1. مقدمة
EVA هو اختصار لـ "إيثيلين فينيل أسيتات كوبوليمر"، وهو بوليمر بولي أوليفيني. يتميز بانخفاض درجة انصهاره، وسيولته الجيدة، وقطبيته، وخلوه من الهالوجينات، وتوافقه مع مجموعة متنوعة من البوليمرات والمساحيق المعدنية، بالإضافة إلى توازن خصائصه الميكانيكية والفيزيائية والكهربائية، وسهولة معالجته. كما أنه متوفر بكثرة في السوق وبسعر معقول، مما يجعله مناسبًا للاستخدام كمادة عازلة للكابلات، وحشو، وغلاف. ويمكن تحويله إلى مادة لدن بالحرارة، أو إلى مادة متصالبة بالحرارة.
تتميز مادة EVA بنطاق استخدام واسع، ويمكن تصنيعها مع مثبطات اللهب لتصبح حاجزًا للوقود منخفض الدخان وخاليًا من الهالوجين أو يحتوي على الهالوجين؛ كما يمكن تصنيع مادة مقاومة للزيوت باختيار محتوى عالٍ من VA من EVA كمادة أساسية؛ ويمكن تصنيع مادة حاجز أكسجين (حشو) أكثر توازنًا من حيث الأداء والسعر باختيار مؤشر انصهار متوسط لـ EVA، وإضافة 2 إلى 3 أضعاف كمية مثبطات اللهب من EVA.
تتناول هذه الورقة الخصائص الهيكلية لمادة EVA، بالإضافة إلى عرض لتطبيقاتها في صناعة الكابلات وآفاق تطويرها.
2. الخصائص الهيكلية
عند إنتاج التركيب، يمكن أن يؤدي تغيير نسبة درجة البلمرة n / m إلى إنتاج محتوى VA من 5 إلى 90٪ من EVA؛ ويمكن أن تؤدي زيادة درجة البلمرة الكلية إلى إنتاج وزن جزيئي من عشرات الآلاف إلى مئات الآلاف من EVA؛ محتوى VA أقل من 40٪، بسبب وجود تبلور جزئي، مرونة ضعيفة، يُعرف باسم بلاستيك EVA؛ عندما يكون محتوى VA أكبر من 40٪، يكون مطاطًا مرنًا يشبه المطاط بدون تبلور، يُعرف باسم مطاط EVM.
1. 2 الخصائص
إن السلسلة الجزيئية لـ EVA عبارة عن بنية خطية مشبعة، لذا فهي تتمتع بمقاومة جيدة للشيخوخة الحرارية والطقس والأوزون.
لا تحتوي السلسلة الرئيسية لجزيء EVA على روابط ثنائية، أو حلقة بنزين، أو مجموعات أسيل، أو أمين، أو غيرها من المجموعات التي تُنتج دخانًا عند الاحتراق. كما لا تحتوي السلاسل الجانبية على مجموعات ميثيل، أو فينيل، أو سيانو، أو غيرها من المجموعات التي تُنتج دخانًا عند الاحتراق. إضافةً إلى ذلك، لا يحتوي الجزيء نفسه على عناصر هالوجينية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لقاعدة وقود مقاومة منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين.
يُسهم الحجم الكبير لمجموعة أسيتات الفينيل (VA) في السلسلة الجانبية لـ EVA وقطبيتها المتوسطة في تثبيط ميل هيكل الفينيل إلى التبلور، كما أنها تتفاعل بشكل جيد مع الحشوات المعدنية، مما يُهيئ الظروف لإنتاج وقود عازل عالي الأداء. وينطبق هذا بشكل خاص على المواد المقاومة للهب منخفضة الدخان والخالية من الهالوجينات، حيث يجب إضافة مثبطات اللهب بنسبة تزيد عن 50% من الحجم [مثل Al(OH)₃، Mg(OH)₂، إلخ] لتلبية متطلبات معايير الكابلات الخاصة بمقاومة اللهب. ويُستخدم EVA ذو المحتوى المتوسط إلى العالي من أسيتات الفينيل كأساس لإنتاج وقود مقاوم للهب منخفض الدخان وخالٍ من الهالوجينات يتمتع بخصائص ممتازة.
نظرًا لأن مجموعة أسيتات الفينيل (VA) في السلسلة الجانبية لمركب EVA قطبية، فكلما زاد محتوى VA، زادت قطبية البوليمر وتحسنت مقاومته للزيوت. وتشير مقاومة الزيوت المطلوبة في صناعة الكابلات في الغالب إلى القدرة على تحمل الزيوت المعدنية غير القطبية أو ضعيفة القطبية. وبناءً على مبدأ التوافق المماثل، يُستخدم مركب EVA ذو المحتوى العالي من VA كمادة أساسية لإنتاج حاجز وقود منخفض الدخان وخالٍ من الهالوجينات، يتميز بمقاومة جيدة للزيوت.
تتميز جزيئات EVA في ألفا-أوليفين بأداء ذرة الهيدروجين الأكثر نشاطًا، وفي تأثير إشعاع الإلكترون عالي الطاقة، يسهل حدوث تفاعل الربط المتقاطع للهيدروجين، لتصبح بلاستيكًا أو مطاطًا متشابكًا، ويمكن تصنيعها لتلبية متطلبات الأداء العالية لمواد الأسلاك والكابلات الخاصة.
تؤدي إضافة مجموعة أسيتات الفينيل إلى انخفاض ملحوظ في درجة انصهار مادة EVA، كما أن زيادة عدد السلاسل الجانبية القصيرة من أسيتات الفينيل تزيد من انسيابية المادة. ولذلك، فإن أداءها في عملية البثق أفضل بكثير من البنية الجزيئية للبولي إيثيلين المماثل، مما يجعلها المادة الأساسية المفضلة لمواد التدريع شبه الموصلة وحواجز الوقود الهالوجينية وغير الهالوجينية.
2. مزايا المنتج
2.1 أداء عالي التكلفة للغاية
تتمتع مادة EVA بخصائص فيزيائية وميكانيكية ممتازة، ومقاومة عالية للحرارة والظروف الجوية والأوزون، بالإضافة إلى خصائص كهربائية فائقة. وباختيار الدرجة المناسبة، يمكن تصنيعها لتكون مقاومة للحرارة، وذات أداء مثبط للهب، فضلاً عن كونها مادة خاصة للكابلات مقاومة للزيوت والمذيبات.
تُستخدم مادة EVA الحرارية البلاستيكية في الغالب بنسبة VA تتراوح بين 15% و46%، ومؤشر انصهار يتراوح بين 0.5 و4 درجات. تتوفر EVA لدى العديد من المصنّعين والعلامات التجارية، مع خيارات واسعة وأسعار معقولة وإمدادات كافية. يكفي للمستخدمين زيارة قسم EVA على الموقع الإلكتروني للاطلاع على العلامة التجارية والأداء والسعر ومكان التوصيل بسهولة تامة.
مادة EVA هي بوليمر بولي أوليفيني، وتتشابه مع مادة البولي إيثيلين (PE) ومادة البولي فينيل كلوريد (PVC) المستخدمة في صناعة الكابلات من حيث النعومة والأداء. ولكن عند إجراء المزيد من البحث، ستجد أن مادة EVA تتفوق بشكل لا يُضاهى على النوعين المذكورين أعلاه.
2. أداء معالجة ممتاز
استُخدمت مادة EVA في تطبيقات الكابلات، بدءًا من كونها مادة حماية داخلية وخارجية لكابلات الجهد المتوسط والعالي، ثم توسع استخدامها لاحقًا لتشمل حواجز الوقود الخالية من الهالوجين. يُصنف هذان النوعان من المواد، من وجهة نظر التصنيع، ضمن "المواد عالية الحشو": فمادة الحماية تتطلب إضافة كميات كبيرة من الكربون الأسود الموصل، مما يزيد من لزوجتها ويقلل من سيولتها بشكل حاد؛ أما الوقود المقاوم للهب الخالي من الهالوجين، فيتطلب إضافة كميات كبيرة من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، مما يزيد من لزوجة المادة الخالية من الهالوجين ويقلل من سيولتها بشكل حاد أيضًا. يكمن الحل في إيجاد بوليمر قادر على استيعاب كميات كبيرة من الحشو، وفي الوقت نفسه يتميز بلزوجة انصهار منخفضة وسيولة جيدة. لهذا السبب، تُعد مادة EVA الخيار الأمثل.
تزداد لزوجة انصهار مادة EVA مع ارتفاع درجة حرارة عملية البثق ومعدل القص، ثم تنخفض بسرعة. يكفي للمستخدم ضبط درجة حرارة الباثق وسرعة البرغي للحصول على منتجات أسلاك وكابلات ذات أداء ممتاز. تُظهر العديد من التطبيقات المحلية والدولية أنه بالنسبة للمواد عالية الحشو منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين، ونظرًا لارتفاع اللزوجة وانخفاض مؤشر الانصهار، يُنصح باستخدام بثق البرغي بنسبة ضغط منخفضة (أقل من 1.3) لضمان جودة بثق جيدة. يمكن بثق مواد EVA المطاطية مع عوامل الفلكنة باستخدام كلٍ من طاردات المطاط والطاردات العامة. يمكن إجراء عملية الفلكنة (التشابك) اللاحقة إما عن طريق التشابك الكيميائي الحراري (بيروكسيد الهيدروجين) أو عن طريق التشابك باستخدام إشعاع مسرع الإلكترونات.
2.3 سهولة التعديل والتكييف
تنتشر الأسلاك والكابلات في كل مكان، من السماء إلى الأرض، ومن الجبال إلى البحر. وتتنوع متطلبات مستخدمي الأسلاك والكابلات وتختلف، فبينما تتشابه بنية الأسلاك والكابلات، فإن الاختلافات في أدائها تنعكس بشكل رئيسي في مواد العزل والغلاف الخارجي.
حتى الآن، محلياً وعالمياً، لا يزال البولي فينيل كلوريد المرن (PVC) يشكل الغالبية العظمى من المواد البوليمرية المستخدمة في صناعة الكابلات. ومع ذلك، ومع تزايد الوعي بأهمية حماية البيئة والتنمية المستدامة،
لقد تم تقييد استخدام مواد PVC بشكل كبير، ويبذل العلماء قصارى جهدهم لإيجاد مواد بديلة لـ PVC، وأكثرها واعدة هي EVA.
يمكن مزج مادة EVA مع مجموعة متنوعة من البوليمرات، وكذلك مع مجموعة متنوعة من المساحيق المعدنية والمواد المساعدة في التصنيع. ويمكن تحويل المنتجات الممزوجة إلى بلاستيك حراري للكابلات البلاستيكية، أو إلى مطاط متشابك للكابلات المطاطية. ويمكن لمصممي التركيبات الاعتماد على متطلبات المستخدم (أو المعايير)، مع استخدام EVA كمادة أساسية، لجعل أداء المادة يلبي هذه المتطلبات.
نطاق تطبيق EVA 3
3.1 يُستخدم كمادة حماية شبه موصلة لكابلات الطاقة ذات الجهد العالي
كما نعلم جميعًا، فإن المادة الأساسية لمادة التدريع هي الكربون الأسود الموصل، وإضافة كمية كبيرة من الكربون الأسود إلى المادة البلاستيكية أو المطاطية الأساسية سيؤدي إلى تدهور كبير في سيولة مادة التدريع ونعومة مستوى البثق. ولمنع التفريغ الجزئي في كابلات الجهد العالي، يجب أن تكون الدروع الداخلية والخارجية رقيقة ولامعة ومتجانسة. وبالمقارنة مع البوليمرات الأخرى، يمكن تحقيق ذلك بسهولة أكبر باستخدام EVA. ويعود السبب في ذلك إلى أن عملية بثق EVA جيدة للغاية، وتتميز بسيولة جيدة، ولا تميل إلى ظاهرة التمزق بالانصهار. وتنقسم مادة التدريع إلى فئتين: درع داخلي يُغلف الموصل من الخارج، ودرع خارجي يُغلف العازل من الخارج. غالبًا ما تكون مادة الدرع الداخلي مصنوعة من اللدائن الحرارية، وغالبًا ما تكون أساسها EVA بنسبة تتراوح بين 18% و28%. مادة الشاشة الخارجية في الغالب متشابكة وقابلة للتقشير وغالبًا ما تعتمد على EVA بنسبة VA من 40٪ إلى 46٪.
3.2 وقود مثبط للهب من اللدائن الحرارية واللدائن المتشابكة
يُستخدم البولي أوليفين الحراري المقاوم للهب على نطاق واسع في صناعة الكابلات، وخاصةً لتلبية متطلبات الكابلات البحرية وكابلات الطاقة وكابلات الإنشاءات عالية الجودة، سواءً كانت تحتوي على الهالوجين أو لا. وتتراوح درجات حرارة تشغيلها على المدى الطويل بين 70 و90 درجة مئوية.
بالنسبة لكابلات الطاقة ذات الجهد المتوسط والعالي التي تبلغ 10 كيلوفولت فأكثر، والتي تتطلب أداءً كهربائيًا عاليًا للغاية، فإن خصائص مقاومة اللهب تقع بشكل أساسي على الغلاف الخارجي. في بعض المباني أو المشاريع ذات المتطلبات البيئية الصارمة، يُشترط أن تتميز الكابلات بانخفاض الدخان، وخلوها من الهالوجينات، وانخفاض سميتها، أو انخفاض كليهما، لذا تُعد البولي أوليفينات الحرارية المقاومة للهب حلاً عمليًا.
لأغراض خاصة، لا يكون القطر الخارجي كبيرًا، ويتحمل الكابل درجات حرارة تتراوح بين 105 و150 درجة مئوية. يحتوي الكابل على مادة بولي أوليفين مثبطة للهب ذات روابط متقاطعة، ويمكن لمصنع الكابل اختيار طريقة الربط المتقاطع وفقًا لظروف الإنتاج الخاصة به، سواءً باستخدام البخار عالي الضغط أو حمام الملح عالي الحرارة، أو باستخدام طريقة الربط المتقاطع بالإشعاع في درجة حرارة الغرفة في مسرع الإلكترونات. تنقسم درجة حرارة التشغيل طويلة الأمد إلى ثلاث فئات: 105 و125 و150 درجة مئوية. يمكن تصميم خط الإنتاج وفقًا لمتطلبات المستخدمين أو المعايير المختلفة، مع توفير حاجز وقود خالٍ من الهالوجين أو يحتوي عليه.
من المعروف أن البولي أوليفينات بوليمرات غير قطبية أو ذات قطبية ضعيفة. ونظرًا لتشابهها مع الزيوت المعدنية في القطبية، تُعتبر البولي أوليفينات عمومًا أقل مقاومة للزيوت وفقًا لمبدأ التوافق المماثل. مع ذلك، تنص العديد من معايير الكابلات، محليًا ودوليًا، على ضرورة أن تتمتع الكابلات المتشابكة بمقاومة جيدة للزيوت والمذيبات، وحتى لمواد طينية زيتية، بالإضافة إلى الأحماض والقلويات. يُمثل هذا تحديًا لباحثي المواد، وقد تم تطوير هذه المواد المتطورة، سواء في الصين أو خارجها، وتُعد مادة EVA أساسها.
3.3 مادة حاجز الأكسجين
تحتوي الكابلات متعددة النوى المجدولة على العديد من الفراغات بين النوى، والتي يجب ملؤها لضمان مظهر الكابل الدائري، إذا كانت المادة المالئة داخل الغلاف الخارجي مصنوعة من حاجز وقود خالٍ من الهالوجين. تعمل طبقة الحشو هذه كحاجز للهب (الأكسجين) عند احتراق الكابل، ولذلك تُعرف في هذا المجال باسم "حاجز الأكسجين".
المتطلبات الأساسية لمادة حاجز الأكسجين هي: خصائص بثق جيدة، ومقاومة جيدة للهب خالية من الهالوجين (مؤشر الأكسجين عادة ما يكون أعلى من 40) وتكلفة منخفضة.
استُخدم حاجز الأكسجين هذا على نطاق واسع في صناعة الكابلات لأكثر من عقد من الزمان، وأدى إلى تحسينات كبيرة في مقاومة الكابلات للاشتعال. يُمكن استخدام حاجز الأكسجين مع كلٍ من الكابلات المقاومة للاشتعال الخالية من الهالوجين والكابلات المقاومة للاشتعال الخالية من الهالوجين (مثل كابلات PVC). وقد أظهرت العديد من التجارب العملية أن الكابلات المزودة بحاجز الأكسجين أكثر عرضةً لاجتياز اختبارات الاحتراق الرأسي الفردي واختبارات احتراق الحزم.
من وجهة نظر تركيب المواد، فإن مادة حاجز الأكسجين هذه هي في الواقع "حشو عالي للغاية"، لأنه لتلبية التكلفة المنخفضة، من الضروري استخدام حشو عالي، ولتحقيق مؤشر أكسجين عالي يجب أيضًا إضافة نسبة عالية (من 2 إلى 3 مرات) من Mg (OH)2 أو Al (OH)3، وللحصول على عملية بثق جيدة، يجب اختيار EVA كمادة أساسية.
3.4 مادة تغليف البولي إيثيلين المعدلة
تُعاني مواد تغليف البولي إيثيلين من مشكلتين رئيسيتين: أولاً، سهولة تكسرها أثناء عملية البثق (أي ما يُعرف بظاهرة جلد القرش)؛ وثانياً، سهولة تشققها نتيجة الإجهاد البيئي. ويتمثل الحل الأمثل في إضافة نسبة معينة من إيثيلين فينيل أسيتات (EVA) إلى التركيبة. ويُستخدم نوع مُعدّل من EVA، غالباً ما يكون منخفض المحتوى، حيث يكون مؤشر انصهاره بين 1 و2 مناسباً.
4. آفاق التنمية
(1) يُستخدم الإيثيلين فينيل أسيتات (EVA) على نطاق واسع في صناعة الكابلات، ويشهد استخدامه نموًا سنويًا تدريجيًا وثابتًا. وبشكل خاص في العقد الأخير، ونظرًا لأهمية حماية البيئة، شهدت المواد المقاومة للوقود المصنوعة من الإيثيلين فينيل أسيتات (EVA) تطورًا سريعًا، وحلت جزئيًا محل المواد المصنوعة من البولي فينيل كلوريد (PVC) المستخدمة في صناعة الكابلات. ويصعب استبدال أي مادة أخرى بفضل أدائها المتميز من حيث التكلفة وسهولة عملية البثق.
(2) يبلغ الاستهلاك السنوي لراتنج EVA في صناعة الكابلات ما يقارب 100,000 طن، ويتم اختيار أنواع مختلفة من راتنج EVA، بدءًا من محتوى VA المنخفض وصولًا إلى العالي. ونظرًا لصغر حجم شركات تصنيع حبيبات مواد الكابلات، حيث لا يتجاوز استهلاك كل شركة منها سنويًا بضعة آلاف من أطنان من راتنج EVA، فإن هذا لا يحظى باهتمام الشركات الكبرى في صناعة EVA. على سبيل المثال، تُعد راتنجات EVA ذات نسبة VA/MI = 28/2 ~ 3 الخيار الرئيسي للمواد الأساسية المقاومة للهب الخالية من الهالوجين (مثل EVA 265# من شركة DuPont الأمريكية). ولا يوجد حتى الآن مصنعون محليون ينتجون أو يوردون هذا النوع من راتنج EVA. ناهيك عن أنواع أخرى من راتنج EVA ذات محتوى VA أعلى من 28 ومؤشر انصهار أقل من 3.
(3) تُنتج الشركات الأجنبية مادة EVA بسبب غياب المنافسين المحليين، وارتفاع أسعارها لفترة طويلة، مما يُثبط حماس مصانع الكابلات المحلية بشكل كبير. تُهيمن الشركات الأجنبية على أكثر من 50% من محتوى VA في مادة EVA المطاطية، وتُباع بأسعار تُقارب ضعفين إلى ثلاثة أضعاف سعر العلامات التجارية الأخرى التي تحتوي على نفس نسبة VA. يؤثر هذا الارتفاع في الأسعار بدوره على كمية مادة EVA المطاطية، لذا تُطالب صناعة الكابلات الشركات المحلية برفع نسبة إنتاج EVA محليًا. وقد ازداد استخدام راتنج EVA في العديد من الصناعات.
(4) بالاعتماد على موجة حماية البيئة في عصر العولمة، يعتبر قطاع صناعة الكابلات مادة EVA أفضل مادة أساسية لمقاومة الوقود الصديقة للبيئة. ويتزايد استخدام EVA بمعدل 15% سنويًا، والتوقعات واعدة للغاية. ويتراوح معدل نمو كمية مواد الحماية وكابلات الطاقة ذات الجهد المتوسط والعالي بين 8% و10%؛ كما تشهد مواد البولي أوليفين المقاومة نموًا سريعًا، حيث استقرت في السنوات الأخيرة عند معدل يتراوح بين 15% و20%، ومن المتوقع أن تحافظ على هذا المعدل خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة.
تاريخ النشر: 31 يوليو 2022