يؤثر أداء المواد العازلة بشكل مباشر على جودة الأسلاك والكابلات وكفاءتها ونطاق استخدامها.
1. أسلاك وكابلات بولي فينيل كلوريد (PVC)
كلوريد البولي فينيل (المشار إليه فيما يلي باسمبولي كلوريد الفينيلالمواد العازلة هي خلائط تُضاف فيها مواد مثبتة، وملدنات، ومثبطات للهب، ومواد تشحيم، ومواد مضافة أخرى إلى مسحوق بولي كلوريد الفينيل (PVC). تُعدّل التركيبة وفقًا لمختلف تطبيقات وخصائص الأسلاك والكابلات. بعد عقود من الإنتاج والتطبيق، أصبحت تكنولوجيا تصنيع ومعالجة بولي كلوريد الفينيل (PVC) متطورة للغاية. لمادة بولي كلوريد الفينيل العازلة تطبيقات واسعة جدًا في مجال الأسلاك والكابلات، وتتميز بخصائص فريدة:
أ. تقنية تصنيعها متطورة، وسهلة التشكيل والمعالجة. بالمقارنة مع أنواع أخرى من مواد عزل الكابلات، تتميز هذه المادة بتكلفة منخفضة، كما أنها تتحكم بفعالية في اختلاف اللون، واللمعان، والطباعة، وكفاءة المعالجة، ونعومة وصلابة سطح السلك، وقوة التصاق الموصل، بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية والفيزيائية والكهربائية للسلك نفسه.
ب. يتمتع بأداء ممتاز في مقاومة اللهب، وبالتالي فإن الأسلاك المعزولة بالـ PVC يمكنها بسهولة تلبية درجات مقاومة اللهب المنصوص عليها في معايير مختلفة.
ج. من حيث مقاومة درجات الحرارة، ومن خلال تحسين وتطوير صيغ المواد، فإن أنواع عزل PVC المستخدمة حاليًا بشكل شائع تشمل بشكل أساسي الفئات الثلاث التالية:
من حيث الجهد المقدر، يتم استخدامه عمومًا في مستويات الجهد المقدرة بـ 1000 فولت تيار متردد وما دون، ويمكن تطبيقه على نطاق واسع في الصناعات مثل الأجهزة المنزلية، والأجهزة، والعدادات، والإضاءة، واتصالات الشبكة.
كما أن مادة PVC لديها بعض العيوب المتأصلة التي تحد من تطبيقها:
أ. نظرًا لارتفاع نسبة الكلور فيه، يُصدر عند احتراقه كمية كبيرة من الدخان الكثيف، مما قد يُسبب الاختناق، ويؤثر على الرؤية، ويُنتج بعض المواد المسرطنة وغاز حمض الهيدروكلوريك، مما يُلحق أضرارًا جسيمة بالبيئة. مع تطور تكنولوجيا تصنيع مواد العزل منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين، أصبح استبدال عزل PVC تدريجيًا اتجاهًا حتميًا في تطوير الكابلات.
ب. يتميز عزل PVC العادي بضعف مقاومته للأحماض والقلويات، والزيت الحراري، والمذيبات العضوية. ووفقًا للمبدأ الكيميائي "يذوب المتشابه"، فإن أسلاك PVC معرضة بشدة للتلف والتشقق في البيئات المحددة المذكورة. ومع ذلك، بفضل أدائها الممتاز في المعالجة وانخفاض تكلفتها، لا تزال كابلات PVC تُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية، وتركيبات الإضاءة، والمعدات الميكانيكية، والأجهزة، والعدادات، واتصالات الشبكات، وأسلاك المباني، وغيرها من المجالات.
2. أسلاك وكابلات البولي إيثيلين المتشابكة
البولي إيثيلين المتشابك (المشار إليه فيما يلي باسمبولي إيثيلين مشبع بالبولي إيثيلين) هو نوع من البولي إيثيلين قادر على التحول من بنية جزيئية خطية إلى بنية ثلاثية الأبعاد في ظل ظروف معينة، وذلك بتأثير أشعة عالية الطاقة أو عوامل الربط المتشابك. وفي الوقت نفسه، يتحول من بلاستيك حراري إلى بلاستيك صلب بالحرارة غير قابل للذوبان.
في الوقت الحاضر، في تطبيق عزل الأسلاك والكابلات، هناك بشكل رئيسي ثلاث طرق للترابط المتقاطع:
أ. الربط المتشابك بالبيروكسيد: يتضمن ذلك أولًا استخدام راتنج البولي إيثيلين مع عوامل ربط متشابكة مناسبة ومضادات أكسدة، ثم إضافة مكونات أخرى حسب الحاجة لإنتاج جزيئات خليط بولي إيثيلين قابلة للربط المتشابك. أثناء عملية البثق، يتم الربط المتشابك من خلال أنابيب الربط المتشابكة بالبخار الساخن.
ب. الربط المتبادل بالسيلان (الربط المتبادل بالماء الدافئ): هذه أيضًا طريقة للربط المتبادل الكيميائي. آليتها الرئيسية هي الربط المتبادل بين السيلوكسان العضوي والبولي إيثيلين في ظل ظروف محددة،
ويمكن أن تصل درجة الارتباط المتبادل عمومًا إلى حوالي 60%.
ج. الربط الإشعاعي المتبادل: يستخدم أشعة عالية الطاقة، مثل أشعة R وأشعة ألفا وأشعة الإلكترونات، لتنشيط ذرات الكربون في جزيئات البولي إيثيلين الكبيرة، مما يُؤدي إلى الربط المتبادل. الأشعة عالية الطاقة المستخدمة عادةً في الأسلاك والكابلات هي أشعة إلكترونية تُولّدها مُسرّعات الإلكترونات. ولأن هذا الربط المتبادل يعتمد على الطاقة الفيزيائية، فإنه يُصنف ضمن الربط المتبادل الفيزيائي.
تتمتع طرق الربط المتقاطع الثلاثة المختلفة المذكورة أعلاه بخصائص وتطبيقات مميزة:
بالمقارنة مع البولي إيثيلين الحراري البلاستيكي (PVC)، يتمتع عزل XLPE بالمزايا التالية:
أ. تم تعزيز مقاومة التشوه الحراري، وتحسين الخصائص الميكانيكية في درجات الحرارة العالية، وتحسين مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي والشيخوخة الحرارية.
ب. يتميز بثبات كيميائي معزز ومقاومة للمذيبات، وتدفق منخفض للبرودة، ويحافظ بشكل أساسي على الأداء الكهربائي الأصلي. يمكن أن تصل درجة حرارة التشغيل طويلة الأمد إلى 125 و150 درجة مئوية. كما يُحسّن السلك والكابل المعزول بالبولي إيثيلين المتشابك مقاومة القصر الكهربائي، ويمكن أن تصل مقاومته للحرارة قصيرة الأمد إلى 250 درجة مئوية. بالنسبة للأسلاك والكابلات من نفس السُمك، تكون قدرة البولي إيثيلين المتشابك على تحمل التيار أكبر بكثير.
ج. يتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للماء والإشعاع، ما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في مجالات متنوعة، مثل: أسلاك التوصيل الداخلية للأجهزة الكهربائية، وأسلاك المحركات، وأسلاك الإضاءة، وأسلاك التحكم في إشارات الجهد المنخفض للسيارات، وأسلاك القاطرات، وأسلاك وكابلات مترو الأنفاق، وكابلات حماية البيئة للمناجم، والكابلات البحرية، وكابلات مد الطاقة النووية، وأسلاك الجهد العالي للتلفزيونات، وأسلاك الجهد العالي لإطلاق الأشعة السينية، وأسلاك وكابلات نقل الطاقة، وغيرها.
تتمتع الأسلاك والكابلات المعزولة بـ XLPE بمزايا كبيرة، ولكنها تعاني أيضًا من بعض العيوب المتأصلة التي تحد من تطبيقها:
أ. ضعف أداء الالتصاق المقاوم للحرارة. عند معالجة واستخدام الأسلاك عند درجة حرارة أعلى من المسموح بها، من السهل أن تلتصق الأسلاك ببعضها. في الحالات الشديدة، قد يؤدي ذلك إلى تلف العزل وحدوث قصر كهربائي.
ب. ضعف مقاومة التوصيل الحراري. عند درجات حرارة تتجاوز ٢٠٠ درجة مئوية، يصبح عزل الأسلاك طريًا للغاية. عند تعرضه لقوة خارجية كالضغط أو الاصطدام، يكون عرضة للتسبب في قطع الأسلاك وحدوث قصر كهربائي.
ج. يصعب التحكم في اختلاف اللون بين الدفعات. من المرجح حدوث مشاكل مثل الخدوش والتبييض وتقشير الأحرف المطبوعة أثناء المعالجة.
د. يتميز عزل XLPE بمقاومة حرارية تبلغ 150 درجة مئوية، وهو خالٍ تمامًا من الهالوجين، ويجتاز اختبار احتراق VW-1 وفقًا لمعايير UL1581، مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية وكهربائية ممتازة. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض العوائق في تقنية التصنيع وارتفاع تكلفته.
3. أسلاك وكابلات المطاط السيليكوني
جزيئات البوليمر في مطاط السيليكون عبارة عن هياكل تسلسلية تتكون من روابط SI-O (سيليكون-أكسجين). تبلغ طاقة رابطة SI-O 443.5 كيلوجول/مول، وهي أعلى بكثير من طاقة رابطة CC (355 كيلوجول/مول). تُنتج معظم أسلاك وكابلات مطاط السيليكون من خلال البثق البارد وعمليات الفلكنة عالية الحرارة. ومن بين مختلف أسلاك وكابلات المطاط الصناعي، يتميز مطاط السيليكون بأداء متفوق مقارنةً بأنواع المطاط الأخرى، وذلك بفضل بنيته الجزيئية الفريدة.
أ. يتميز مطاط السيليكون بنعومة فائقة، ومرونة عالية، وعديم الرائحة، وغير سام، ولا يتأثر بدرجات الحرارة العالية، ويتحمل البرودة الشديدة. تتراوح درجة حرارة التشغيل بين -90 و300 درجة مئوية. يتميز مطاط السيليكون بمقاومة حرارية أفضل بكثير من المطاط العادي. ويمكن استخدامه بشكل مستمر عند درجة حرارة 200 درجة مئوية، ولمدة زمنية تصل إلى 350 درجة مئوية.
ب. مقاومة ممتازة للعوامل الجوية. حتى بعد التعرض طويل الأمد للأشعة فوق البنفسجية والظروف المناخية الأخرى، لم تطرأ على خصائصه الفيزيائية سوى تغييرات طفيفة.
ج. يتمتع المطاط السيليكوني بمقاومة عالية جدًا وتظل مقاومته مستقرة على مدى نطاق واسع من درجات الحرارة والترددات.
في الوقت نفسه، يتميز مطاط السيليكون بمقاومة ممتازة لتفريغ الهالة والقوس الكهربائي عاليي الجهد. تتميز الأسلاك والكابلات المعزولة بمطاط السيليكون بالمزايا المذكورة أعلاه، وتُستخدم على نطاق واسع في أسلاك أجهزة الجهد العالي لأجهزة التلفزيون، والأسلاك المقاومة لدرجات الحرارة العالية لأفران الميكروويف، وأسلاك مواقد الحث، وأسلاك أواني القهوة، وأسلاك المصابيح، وأجهزة الأشعة فوق البنفسجية، ومصابيح الهالوجين، وأسلاك التوصيل الداخلية للأفران والمراوح، وخاصةً في مجال الأجهزة المنزلية الصغيرة.
ومع ذلك، فإن بعض عيوبه تحد أيضًا من نطاق تطبيقه. على سبيل المثال:
أ. ضعف مقاومة التمزق. أثناء المعالجة أو الاستخدام، يكون عرضة للتلف نتيجة الضغط الخارجي والخدش والطحن، مما قد يُسبب ماسًا كهربائيًا. يتمثل الإجراء الوقائي الحالي في إضافة طبقة من الألياف الزجاجية أو ألياف البوليستر عالية الحرارة المضفرة خارج عزل السيليكون. مع ذلك، أثناء المعالجة، من الضروري تجنب الإصابات الناتجة عن الضغط الخارجي قدر الإمكان.
ب. عامل الفلكنة المستخدم حاليًا بشكل رئيسي في قوالب الفلكنة هو ثنائي، ثنائي، رباعي. يحتوي هذا العامل على الكلور. عوامل الفلكنة الخالية تمامًا من الهالوجين (مثل فلكنة البلاتين) تتطلب متطلبات صارمة فيما يتعلق بدرجة حرارة بيئة الإنتاج، وهي مكلفة. لذلك، عند معالجة حزم الأسلاك، يجب مراعاة النقاط التالية: يجب ألا يكون ضغط عجلة الضغط مرتفعًا جدًا. يُفضل استخدام مادة مطاطية لمنع التشقق أثناء عملية الإنتاج، مما قد يؤدي إلى ضعف مقاومة الضغط.
4. سلك مطاطي من مونومر الإيثيلين بروبيلين ديين المتشابك (EPDM) (XLEPDM)
مطاط إيثيلين بروبيلين ديين أحادي الترابط (EPDM) هو بوليمر ثلاثي من الإيثيلين والبروبيلين والديين غير المترافق، يُربط كيميائيًا أو إشعاعيًا. يجمع سلك مطاط إيثيلين بروبيلين ديين أحادي الترابط بين مزايا سلك البولي أوليفين المعزول وسلك المطاط العادي المعزول.
أ. ناعمة ومرنة وقابلة للتمدد وغير لاصقة في درجات الحرارة العالية ومقاومة للشيخوخة على المدى الطويل ومقاومة لظروف الطقس القاسية (-60 إلى 125 درجة مئوية).
ب. مقاومة الأوزون، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة العزل الكهربائي، ومقاومة التآكل الكيميائي.
ج. تُضاهي مقاومة الزيت والمذيبات مقاومة مطاط الكلوروبرين متعدد الاستخدامات. يُعالَج بمعدات البثق الساخن التقليدية، ويُعتمد فيه الربط الإشعاعي، مما يجعله سهل المعالجة ومنخفض التكلفة. تتميز أسلاك العزل المطاطي المتشابكة المصنوعة من مونومر إيثيلين بروبيلين ديين (EPDM) بالمزايا العديدة المذكورة أعلاه، وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل أسلاك ضواغط التبريد، وأسلاك المحركات المقاومة للماء، وأسلاك المحولات، والكابلات المتنقلة في المناجم، والحفر، والسيارات، والأجهزة الطبية، والسفن، والتمديدات الداخلية للأجهزة الكهربائية.
العيوب الرئيسية لأسلاك XLEPDM هي:
أ. مثل أسلاك XLPE وPVC، فهي تتمتع بمقاومة تمزق ضعيفة نسبيًا.
ب. ضعف الالتصاق والقدرة على الالتصاق الذاتي يؤثران على قابلية المعالجة اللاحقة.
5. الأسلاك والكابلات الفلوروبلاستيكية
بالمقارنة مع كابلات البولي إيثيلين وبولي فينيل كلوريد الشائعة، تتميز كابلات الفلوروبلاستيك بالميزات البارزة التالية:
أ. تتميز كابلات الفلوروبلاستيك المقاومة لدرجات الحرارة العالية بثبات حراري استثنائي، مما يُمكّنها من التكيف مع بيئات ذات درجات حرارة عالية تتراوح بين 150 و250 درجة مئوية. عند استخدام موصلات لها نفس مساحة المقطع العرضي، تستطيع كابلات الفلوروبلاستيك نقل تيار مسموح به أكبر، مما يُوسّع نطاق استخدام هذا النوع من الأسلاك المعزولة بشكل كبير. بفضل هذه الخاصية الفريدة، تُستخدم كابلات الفلوروبلاستيك غالبًا في التمديدات الداخلية وأسلاك التوصيل في الطائرات والسفن والأفران عالية الحرارة والمعدات الإلكترونية.
ب. مقاومة جيدة للهب: تتميز المواد البلاستيكية الفلوري بمؤشر أكسجين مرتفع، وعند احتراقها، يكون نطاق انتشار اللهب صغيرًا، مما يُنتج دخانًا أقل. الأسلاك المصنوعة منها مناسبة للأدوات والأماكن التي تتطلب مقاومة شديدة للهب، مثل: شبكات الكمبيوتر، ومترو الأنفاق، والمركبات، والمباني الشاهقة، وغيرها من الأماكن العامة. بمجرد اندلاع حريق، يُمكن للناس الإخلاء دون التعرض لدخان كثيف، مما يُوفر وقت إنقاذ ثمينًا.
ج. أداء كهربائي ممتاز: بالمقارنة مع البولي إيثيلين، تتميز كابلات الفلوروبلاستيك بثابت عزل كهربائي أقل. لذلك، بالمقارنة مع الكابلات المحورية ذات الهياكل المماثلة، تتميز كابلات الفلوروبلاستيك بتوهين أقل، وهي أكثر ملاءمة لنقل الإشارات عالية التردد. في الوقت الحاضر، أصبح الاستخدام المتزايد للكابلات اتجاهًا سائدًا. في الوقت نفسه، ونظرًا لمقاومتها العالية لدرجات الحرارة، تُستخدم هذه الكابلات عادةً في الأسلاك الداخلية لمعدات النقل والاتصالات، وكوصلات بين مغذيات الإرسال اللاسلكي وأجهزة الإرسال، وكابلات الفيديو والصوت. بالإضافة إلى ذلك، تتميز كابلات الفلوروبلاستيك بقوة عزل كهربائي جيدة ومقاومة عزل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام ككابلات تحكم للأجهزة والعدادات المهمة.
د. خصائص ميكانيكية وكيميائية مثالية: تتميز البلاستيكات الفلوروكربونية بطاقة رابطة كيميائية عالية، وثبات عالٍ، وتكاد لا تتأثر بتغيرات درجة الحرارة، وتتمتع بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية وقوة ميكانيكية. كما أنها لا تتأثر بمختلف الأحماض والقلويات والمذيبات العضوية. لذلك، فهي مناسبة للبيئات ذات التغيرات المناخية الكبيرة والظروف التآكلية، مثل البتروكيماويات، وتكرير النفط، وأجهزة التحكم في آبار النفط.
هـ. يُسهّل توصيلات اللحام. في الأجهزة الإلكترونية، تُجرى العديد من التوصيلات عن طريق اللحام. ونظرًا لانخفاض درجة انصهار البلاستيك العام، فإنه يميل إلى الذوبان بسهولة في درجات الحرارة العالية، مما يتطلب مهارات لحام متقنة. علاوة على ذلك، تتطلب بعض نقاط اللحام وقتًا معينًا، وهذا أيضًا سبب شيوع استخدام كابلات الفلوروبلاستيك، مثل الأسلاك الداخلية لمعدات الاتصالات والأجهزة الإلكترونية.
وبطبيعة الحال، لا تزال المواد البلاستيكية الفلورية تعاني من بعض العيوب التي تحد من استخدامها:
أ. أسعار المواد الخام مرتفعة. حاليًا، لا يزال الإنتاج المحلي يعتمد بشكل رئيسي على الواردات (دايكن اليابانية ودوبونت الأمريكية). على الرغم من التطور السريع في صناعة البلاستيك الفلوري المحلي في السنوات الأخيرة، إلا أن أنواع الإنتاج لا تزال محدودة. بالمقارنة مع المواد المستوردة، لا تزال هناك فجوة في الاستقرار الحراري والخصائص الشاملة الأخرى للمواد.
ب. بالمقارنة مع المواد العازلة الأخرى، فإن عملية الإنتاج أكثر صعوبة، وكفاءة الإنتاج منخفضة، والحروف المطبوعة عرضة للسقوط، والخسارة كبيرة، مما يجعل تكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيًا.
في الختام، لا يزال تطبيق جميع أنواع مواد العزل المذكورة أعلاه، وخاصةً مواد العزل الخاصة عالية الحرارة التي تزيد مقاومتها عن 105 درجة مئوية، في الصين في مرحلة انتقالية. سواءً في إنتاج الأسلاك أو معالجة حزم الأسلاك، فإن العملية ليست مكتملة فحسب، بل تتطلب فهمًا منطقيًا لمزايا وعيوب هذا النوع من الأسلاك.
وقت النشر: ٢٧ مايو ٢٠٢٥