên kết chéo-hóa học.
Liên kết ngang vật lý, còn được gọi là liên kết ngang chiếu xạ, thường phù hợp với cáp-điện áp thấp có độ dày cách điện mỏng.
Liên kết ngang-hóa học chủ yếu được chia thành hai loại: liên kết ngang-peroxide và liên kết ngang-ghép silane. Trong số đó, liên kết ngang-peroxide được sử dụng để cách điện cho cáp trung thế và (siêu) điện áp cao, trong khi liên kết chéo ghép silane-thường được sử dụng cho cáp liên kết chéo-điện áp thấp thông thường.
Quá trình liên kết chéo-chiếu xạ chủ yếu phù hợp để sản xuất cáp liên kết chéo-điện áp thấp-đặc biệt, chẳng hạn như cáp cấp hạt nhân, cáp nhiệt độ hoạt động cao (nhiệt độ hoạt động lâu dài-có thể đạt tới 150 độ),-dây và cáp halogen ít khói liên kết-ngọn lửa tự do-và cáp, v.v. Do ảnh hưởng của công nghệ vật liệu và bức xạ tia y- xuyên thấu, quá trình liên kết ngang{10}bức xạ không phù hợp để sản xuất cáp trung thế và (siêu) cao áp.
Công nghệ liên kết ngang UV là một công nghệ liên kết ngang mới khác được phát triển sau liên kết ngang hóa học và liên kết ngang chiếu xạ. Đó là thành tựu đổi mới công nghệ được phát triển độc lập và có quyền sở hữu trí tuệ độc lập ở Trung Quốc. Nguyên lý của liên kết ngang bằng tia cực tím là sử dụng polyolefin làm nguyên liệu chính và thêm một lượng chất quang hóa thích hợp. Bằng cách chiếu xạ ánh sáng cực tím, chất xúc tác quang sẽ hấp thụ các bước sóng cụ thể của tia cực tím để tạo ra các gốc tự do polyolefin, sau đó chúng trải qua một loạt phản ứng trùng hợp nhanh để tạo ra các polyolefin liên kết ngang có cấu trúc mạng ba chiều. Điều này đã mở ra một hướng đi mới cho việc sản xuất cáp liên kết ngang và được đưa vào sản xuất cáp liên kết ngang điện áp thấp-. Sau đây chủ yếu giới thiệu liên kết ngang hóa học.
1, Liên kết ngang Peroxide
Phương pháp liên kết ngang peroxide là phương pháp tạo ra liên kết ngang bằng cách thêm các tác nhân liên kết ngang. Nó chủ yếu phù hợp để sản xuất cáp điện cách điện bằng polyetylen liên kết chéo có cấp điện áp định mức từ 10kV trở lên và nhiều diện tích mặt cắt ngang khác nhau.
(1) Liên kết ngang hơi nước (SCP)
Công nghệ sản xuất liên kết ngang bằng hơi nước là phương pháp liên kết ngang lâu đời nhất phát triển từ công nghệ lưu hóa liên tục cao su. Phương pháp này sử dụng hơi nước ở áp suất và nhiệt độ nhất định làm môi trường gia nhiệt và điều áp để liên kết ngang polyetylen. Liên kết chéo hơi nước được GE nghiên cứu thành công vào năm 1957 và Công ty Điện lực Sumitomo của Nhật Bản đã giới thiệu công nghệ này vào năm 1959 và đưa vào sản xuất vào năm 1960.
Ở giai đoạn đầu, hơi nước bão hòa được sử dụng làm môi trường, đồng thời áp suất và nhiệt độ bên trong ống liên kết ngang có liên quan trực tiếp. Để tăng nhiệt độ hơi nước, cần phải tăng áp suất hơi nước đồng thời. Cứ tăng nhiệt độ 10 độ, áp suất sẽ tăng khoảng 5kg, khiến khó đạt được nhiệt độ đủ cao và tiêu thụ năng lượng cao; Sau đó, nó được phát triển để tăng nhiệt độ hơi nước bằng cách làm nóng thành ống liên kết chéo (được gọi là hơi quá nhiệt, không cần tăng áp suất để tăng nhiệt độ), chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị lưu hóa cao su. Do sự tiếp xúc trực tiếp giữa hơi nước và polyetylen nóng chảy bên trong ống-liên kết chéo, hơi ẩm sẽ thẩm thấu và khuếch tán vào lớp cách nhiệt. Trong quá trình làm mát cáp, hơi nước bên trong lớp cách điện đạt đến độ bão hòa và hình thành các lỗ nhỏ, có thể gây ra hiện tượng phóng điện nhánh sau khi đưa vào vận hành. Đây chính là điểm yếu chết người của phương pháp này. Vì vậy, bắt đầu từ những năm 1960, một số quy trình liên kết ngang khô mới đã xuất hiện.
(2) Phương pháp liên kết ngang hồng ngoại (RCP) và liên kết ngang khô
Phương pháp liên kết ngang hồng ngoại hay còn gọi là phương pháp liên kết ngang bức xạ nhiệt (RCP), là một quá trình liên kết ngang khô được phát minh bởi Công ty Điện lực Sumitomo ở Nhật Bản vào năm 1967.
Phương pháp liên kết ngang các polyme với bức xạ hồng ngoại đã được General Electric (GE) ở Pháp cấp bằng sáng chế vào đầu năm 1937 để lưu hóa các sản phẩm cao su. Năm 1961, WR Grace của Hoa Kỳ đã nhận được bằng sáng chế về sản xuất màng polyetylen bằng phương pháp chiếu xạ hồng ngoại. Công ty Điện lực Sumitomo ở Nhật Bản lấy cảm hứng từ hai bằng sáng chế trên và đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào tháng 6 năm 1966, trong đó một lớp polyetylen liên kết ngang chứa chất liên kết ngang peroxide hữu cơ được ép đùn trên một dây dẫn và được nung nóng bằng bức xạ trong khí trơ ở áp suất trên 2kg/cm 2 để tạo ra phản ứng liên kết ngang trong polyetylen. Vào tháng 4 năm 1967, Công ty Điện lực Sumitomo đã nộp đơn xin một bằng sáng chế khác, đề xuất rằng toàn bộ bộ phận{12}liên kết ngang bao gồm bộ phận làm nóng bằng bức xạ, bộ phận làm mát và bộ phận làm mát bằng nước. Phần sưởi ấm bức xạ được chia thành hai vùng và mỗi vùng có thể kiểm soát nhiệt độ độc lập. Trong phản ứng liên kết chéo dài hạn, một lớp bụi đen lắng đọng peroxide hình thành trên thành trong của ống liên kết chéo, đây là một vật đen hình thành tự nhiên phát ra bức xạ hồng ngoại. Thông qua tiến bộ công nghệ, quy trình RCP dần dần được thay thế bằng quy trình liên kết chéo khô{19}}làm nóng bằng điện thông thường. Hiện nay, công nghệ liên kết ngang hệ thống treo và công nghệ liên kết ngang tháp VCV được sử dụng rộng rãi.
Các bộ phận làm nóng và làm mát trước được bảo vệ bằng khí nitơ. Trong ống liên kết ngang -gia nhiệt, chức năng chính của nitơ là hoạt động như than truyền nhiệt và bảo vệ bề mặt polyetylen khỏi quá trình oxy hóa và phân hủy ở nhiệt độ cao hơn. Đồng thời, áp suất vừa đủ được tác dụng lên lớp cách nhiệt để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu sự xuất hiện các khe hở không khí trong quá trình-liên kết ngang. Dòng nitơ cũng có thể cuốn đi một lượng lớn nước bay hơi khỏi nước làm mát và nước cũng như các chất dễ bay hơi bị phân hủy từ peroxit trong phản ứng liên kết ngang. Chức năng chính của nitơ trong phần làm mát trước là làm mát trước bề mặt lõi cách điện của cáp, cho phép bề mặt lõi đi vào phần làm mát bằng nước ở nhiệt độ thấp hơn, từ đó ngăn ngừa ứng suất bên trong cách điện do lõi bị nguội đột ngột và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do sử dụng hệ thống sưởi bằng điện, tốc độ sản xuất có thể tăng lên bằng cách tăng nhiệt độ. Trong vật liệu cách nhiệt bằng polyetylen liên kết chéo, độ ẩm của phương pháp liên kết ngang khô chỉ là 0,018%, trong khi độ ẩm của phương pháp liên kết ngang hơi nước đạt 0,29%. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng cường độ đánh thủng AC và cường độ đánh thủng do va đập của cách điện bằng phương pháp liên kết ngang khô cao hơn so với phương pháp liên kết ngang bằng hơi nước.
Thiết bị sản xuất liên kết chéo khô-chủ yếu bao gồm hai loại: đơn vị liên kết chéo-treo và đơn vị liên kết chéo-tháp dọc. Bộ liên kết ngang tháp dọc VCV-áp dụng phương pháp ép đùn dọc, thuận lợi hơn cho việc kiểm soát độ lệch tâm của lớp cách nhiệt dày.
(3) Liên kết ngang khuôn mẫu lâu dài (MDCV)-
Liên kết ngang dạng dài được Công ty Dây và Cáp Anaconda phát minh vào năm 1959 và được cấp bằng sáng chế trong cùng năm đó, được gọi là quy trình MCP. Sau đó, do sự cạnh tranh khốc liệt trong ngành dây và cáp, công ty đã rút khỏi cuộc cạnh tranh-sản xuất dây và cáp polyetylen liên kết chéo, điều này đã ngăn cản quy trình mới này được đưa vào sử dụng thực tế. Năm 1971, Công ty Dây và Cáp Điện Daihatsu và Công ty Hóa dầu Mitsubishi đã hợp tác mua bằng sáng chế từ Tập đoàn Anaconda, cho phép thực hiện phương pháp này, được gọi là MDCVI Art. Năm 1973, Công ty Dây và Cáp Điện Daiichi nộp đơn xin cấp bằng sáng chế quy trình cho MDCV. Ý nghĩa ban đầu của MDCV là "Phương pháp liên kết ngang liên tục Mitsubishi Daiichi", trong khi ý nghĩa kỹ thuật của nó là Phương pháp quy trình liên kết ngang dài hạn.
Phương pháp MDCV sử dụng ống liên kết chéo-ngang được lắp bên trong đầu máy đùn. Khuôn đùn dài 20 mét. Khi đùn lõi dây cách điện, chất bôi trơn được đổ vào ống để liên kết ngang polyetylen trong khuôn này.
Đặc điểm của phương pháp MDCV là đầu tư thiết bị thấp, diện tích nhỏ, sản xuất ổn định cáp tiết diện lớn, tốc độ sản xuất tương đương với các đơn vị liên kết chéo CCV, chất lượng sản phẩm ổn định và đáng tin cậy. Cường độ trường đánh thủng AC của cáp được sản xuất bằng quy trình này cao hơn từ 60% đến 70% so với cáp liên kết chéo hơi nước. Tuy nhiên, khi sản xuất các loại cáp có thông số kỹ thuật khác nhau, toàn bộ khuôn đỡ dài cần phải được thay thế, tính linh hoạt không mạnh nên chưa được sử dụng rộng rãi.
(4) Quá trình liên kết ngang muối nóng chảy áp suất (PLCV)
Phương pháp này ban đầu được phát minh bởi Careillo, một công ty của Ý. Vào tháng 8 năm 1976, công ty hợp tác với General Engineering ở Anh để nghiên cứu việc sử dụng cáp điện cách điện bằng polyetylen có liên kết chéo-. Năm 1977, Gerard Smart của Công ty Kỹ thuật Tổng hợp Anh công bố thành tựu này và bán thiết bị đầu tiên cho công ty BICC của Anh. Muối được sử dụng trong hệ thống PLCV giống như muối được sử dụng trong phương pháp lưu hóa cao su LCM. Ví dụ, công thức muối nóng chảy là hỗn hợp muối vô cơ bao gồm 53% kali nitrat, 40% natri nitrit và 7% natri nitrat. Hỗn hợp này tan chảy ở 145 độ ~ 150 độ và duy trì ổn định cho đến 540 độ. Ống liên kết chéo{15}}muối nóng chảy được bịt kín. Trong quá trình sản xuất cáp, áp suất (3-4) atm thường được áp dụng và nhiệt độ muối nóng chảy nằm trong khoảng từ 200 độ đến 250 độ. Phần làm mát cũng sử dụng phương pháp điều áp. Do trọng lượng riêng cao của hỗn hợp muối nóng chảy nên vấn đề kéo dây cáp nặng được giải quyết. Có tính đến các yếu tố khác nhau, quy trình này được áp dụng trong dây chuyền sản xuất lưu hóa ống bọc cao su và đặc biệt thích hợp để sản xuất cáp cao su nặng.
(5) Quá trình liên kết ngang dầu silicon (FZCV)
Năm 1979, Sadayoshi Kashima và những người khác từ Công ty Dây điện Fujikura ở Nhật Bản đã phát minh ra quy trình liên kết ngang dầu silicon (FZCV), sử dụng dầu silicon điều áp làm vật liệu sưởi ấm và làm mát cho than. Dưới áp lực của dầu silicon, cáp có thể được treo trong dầu silicon mà không bị cọ xát hoặc lệch tâm. Dầu silicon có thể được tái chế. Công ty dây điện Tengcang bắt đầu sản xuất cáp polyetylen liên kết chéo 275kV sử dụng hai bộ FZCV vào năm 1979, giải quyết hiệu quả vấn đề kỹ thuật điện áp cao của cáp polyetylen liên kết ngang{7}}có tiết diện lớn. Do chi phí đầu tư cao nên nó chưa được quảng bá và sử dụng rộng rãi.
Trong các quy trình liên kết ngang-hóa học ở trên, xem xét nhiều yếu tố khác nhau, các đơn vị liên kết chéo-treo và các đơn vị liên kết ngang tháp-đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cáp điện trung thế và (siêu) điện áp cao bằng nhựa. Trong các phương pháp liên kết ngang ở trên, tất cả đều là phương pháp liên kết ngang gia nhiệt bên ngoài. Năm 1975, G. Menger ở Tây Đức đề xuất sử dụng phương pháp gia nhiệt dây dẫn để rút ngắn thời gian liên kết ngang. Ông đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng cứ mỗi lớp cách nhiệt polyetylen dày 1 mm thì thời gian liên kết ngang là khoảng 1 phút. Do đó, chỉ bằng cách giảm tốc độ dây hoặc tăng chiều dài của ống liên kết ngang mới có thể đạt được. Nếu sử dụng dòng điện 1000 ampe để tăng nhiệt độ của dây dẫn lên 200 độ thì thời gian liên kết chéo sẽ rút ngắn đi 20%. Hiện tại, nhiều đơn vị sản xuất liên kết chéo áp dụng công nghệ làm nóng sơ bộ dây dẫn, giúp cải thiện hiệu quả hiệu quả sản xuất và mang lại lợi ích cho chất lượng cách điện.
2, Liên kết ngang Silane
Liên kết ngang silane, còn được gọi là liên kết ngang nước ấm, được đề xuất và phát triển bởi Dow Corning vào năm 1960. Nó còn được gọi là phương pháp Sioplas, là một quá trình liên kết ngang ghép silane. Quá trình này được thực hiện theo hai bước, ghép và ép đùn và được gọi là liên kết ngang silane hai bước. Bước đầu tiên là nhà máy sản xuất vật liệu cách nhiệt ghép và ép đùn chất liên kết ngang silane lên vật liệu cơ bản trên máy đùn và các hạt thu được được gọi là vật liệu A (vật liệu ghép). Đồng thời, nguyên liệu mẹ làm chất xúc tác và chất tạo màu cũng được cung cấp, gọi là nguyên liệu B. Bước thứ hai là trộn vật liệu A và B theo tỷ lệ nhất định (ví dụ: tỷ lệ A:B là 95:5), đùn chúng lên dây dẫn cáp trên máy đùn thông thường, sau đó đặt chúng vào bể liên kết ngang{10}}nước nóng ở góc 80 độ ~95 độ hoặc trong phòng xông hơi ướt để hoàn tất{13}}liên kết chéo. Quá trình này có chi phí đầu tư thấp và có thể được xử lý bằng máy đùn thông thường. Giá vật liệu vừa phải và đã được sử dụng rộng rãi.
Nhưng cũng có những nhược điểm sau:
(1) Polyetylen ghép có xu hướng sớm liên kết chéo-với hơi ẩm trong không khí, rút ngắn thời gian bảo quản, thường là sáu tháng.
(2) Hỗn hợp polyethylene ghép và masterbatch xúc tác thường có thời gian bảo quản không quá 3 giờ, do đó cần phải ép đùn trong khi trộn.
(3) Do có nhiều bước trộn nên phương pháp hai{1}}bước dễ bị tạp chất và chủ yếu được sử dụng trong sản xuất vật liệu cách điện cho cáp dưới 10kV.
Để khắc phục những hạn chế của Sioplas, vào năm 1977, BICC từ Vương quốc Anh và Maillefer từ Thụy Sĩ đã cộng tác để phát triển quy trình liên kết ngang silane một bước, còn được gọi là quy trình Monosil, dựa trên phương pháp hai{2}}bước do Dow Corning phát minh. Nó đo và trộn đồng thời các vật liệu gốc polyetylen, chất chống oxy hóa và silan lỏng, kết hợp phản ứng ghép và quá trình bổ sung chất xúc tác, đồng thời sử dụng máy đùn có tỷ lệ chiều dài và đường kính là 30: 1 để đùn lớp cách điện lên dây dẫn cáp. Việc ghép và đùn lớp cách nhiệt được hoàn thành trong một bước nên được gọi là phương pháp một-bước. Nó có chi phí vật liệu thấp nhất, giảm nguy cơ ô nhiễm tạp chất và có thể tăng đáng kể thời gian bảo quản vật liệu. Tuy nhiên, quy trình này đòi hỏi phải đầu tư nhiều hơn vào thiết bị so với phương pháp hai{10}bước và cần có hệ thống cấp silane lỏng.
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu, việc áp dụng công nghệ liên kết ngang silane một bước cũng có thể đạt được bằng cách trộn trước các vật liệu gốc polyetylen, chất chống oxy hóa và silane lỏng bằng cách sử dụng máy trộn tốc độ cao-và đặt chúng trong những điều kiện nhất định để cho phép chất chống oxy hóa và silane lỏng được bổ sung thẩm thấu hoàn toàn. Sau đó, máy đùn thông thường có thể được sử dụng để hoàn thành việc ghép và ép đùn trong một lần. Trong quá trình ép đùn, nhiệt độ vật liệu phải được kiểm soát chặt chẽ và yêu cầu về nhiệt độ vật liệu phải cao để đảm bảo hoàn thành việc ghép silane trong quá trình ép đùn. Lõi dây cách điện ép đùn phải được đặt trong bể liên kết ngang nước ấm hoặc phòng xông hơi để liên kết ngang; Nếu nhiệt độ vật liệu quá thấp trong quá trình ép đùn và việc ghép không được hoàn thành, lớp cách nhiệt sau khi ép đùn sẽ không thể liên kết ngang.
Vào những năm 1980, công ty Lingclone của Nhật Bản đã phát triển phương pháp đồng trùng hợp dựa trên những ưu điểm của phương pháp hai{1}}bước và một{2}}bước. Phương pháp đồng trùng hợp cũng là một monome copolyme silane ethylene trimethoxysilane, nhưng với một quy trình khác. Quá trình này không ghép organosilane vào chuỗi polymer, nhưng đưa silane có thể thủy phân được trong quá trình trùng hợp để tạo ra copolyme silane dễ dàng xử lý. Phương pháp này liên quan đến việc đồng trùng hợp ethylene với monome copolyme silane trong lò phản ứng áp suất cao. Chìa khóa của quá trình này là các monome copolyme được chọn phải chứa nhóm chưa bão hòa có thể phản ứng với ethylene để tạo thành chuỗi polymer. Cấu trúc của chất đồng trùng hợp ethylene silane và hợp chất ghép Sioplas về cơ bản là giống nhau.
Do việc sản xuất copolyme silane được thực hiện trong bình phản ứng nên nó có thể đảm bảo độ sạch cao và cũng tránh được vấn đề ô nhiễm cặn peroxide trong quá trình ghép. Ưu điểm chính của copolyme silane là trong quá trình phản ứng trùng hợp, sự phân bố đều đặn của mạng liên kết chéo- đạt được nhờ-đầu vào một lần của các monome copolyme silane, do đó lượng silane cần thiết thấp hơn lượng silane cần thiết cho các hợp chất ghép silane. Do quá trình đồng trùng hợp tiên tiến và độc đáo, vật liệu polyetylen liên kết ngang silane được sản xuất có những ưu điểm sau:
(1) Độ ổn định bảo quản tốt, thời gian bảo quản thường trên một năm, tốt hơn vật liệu ghép.
(2) Trong quá trình xử lý polyetylen liên kết ngang-bằng phương pháp đồng trùng hợp, có rất ít chất tự do và tạp chất lẫn vào, do đó cải thiện hiệu suất cách điện của cáp.
(3) Nó có thể được ép đùn trên máy đùn thông thường với độ ổn định quy trình sản xuất tốt.
Sau đó, quy trình-pha một-bước rắn và quy trình silane hóa rắn lần lượt được phát triển. Quy trình-giai đoạn một{4}}rắn bao gồm quá trình thẩm thấu và hấp thụ silan vào vật liệu gốc PE thông qua các chất mang như than đen trắng. Quá trình hóa rắn silane nhằm mục đích cải thiện phương pháp cho ăn silane. Silane lỏng có thể được hấp phụ vào nhựa polypropylen hoặc PE xốp để tạo thành silane rắn. Cả hai quy trình đều bắt nguồn từ phương pháp một-bước.
Với sự tiến bộ của công nghệ vật liệu, dựa trên công nghệ liên kết ngang silane hai{0}}bước, vật liệu cách nhiệt polyetylen tự liên kết silane (còn được gọi là vật liệu cách nhiệt polyetylen liên kết ngang ở nhiệt độ phòng silane) đã được giới thiệu. Nguyên tắc của nó là cải thiện chất xúc tác (vật liệu B) bằng cách thêm các chất tạo nước tổng hợp và chất xúc tác hiệu quả. Sau khi trộn vật liệu ghép (vật liệu A) và vật liệu xúc tác (vật liệu B) và ép đùn chúng, chúng thường có thể được liên kết chéo sau khi được đặt trong nhà trong (2-7) ngày (nếu nhiệt độ môi trường cao và thời gian đặt ngắn), mà không cần liên kết ngang trong bể liên kết ngang nước ấm hoặc phòng xông hơi. Giá thành vật liệu cao nhưng do tính tiện lợi trong sản xuất nên cũng đã được ứng dụng ở một mức độ nhất định.
Có tính đến đặc điểm của các quy trình liên kết ngang silane khác nhau, chi phí vật liệu và các yếu tố khác, liên kết ngang silane một bước và liên kết ngang silane hai bước đã được sử dụng rộng rãi. Trong số đó, quy trình liên kết ngang silane hai bước, do hoàn thành phản ứng ghép của vật liệu A, yêu cầu nhiệt độ đùn thấp đối với cách điện lõi dây, điều này có lợi cho việc thay đổi các thông số kỹ thuật trong sản xuất. Quy trình liên kết ngang silane một bước có chi phí vật liệu thấp và việc ghép và ép đùn có thể được hoàn thành trong một lần. Yêu cầu nhiệt độ đùn cao và việc ghép không thể hoàn thành nếu nhiệt độ vật liệu không đáp ứng yêu cầu. Máy đùn được đặt ở nhiệt độ cao, việc tắt máy thường xuyên và thay đổi thông số kỹ thuật có thể tạo ra clanhke, khiến nó phù hợp để sản xuất lõi cáp dài.
