تحليل مزايا وعيوب مواد عزل الأسلاك والكابلات الشائعة

يؤثر أداء مواد العزل بشكل مباشر على جودة الأسلاك والكابلات وكفاءة تصنيعها ونطاق استخدامها.

1. أسلاك وكابلات من كلوريد البولي فينيل (PVC)

كلوريد البولي فينيل (يشار إليه فيما يلي باسممادة PVCتُعدّ مواد العزل PVC عبارة عن مخاليط تُضاف إليها مواد مُثبّتة، ​​ومُلدّنة، ومثبّطة للهب، ومواد تشحيم، ومواد مُضافة أخرى إلى مسحوق PVC. ويتم تعديل التركيبة وفقًا للتطبيقات المختلفة والمتطلبات الخاصة بالأسلاك والكابلات. بعد عقود من الإنتاج والتطبيق، أصبحت تقنية تصنيع ومعالجة PVC ناضجة للغاية. تتميز مادة العزل PVC بتطبيقات واسعة في مجال الأسلاك والكابلات، ولها خصائص مميزة خاصة بها.

أ. تتميز تقنية التصنيع بالنضج وسهولة التشكيل والمعالجة. وبالمقارنة مع أنواع أخرى من مواد عزل الكابلات، فهي لا تتميز فقط بتكلفتها المنخفضة، بل يمكنها أيضًا التحكم بفعالية في اختلاف اللون واللمعان والطباعة وكفاءة المعالجة وليونة وصلابة سطح السلك، والتصاق الموصل، بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية والفيزيائية والكهربائية للسلك نفسه.

ب. يتميز بأداء ممتاز في مقاومة اللهب، لذا يمكن للأسلاك المعزولة بمادة PVC أن تلبي بسهولة درجات مقاومة اللهب المنصوص عليها في مختلف المعايير.

ج- فيما يتعلق بمقاومة درجات الحرارة، ومن خلال تحسين وتطوير تركيبات المواد، تشمل أنواع عزل PVC المستخدمة حاليًا بشكل شائع الفئات الثلاث التالية بشكل أساسي:

من حيث الجهد المقنن، فإنه يستخدم بشكل عام في مستويات الجهد المقنن عند 1000 فولت تيار متردد وما دونه، ويمكن تطبيقه على نطاق واسع في الصناعات مثل الأجهزة المنزلية والأدوات والعدادات والإضاءة وشبكات الاتصالات.

كما أن مادة PVC لها بعض العيوب المتأصلة التي تحد من استخدامها:

أ. نظرًا لاحتوائه على نسبة عالية من الكلور، فإنه يُصدر كمية كبيرة من الدخان الكثيف عند احتراقه، مما قد يُسبب الاختناق، ويؤثر على الرؤية، ويُنتج بعض المواد المسرطنة وغاز كلوريد الهيدروجين، مُلحقًا ضررًا بالغًا بالبيئة. مع تطور تقنيات تصنيع مواد العزل منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين، أصبح استبدال عزل PVC تدريجيًا اتجاهًا حتميًا في تطوير الكابلات.

ب. يتميز عزل PVC العادي بمقاومة ضعيفة للأحماض والقلويات والزيوت الساخنة والمذيبات العضوية. وبناءً على مبدأ "المثل يذيب المثل"، فإن أسلاك PVC معرضة بشدة للتلف والتشقق في البيئة المذكورة. ومع ذلك، ونظرًا لسهولة تصنيعها وانخفاض تكلفتها، لا تزال كابلات PVC تُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية، ووحدات الإضاءة، والمعدات الميكانيكية، والأجهزة والعدادات، وشبكات الاتصالات، وتمديدات المباني، وغيرها من المجالات.

2. أسلاك وكابلات من البولي إيثيلين المتشابك

البولي إيثيلين المتشابك (يشار إليه فيما يلي باسمXLPEالبولي إيثيلين (P) هو نوع من البولي إيثيلين قادر على التحول من بنية جزيئية خطية إلى بنية ثلاثية الأبعاد في ظل ظروف معينة بفعل الأشعة عالية الطاقة أو عوامل الربط المتشابك. وفي الوقت نفسه، يتحول من بلاستيك حراري إلى بلاستيك حراري غير قابل للذوبان.

في الوقت الحاضر، توجد ثلاث طرق رئيسية للربط المتقاطع في تطبيق عزل الأسلاك والكابلات:

أ. الربط المتشابك بالبيروكسيد: يتضمن هذا الأسلوب استخدام راتنج البولي إيثيلين أولاً مع عوامل الربط المتشابك ومضادات الأكسدة المناسبة، ثم إضافة مكونات أخرى حسب الحاجة لإنتاج جزيئات خليط البولي إيثيلين القابلة للربط المتشابك. أثناء عملية البثق، يحدث الربط المتشابك عبر أنابيب الربط المتشابك بالبخار الساخن.

ب. الربط المتشابك بالسيليان (الربط المتشابك بالماء الدافئ): هذه أيضًا طريقة للربط المتشابك الكيميائي. وتتمثل آليتها الرئيسية في ربط الأورجانوسيلوكسان والبولي إيثيلين في ظل ظروف محددة.
ويمكن أن تصل درجة التشابك عموماً إلى حوالي 60%.

ج. الربط الإشعاعي: يستخدم هذا النوع من الربط أشعة عالية الطاقة، مثل أشعة غاما وأشعة ألفا وأشعة الإلكترون، لتنشيط ذرات الكربون في جزيئات البولي إيثيلين الكبيرة، مما يؤدي إلى الربط المتشابك. وتُعدّ أشعة الإلكترون، التي تُنتجها مسرعات الإلكترون، من أكثر الأشعة عالية الطاقة شيوعًا في الأسلاك والكابلات. وبما أن هذا الربط يعتمد على الطاقة الفيزيائية، فإنه يُصنّف ضمن الربط الفيزيائي.

تتميز طرق الربط المتقاطع الثلاث المذكورة أعلاه بخصائص وتطبيقات متميزة:

بالمقارنة مع البولي إيثيلين الحراري (PVC)، يتميز عزل XLPE بالمزايا التالية:

أ. لقد عزز مقاومة التشوه الحراري، وحسن الخصائص الميكانيكية في درجات الحرارة العالية، وحسن مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي والتقادم الحراري.

ب. يتميز هذا المنتج بثبات كيميائي مُحسّن ومقاومة عالية للمذيبات، وانخفاض في التدفق البارد، مع الحفاظ على الأداء الكهربائي الأصلي. تصل درجة حرارة التشغيل على المدى الطويل إلى 125 درجة مئوية و150 درجة مئوية. كما يُحسّن السلك والكابل المعزولان بالبولي إيثيلين المتشابك مقاومة قصر الدائرة، وتصل مقاومتهما للحرارة على المدى القصير إلى 250 درجة مئوية. بالنسبة للأسلاك والكابلات ذات السماكة نفسها، تكون قدرة البولي إيثيلين المتشابك على حمل التيار أكبر بكثير.

ج. يتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للماء والإشعاع، لذا 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 مدّ الطاقة النووية، وأسلاك الجهد العالي للتلفزيون، وأسلاك الجهد العالي لأجهزة الأشعة السينية، وأسلاك وكابلات نقل الطاقة، وغيرها.

تتمتع الأسلاك والكابلات المعزولة بمادة XLPE بمزايا كبيرة، ولكنها تحتوي أيضاً على بعض العيوب المتأصلة التي تحد من استخدامها:

أ. ضعف أداء الالتصاق المقاوم للحرارة. عند معالجة الأسلاك واستخدامها في درجات حرارة تتجاوز درجة حرارتها المقدرة، يسهل التصاقها ببعضها. في الحالات الشديدة، قد يؤدي ذلك إلى تلف العزل وحدوث ماس كهربائي.

ب. ضعف مقاومة التوصيل الحراري. عند درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية، يصبح عازل الأسلاك شديد الليونة. وعند تعرضه لقوة خارجية ضاغطة أو تصادمية، فإنه عرضة للتسبب في قطع الأسلاك وحدوث ماس كهربائي.

ج. من الصعب التحكم في اختلاف اللون بين الدفعات. ومن المرجح حدوث مشاكل مثل الخدوش والتبييض وتقشر الأحرف المطبوعة أثناء المعالجة.

د. يتميز عازل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) بمقاومة حرارية تصل إلى 150 درجة مئوية، وهو خالٍ تمامًا من الهالوجينات، ويجتاز اختبار الاحتراق VW-1 وفقًا لمعايير UL1581، مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية وكهربائية ممتازة. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض المعوقات في تكنولوجيا التصنيع، كما أن تكلفته مرتفعة.

3. أسلاك وكابلات من مطاط السيليكون

تتكون جزيئات بوليمر مطاط السيليكون من سلاسل رابطة من نوع Si-O (سيليكون-أكسجين). تبلغ طاقة رابطة Si-O 443.5 كيلوجول/مول، وهي أعلى بكثير من طاقة رابطة CC (355 كيلوجول/مول). تُصنع معظم أسلاك وكابلات مطاط السيليكون من خلال عمليات البثق على البارد والمعالجة الحرارية العالية. ومن بين مختلف أسلاك وكابلات المطاط الصناعي، يتميز مطاط السيليكون بأداء فائق مقارنةً بأنواع المطاط الأخرى، وذلك بفضل بنيته الجزيئية الفريدة.

أ. يتميز هذا المطاط بنعومته الفائقة ومرونته العالية، وهو عديم الرائحة وغير سام، كما أنه مقاوم لدرجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة للغاية. يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل من -90 إلى 300 درجة مئوية. يتمتع مطاط السيليكون بمقاومة حرارية أفضل بكثير من المطاط العادي، حيث يمكن استخدامه بشكل متواصل عند 200 درجة مئوية ولمدة محددة عند 350 درجة مئوية.

ب. مقاومة ممتازة للظروف الجوية. حتى بعد التعرض طويل الأمد للأشعة فوق البنفسجية وغيرها من الظروف المناخية، لم تخضع خصائصها الفيزيائية إلا لتغييرات طفيفة.

ج. يتميز مطاط السيليكون بمقاومة عالية جدًا وتبقى مقاومته مستقرة على نطاق واسع من درجات الحرارة والترددات.

في الوقت نفسه، يتميز مطاط السيليكون بمقاومة ممتازة لتفريغ الهالة الكهربائية والتفريغ القوسي عالي الجهد. تتمتع الأسلاك والكابلات المعزولة بمطاط السيليكون بهذه المزايا، وتُستخدم على نطاق واسع في أسلاك الأجهزة عالية الجهد لأجهزة التلفزيون، والأسلاك المقاومة لدرجات الحرارة العالية لأفران الميكروويف، وأسلاك مواقد الحث، وأسلاك آلات صنع القهوة، وأسلاك المصابيح، وأجهزة الأشعة فوق البنفسجية، ومصابيح الهالوجين، وأسلاك التوصيل الداخلية للأفران والمراوح، وخاصة في مجال الأجهزة المنزلية الصغيرة.

إلا أن بعض أوجه قصوره تحدّ من نطاق استخدامه على نطاق أوسع. على سبيل المثال:

أ. مقاومة ضعيفة للتمزق. أثناء التصنيع أو الاستخدام، يكون المنتج عرضة للتلف نتيجة الضغط الخارجي والخدش والطحن، مما قد يتسبب في حدوث ماس كهربائي. يتمثل الإجراء الوقائي الحالي في إضافة طبقة من الألياف الزجاجية أو ألياف البوليستر المقاومة للحرارة العالية مضفرة خارج طبقة العزل السيليكونية. مع ذلك، لا يزال من الضروري تجنب الإصابات الناتجة عن الضغط الخارجي قدر الإمكان أثناء التصنيع.

ب. عامل الفلكنة المستخدم حاليًا بشكل رئيسي في قولبة الفلكنة هو عامل الفلكنة المزدوج، ثنائي، رباعي. يحتوي هذا العامل على الكلور. أما عوامل الفلكنة الخالية تمامًا من الهالوجينات (مثل فلكنة البلاتين) فتتطلب شروطًا صارمة فيما يتعلق بدرجة حرارة بيئة الإنتاج، كما أنها مكلفة. لذلك، عند معالجة أسلاك التوصيل، يجب مراعاة النقاط التالية: يجب ألا يكون ضغط عجلة الضغط مرتفعًا جدًا. من الأفضل استخدام مادة مطاطية لمنع التكسر أثناء عملية الإنتاج، والذي قد يؤدي إلى ضعف مقاومة الضغط.

4. سلك مطاط إيثيلين بروبيلين ديين مونومر متشابك (EPDM) (XLEPDM)

مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين مونومر المتشابك (EPDM) هو بوليمر ثلاثي يتكون من الإيثيلين والبروبيلين وديين غير مترافق، ويتم تشابكه من خلال طرق كيميائية أو إشعاعية. يجمع السلك المعزول بمطاط EPDM المتشابك بين مزايا كل من السلك المعزول بالبولي أوليفين والسلك المعزول بالمطاط العادي.

أ. ناعم، مرن، مطاطي، غير لاصق في درجات الحرارة العالية، مقاومة للشيخوخة على المدى الطويل، ومقاوم لظروف الطقس القاسية (-60 إلى 125 درجة مئوية).

ب. مقاومة الأوزون، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة العزل الكهربائي، ومقاومة التآكل الكيميائي.

ج. تتميز هذه الأسلاك بمقاومة مماثلة للزيوت والمذيبات، مماثلة لعزل مطاط الكلوروبرين المستخدم في الأغراض العامة. تُصنّع باستخدام معدات البثق الساخن التقليدية، مع اعتماد تقنية الربط المتقاطع بالإشعاع، مما يجعلها سهلة التصنيع ومنخفضة التكلفة. تتمتع الأسلاك المعزولة بمطاط إيثيلين بروبيلين ديين مونومر (EPDM) المتشابك 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، والأسلاك الداخلية العامة للأجهزة الكهربائية.

تتمثل العيوب الرئيسية لأسلاك XLEPDM فيما يلي:

أ. مثل أسلاك XLPE و PVC، فإن مقاومتها للتمزق ضعيفة نسبياً.

ب. يؤثر ضعف الالتصاق والالتصاق الذاتي على قابلية المعالجة اللاحقة.

5. أسلاك وكابلات من الفلوروبلاستيك

بالمقارنة مع كابلات البولي إيثيلين وبولي فينيل كلوريد الشائعة، تتميز كابلات الفلوروبلاستيك بالخصائص البارزة التالية:

أ. تتميز المواد البلاستيكية الفلورية المقاومة لدرجات الحرارة العالية بثبات حراري استثنائي، مما يُمكّن كابلاتها من التكيف مع بيئات ذات درجات حرارة عالية تتراوح بين 150 و250 درجة مئوية. وفي ظل وجود موصلات ذات مساحة مقطع عرضي متساوية، تستطيع كابلات المواد البلاستيكية الفلورية نقل تيار كهربائي أكبر، مما يُوسع نطاق استخدام هذا النوع من الأسلاك المعزولة بشكل كبير. وبفضل هذه الخاصية الفريدة، تُستخدم كابلات المواد البلاستيكية الفلورية بكثرة في التمديدات الداخلية وأسلاك التوصيل في الطائرات والسفن والأفران ذات درجات الحرارة العالية والمعدات الإلكترونية.

ب. مقاومة عالية للهب: تتميز المواد البلاستيكية الفلورية بمؤشر أكسجين عالٍ، وعند احتراقها، يكون نطاق انتشار اللهب ضيقًا، مما يُنتج دخانًا أقل. الأسلاك المصنوعة منها مناسبة للأدوات والأماكن التي تتطلب معايير صارمة لمقاومة اللهب، مثل: شبكات الحاسوب، وقطارات الأنفاق، والمركبات، والمباني الشاهقة، وغيرها من الأماكن العامة. عند اندلاع حريق، يُتاح للناس وقت كافٍ للإخلاء دون التعرض للدخان الكثيف، مما يوفر وقتًا ثمينًا لعمليات الإنقاذ.

ج. أداء كهربائي ممتاز: تتميز المواد الفلورية البلاستيكية بثابت عزل كهربائي أقل مقارنةً بالبولي إيثيلين. لذلك، وبالمقارنة مع الكابلات المحورية ذات البنية المماثلة، تتميز كابلات الفلور البلاستيكية بتوهين أقل، مما يجعلها أكثر ملاءمة لنقل الإشارات عالية التردد. وقد أصبح تزايد استخدام الكابلات اتجاهًا سائدًا في الوقت الحاضر. في الوقت نفسه، ونظرًا لمقاومة الفلور البلاستيكية العالية لدرجات الحرارة، فإنها تُستخدم على نطاق واسع كأسلاك داخلية لمعدات الإرسال والاتصالات، وكوصلات بين مغذيات الإرسال اللاسلكي وأجهزة الإرسال، وككابلات فيديو وصوت. إضافةً إلى ذلك، تتمتع كابلات الفلور البلاستيكية بقوة عزل كهربائي ومقاومة عزل جيدة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام ككابلات تحكم للأجهزة والعدادات المهمة.

د. خصائص ميكانيكية وكيميائية مثالية: تتميز المواد البلاستيكية الفلورية بطاقة رابطة كيميائية عالية، وثبات عالٍ، ومقاومة شبه تامة لتغيرات درجات الحرارة، فضلاً عن مقاومتها الممتازة للتقادم الناتج عن العوامل الجوية وقوتها الميكانيكية. كما أنها لا تتأثر بمختلف الأحماض والقلويات والمذيبات العضوية. ولذلك، فهي مناسبة للبيئات ذات التغيرات المناخية الكبيرة والظروف المسببة للتآكل، مثل البتروكيماويات، وتكرير النفط، والتحكم في أجهزة آبار النفط.

هـ. تسهيل وصلات اللحام: في الأجهزة الإلكترونية، تُجرى العديد من الوصلات عن طريق اللحام. ونظرًا لانخفاض درجة انصهار البلاستيك العادي، فإنه يميل إلى الانصهار بسهولة عند درجات الحرارة العالية، مما يتطلب مهارات لحام متقدمة. علاوة على ذلك، تتطلب بعض نقاط اللحام وقتًا محددًا، وهذا أيضًا سبب شيوع استخدام كابلات الفلوروبلاستيك، مثل الأسلاك الداخلية لمعدات الاتصالات والأجهزة الإلكترونية.

بالطبع، 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 أساسي على الواردات (دايكن اليابانية ودوبونت الأمريكية). على الرغم من التطور السريع الذي شهدته المواد البلاستيكية الفلورية المحلية في السنوات الأخيرة، إلا أن أصناف الإنتاج لا تزال محدودة. وبالمقارنة مع المواد المستوردة، لا تزال هناك فجوة معينة في الثبات الحراري والخصائص الشاملة الأخرى لهذه المواد.

ب. بالمقارنة مع مواد العزل الأخرى، فإن عملية الإنتاج أكثر صعوبة، وكفاءة الإنتاج منخفضة، والأحرف المطبوعة عرضة للسقوط، والخسارة كبيرة، مما يجعل تكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيًا.

ختاماً، لا يزال استخدام جميع أنواع مواد العزل المذكورة أعلاه، وخاصة مواد العزل الخاصة المقاومة للحرارة العالية التي تتجاوز 105 درجة مئوية، في مرحلة انتقالية في الصين. وسواء تعلق الأمر بإنتاج الأسلاك أو معالجة حزم الأسلاك، فهناك عملية ناضجة، بالإضافة إلى فهم مدروس لمزايا وعيوب هذا النوع من الأسلاك.