1. المقدمة
EVA هو اختصار لبوليمر أسيتات فينيل الإيثيلين، وهو بوليمر بولي أوليفين. بفضل درجة انصهاره المنخفضة، وسيولته الجيدة، وقطبيته العالية، وعناصره غير الهالوجينية، فإنه متوافق مع مجموعة متنوعة من البوليمرات ومساحيق المعادن، وله خصائص ميكانيكية وفيزيائية وكهربائية وتوازن في أداء المعالجة. كما أن سعره مناسب، ووفرة السوق كافية، مما يجعله مادة عازلة للكابلات، وحشوًا، ومادة تغليف، ويمكن تحويله إلى مواد بلاستيكية حرارية، ومادة تشابكية صلبة بالحرارة.
يمكن استخدام مجموعة واسعة من استخدامات EVA، مع مثبطات اللهب، في حاجز وقود خالٍ من الهالوجين أو هالوجين منخفض الدخان؛ يمكن أيضًا تحويل محتوى VA العالي من EVA كمادة أساسية إلى مادة مقاومة للزيت؛ يمكن أيضًا تحويل EVA إلى مؤشر ذوبان معتدل، وإضافة 2 إلى 3 مرات من حشو مثبطات اللهب EVA إلى أداء عملية البثق وسعر مادة حاجز الأكسجين (الحشو) الأكثر توازناً.
في هذه الورقة، من الخصائص الهيكلية لـ EVA، مقدمة لتطبيقها في صناعة الكابلات وآفاق التطوير.
2. الخصائص الهيكلية
عند إنتاج التوليف، فإن تغيير نسبة درجة البلمرة n / m يمكن أن ينتج محتوى VA من 5 إلى 90٪ من EVA؛ زيادة درجة البلمرة الكلية يمكن أن تنتج الوزن الجزيئي من عشرات الآلاف إلى مئات الآلاف من EVA؛ محتوى VA أقل من 40٪، بسبب وجود تبلور جزئي، ومرونة ضعيفة، والمعروف باسم بلاستيك EVA؛ عندما يكون محتوى VA أكبر من 40٪، فإن الإيلاستومر الشبيه بالمطاط بدون تبلور، يُعرف باسم مطاط EVM.
1. 2 خصائص
السلسلة الجزيئية من EVA هي بنية مشبعة خطية، لذلك فهي تتمتع بمقاومة جيدة للحرارة والطقس والأوزون.
لا تحتوي السلسلة الرئيسية لجزيء EVA على روابط مزدوجة، أو حلقات بنزين، أو مجموعات أسيل، أو أمين، أو أي مجموعات أخرى سهلة الاحتراق. كما لا تحتوي السلاسل الجانبية على مجموعات ميثيل، أو فينيل، أو سيانو، أو أي مجموعات أخرى سهلة الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك، لا يحتوي الجزيء نفسه على عناصر هالوجين، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لقاعدة وقود مقاومة خالية من الهالوجين منخفضة الدخان.
إن الحجم الكبير لمجموعة أسيتات الفينيل (VA) في السلسلة الجانبية من خلات فينيل أسيتات (EVA) وقطبيتها المتوسطة يعنيان أنها تمنع ميل هيكل الفينيل إلى التبلور، وتتوافق جيدًا مع الحشوات المعدنية، مما يُهيئ الظروف المناسبة لإنتاج وقود حاجز عالي الأداء. وينطبق هذا بشكل خاص على المقاومات منخفضة الدخان والخالية من الهالوجين، حيث يجب إضافة مثبطات اللهب التي تزيد نسبتها عن 50% (مثل Al(OH)₂ وMg(OH)₂، إلخ) لتلبية متطلبات معايير الكابلات الخاصة بمقاومة اللهب. يُستخدم خلات فينيل أسيتات (EVA) ذات المحتوى المتوسط إلى العالي من أسيتات الفينيل كأساس لإنتاج وقود مثبط للهب منخفض الدخان وخالي من الهالوجين يتميز بخصائص ممتازة.
نظراً لأن مجموعة أسيتات الفينيل (VA) في السلسلة الجانبية من مادة EVA قطبية، فكلما ارتفع محتوى VA، زادت قطبية البوليمر وتحسنت مقاومته للزيت. تشير مقاومة الزيت المطلوبة في صناعة الكابلات غالباً إلى القدرة على تحمل الزيوت المعدنية غير القطبية أو ضعيفة القطبية. ووفقاً لمبدأ التوافق المماثل، يُستخدم EVA ذو المحتوى العالي من VA كمادة أساسية لإنتاج حاجز وقود منخفض الدخان وخالٍ من الهالوجين مع مقاومة جيدة للزيت.
جزيئات EVA في أداء ذرة الهيدروجين ألفا أوليفين أكثر نشاطا، في الجذور البيروكسيدية أو تأثير الإشعاع الإلكتروني عالي الطاقة من السهل أن تأخذ تفاعل الترابط المتبادل لـ H، وتصبح مترابطة بلاستيك أو مطاط، ويمكن أن تجعل متطلبات الأداء المتطلبة للمواد الأسلاك والكابلات الخاصة.
تُؤدي إضافة مجموعة أسيتات الفينيل إلى انخفاض كبير في درجة حرارة ذوبان مادة EVA، كما أن عدد السلاسل الجانبية القصيرة لأسيتات الفينيل يُعزز تدفقها. لذلك، يتميز أداء البثق الخاص بها بتفوق كبير على البنية الجزيئية للبولي إيثيلين المماثل، مما يجعلها المادة الأساسية المُفضلة لمواد الحماية شبه الموصلة وحواجز الوقود الهالوجينية والخالية منها.
2 مزايا المنتج
2. 1 أداء عالي التكلفة للغاية
تتميز مادة EVA بخصائص فيزيائية وميكانيكية ممتازة، بما في ذلك مقاومة الحرارة والطقس والأوزون والكهرباء. عند اختيار النوع المناسب، يمكن تصنيعها لتكون مقاومة للحرارة ومثبطة للهب، بالإضافة إلى مواد كابلات خاصة مقاومة للزيوت والمذيبات.
تُستخدم مادة EVA الحرارية البلاستيكية في الغالب، بنسبة تتراوح بين 15% و46%، ومؤشر ذوبان يتراوح بين 0.5 و4 درجات. تتوفر مادة EVA لدى العديد من المصنّعين والعلامات التجارية، مع خيارات واسعة، وبأسعار معقولة، وإمدادات كافية. ما عليك سوى فتح قسم EVA على الموقع الإلكتروني، وستجد العلامة التجارية، والأداء، والسعر، ومكان التسليم في لمحة، ويمكنك الاختيار بسهولة.
مادة EVA هي بوليمر بولي أوليفين، ومن خلال مقارنة النعومة والأداء، تتشابه مادة البولي إيثيلين (PE) مع مادة البولي فينيل كلوريد (PVC) اللينة. ولكن مع إجراء المزيد من البحث، ستجد أن مادة EVA والنوعين المذكورين أعلاه تتفوقان بشكل لا غنى عنه.
2. 2 أداء معالجة ممتاز
يُستخدم EVA في تطبيقات الكابلات من مواد حجب كابلات الجهد المتوسط والعالي من الداخل والخارج، ثم تطور لاحقًا ليشمل حاجز الوقود الخالي من الهالوجين. يُصنف هذان النوعان من المواد من حيث المعالجة على أنهما "مواد عالية الامتلاء": مواد حجب تتطلب إضافة كمية كبيرة من أسود الكربون الموصل لزيادة لزوجتها، مما يؤدي إلى انخفاض سيولتها بشكل حاد؛ أما الوقود المثبط للهب الخالي من الهالوجين، فيحتاج إلى إضافة كمية كبيرة من مثبطات اللهب الخالية من الهالوجين، مما يؤدي إلى زيادة لزوجتها بشكل حاد وانخفاض سيولتها بشكل حاد. يكمن الحل في إيجاد بوليمر يستوعب كميات كبيرة من الحشو، مع لزوجة ذوبان منخفضة وسيولة جيدة. لهذا السبب، يُعد EVA الخيار الأمثل.
تزداد لزوجة ذوبان مادة EVA مع درجة حرارة معالجة البثق ومعدل القص، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في اللزوجة. ما عليك سوى ضبط درجة حرارة الطارد وسرعة اللولب، مما يُمكّنك من إنتاج أسلاك وكابلات بأداء ممتاز. تُظهر العديد من التطبيقات المحلية والأجنبية أنه بالنسبة للمواد عالية التعبئة والخالية من الهالوجين منخفضة الدخان، نظرًا لارتفاع اللزوجة وانخفاض مؤشر الذوبان، فإن استخدام بثق لولبي بنسبة ضغط منخفضة (نسبة ضغط أقل من 1.3) هو الحل الأمثل لضمان جودة بثق جيدة. يمكن بثق مواد EVM القائمة على المطاط مع عوامل الفلكنة على كل من آلات بثق المطاط والآلات متعددة الأغراض. يمكن إجراء عملية الفلكنة اللاحقة (الترابط المتقاطع) إما عن طريق الترابط المتقاطع الحراري (بيروكسيد) أو عن طريق الترابط المتقاطع بإشعاع مُسرّع الإلكترونات.
2. 3 سهلة التعديل والتكيف
تنتشر الأسلاك والكابلات في كل مكان، من السماء إلى الأرض، ومن الجبال إلى البحار. وتتنوع احتياجات مستخدميها وتختلف باختلاف نوعها. ورغم تشابه بنية الأسلاك والكابلات، إلا أن اختلافات أدائها تتجلى بشكل رئيسي في مواد العزل والغلاف.
حتى الآن، لا يزال البولي فينيل كلوريد (PVC) اللين يُشكل الغالبية العظمى من مواد البوليمر المستخدمة في صناعة الكابلات، محليًا ودوليًا. ومع ذلك، مع تزايد الوعي بحماية البيئة والتنمية المستدامة،
لقد أصبحت مواد PVC مقيدة إلى حد كبير، ويبذل العلماء كل ما في وسعهم للعثور على مواد بديلة لـ PVC، وأكثرها واعدة هو EVA.
يمكن مزج مادة EVA مع مجموعة متنوعة من البوليمرات، بالإضافة إلى توافقها مع مجموعة متنوعة من مساحيق المعادن ومساعدات المعالجة. ويمكن تحويل المنتجات الممزوجة إلى بلاستيك حراري للكابلات البلاستيكية، وكذلك إلى مطاط متشابك للكابلات المطاطية. ويمكن لمصممي التركيبات الاعتماد على EVA كمادة أساسية، وذلك بناءً على متطلبات المستخدم (أو المعايير)، لضمان جودة أداء المادة بما يلبي المتطلبات.
3 نطاق تطبيق EVA
3. 1 يستخدم كمواد درع شبه موصلة لكابلات الطاقة عالية الجهد
كما نعلم جميعًا، فإن المادة الرئيسية لمادة الحماية هي الكربون الأسود الموصل، وإضافة كمية كبيرة من الكربون الأسود إلى المادة الأساسية البلاستيكية أو المطاطية سيؤدي إلى تدهور خطير في سيولة مادة الحماية ونعومة مستوى البثق. ولمنع التفريغ الجزئي في الكابلات عالية الجهد، يجب أن تكون الدروع الداخلية والخارجية رقيقة ولامعة ومشرقة وموحدة. وبالمقارنة مع البوليمرات الأخرى، يمكن لـ EVA القيام بذلك بسهولة أكبر. والسبب في ذلك هو أن عملية بثق EVA جيدة بشكل خاص وتدفق جيد وليست عرضة لظاهرة تمزق الذوبان. تنقسم مادة الحماية إلى فئتين: ملفوفة في الموصل من الخارج تسمى الدرع الداخلي - مع مادة الشاشة الداخلية؛ ملفوفة في العزل من الخارج تسمى الدرع الخارجي - مع مادة الشاشة الخارجية؛ مادة الشاشة الداخلية هي في الغالب من البلاستيك الحراري مادة الشاشة الداخلية هي في الغالب من البلاستيك الحراري وغالبًا ما تعتمد على EVA مع محتوى VA من 18٪ إلى 28٪؛ تتكون مادة الشاشة الخارجية في الغالب من مواد مترابطة وقابلة للتقشير وغالبًا ما تكون مبنية على مادة EVA مع محتوى VA بنسبة 40% إلى 46%.
3. 2 الوقود المقاوم للهب المصنوع من البلاستيك الحراري والمترابط
يُستخدم البولي أوليفين المقاوم للهب بالحرارة على نطاق واسع في صناعة الكابلات، خاصةً لتلبية احتياجات الكابلات البحرية، وكابلات الطاقة، وخطوط البناء عالية الجودة، من الهالوجين أو الخالي منه. تتراوح درجات حرارة تشغيله طويلة الأمد بين 70 و90 درجة مئوية.
بالنسبة لكابلات الطاقة المتوسطة والعالية الجهد (10 كيلو فولت فأكثر)، والتي تتطلب أداءً كهربائيًا عاليًا جدًا، فإن خصائص مقاومة اللهب تعتمد بشكل أساسي على الغلاف الخارجي. في بعض المباني أو المشاريع التي تتطلب حماية بيئية، يُشترط أن تكون الكابلات منخفضة الدخان، وخالية من الهالوجين، ومنخفضة السمية، أو منخفضة الدخان والهالوجين، لذا تُعد البولي أوليفينات الحرارية المقاومة للهب حلاً عمليًا.
لأغراض خاصة، القطر الخارجي صغير، ومقاومة درجات الحرارة تتراوح بين 105 و150 درجة مئوية، والكابل الخاص مصنوع من مادة البولي أوليفين المقاومة للهب المتشابكة، ويمكن لمصنع الكابل اختيار طريقة الربط المتشابك وفقًا لظروف الإنتاج الخاصة به، سواء بالبخار عالي الضغط التقليدي أو حمام الملح عالي الحرارة، أو طريقة الربط المتشابكة مع مُسرِّع الإلكترونات في درجة حرارة الغرفة. تنقسم درجة حرارة التشغيل طويلة الأمد إلى ثلاثة ملفات: 105 و125 و150 درجة مئوية، ويمكن تصنيع مصنع الإنتاج وفقًا لمتطلبات المستخدمين أو المعايير المختلفة، سواءً باستخدام حاجز وقود خالٍ من الهالوجين أو محتوي على الهالوجين.
من المعروف أن البولي أوليفينات هي بوليمرات غير قطبية أو ضعيفة القطبية. ولأنها تشبه الزيوت المعدنية في قطبيتها، تُعتبر البولي أوليفينات في الغالب أقل مقاومة للزيت وفقًا لمبدأ التوافق المتماثل. ومع ذلك، تشترط العديد من معايير الكابلات المحلية والدولية أن تتمتع المقاومات المتشابكة بمقاومة جيدة للزيوت والمذيبات، وحتى للرواسب الزيتية والأحماض والقلويات. يُمثل هذا تحديًا لباحثي المواد، حيث طُوّرت هذه المواد المتطلبة، سواءً في الصين أو خارجها، ومادتها الأساسية هي مادة EVA.
3. 3 مادة حاجز الأكسجين
تحتوي الكابلات متعددة الأنوية المجدولة على فجوات عديدة بين الأنوية، ويجب ملؤها لضمان مظهر الكابل المستدير، وذلك إذا كانت الحشوة داخل الغلاف الخارجي مصنوعة من حاجز وقود خالٍ من الهالوجين. تعمل طبقة الحشو هذه كحاجز للهب (الأكسجين) عند احتراق الكابل، ولذلك تُعرف في الصناعة باسم "حاجز الأكسجين".
المتطلبات الأساسية لمادة حاجز الأكسجين هي: خصائص البثق الجيدة، ومقاومة اللهب الخالية من الهالوجين (مؤشر الأكسجين عادة ما يكون أعلى من 40) والتكلفة المنخفضة.
استُخدم حاجز الأكسجين هذا على نطاق واسع في صناعة الكابلات لأكثر من عقد من الزمان، وأدى إلى تحسينات ملحوظة في مقاومة الكابلات للهب. يمكن استخدام حاجز الأكسجين في كلٍّ من الكابلات المقاومة للهب الخالية من الهالوجين (مثل PVC). وقد أظهرت العديد من التجارب أن الكابلات المزوّدة بحاجز أكسجين أكثر قدرة على اجتياز اختبارات الاحتراق العمودي الفردي واحتراق الحزمة.
من وجهة نظر صياغة المواد، فإن مادة حاجز الأكسجين هذه هي في الواقع "حشو عالي للغاية"، لأنه لتلبية التكلفة المنخفضة، من الضروري استخدام حشو عالي، لتحقيق مؤشر أكسجين عالي يجب أيضًا إضافة نسبة عالية (2 إلى 3 مرات) من Mg (OH) 2 أو Al (OH) 3، وللضغط الجيد يجب اختيار EVA كمادة أساسية.
3. 4 مادة غلاف البولي إيثيلين المعدلة
مواد تغليف البولي إيثيلين معرضة لمشكلتين: أولاً، عرضة للكسر الناتج عن الانصهار (مثل تشقق جلد القرش) أثناء عملية البثق؛ وثانياً، عرضة للتشقق الناتج عن الإجهاد البيئي. الحل الأبسط هو إضافة نسبة معينة من مادة EVA إلى التركيبة. عند استخدامها كـ EVA معدل، غالبًا ما يكون محتوى VA منخفضًا من الدرجة، فإن مؤشر انصهارها الذي يتراوح بين 1 و2 مناسب.
4. آفاق التنمية
(1) يُستخدم EVA على نطاق واسع في صناعة الكابلات، ويشهد نموًا تدريجيًا ومطردًا سنويًا. وخاصةً في العقد الماضي، نظرًا لأهمية حماية البيئة، شهدت مقاومة الوقود القائمة على EVA تطورًا سريعًا، وحلت جزئيًا محل اتجاه مواد الكابلات القائمة على PVC. بفضل أدائها الممتاز من حيث التكلفة والأداء الممتاز لعملية البثق، يصعب استبدال أي مواد أخرى.
(2) يبلغ الاستهلاك السنوي لراتنج EVA في صناعة الكابلات ما يقرب من 100000 طن، وسيتم استخدام اختيار أنواع مختلفة من راتنج EVA ومحتوى VA من المنخفض إلى المرتفع، إلى جانب حجم مؤسسة تحبيب مواد الكابلات غير الكبير، حيث ينتشر في كل مؤسسة كل عام فقط في آلاف الأطنان من راتنج EVA صعودًا وهبوطًا، وبالتالي لن يكون اهتمام المؤسسة العملاقة في صناعة EVA. على سبيل المثال، أكبر كمية من مادة القاعدة المثبطة للهب الخالية من الهالوجين، والاختيار الرئيسي لـ VA / MI = 28 / 2 ~ 3 من راتنج EVA (مثل EVA 265 # من شركة DuPont الأمريكية). وحتى الآن، لا يوجد مصنع محلي لإنتاج وتوريد هذه الدرجة من EVA. ناهيك عن محتوى VA أعلى من 28، ومؤشر ذوبان أقل من 3 من إنتاج وتوريد راتنج EVA الآخر.
(3) بسبب غياب المنافسين المحليين، تُنتج الشركات الأجنبية مادة EVA، والأسعار المرتفعة منذ فترة طويلة، مما يُضعف بشدة حماس مصانع الكابلات المحلية لإنتاجها. تُسيطر الشركات الأجنبية على أكثر من 50% من محتوى VA في EVM المطاطي، وسعرها يُقارب محتوى VA للعلامة التجارية بمرتين إلى ثلاث مرات. تؤثر هذه الأسعار المرتفعة بدورها على كمية EVM المطاطية، لذا تدعو صناعة الكابلات مُصنّعي EVA المحليين لتحسين معدل الإنتاج المحلي من EVA. وقد أدى ازدياد إنتاج الصناعة إلى زيادة استخدام راتنج EVA.
(4) في ظل موجة حماية البيئة في عصر العولمة، تُعتبر مادة EVA في صناعة الكابلات أفضل مادة أساسية لمقاومة الوقود الصديقة للبيئة. ويشهد استخدام EVA نموًا بمعدل 15% سنويًا، والتوقعات واعدة للغاية. وتشهد كمية ومعدل نمو مواد العزل وإنتاج كابلات الطاقة متوسطة وعالية الجهد نموًا سريعًا يتراوح بين 8% و10%، بينما تشهد مقاومة البولي أوليفينات نموًا سريعًا، حيث استقرت في السنوات الأخيرة عند نسبة تتراوح بين 15% و20%، ومن المتوقع أن تحافظ على هذا المعدل خلال السنوات الخمس إلى العشر المقبلة.
وقت النشر: ٣١ يوليو ٢٠٢٢