تعد تقنية الربط المتشابك للبولي إيثيلين (PE) إحدى الوسائل المهمة لتحسين خصائص المواد. يمكن للـ PE المعدل المترابط أن يحسن خصائصه بشكل كبير، الأمر الذي لا يحسن بشكل كبير فقط الخصائص الشاملة للـ PE مثل الخواص الميكانيكية، ومقاومة التشقق بسبب الإجهاد البيئي، ومقاومة التآكل الكيميائي، ومقاومة الزحف، والخصائص الكهربائية، ولكن أيضًا يحسن بشكل كبير مقاومة درجات الحرارة المستوى، والذي يمكن أن يزيد من درجة حرارة مقاومة الحرارة للـ PE من 70 درجة إلى أكثر من 100 درجة، وبالتالي توسيع مجال تطبيق PE بشكل كبير.
عزل البولي إيثيلين المتقاطع هو مادة البولي إيثيلين تحت تأثير الأشعة عالية الطاقة (مثل الأشعة والأشعة وأشعة الإلكترون وما إلى ذلك) أو عوامل الارتباط المتقاطع بحيث يمكن للربط المتقاطع بين الجزيئات الكبيرة أن يحسن مقاومته للحرارة وخصائص أخرى. يمكن زيادة درجة حرارة العمل طويلة المدى للكابل الذي يستخدم البولي إيثيلين المتقاطع كعزل إلى 90 درجة، ويمكن أن تصل درجة حرارة الدائرة القصيرة اللحظية التي يمكن أن تتحملها إلى 170-250 درجة.
مقدمة مختصرة
يعد البولي إيثيلين (PE) أحد أنواع اللدائن العامة الخمسة، ويحتل إنتاجه واستهلاكه المرتبة الأولى بين مختلف الراتنجات الاصطناعية، في الصناعة والزراعة ويستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية. ومع ذلك، فإن مقاومة درجات الحرارة العالية للبولي ايثيلين ضعيفة. في بعض الأحيان لا تلبي الخواص الميكانيكية والمقاومة الكيميائية متطلبات الاستخدام الفعلي. لذلك، كان تعديل البولي إيثيلين دائمًا هو المفتاح لتطوير وتطبيق منتجات البولي إيثيلين، وتعد تقنية ربط البولي إيثيلين المتشابك تقنية مهمة لتحسين خصائص المواد. يمكن للبولي إيثيلين المعدل المتقاطع أن يحسن خصائصه بشكل كبير، الأمر الذي لا يحسن بشكل كبير فقط الخصائص الشاملة للبولي إيثيلين مثل الخواص الميكانيكية، ومقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي، ومقاومة التآكل الكيميائي، ومقاومة الزحف، والخصائص الكهربائية. علاوة على ذلك، تم تحسين مستوى مقاومة درجة الحرارة بشكل كبير، ويمكن زيادة درجة حرارة مقاومة الحرارة للبولي إيثيلين من 70 درجة إلى أكثر من 100 درجة. ونتيجة لذلك، تم توسيع نطاق تطبيق البولي ايثيلين بشكل كبير.
في الوقت الحاضر، يتم استخدام البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) على نطاق واسع في الأنابيب والأفلام ومواد الكابلات ومنتجات الرغوة.
الأداء والفوائد
تتكون جزيئات البولي إيثيلين من سلاسل جزيئية خطية. عندما ترتفع درجة الحرارة، تضعف قوة الربط بين السلاسل الجزيئية الخطية (قوة فان دير فالس)، بحيث تتشوه المادة الجزيئية بأكملها، وبالتالي تكون مقاومة درجة الحرارة للبولي إيثيلين ضعيفة. البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) يتم إنشاء جسر سلسلة كيميائية بين الجزيئات بحيث لا يمكن إزاحة الجزيئات، مما يتغلب على نقص البولي إيثيلين. يظهر الجدول 1 مقارنة أداء البولي إيثيلين المتقاطع والبولي إيثيلين العادي.
يتمتع البولي إيثيلين المتقاطع بالمزايا التالية:
1. المقاومة للحرارة: يتمتع XLPE ذو الهيكل الشبكي ثلاثي الأبعاد بمقاومة ممتازة للحرارة. لن تتحلل وتتفحم أقل من 200 درجة، ويمكن أن تصل درجة حرارة العمل على المدى الطويل إلى 90 درجة، ويمكن أن يصل العمر الحراري إلى 40 عامًا.
2. أداء العزل: يحافظ XLPE على خصائص العزل الجيدة الأصلية لـ PE، ويتم زيادة مقاومة العزل بشكل أكبر. ظل فقدان العزل الكهربائي صغير جدًا ولا يتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة.
3. الخواص الميكانيكية: بسبب إنشاء روابط كيميائية جديدة بين الجزيئات الكبيرة، تم تحسين الصلابة والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة الصدمات لـ XLPE، وبالتالي تعويض عيوب PE التي تكون عرضة للضغط البيئي والتشقق.
4. المقاومة الكيميائية: يتمتع XLPE بمقاومة قوية للأحماض والقلويات ومقاومة للزيت، ومنتجات الاحتراق الخاصة به تتكون أساسًا من الماء وثاني أكسيد الكربون، وهو أقل ضررًا على البيئة ويلبي متطلبات السلامة من الحرائق الحديثة.
مبدأ التشابك
البولي إيثيلين ([CH2-CH2]n، رقم وحدة التكرار n) هو مركب بوليمر يحتوي على عنصرين من الهيدروكربونات والهيدروجين، مع سلاسل جزيئية كبيرة ذات بنية جزيئية خطية أو متفرعة، وشكل صلب في درجة حرارة الغرفة، وطور بلوري و شكل تعايش الطور غير المتبلور في شكل صلب من البولي إيثيلين. يتراوح الوزن الجزيئي النسبي للبولي إيثيلين بين 6,30 و<>,<>.
يتمتع البولي إيثيلين بخصائص عزل كهربائي ممتازة، ولكن ضعف مقاومته للحرارة يؤثر على استخدامه للمواد الخام لعزل الكابلات. بسبب التفاعل الجزيئي الضعيف في المنطقة غير المتبلورة، تبلغ درجة حرارة انصهار معظم البولي إيثيلين حوالي 140 درجة، وتنخفض قوتها الميكانيكية بشكل ملحوظ عند الاقتراب من نقطة انصهار البولي إيثيلين، وتتدهور أيضًا مقاومة التكسير.
عندما تتم معالجة السلاسل الجزيئية الخطية كيميائيًا أو فيزيائيًا، فإن عملية الانضمام في شكل روابط متصالبة تسمى الارتباط المتشابك أو "الفلكنة". يتمتع البولي إيثيلين المتشابك بخصائص نوع الشبكة وهيكل الجسم، وسيتم تعزيز مقاومته للحرارة مع زيادة الارتباط المتشابك، وستنخفض الاستطالة الحرارية النسبية وفقًا لذلك. نظرًا للتحسن الكبير في الخواص الميكانيكية والمقاومة للحرارة، فقد أصبح مادة عزل كابلات الطاقة مستخدمة على نطاق واسع.
تنقسم طريقة تشابك البولي إيثيلين عن طريق التشابك لتكوين البولي إيثيلين المتشابك إلى فئتين: الطريقة الكيميائية والطريقة الفيزيائية، وتشمل طرق العملية المتحققة في الصناعة بشكل رئيسي الخمسة التالية: تشابك التشعيع عالي الطاقة، تشابك السيلاني، تشابك البيروكسيد. ، والتشابك فوق البنفسجي، والتشابك الملحي. من بينها، طريقة التشابك البيروكسيد (المعروفة أيضًا باسم التشابك الكيميائي) هي طريقة تشابك مناسبة لإنتاج كابلات ذات مستوى متوسط وعالي الجهد، ومبدأها هو سلسلة من التفاعلات الجذرية الحرة الناتجة عن تحلل البيروكسيد عند درجة حرارة عالية ، ومن ثم يتم ربط PE. تتحلل البيروكسيدات بالحرارة لتكوين جذور حرة، وتكون عملية التفاعل المتشابك كما يلي:
طريقة التشابك
هناك نوعان من طرق التشابك للبولي إيثيلين: التشابك الفيزيائي (التشابك الإشعاعي) والتشابك الكيميائي. ينقسم التشابك الكيميائي إلى تشابك سيلاني وتشابك بيروكسيد.
التشابك الجسدي
الارتباط الإشعاعي: منتجات البولي إيثيلين، مثل أغلفة البولي إيثيلين، والأفلام، والأنابيب ذات الجدران الرقيقة، وغيرها من المنتجات المطلية على السلك، تكون متشابكة مع الأشعة والأشعة عالية الطاقة (مما يتسبب في توليد جزيئات كبيرة من البولي إيثيلين لجذور حرة وتشكيل سلاسل CC متشابكة). . تتأثر درجة التشابك بجرعة الإشعاع ودرجة الحرارة، وتزداد نقطة التشابك مع زيادة جرعة الإشعاع، لذلك من خلال التحكم في ظروف الإشعاع يمكن الحصول على منتجات البولي إيثيلين المتشابك بدرجة معينة من التشابك.
يتميز البولي إيثيلين المتشابك الذي يتم إنتاجه بطريقة الارتباط المتشابك بالإشعاع بالمزايا التالية: يتم تنفيذ الارتباط المتشابك والبثق بشكل منفصل، ومن السهل التحكم في جودة المنتج، وكفاءة الإنتاج عالية، ومعدل الخردة منخفض؛ ليست هناك حاجة إلى أي بادئات جذرية حرة إضافية (مثل البيروكسيدات، وما إلى ذلك) أثناء عملية الربط، مما يحافظ على نظافة المادة ويحسن الخواص الكهربائية للمادة؛ إنها مناسبة بشكل خاص للكابلات المعزولة ذات المقاطع الصغيرة ذات الجدران الرقيقة والتي يصعب إنتاجها عن طريق الارتباط الكيميائي. ومع ذلك، فإن التشابك الإشعاعي له أيضًا بعض العيوب، مثل الحاجة إلى زيادة الجهد المتسارع لشعاع الإلكترون عند تشابك المواد السميكة؛ من أجل ربط الأجسام المستديرة مثل الأسلاك والكابلات، من الضروري تدويرها أو استخدام عدة حزم إلكترونية لجعل الإشعاع موحدًا؛ تكاليف الاستثمار لمرة واحدة كبيرة؛ تكنولوجيا التشغيل والصيانة معقدة، كما أن مشاكل حماية السلامة أثناء التشغيل قاسية نسبيًا.
الربط الكيميائي
التشابك الكيميائي هو استخدام عوامل التشابك الكيميائي لتشابك البوليمرات، والتغيير من البنية الخطية إلى البنية الشبكية.
يجب أن يعتمد اختيار عامل الارتباط المتشابك على نوع البوليمر، وتكنولوجيا المعالجة، وأداء المنتج، كما يجب أن يكون لعامل الارتباط المتشابك المثالي، بالإضافة إلى تلبية بعض المتطلبات المحددة، المتطلبات الأساسية التالية: معدل تشابك عالي، وبنية تشابك مستقرة؛ سلامة معالجة كبيرة، سهلة الاستخدام، فترة صلاحية معتدلة بعد إضافة الراتنج، لا توجد عيوب تشابك سابقة لأوانها أو متأخرة جدًا؛ لا يؤثر على أداء المعالجة وأداء استخدام المنتج؛ غير سامة وغير ملوثة ولا تهيج الجلد والعينين.
في التشابك الكيميائي، هناك تشابك البيروكسيد، وتشابك السيلاني، وتشابك الآزو:
(1) عامل تشابك وتشابك بيروكسيد تشابك بيروكسيد، يستخدم بشكل عام البيروكسيد العضوي كعامل تشابك، تحت تأثير الحرارة، يتحلل لتوليد جذور حرة نشطة، مما يجعل سلسلة الكربون البوليمر تولد نقاط نشطة وتنتج تشابك الكربون والكربون لتشكيل هيكل الشبكة. تتطلب هذه التقنية معدات بثق عالية الضغط بحيث يتم تنفيذ تفاعل الارتباط المتشابك في البرميل، ومن ثم يتم تسخين المنتج باستخدام طريقة التسخين السريع، مما ينتج عنه منتج متشابك. لذلك، ليس من السهل التحكم في استخدام طريقة التشابك البيروكسيد لإنتاج أنابيب البولي إيثيلين، وجودة المنتج غير مستقرة، والتشغيل المستمر أكثر صعوبة.
(2) تشابك آزو
تتمثل الطريقة في خلط مركب الآزو في PE وقذفه عند درجة حرارة أقل من تحلل مركب الآزو، ويتحلل البثق بواسطة حمام ملح عالي الحرارة، ويتحلل مركب الآزو ليشكل جذور حرة، مما يؤدي إلى بدء تشابك البولي إيثيلين. يتم استخدامه بشكل عام لمواد صمغ السرو ذات درجات حرارة انصهار منخفضة وله تطبيقات عملية قليلة للمواد البلاستيكية.
(3) عامل تشابك وتشابك سيلان
في الستينيات من القرن العشرين، تم تطوير تقنية تشابك السيلاني بنجاح. تستخدم هذه التقنية سيلان الفينيل الذي يحتوي على روابط مزدوجة للتفاعل مع البوليمرات المنصهرة تحت تأثير البادئين لتكوين بوليمرات مطعمة بالسيلان، والتي يتم تحللها في الماء في وجود محفز تكثيف السيلانول لتشكيل هيكل متشابك لسلسلة أوكسان شبكية. لقد عززت تقنية Silane crosslinking بشكل كبير إنتاج وتطبيق البولي إيثيلين المتشابك بسبب معداتها البسيطة، وعملية التحكم السهلة، والاستثمار الأقل، والدرجة العالية من الارتباط المتشابك للمنتجات النهائية، والجودة الجيدة. بالإضافة إلى البولي إيثيلين والسيلان، تُستخدم أيضًا المحفزات والمحفزات ومضادات الأكسدة وما إلى ذلك في الارتباط المتبادل.
بالمقارنة مع الطرق الأخرى، فإن منتجات البولي إيثيلين التي يتم الحصول عليها عن طريق تشابك السيلاني لها المزايا التالية:
(1) استثمار أقل في المعدات، وكفاءة إنتاجية عالية، وتكلفة منخفضة.
(2) هذه العملية متعددة الاستخدامات، ومناسبة للبولي إيثيلين متعدد الكثافة، ومناسبة أيضًا لمعظم البولي إيثيلين مع الحشو.
(3) لا يقتصر على سمك.
(4) كمية البيروكسيد صغيرة (فقط 10% عندما يكون البيروكسيد متشابكًا بمفرده)، لذلك يتم إنشاء عدد أقل من المسام الصغيرة في الطبقة العازلة من البولي إيثيلين، مما يفضي إلى الحفاظ على العزل العالي للبولي إيثيلين.
التطبيقات الرئيسية
نظرًا لخصائصه الممتازة، يتم استخدام البولي إيثيلين المتقاطع كمواد عازلة للجهد العالي والتردد العالي والمقاومة للحرارة وتكسية الأسلاك والكابلات التي تتطلبها الصواريخ والقذائف والمحركات والمحولات وغيرها. تصنيع الأنابيب القابلة للانكماش الحراري، الأفلام القابلة للتقلص بالحرارة، والأنابيب المقاومة للحرارة المختلفة، والبلاستيك الرغوي، وبطانات المعدات الكيميائية المقاومة للتآكل، والمكونات والحاويات، وتصنيع مواد البناء المقاومة للهب، وما إلى ذلك. في الوقت الحاضر، أكبر مجالات الاستخدام هي بشكل أساسي الأسلاك والكابلات والأنابيب، والرغوة.
1. مادة كابل البولي إيثيلين المتقاطع
المقاومة الحرارية للكابل مع البولي إيثيلين المتقاطع كعزل أعلى من مقاومة البولي فينيل كلورايد، ويمكن استخدامه لفترة طويلة عند 90 درجة، ويمكن أن تصل درجة حرارة مقاومة الحرارة في دائرة كهربائية قصيرة إلى 250 درجة؛ مقاومة العزل عالية، وظل فقدان العزل الكهربائي صغير، ولا يتغير بشكل أساسي مع تغير درجة الحرارة؛ لديها مقاومة جيدة للتآكل وتكسير الإجهاد البيئي. بمجرد حرق البولي إيثيلين المتقاطع بواسطة الكابلات، يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء، بينما تنتج كابلات PVC غازات كلوريد الهيدروجين الضارة عند الاحتراق؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن كثافة البولي إيثيلين المتقاطع أقل بحوالي 40% من كثافة PVC، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من جودة الخطوط الهوائية.
2. أنابيب البولي إيثيلين المتقاطعة
يتميز الأنبوب الذي يتم إنتاجه من البولي إيثيلين المتقاطع بمزايا قوة الزحف العالية، ومقاومة التآكل، وخفة الوزن، والمقاومة الجيدة للحرارة. يتميز أنبوب الألمنيوم والبلاستيك المركب الذي يستخدم البولي إيثيلين المتقاطع بضيق الهواء القوي ومقاومة الضغط العالي للانفجار. له تأثير الاستاتيكيه والتدريع.
بالمقارنة مع الأنابيب البلاستيكية وأنابيب البولي إيثيلين العادية، فإن أنابيب البولي إيثيلين المتقاطعة لا تحتوي على مواد ملدنة، ولن تسبب العفن الفطري أو تكاثر البكتيريا؛ لا يحتوي على مكونات ضارة، ويتوافق مع معايير إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، ويمكن استخدامه في أنابيب مياه الشرب؛ مقاومة جيدة للحرارة، مقاومة الحرارة لأنبوب البولي فينيل كلورايد والبولي إيثيلين العادي هي 60-75 درجة، في حين أن أنبوب البولي إيثيلين المتقاطع هو 90 درجة، يمكن أن تصل درجة الحرارة القصوى اللحظية إلى 185 درجة، ويمكن أن تتحمل درجة حرارة منخفضة -75 درجة؛ نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل، يمكن استخدامه لفترة طويلة تحت ظروف درجة -75-95، وعمر الخدمة يصل إلى 50 عامًا. ربط متقاطع عالي، كثافة عالية، مقاومة جيدة للضغط؛ مقاومة التآكل الكيميائي جيدة جدًا، ومقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي ممتازة، حتى في درجات الحرارة المرتفعة، ويمكن استخدامها لنقل مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية ومواد الضغط مع الأنابيب المتسارعة، وأنابيب البولي إيثيلين المتقاطعة خفيفة الوزن، فقط حوالي 1 /8 من الأنابيب المعدنية. مقاومة جيدة للتآكل ومقاومة التآكل. معدل التآكل أقل من 1/4 من الأنابيب الفولاذية، وعمر الخدمة هو 2-6 أضعاف عمر الأنابيب الفولاذية؛ الجدار الداخلي أملس، ومقاومة تدفق السوائل صغيرة، وفي نفس قطر الأنبوب، يكون تدفق النقل أكبر من تدفق الأنابيب المعدنية، والضوضاء أقل بكثير؛ أداء النقل جيد، ويتم زيادة كمية نقل السائل بنسبة 30%-40% مقارنة بالأنابيب الفولاذية؛ الموصلية الحرارية أقل بكثير من الأنابيب المعدنية، لذلك أداء العزل الحراري ممتاز. عند استخدامه في نظام التدفئة، لا يلزم الحفاظ على الحرارة، وفقدان الحرارة صغير؛ يمكن ثنيها بشكل تعسفي ولن تكون هشة أو متشققة؛ أداء عزل كهربائي ممتاز، سهولة التركيب، وعبء عمل التركيب أقل من نصف الأنابيب المعدنية، وتكلفة التركيب منخفضة.
بسبب الأداء المادي الممتاز لأنابيب البولي إيثيلين المتقاطعة. مع النظافة غير السامة تمامًا، فقد تم اعتبارها بمثابة جيل جديد من الأنابيب الخضراء، وتستخدم بشكل رئيسي في الجوانب التالية:
(1) أنظمة إمدادات المياه الباردة والساخنة وأنظمة أنابيب مياه الشرب للمباني؛
(2) نظام الماء المبرد لتكييف هواء المبنى؛
(3) نظام التدفئة السكنية.
(4) نظام التدفئة الأرضية؛
(5) أنابيب نظام سخان المياه المنزلي؛
(6) خطوط أنابيب نقل المشروبات والكحول والحليب والسوائل الأخرى في صناعة الأغذية؛
(7) خطوط أنابيب نقل سوائل الصناعة الكيميائية والبترولية؛
(8) نظام التبريد وخط أنابيب نظام معالجة المياه.
(5) مقاومة جيدة للشيخوخة وعمر خدمة طويل.
