Dây và cáp được sản xuất bằng phương pháp liên kết ngang chiếu xạ có khả năng chịu nhiệt, chống mài mòn, chống ăn mòn, độ bền kéo cao và khả năng chống sắt. So với các phương pháp xử lý liên kết ngang khác, chúng có hiệu suất cách nhiệt tốt hơn và không bị phân hủy bởi các chất xúc tác không phản ứng, có thể cải thiện hiệu suất điện, khả năng chống lão hóa nhiệt và độ ổn định của vật liệu. Liên kết ngang bức xạ là một quy trình và phương pháp sản xuất lý tưởng cho các loại dây linh hoạt, cáp thiết bị điện, dây và cáp-chịu nhiệt độ cao và{3}}chậm cháy.
Vật liệu cách điện của hầu hết các loại cáp không chỉ phải có điện trở cách điện cao, cường độ điện áp hoặc tổn thất điện môi thấp mà còn phải có các đặc tính cơ lý tốt, chẳng hạn như độ bền kéo, khả năng chống uốn, khả năng chống rung, khả năng chống xoắn, v.v. Vật liệu cách điện cho cáp liên kết ngang-được chiếu xạ chủ yếu bao gồm polyvinyl clorua, nhựa dẻo, polyetylen liên kết-, polypropylen và cao su EPDM liên kết chéo-.
1, Vật liệu cách nhiệt chứa halogen
(1) Vật liệu cách nhiệt polyvinyl clorua (PVC)
Vật liệu cách nhiệt PVC là hỗn hợp của chất hóa dẻo, chất ổn định, chất chống cháy, chất bôi trơn và các chất phụ gia khác được thêm vào bột PVC theo các công thức khác nhau. Sau nhiều thập kỷ sản xuất và sử dụng, công nghệ sản xuất, điều chỉnh công thức và xử lý PVC đã trở nên rất hoàn thiện đối với các ứng dụng và yêu cầu đặc tính khác nhau của cáp. Với hiệu suất xử lý tuyệt vời và chi phí thấp, cáp cách điện PVC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị gia dụng, thiết bị cơ khí, truyền thông mạng, hệ thống dây điện tòa nhà và các lĩnh vực khác, đồng thời có các đặc tính hiệu suất đáng kể:
1. Công nghệ sản xuất trưởng thành, dễ hình thành và gia công. So với các loại vật liệu cách điện cáp khác, nó không chỉ có chi phí thấp mà còn có thể kiểm soát hiệu quả sự khác biệt màu sắc bề mặt, độ mờ quang học, in ấn, hiệu quả xử lý, độ mềm và độ cứng, độ bám dính của dây dẫn, tính chất cơ lý của dây và tính chất điện.
2. Nó có đặc tính chống cháy tuyệt vời, vì vậy dây cách điện PVC có thể dễ dàng đáp ứng các mức độ chống cháy được quy định trong các tiêu chuẩn khác nhau.
3. Về mặt điện áp định mức, nó thường được sử dụng cho các mức điện áp từ 1000V AC trở xuống.
PVC cũng có một số nhược điểm cố hữu làm hạn chế việc sử dụng nó, chủ yếu biểu hiện như:
Do hàm lượng clo cao nên trong quá trình đốt cháy sẽ thải ra một lượng lớn khói dày đặc, có thể gây ngạt thở, ảnh hưởng đến tầm nhìn, sản sinh ra một số chất gây ung thư và khí HC1, gây nguy hại nghiêm trọng cho môi trường. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt ít khói và không chứa halogen-, việc thay thế dần lớp cách nhiệt PVC truyền thống đã trở thành xu hướng tất yếu trong quá trình phát triển cáp.
2. Chất cách nhiệt PVC thông thường có khả năng chống axit và kiềm, nhiệt và dầu và dung môi hữu cơ kém. Theo nguyên lý hóa học có độ hòa tan tương tự, dây PVC dễ bị hư hỏng và nứt trong môi trường cụ thể.
Nói chung, điều này đạt được bằng cách tối ưu hóa và cải tiến công thức vật liệu, liên kết chéo thông qua chiếu xạ và biến PVC nhựa nhiệt dẻo thông thường thành nhựa nhiệt rắn không hòa tan, làm cho cấu trúc phân tử của nó ổn định hơn và cải thiện độ bền cơ học cách nhiệt. Nhiệt độ ngắn mạch-có thể tăng lên tới 250 độ .
Khi chiếu xạ PVC, nó sẽ bị phân hủy khi liều chiếu xạ quá cao. Các phân tử PVC nguyên chất trải qua quá trình liên kết ngang bức xạ, nhưng rất khó thu được các vật liệu có giá trị do khử clo, phản ứng phá vỡ liên kết và đổi màu. Việc thêm chất nhạy cảm với các đơn phân không bão hòa đa chức năng{2}}có thể làm giảm sự phá vỡ liên kết và sự đổi màu của chuỗi phân tử PVC, góp phần đáng kể vào việc hình thành mạng lưới liên kết ngang.
Với sự hiện diện của các monome đa chức năng như TMPTM và TMPTA, hiệu suất của PVC đã được cải thiện đáng kể sau khi chiếu xạ ở liều thấp hơn 10kGy, và nó có thể được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt và nhiều loại phụ kiện đường ống (chẳng hạn như chuẩn bị cáp chống cháy có khả năng chịu nhiệt 105 độ). Ở cùng một liều bức xạ, hàm lượng gel của hệ thống có chất nhạy cảm cao hơn 5% ~ 10% so với hệ thống không có chất nhạy cảm; Để đạt được hàm lượng gel tương tự, hệ thống bổ sung chất nhạy cảm cần một lượng bức xạ nhỏ. Việc bổ sung chất nhạy cảm có thể làm giảm hơn 50% liều bức xạ trong khi tăng hàm lượng gel. Việc giảm liều bức xạ có thể tránh được các khuyết tật do nhiệt độ vật liệu tăng lên khi liều quá cao. Hiện nay, hướng phát triển của vật liệu cách điện PVC chủ yếu bao gồm vật liệu cáp PVC-có liên kết chéo linh hoạt, vật liệu cáp trong suốt và vật liệu cáp{10}không chứa chì.
(2) Nhựa huỳnh quang
Vật liệu cách nhiệt dòng Fluoroplastic được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cáp, với hiệu suất vượt trội về nhiều mặt như PTFE, ETFE, PVDF, v.v. Trong số đó, PTFE có thể hoạt động lâu dài trong môi trường 200 độ. Trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học tuyệt vời cũng như tính chất điện môi vượt trội và khả năng chống mài mòn khiến nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không và vũ trụ.
Hầu hết các loại nhựa fluoroplastic, đặc biệt là PTFE, thường được coi là vật liệu phân hủy bức xạ. PTFE có thể trải qua quá trình nứt và tạo ra bột vi mô PTFE trong các điều kiện khác nhau. Dưới sự chiếu xạ chân không hoặc khí trơ ở nhiệt độ 330 độ ~ 340 độ, cao hơn điểm nóng chảy của PTFE, có thể đạt được liên kết ngang của PTFE. Khả năng chống bức xạ và chống mài mòn của vật liệu PTFE liên kết ngang được cải thiện rất nhiều, điều này bù đắp chính xác những khuyết điểm của vật liệu PTFE không liên kết ngang. Tuy nhiên, do PTFE chỉ có thể liên kết ngang ở trạng thái nóng chảy nên việc ứng dụng PTFE liên kết ngang trong cáp bị hạn chế.
Trong số các loại nhựa dẻo khác, ETFE và PVDF có khả năng chống bức xạ tốt nhưng nhiệt độ sử dụng của chúng thấp hơn PTFB. Sau khi liên kết ngang chiếu xạ, nhiệt độ sử dụng của nó có thể tăng lên. Sau khi liên kết chéo-chùm tia điện tử, mức nhiệt độ của dây ETFE có thể tăng từ 150 độ lên 200 độ, trong khi các đặc tính ưu việt khác vẫn không thay đổi. Dây cách điện XL-ETFE là một trong hai loại dây được sử dụng phổ biến nhất trong ngành hàng không hiện nay.
Dây cách điện XL{0}}ETFE được làm bằng vật liệu cách điện ETFE có thể liên kết ngang đặc biệt, được ép đùn thành dây và liên kết ngang bằng chiếu xạ chùm tia điện tử. Các phân tử ETFE chứa các đơn vị cấu trúc ethylene nên chúng có xu hướng liên kết chéo khi chiếu xạ. Tuy nhiên, mức độ liên kết chéo là chưa đủ và cần phải thêm các chất nhạy cảm liên kết ngang đặc biệt để thúc đẩy liên kết ngang. Ngoài ra, quá trình liên kết ngang chiếu xạ ETFE bị ảnh hưởng bởi bầu không khí oxy và mức độ liên kết ngang không ổn định. Sử dụng liên kết ngang chiếu xạ trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ cao hơn có lợi cho sự ổn định của liên kết ngang dây.
So với các loại cáp PE, PVC thông thường, cáp fluoroplastic có những ưu điểm vượt trội sau:
1. Chịu nhiệt độ cao
Nhựa fluoroplastic có độ ổn định nhiệt đặc biệt và cáp fluoroplastic có thể thích ứng với môi trường nhiệt độ cao từ 150 độ đến 250 độ. Nói cách khác, trong cùng điều kiện mặt cắt ngang-của dây dẫn, cáp nhựa dẻo có thể truyền dòng điện lớn hơn cho phép, cải thiện đáng kể phạm vi sử dụng của loại dây cách điện này. Do hiệu suất độc đáo của nó, cáp huỳnh quang có thể được sử dụng làm hệ thống dây điện bên trong, dây dẫn, v.v. trong máy bay, tàu thủy, lò nung nhiệt độ cao{6}}và các thiết bị điện tử.
2. Khả năng chống cháy tốt
Nhựa Fluoroplastic có chỉ số oxy cao và thường khó cháy, với phạm vi khuếch tán ngọn lửa nhỏ trong quá trình đốt cháy. Dây làm từ nó phù hợp với các dụng cụ và những nơi có yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chống cháy. Ví dụ: những nơi công cộng như mạng máy tính, tàu điện ngầm, xe cộ, máy bay, v.v. Khi hỏa hoạn xảy ra, mọi người có thể có một khoảng thời gian nhất định để sơ tán an toàn và sơ cứu cho nhân viên.
3. Hiệu suất điện tuyệt vời
So với PE, nhựa fluoroplastic có hằng số điện môi thấp hơn. Do đó, so với cáp đồng trục có cấu trúc tương tự, cáp fluoroplastic có độ suy giảm ít hơn và phù hợp hơn để truyền tín hiệu tần số cao-. Tần suất sử dụng cáp ngày càng tăng đã trở thành xu hướng hiện nay và do khả năng chịu nhiệt độ cao của nhựa fluoroplastic, chúng thường được sử dụng làm hệ thống dây điện bên trong cho thiết bị liên lạc truyền dẫn, bộ nhảy giữa các bộ cấp và phát truyền dẫn không dây cũng như cáp video và âm thanh. Ngoài ra, cáp fluoroplastic có độ bền điện môi và khả năng cách điện tốt nên thích hợp để sử dụng làm cáp điều khiển cho các thiết bị quan trọng.
4. Tính chất cơ học và hóa học tuyệt vời
Nhựa Fluoroplastic có năng lượng liên kết hóa học cao, độ ổn định cao và hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ. Chúng có khả năng chống lão hóa thời tiết và độ bền cơ học tuyệt vời; Và nó không bị ảnh hưởng bởi các axit, bazơ và dung môi hữu cơ khác nhau. Do đó, nó phù hợp với các môi trường có đặc tính ăn mòn và biến đổi khí hậu đáng kể, chẳng hạn như hóa dầu, nhà máy lọc dầu và thiết bị kiểm soát giếng dầu.
5. Thuận lợi cho việc hàn và nối dây
Trong các thiết bị điện tử, nhiều kết nối được thực hiện bằng phương pháp hàn. Do nhiệt độ nóng chảy thấp của nhựa thông thường nên chúng dễ bị nóng chảy ở nhiệt độ cao, đòi hỏi kỹ thuật hàn lành nghề. Một số điểm hàn yêu cầu một khoảng thời gian hàn nhất định, điều này cũng trở thành lý do khiến cáp nhựa dẻo trở nên phổ biến, chẳng hạn như hệ thống dây điện bên trong của thiết bị liên lạc và dụng cụ điện tử.
Fluoroplastics cũng có một số nhược điểm làm hạn chế việc sử dụng chúng:
1. Giá nguyên liệu của nhựa fluoroplastic rất đắt và hiện tại sản xuất trong nước chủ yếu dựa vào nhập khẩu (Daikin từ Nhật Bản và DuPont từ Hoa Kỳ). Mặc dù ngành sản xuất fluoroplastic trong nước đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, nhưng các chủng loại sản xuất tương đối đơn lẻ và vật liệu vẫn có khoảng cách nhất định về độ ổn định nhiệt và các đặc tính toàn diện khác so với vật liệu nhập khẩu.
2. So với các vật liệu cách nhiệt khác, quy trình sản xuất khó khăn hơn, hiệu quả sản xuất thấp, bản in dễ bị bong ra và mức tiêu thụ lớn, khiến giá thành sản xuất cao hơn.
3. Chất dẻo huỳnh quang PTFE có khả năng chống bức xạ kém. Ví dụ, ở nhiệt độ phòng hoặc khi có không khí, khi liều chiếu xạ đạt tới vài Mrad, chiếu xạ chùm tia điện tử gia tốc có thể làm cho chuỗi carbon chính của các phân tử PTFE bị đứt, dẫn đến nứt PTPE và phân hủy nhanh chóng PTFE.
2, Vật liệu cách nhiệt không chứa halogen-
(1) Vật liệu cách nhiệt không chứa halogen{1}}không chứa halogen (XLPE) được liên kết chéo
Polyethylene (PE) và ethylene vinyl acetate (EVA) được sử dụng làm chất nền và nhiều chất phụ gia khác nhau như chất chống cháy không chứa halogen-, chất bôi trơn, chất chống oxy hóa, v.v. được thêm vào thông qua việc tạo hỗn hợp và tạo hạt cao su để sản xuất vật liệu cách nhiệt bằng polyetylen. Sau khi xử lý chiếu xạ, polyetylen có thể chuyển đổi từ cấu trúc phân tử tuyến tính sang cấu trúc khối ba chiều. Đồng thời chuyển đổi từ nhựa nhiệt dẻo sang nhựa nhiệt rắn không hòa tan. So với polyetylen nhựa nhiệt dẻo thông thường, cáp cách điện XLPE có những ưu điểm sau:
1. Cải thiện khả năng chống biến dạng nhiệt, cải thiện tính chất cơ học ở nhiệt độ cao và cải thiện khả năng chống nứt do ứng suất môi trường và lão hóa nhiệt.
2. Tăng cường độ ổn định hóa học và khả năng kháng dung môi, giảm dòng lạnh và về cơ bản duy trì hiệu suất điện ban đầu. Nhiệt độ làm việc lâu dài-có thể đạt tới 125 độ và 150 độ . Sau khi xử lý-liên kết chéo, nhiệt độ-ngắn mạch của polyetylen có thể tăng lên 250 độ. Đối với các loại cáp có cùng độ dày, khả năng mang dòng điện của polyetylen liên kết chéo tăng lên đáng kể.
Cáp cách điện XLPE có đặc tính cơ học, chống thấm nước và chống bức xạ tuyệt vời nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ: trong các ngành như đường dây kết nối điện bên trong, dây dẫn động cơ, dây dẫn chiếu sáng, đường dây điều khiển tín hiệu điện áp thấp{1}}ô tô, dây đầu máy, cáp tàu điện ngầm, cáp bảo vệ môi trường khai thác mỏ, cáp hàng hải, cáp cấp 1E cho nhà máy điện hạt nhân, cáp bơm chìm và cáp truyền tải điện.
Hiện tại, hướng phát triển của vật liệu cách nhiệt XLPE chủ yếu bao gồm vật liệu cách điện cáp điện polyetylen liên kết chéo-được chiếu xạ, vật liệu cách điện trên cao bằng polyetylen liên kết chéo-được chiếu xạ và vật liệu vỏ bọc polyolefin chống cháy-liên kết chéo đã chiếu xạ.
(2) Vật liệu cách nhiệt polypropylen (XL{1}}PP) liên kết ngang
Polypropylen (PP), là một loại nhựa phổ dụng, có đặc điểm là trọng lượng nhẹ, nguồn nguyên liệu thô dồi dào, hiệu quả chi phí-vượt trội, khả năng chống ăn mòn hóa học tuyệt vời, dễ đúc và có thể tái chế. Tuy nhiên, do các khuyết tật như độ bền thấp, khả năng chịu nhiệt kém, biến dạng co ngót lớn, khả năng chống rão kém, độ giòn ở nhiệt độ thấp và khả năng chống lão hóa nhiệt và oxy kém nên việc ứng dụng cáp bị hạn chế rất nhiều. Các nhà nghiên cứu đã cam kết sửa đổi vật liệu polypropylen để cải thiện hiệu suất toàn diện của chúng và polypropylen biến đổi liên kết ngang (XL-PP) chiếu xạ đã khắc phục những vấn đề này một cách hiệu quả. Có kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dây cách điện XL-PP có thể đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn của thử nghiệm đốt cháy UL VW-1 và dây 150 độ được xếp hạng UL. Đồng thời, các đặc tính cơ học của chúng như độ bền kéo và thử nghiệm cắt UL ở nhiệt độ định mức đều vượt trội so với vật liệu cách nhiệt bằng polypropylen liên kết ngang.
Nhược điểm của việc sửa đổi liên kết ngang bằng chiếu xạ polypropylen là có phản ứng bẻ khóa hình thành các nhóm cuối không bão hòa và phản ứng cạnh tranh giữa các phân tử bị kích thích và các gốc tự do phân tử lớn trong quá trình liên kết ngang chiếu xạ PP. Vết nứt chiếm ưu thế khi liều bức xạ thấp và liên kết chéo chiếm ưu thế khi tăng liều. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong quá trình liên kết ngang bức xạ PP, hiệu quả liên kết ngang rất thấp do xảy ra đồng thời sự suy thoái và liên kết ngang. Tỷ lệ phân hủy so với phản ứng liên kết ngang của PP đẳng hướng sau khi chiếu xạ bằng tia y- là 0,8. Để đạt được phản ứng liên kết ngang hiệu quả của PP, cần bổ sung thêm máy gia tốc liên kết ngang để liên kết ngang chiếu xạ. Đồng thời, độ dày liên kết ngang hiệu quả bị hạn chế bởi khả năng xuyên qua chùm tia điện tử và các điện tích dư trong quá trình chiếu xạ bị tạo bọt do tạo ra khí, điều này chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc liên kết ngang của các sản phẩm mỏng và hạn chế sử dụng chúng trên các loại cáp có thành dày.
(3) Vật liệu cách nhiệt ethylene vinyl acetate copolyme (XL-EVA) liên kết chéo
Với nhu cầu ngày càng tăng về độ an toàn của cáp, cáp liên kết chéo-chống cháy-không halogen-không halogen đã phát triển nhanh chóng. So với polyetylen, EVA làm giảm độ kết tinh, cải thiện tính linh hoạt, khả năng chống va đập, khả năng tương thích chất độn và hiệu suất hàn nhiệt bằng cách đưa monome vinyl axetat vào chuỗi phân tử của nó. Nói chung, hiệu suất của nhựa EVA chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng vinyl axetat trên chuỗi phân tử. Do tỷ lệ thành phần có thể điều chỉnh để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng khác nhau, hàm lượng vinyl axetat càng cao thì độ trong suốt, độ mềm và độ dẻo dai của nó sẽ càng cao. Nhựa EVA có khả năng bao gồm chất độn và khả năng liên kết chéo tốt nên ngày càng được sử dụng nhiều trong các loại cáp liên kết chéo-không cháy-chậm cháy halogen-. Ngoài ra nhựa EVA còn được dùng làm vỏ bọc cho một số loại cáp đặc biệt. Nhựa EVA được sử dụng trong dây và cáp thường có hàm lượng vinyl axetat từ 12% đến 24%. Trong các ứng dụng cáp thực tế, EVA thường được pha trộn và xử lý với PE, PVC, PP, v.v. để điều chỉnh hiệu suất lớp cách điện của cáp. Trong vật liệu pha trộn, thành phần EVA có thể thúc đẩy liên kết ngang, giúp cải thiện hiệu suất của cáp sau khi liên kết ngang.
(4) Vật liệu cách nhiệt Cao su Ethylene Propylene Diene (XL-EPDM) liên kết chéo
XL-EPDM là chất đồng trùng hợp bậc ba của ethylene, propylene và diene không liên hợp, thu được thông qua liên kết ngang chiếu xạ. Dây XL{2}}EPDM kết hợp các ưu điểm của dây cách điện polyolefin và dây cách điện bằng cao su thông thường:
1. Mềm, dẻo, đàn hồi, không dính ở nhiệt độ cao, khả năng chống lão hóa-lâu dài và khả năng chống chịu với điều kiện thời tiết khắc nghiệt (-60 độ ~125 độ ).
2. Khả năng chống ôzôn, chống tia cực tím, chống cách điện và chống ăn mòn hóa học.
3. Hiệu suất kháng dầu và dung môi tương đương với hiệu suất cách nhiệt bằng cao su cloropren-có mục đích chung. Nó có thể được sản xuất và chế tạo thông qua thiết bị xử lý ép đùn nóng thông thường, sử dụng liên kết ngang bức xạ, dễ xử lý và-hiệu quả về mặt chi phí.
Dây cách điện XL{0}}EPDM được sử dụng rộng rãi để cách điện cáp điện và cáp hàng hải dưới 35kV. Hiện nay chúng đã được thay thế bằng vật liệu này và được ứng dụng trong các lĩnh vực như dây dẫn máy nén lạnh, ô tô, dây dẫn động cơ chống thấm nước, dây dẫn máy biến áp, cáp di động khai thác mỏ, máy khoan và thiết bị y tế.
Nhược điểm chính của cáp XL{0}}EPDM là:
1. Khả năng chống rách kém.
2. Độ bám dính và khả năng tự dính kém, ảnh hưởng đến quá trình xử lý tiếp theo.
(5) Vật liệu cách nhiệt cao su silicon
Cao su silicon có tính linh hoạt, khả năng chống ozon, corona và ngọn lửa và hiệu suất cách nhiệt tốt. Ứng dụng chính của nó trong ngành điện là làm dây và cáp điện. Dây và cáp cao su silicon đặc biệt thích hợp để sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao và khắc nghiệt, tuổi thọ của chúng dài hơn nhiều so với cáp thông thường. Cáp cách điện bằng cao su silicon phổ thông hiện có thể được sử dụng trong động cơ nhiệt độ cao, máy biến áp, máy phát điện, thiết bị điện và điện tử, cáp đánh lửa cho động cơ phương tiện vận tải, cáp điện và cáp điều khiển hàng hải.
Hiện tại, các dây cách điện bằng cao su silicon được sử dụng trong cáp-liên kết chéo thường được liên kết chéo-bằng không khí nóng trong khí quyển hoặc hơi nước-áp suất cao. Ngoài ra còn có các nghiên cứu về liên kết ngang-chùm tia điện tử của cao su silicon, nhưng nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong ngành cáp. Với sự phát triển của công nghệ liên kết ngang chiếu xạ trong những năm gần đây, chi phí liên kết ngang chiếu xạ thấp hơn và hiệu quả liên kết ngang cao hơn; Từ góc độ môi trường, nó có những lợi thế không thể thay thế. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ liên kết ngang chiếu xạ cho vật liệu cách điện cao su silicon là hướng nghiên cứu liên kết ngang dây cao su silicon trong tương lai.
