טכנולוגיית הצלבה של פוליאתילן (PE) היא אחד האמצעים החשובים לשיפור תכונות החומר שלו. ה-PE המוצלב יכול לשפר מאוד את תכונותיו, מה שלא רק משפר משמעותית את המאפיינים המקיפים של PE כמו תכונות מכניות, עמידות בפני פיצוח מתח סביבתי, עמידות בפני קורוזיה כימית, עמידות לזחילה ותכונות חשמליות, אלא גם משפר משמעותית את עמידות הטמפרטורה. רמה, שיכולה להגביר את טמפרטורת עמידות החום של PE מ-70 מעלות ליותר מ-100 מעלות, ובכך להרחיב מאוד את שדה היישום של PE.
בידוד פוליאתילן צולב הוא פוליאתילן תחת פעולתן של קרניים בעלות אנרגיה גבוהה (כגון קרניים, קרניים, קרני אלקטרונים וכו') או חומרים מקשרים כך שהצלבה בין מקרומולקולות יכולה לשפר את עמידות החום שלו ותכונות אחרות. ניתן להעלות את טמפרטורת העבודה לטווח ארוך של הכבל באמצעות פוליאתילן צולב כבידוד ל-90 מעלות, וטמפרטורת הקצר המיידי שיכולה לעמוד יכולה להגיע ל-170-250 מעלות.
הקדמה קצרה
פוליאתילן (PE) הוא אחד מחמשת הפלסטיק הכללי, וייצורו וצריכתו נמצאים במקום הראשון מבין שרפים סינתטיים שונים, בתעשייה ובחקלאות ובשימוש נרחב בחיי היומיום. עם זאת, העמידות בטמפרטורה גבוהה של פוליאתילן גרועה. תכונות מכניות ועמידות כימית לפעמים אינם עומדים בדרישות השימוש בפועל. לכן, השינוי של פוליאתילן תמיד היה המפתח לפיתוח ויישום של מוצרי פוליאתילן, וטכנולוגיית הצלבה של פוליאתילן היא טכנולוגיה חשובה לשיפור תכונות החומר שלו. פוליאתילן מתוקן יכול לשפר מאוד את תכונותיו, מה שלא רק משפר משמעותית את התכונות המקיפות של הפוליאתילן כגון תכונות מכניות, עמידות בפני פיצוח מתח סביבתי, עמידות בפני קורוזיה כימית, עמידות לזחילה ותכונות חשמליות. יתר על כן, רמת ההתנגדות לטמפרטורה משתפרת מאוד, וניתן להעלות את טמפרטורת עמידות החום של פוליאתילן מ-70 מעלות ליותר מ-100 מעלות. כתוצאה מכך, טווח היישומים של פוליאתילן הורחב מאוד.
נכון לעכשיו, פוליאתילן צולב (XLPE) נמצא בשימוש נרחב בצינורות, סרטים, חומרי כבלים ומוצרי קצף.
ביצועים והטבות
המולקולות של פוליאתילן מורכבות משרשרות מולקולריות ליניאריות. כאשר הטמפרטורה עולה, כוח הקישור בין השרשראות המולקולריות הליניאריות (כוח ואן דר ואלס) נחלש, כך שכל החומר המולקולרי מתעוות, ולכן עמידות הטמפרטורה של הפוליאתילן ירודה. פוליאתילן צולב (XLPE) בין המולקולות מוקם גשר שרשרת כימי כך שלא ניתן לעקור את המולקולות, מה שמתגבר על המחסור בפוליאתילן. השוואת הביצועים של פוליאתילן צולב ופוליאתילן רגיל מוצגת בטבלה 1.
לפוליאתילן מוצלב יש את היתרונות הבאים:
1. עמידות בחום: ל-XLPE עם מבנה תלת מימדי רשת יש עמידות בחום מעולה. זה לא יתפרק ויתפחם מתחת ל-200 מעלות, טמפרטורת העבודה לטווח ארוך יכולה להגיע ל-90 מעלות, והחיים התרמיים יכולים להגיע ל-40 שנים.
2. ביצועי בידוד: XLPE שומר על מאפייני הבידוד הטובים המקוריים של PE, ועמידות הבידוד מוגברת עוד יותר. משיק ההפסד הדיאלקטרי שלו קטן מאוד ואינו מושפע במידה רבה מהטמפרטורה.
3. תכונות מכניות: עקב הקמת קשרים כימיים חדשים בין מקרומולקולות, משתפרים הקשיות, הקשיחות, עמידות הבלאי ועמידות הפגיעה של XLPE, ובכך מפצים על החסרונות של PE בהיותו רגיש ללחץ סביבתי וסדקים.
4. עמידות כימית: ל-XLPE עמידות חזקה לחומצות ולאלקליות ועמידות בשמן, ותוצרי הבעירה שלה הם בעיקר מים ופחמן דו חמצני, שפחות מזיק לסביבה ועומד בדרישות בטיחות אש מודרנית.
עקרון הצלבה
פוליאתילן ([CH2-CH2]n, n-repeat unit number) הוא תרכובת פולימר המכילה שני יסודות של פחמימנים ומימנים, עם מבנה מולקולרי ליניארי או מסועף שרשראות מאקרו-מולקולריות, צורה מוצקה בטמפרטורת החדר, ושלב גבישי ו צורת דו קיום פאזה אמורפית בצורה מוצקה של פוליאתילן. המשקל המולקולרי היחסי של פוליאתילן הוא בין 6,30 ו<>,<>.
לפוליאתילן תכונות בידוד חשמלי מעולות, אך עמידות הירודה שלו בחום משפיעה על השימוש בחומרי גלם לבידוד כבלים. בשל האינטראקציה הבין-מולקולרית החלשה באזור האמורפי, טמפרטורת ההיתוך של רוב הפוליאתילן היא כ-140 מעלות, וחוזקו המכני יורד משמעותית כאשר מתקרבים לנקודת ההיתוך של הפוליאתילן, וגם עמידות הסדקים מתדרדרת.
כאשר שרשראות מקרו-מולקולריות ליניאריות עוברות עיבוד כימי או פיזיקלי, תהליך ההצטרפות בצורה של קשרים צולבים נקרא crosslinking או "גיפור". לפוליאתילן מוצלב יש תכונות של סוג רשת ומבנה גוף, ועמידות החום שלו תשתפר עם הגברת ההצלבה, וההתארכות התרמית היחסית תפחת בהתאם. בשל השיפור המשמעותי שלו בתכונות מכניות ועמידות בחום, הוא הפך לחומר בידוד כבל חשמל בשימוש נרחב.
שיטת הצלבה של פוליאתילן על ידי הצלבה ליצירת פוליאתילן מצולבת מחולקת לשתי קטגוריות: שיטה כימית ושיטה פיזיקלית, ושיטות התהליך המתממשות בתעשייה כוללות בעיקר את החמש הבאות: הצלבת קרינה באנרגיה גבוהה, הצלבת סילאן, הצלבת פרוקסיד , הצלבה אולטרה סגולה והצלבת מלח. ביניהם, שיטת קרוסלינקציה פרוקסיד (הידועה גם כ-chemical crosslinking) היא שיטת הצלבה המתאימה לייצור כבלים ברמת מתח בינונית וגבוהה, והעיקרון שלה הוא סדרה של תגובות רדיקלים חופשיים המופעלות מפירוק בטמפרטורה גבוהה של פרוקסיד. , ואז PE מקושר. פרוקסידים מתפרקים על ידי חום ליצירת רדיקלים חופשיים, ותהליך תגובת ההצלבה הוא כדלקמן:
שיטת Crosslinking
ישנם שני סוגים של שיטות הצלבה לפוליאתילן: הצלבה פיזיקלית (הצלבה קרינה) והצלבה כימית. הצלבה כימית מתחלקת להצלבת סילאן ולצלבה מי חמצן.
הצלבה פיזית
הצלבת קרינה: מוצרי פוליאתילן, כגון מעטפת פוליאתילן, סרטים, צינורות דקים, ומוצרים אחרים המצופים על החוט, מקושרים עם קרניים וקרניים עתירות אנרגיה (הגורמים למקרומולקולות פוליאתילן ליצור רדיקלים חופשיים וליצור שרשראות מוצלבות CC) . מידת ההצלבה מושפעת ממינון הקרינה ומהטמפרטורה, ונקודת ההצלבה עולה עם עליית מינון הקרינה, ולכן על ידי שליטה בתנאי הקרינה ניתן לקבל תוצרי פוליאתילן צולבים בדרגה מסוימת של הצלבה.
לפוליאתילן מוצלב המיוצר בשיטת צלב קרינה יש את היתרונות הבאים: הצלבה והשחול מתבצעים בנפרד, איכות המוצר קלה לשליטה, יעילות הייצור גבוהה ושיעור הגרוטאות נמוך; לא נדרשים יוזמי רדיקלים חופשיים נוספים (כגון פרוקסידים וכו') במהלך תהליך הצלוב, השומר על ניקיון החומר ומשפר את התכונות החשמליות של החומר; הוא מתאים במיוחד לכבלים מבודדים בעלי חתך קטן ודק, שקשה לייצור באמצעות הצלבה כימית. עם זאת, לצלב קרינה יש גם כמה חסרונות, כמו הצורך להגביר את המתח המואץ של קרן האלקטרונים בעת הצלבת חומרים עבים; להצלבה של עצמים עגולים כמו חוטים וכבלים, יש צורך לסובב אותם או להשתמש במספר קרני אלקטרונים כדי להפוך את ההקרנה לאחידה; עלויות השקעה חד פעמיות הן ניכרות; טכנולוגיית התפעול והתחזוקה מורכבת, וגם בעיות ההגנה הבטיחותיות בפעולה קשות יחסית.
קישור צולב כימי
חיבור כימי הוא שימוש בחומרי חיבור כימיים לצלב פולימרים, המשתנה ממבנה ליניארי למבנה רשת.
הבחירה של חומר צולב צריכה להיות תלויה במגוון הפולימרים, טכנולוגיית העיבוד וביצועי המוצר, סוכן הצלבה האידיאלי בנוסף לעמידה בדרישות ספציפיות צריך להיות גם בדרישות הבסיסיות הבאות: שיעור הצלבה גבוה, מבנה צולב יציב; בטיחות עיבוד גדולה, קלה לשימוש, תקופת תוקף מתונה לאחר הוספת שרף, ללא חסרונות הצלבה מוקדמת או מאוחרת מדי; אינו משפיע על ביצועי העיבוד וביצועי השימוש של המוצר; לא רעיל, לא מזהם, אינו מגרה את העור והעיניים.
בהצלבה כימית, יש הצלבת פרוקסיד, הצלבת סילאן והצלבת אזו:
(1) חומר הצלבה והצלבה מי חמצן, בדרך כלל תוך שימוש בפרוקסיד אורגני כחומר מצלב, תחת פעולת חום, מתפרק ליצירת רדיקלים חופשיים פעילים, הגורמים לשרשרת הפחמן הפולימרי ליצור נקודות פעילות ומייצרות הצלבה בין פחמן ליצירת מבנה הרשת. טכנולוגיה זו דורשת ציוד שחול בלחץ גבוה כך שתגובת ההצלבה מתבצעת בחבית, ולאחר מכן מחומם המוצר בשיטת חימום מהירה, וכתוצאה מכך תוצר צולב. לכן, השימוש בשיטת הצלבות מי חמצן לייצור צינור פוליאתילן אינו קל לשליטה, איכות המוצר אינה יציבה, והפעולה הרציפה קשה יותר.
(2) הצלבת אזו
השיטה היא לערבב את תרכובת אזו לתוך PE ולהוציא בטמפרטורה נמוכה מפירוק תרכובת אזו, והשחול מפורק על ידי אמבט מלח בטמפרטורה גבוהה, ותרכובת אזו מתפרקת ליצירת רדיקלים חופשיים, המתניעים הצלבת פוליאתילן. הוא משמש בדרך כלל לחומרי מסטיק ברוש עם טמפרטורות התכה נמוכות ויש לו מעט יישומים מעשיים לפלסטיק.
(3) סוכן צולבות ואמצעי צולב סילאן
בשנות השישים של המאה העשרים פותחה בהצלחה טכנולוגיית הצלבת סילאן. הטכנולוגיה משתמשת בסילנים מסוג ויניל המכילים קשרים כפולים כדי להגיב עם פולימרים מותכים בפעולת יוזמים ליצירת פולימרים מושתלים בסילאן, אשר עוברים הידרוליזה במים בנוכחות זרז עיבוי סילאנול ליצירת מבנה צולב שרשרת אוקסן מרושתת. טכנולוגיית הצלבה של סילאן קידמה מאוד את הייצור והיישום של פוליאתילן צולב בשל הציוד הפשוט שלו, תהליך קל לשליטה, פחות השקעה, רמה גבוהה של הצלבה של מוצרים מוגמרים ואיכות טובה. בנוסף לפוליאתילן ולסילאן משתמשים בהצלבה גם בזרזים, יוזמים, נוגדי חמצון וכו'.
בהשוואה לשיטות אחרות, למוצרי הפוליאתילן המתקבלים על ידי הצלבת סילאן יש את היתרונות הבאים:
(1) פחות השקעת ציוד, יעילות ייצור גבוהה ועלות נמוכה.
(2) התהליך הוא רב תכליתי, מתאים לפוליאתילן בצפיפות מלאה, ומתאים גם לרוב הפוליאתילן עם חומר מילוי.
(3) לא מוגבל בעובי.
(4) כמות החמצן קטנה (רק 10% כאשר הפרוקסיד מוצלב לבד), כך שנוצרות פחות מיקרו-נקבים בשכבת הבידוד של פוליאתילן, דבר המסייע לשמירה על הבידוד הגבוה של פוליאתילן.
יישומים עיקריים
בשל תכונותיו המצוינות, פוליאתילן צולב משמש כחומרי בידוד במתח גבוה, בתדירות גבוהה, עמידים בחום וחיפויי תיל וכבלים הנדרשים על ידי רקטות, טילים, מנועים, שנאים ועוד. ייצור צינורות מתכווצים בחום, סרטים מתכווצים בחום, צינורות שונים עמידים בחום, פלסטיק קצף, בטנות ציוד כימי עמיד בפני קורוזיה, רכיבים ומיכלים, ייצור חומרי בניין מעכבי בעירה ועוד. כיום, תחומי השימוש הגדולים ביותר הם בעיקר חוטים וכבלים, צינורות, וקצף.
1. חומר כבל פוליאתילן צולב
עמידות החום של הכבל עם פוליאתילן צולב כבידוד גבוהה מזו של פוליוויניל כלוריד, ניתן להשתמש בו במשך זמן רב ב-90 מעלות, וטמפרטורת ההתנגדות לחום בקצר יכולה להגיע עד 250 מעלות; התנגדות הבידוד גבוהה, משיק ההפסד הדיאלקטרי קטן, והוא בעצם לא משתנה עם השינוי בטמפרטורה; יש לו עמידות טובה בפני שחיקה ופיצוח מתח סביבתי. ברגע שפוליאתילן צולב נשרף על ידי כבלים, פחמן דו חמצני ומים מיוצרים, בעוד כבלי PVC מייצרים גזים מזיקים של מימן כלורי בעת שריפה; בנוסף, הצפיפות של פוליאתילן צולב קטנה בכ-40% מזו של PVC, מה שיכול להפחית משמעותית את איכות הקווים העיליים.
2. צינור פוליאתילן צולב
לצינור המיוצר על ידי פוליאתילן צולב יש את היתרונות של חוזק זחילה גבוה, עמידות בפני קורוזיה, קל משקל ועמידות טובה בחום. לצינור המרוכב מאלומיניום-פלסטיק באמצעות פוליאתילן צולב יש אטימות אוויר חזקה ועמידות גבוהה בפני מתח פרץ. יש לו אפקט אנטי סטטי ומגן.
בהשוואה לצינור PVC וצינור פוליאתילן רגיל, צינור פוליאתילן צולב אינו מכיל חומרים פלסטיים, לא יטחב ויגדל חיידקים; אינו מכיל מרכיבים מזיקים, עומד בתקני ה-FDA, וניתן להשתמש בו בצינורות מי שתייה; עמידות בחום טובה, עמידות בחום של צינור פוליוויניל רגיל ופוליאתילן היא 60-75 מעלות, בעוד שצינור פוליאתילן צולב הוא 90 מעלות, הטמפרטורה המיידית המקסימלית יכולה להגיע ל-185 מעלות, יכולה לעמוד בטמפרטורה נמוכה של -75 מעלות; טווח טמפרטורות הפעלה רחב, ניתן לשימוש לאורך זמן בתנאי -75-95 מעלות, וחיי השירות עד 50 שנים. חיבור צולב גבוה, צפיפות גבוהה, עמידות בלחץ טובה; עמידות בפני קורוזיה כימית טובה מאוד, ועמידות פיצוח מתח סביבתית מצוינת, גם בטמפרטורות גבוהות יותר, ניתן להשתמש בה לשינוע מגוון כימיקלים וחומרי לחץ עם צינור מואץ, צינור פוליאתילן צולב קל במשקל, רק כ-1 /8 של צינור מתכת; עמידות בפני קורוזיה ועמידות בפני שחיקה טובה. שיעור הבלאי הוא פחות מ-1/4 מצינור הפלדה, וחיי השירות הם פי 2-6 מזה של צינור הפלדה; הקיר הפנימי חלק, התנגדות זרימת הנוזל קטנה, ובאותו קוטר צינור, זרימת השינוע גדולה מזו של צינור מתכת, והרעש נמוך בהרבה; ביצועי ההולכה טובים, וכמות ההולכה של הנוזל גדלה ב-30%-40% בהשוואה לצינור הפלדה; המוליכות התרמית נמוכה בהרבה מזו של צינורות מתכת, ולכן ביצועי הבידוד התרמי שלו מצוינים. בשימוש במערכת החימום, אין צורך בשימור חום, ואיבוד החום קטן; ניתן לכופף אותו באופן שרירותי ולא יהיה שביר וסדוק; ביצועי בידוד חשמלי מעולים, התקנה קלה ועומס עבודה של פחות ממחצית צינור המתכת, עלות התקנה נמוכה.
בשל ביצועי החומר המצוינים של צינור פוליאתילן צולב. עם היגיינה לא רעילה לחלוטין, הוא נחשב לדור חדש של צינורות ירוקים, המשמשים בעיקר בהיבטים הבאים:
(1) מערכות אספקת מים קרים וחמים ומערכות מי שתייה בצנרת לבניינים;
(2) מערכת מים מצוננים למיזוג אוויר בבניין;
(3) מערכת הסקה למגורים;
(4) מערכת חימום קרקע;
(5) צנרת של מערכת דוד מים ביתית;
(6) צינורות הובלה של משקאות, אלכוהול, חלב ונוזלים אחרים בתעשיית המזון;
(7) צינורות להובלת נוזלים בתעשיית הכימיה והנפט;
(8) צינור מערכת קירור ומערכת טיפול במים.
(5) עמידות טובה להזדקנות וחיי שירות ארוכים.
