초록: 전선 및 케이블용 실란 가교 폴리에틸렌 절연 재료의 가교 원리, 분류, 제형, 공정 및 장비에 대해 간략히 설명하고, 응용 및 사용에 있어서 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연 재료의 몇 가지 특성과 재료의 가교 조건에 영향을 미치는 요소를 소개합니다.
키워드: 실란 가교; 자연 가교; 폴리에틸렌; 절연; 전선 및 케이블
실란 가교 폴리에틸렌 케이블 소재는 현재 전선 및 케이블 산업에서 저전압 전력 케이블용 절연 재료로 널리 사용되고 있습니다. 가교 전선 및 케이블 제조, 과산화물 가교 및 방사선 가교에 사용되는 이 소재는 필요한 제조 장비에 비해 간단하고 조작이 용이하며, 종합 비용이 낮은 등 여러 장점을 가지고 있어 저전압 절연 가교 케이블의 주요 소재로 자리매김했습니다.
1.실란 가교 케이블 소재 가교 원리
실란 가교 폴리에틸렌 제조에는 그래프팅과 가교라는 두 가지 주요 공정이 포함됩니다. 그래프팅 공정에서는 중합체가 자유 개시제의 작용으로 3차 탄소 원자의 수소 원자를 잃고, 열분해를 통해 자유 라디칼로 변합니다. 이 자유 라디칼은 비닐 실란의 -CH=CH2기와 반응하여 트리옥시실릴 에스테르기를 포함하는 그래프트 중합체를 생성합니다. 가교 공정에서는 그래프트 중합체가 먼저 물의 존재 하에서 가수분해되어 실라놀을 생성하고, -OH기가 인접한 Si-OH기와 축합하여 Si-O-Si 결합을 형성하여 중합체 거대 분자를 가교합니다.
2.실란 가교 케이블 소재 및 이의 케이블 생산 방법
아시다시피, 실란 가교 케이블과 그 케이블에는 2단계 생산법과 1단계 생산법이 있습니다. 2단계 공법과 1단계 공법의 차이점은 실란 그래프팅 공정이 수행되는 위치에 있습니다. 2단계 공법은 케이블 소재 제조업체에서 그래프팅하고, 1단계 공법은 케이블 제조 공장에서 그래프팅합니다. 시장 점유율이 가장 높은 2단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연 재료는 소위 A재와 B재로 구성되는데, A재는 실란으로 그래프팅된 폴리에틸렌이고 B재는 촉매 마스터 배치입니다. 그런 다음 절연 코어를 따뜻한 물이나 증기에서 가교합니다.
또 다른 유형의 2단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연체가 있는데, 여기서 A 물질은 합성 중에 폴리에틸렌에 비닐 실란을 직접 도입하여 실란 분지 사슬이 있는 폴리에틸렌을 얻는 다른 방식으로 생산됩니다.
1단계 공법에도 두 가지 유형이 있습니다. 기존의 1단계 공법은 다양한 원료를 배합 비율에 맞춰 특수 정밀 계량 시스템을 통해 특수 설계된 특수 압출기에 투입하여 케이블 절연 심선을 그라프팅 및 압출하는 방식으로, 과립화 공정이 필요 없고 케이블 자재 공장의 참여도 필요 없으며, 케이블 공장에서 단독으로 생산합니다. 이러한 1단계 실란 가교 케이블 생산 장비 및 배합 기술은 대부분 해외에서 수입되고 있으며, 고가입니다.
또 다른 유형의 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연 재료는 케이블 소재 제조업체에서 생산합니다. 모든 원료는 배합 비율에 따라 특수 방식으로 혼합, 포장 및 판매되며, A재와 B재가 구분되지 않습니다. 케이블 공장에서는 압출기에 직접 투입하여 케이블 절연 코어를 그래프팅 및 압출하는 동시에 1단계 공정을 완료할 수 있습니다. 이 공정의 고유한 특징은 고가의 특수 압출기가 필요 없다는 것입니다. 실란 그래프팅 공정은 일반 PVC 압출기에서 완료될 수 있으며, 2단계 공정은 압출 전에 A재와 B재를 혼합할 필요가 없습니다.
3. 제형 구성
실란 가교 폴리에틸렌 케이블 소재의 제형은 일반적으로 기본 재료 수지, 개시제, 실란, 산화 방지제, 중합 억제제, 촉매 등으로 구성됩니다.
(1) 기본 수지는 일반적으로 용융 지수(MI) 2의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 수지를 사용하지만, 최근 합성 수지 기술의 발전과 비용 압박으로 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)도 기본 수지로 사용되거나 부분적으로 사용되고 있습니다. 서로 다른 수지는 내부 거대 분자 구조의 차이로 인해 그래프팅 및 가교에 상당한 영향을 미치는 경우가 많으므로, 다른 기본 수지를 사용하거나 다른 제조업체의 동일한 유형의 수지를 사용하여 제형을 변경합니다.
(2) 일반적으로 사용되는 개시제는 디이소프로필 퍼옥사이드(DCP)입니다. 중요한 것은 문제의 양을 파악하는 것입니다. 너무 적으면 실란 그래프팅이 충분하지 않고, 너무 많으면 폴리에틸렌 가교를 유발하여 유동성을 저하시키고, 압출된 단열 코어의 표면이 거칠어지며, 압착이 어렵습니다. 개시제의 첨가량은 매우 적고 민감하기 때문에 균일하게 분산시키는 것이 중요하므로 일반적으로 실란과 함께 첨가합니다.
(3) 실란은 일반적으로 비닐 트리메톡시실란(A2171)과 비닐 트리에톡시실란(A2151)을 포함한 비닐 불포화 실란에 사용되며, A2171의 빠른 가수분해 속도 때문에 A2171을 선택하는 사람들이 많습니다. 실란 첨가량에도 문제가 있는데, 현재 케이블 소재 제조업체들은 원가 절감을 위해 실란 첨가량을 제한하고 있습니다. 실란은 수입에 의존하고 있어 가격이 더 비싸기 때문입니다.
(4) 산화방지제는 폴리에틸렌 가공 안정성 및 케이블 노화 방지를 위해 첨가되며, 실란 그래프팅 공정에서 산화방지제는 그래프팅 반응을 억제하는 역할을 하므로 그래프팅 공정에서 산화방지제 첨가 시 주의해야 하며, 첨가량과 DCP의 양을 고려하여 선택해야 합니다. 2단계 가교 공정에서는 대부분의 산화방지제를 촉매 마스터배치에 첨가하여 그래프팅 공정에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 1단계 가교 공정에서는 산화방지제가 그래프팅 공정 전체에 존재하므로 종류와 함량의 선택이 더욱 중요합니다. 일반적으로 사용되는 산화방지제는 1010, 168, 330 등입니다.
(5) 중합 억제제를 첨가하여 그래프팅 및 가교 과정에서 발생하는 일부 부반응을 억제하는데, 그래프팅 공정에서 가교 방지제를 첨가하면 C2C 가교의 발생을 효과적으로 감소시켜 가공 유동성을 향상시킬 수 있다. 또한 동일 조건에서 그래프팅을 첨가하면 중합 억제제에 앞서 실란의 가수분해가 일어나 그래프트된 폴리에틸렌의 가수분해를 감소시켜 그래프트 소재의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
(6) 촉매는 종종 유기주석 유도체(자연 가교 제외)이며, 가장 흔한 것은 디부틸틴 디라우레이트(DBDTL)이며, 일반적으로 마스터배치 형태로 첨가됩니다. 2단계 공정에서는 그래프트(A 재료)와 촉매 마스터배치(B 재료)를 별도로 포장하고, A 재료의 사전 가교를 방지하기 위해 A 재료와 B 재료를 압출기에 투입하기 전에 함께 혼합합니다. 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연체의 경우, 포장재의 폴리에틸렌은 아직 그래프트되지 않았으므로 사전 가교 문제가 발생하지 않으므로 촉매를 별도로 포장할 필요가 없습니다.
또한, 시중에는 실란, 개시제, 산화방지제, 일부 윤활제 및 구리 방지제를 조합한 복합 실란이 판매되고 있으며, 일반적으로 케이블 공장에서 단계적 실란 가교 방법에 사용됩니다.
따라서, 구성이 그다지 복잡하지 않다고 여겨지고 관련 정보에서 이용 가능한 실란 가교 폴리에틸렌 절연체의 제형은, 최종적으로 확정하기 위해 약간의 조정이 필요한 적절한 생산 제형을 필요로 하며, 이를 위해서는 제형에서 구성 요소의 역할과 성능에 미치는 영향의 법칙 및 상호 영향에 대한 완전한 이해가 필요합니다.
다양한 종류의 케이블 소재 중에서 실란 가교 케이블 소재(2단계 또는 1단계)는 압출에서 발생하는 유일한 화학 공정 종류로 간주됩니다. 폴리염화비닐(PVC) 케이블 소재 및 폴리에틸렌(PE) 케이블 소재와 같은 다른 종류의 경우 압출 과립화 공정은 물리적 혼합 공정입니다. 화학적 가교 및 방사선 가교 케이블 소재는 압출 과립화 공정이든 압출 시스템 케이블이든 화학적 공정이 발생하지 않으므로 비교해 보면 실란 가교 케이블 소재와 케이블 절연 압출 생산에서는 공정 제어가 더 중요합니다.
4. 2단계 실란 가교 폴리에틸렌 단열재 생산 공정
2단계 실란 가교 폴리에틸렌 단열재 A의 생산 공정은 그림 1을 통해 간략하게 표현할 수 있습니다.
그림 1 2단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연재 A의 생산 공정
2단계 실란 가교 폴리에틸렌 단열재 생산 공정의 몇 가지 주요 사항:
(1) 건조. 폴리에틸렌 수지는 소량의 물을 함유하고 있으므로, 고온에서 압출할 경우 물이 실릴기와 빠르게 반응하여 가교를 형성하여 용융물의 유동성을 감소시키고 예비 가교를 유발합니다. 완성된 재료는 수냉 후에도 물을 함유하고 있으며, 이 물을 제거하지 않으면 예비 가교를 유발할 수 있으므로 반드시 건조해야 합니다. 건조 품질을 보장하기 위해 심층 건조 장치를 사용합니다.
(2) 계량. 재료 배합의 정확성이 중요하므로 일반적으로 수입산 감량형 저울을 사용합니다. 폴리에틸렌 수지와 산화방지제는 계량하여 압출기의 공급구를 통해 공급하고, 실란과 개시제는 압출기의 두 번째 또는 세 번째 배럴에 있는 액체 재료 펌프를 통해 주입합니다.
(3) 압출 그래프팅. 실란 그래프팅 공정은 압출기에서 완료됩니다. 온도, 스크류 조합, 스크류 속도 및 공급 속도를 포함한 압출기의 공정 설정은 과산화물의 조기 분해가 바람직하지 않을 때 압출기 첫 번째 구간의 재료가 완전히 용융되고 균일하게 혼합될 수 있어야 하며, 압출기 두 번째 구간의 완전히 균일한 재료가 완전히 분해되어 그래프팅 공정이 완료되어야 한다는 원칙을 따라야 합니다. 일반적인 압출기 구간 온도(LDPE)는 표 1에 제시되어 있습니다.
표 1 2단계 압출기 구역의 온도
| 작업 영역 | 1구역 | 2구역 | 3구역 ① | 4구역 | 5구역 |
| 온도 P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| 작업 영역 | 6구역 | 7구역 | 8구역 | 9구역 | 입으로 죽다 |
| 온도 °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
①은 실란을 첨가하는 곳입니다.
압출기 스크류의 속도는 압출기 내 재료의 체류 시간과 혼합 효과를 결정합니다. 체류 시간이 짧으면 과산화물 분해가 불완전하고, 체류 시간이 너무 길면 압출된 재료의 점도가 증가합니다. 일반적으로 압출기 내 과립의 평균 체류 시간은 개시제 분해 반감기의 5~10배로 조절해야 합니다. 공급 속도는 재료의 체류 시간뿐만 아니라 재료의 혼합 및 전단에도 영향을 미치므로, 적절한 공급 속도를 선택하는 것 또한 매우 중요합니다.
(4) 포장. 2단계 실란 가교 절연 재료는 습기를 제거하기 위해 직사광선이 없는 알루미늄-플라스틱 복합 백에 포장해야 합니다.
5. 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연재 생산 공정
1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연 재료는 그래프팅 공정으로 인해 케이블 공장에서 케이블 절연 코어를 압출하기 때문에 케이블 절연 압출 온도가 2단계 방식보다 훨씬 높습니다. 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연 제조법은 개시제와 실란의 빠른 분산 및 재료 전단을 충분히 고려했지만, 그래프팅 공정은 온도에 의해 보장되어야 합니다. 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 절연 생산 공장에서는 적절한 압출 온도 선택의 중요성을 반복적으로 강조해 왔습니다. 일반적으로 권장되는 압출 온도는 표 2에 제시되어 있습니다.
표 2 각 구역별 1단계 압출기 온도 (단위:℃)
| 존 | 1구역 | 2구역 | 3구역 | 4구역 | 플랜지 | 머리 |
| 온도 | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
이는 일반적으로 2단계로 케이블을 압출할 때는 필요하지 않은 1단계 실란 가교 폴리에틸렌 공정의 약점 중 하나입니다.
6. 생산 장비
생산 장비는 공정 제어의 중요한 보장 요소입니다. 실란 가교 케이블 생산에는 매우 높은 수준의 공정 제어 정확도가 요구되므로 생산 장비 선택이 특히 중요합니다.
2단계 실란 가교 폴리에틸렌 단열재 생산을 위한 재료 생산 장비는 현재 국내 등방성 병렬 이축 압출기와 수입 무중력 계량기를 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 장비는 공정 제어 정확도, 재료 체류 시간 확보를 위한 이축 압출기의 길이와 직경 선택, 그리고 재료의 정확성 확보를 위한 수입 무중력 계량기 선택 등의 요건을 충족합니다. 물론 장비의 세부적인 사항들을 면밀히 검토해야 합니다.
앞서 언급했듯이, 케이블 공장의 1단계 실란 가교 케이블 생산 장비는 수입에 의존하고 있으며, 가격이 비싸고, 국내 장비 제조업체에는 이와 유사한 생산 장비가 없습니다. 그 이유는 장비 제조업체와 제조 및 공정 연구자 간의 협력이 부족하기 때문입니다.
7.실란 천연가교 폴리에틸렌 단열재
최근 개발된 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연재는 증기나 온수에 담그지 않고도 며칠 안에 자연 조건에서 가교될 수 있습니다. 기존의 실란 가교 방식과 비교했을 때, 이 소재는 케이블 제조업체의 생산 공정을 단축하여 생산 비용을 더욱 절감하고 생산 효율을 높일 수 있습니다. 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연재는 케이블 제조업체에서 점점 더 널리 인정받고 사용되고 있습니다.
최근 들어 국산 실란 천연가교폴리에틸렌 단열재가 성숙되어 대량 생산되고 있으며, 수입 자재에 비해 가격 면에서 어느 정도 이점이 있습니다.
7. 1 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연체에 대한 제형 아이디어
실란 천연 가교 폴리에틸렌 절연체는 기본 수지, 개시제, 실란, 산화방지제, 중합 억제제, 촉매로 구성된 동일한 제형을 사용하여 2단계 공정으로 생산됩니다. 실란 천연 가교 폴리에틸렌 절연체의 제형은 A 재료의 실란 그래프팅 속도를 높이고 실란 온수 가교 폴리에틸렌 절연체보다 더 효율적인 촉매를 선택하는 데 기반합니다. 실란 그래프팅 속도가 더 높은 A 재료와 더 효율적인 촉매를 함께 사용하면 실란 가교 폴리에틸렌 절연체가 저온 및 불충분한 수분 조건에서도 빠르게 가교될 수 있습니다.
수입 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연체용 A-재료는 공중합법으로 합성되며, 실란 함량을 높은 수준으로 조절할 수 있습니다. 반면, 실란을 그래프팅하여 그래프팅 속도가 높은 A-재료를 생산하는 것은 어렵습니다. 레시피에 사용되는 기본 수지, 개시제 및 실란은 종류와 첨가량을 다양하게 조절해야 합니다.
실란의 그래프팅 속도가 증가하면 필연적으로 CC 가교 부반응이 증가하므로, 레지스트의 선택 및 사용량 조절 또한 매우 중요합니다. 후속 케이블 압출을 위해 A 소재의 가공 유동성과 표면 상태를 개선하기 위해서는 CC 가교 및 사전 가교를 효과적으로 억제하기 위해 적정량의 중합 억제제가 필요합니다.
또한 촉매는 가교 속도를 증가시키는 데 중요한 역할을 하므로 전이 금속이 없는 원소를 포함하는 효율적인 촉매로 선택해야 합니다.
7. 2 실란 자연 가교 폴리에틸렌 절연체의 가교 시간
실란 천연 가교 폴리에틸렌 단열재의 가교가 자연 상태에서 완료되는 데 걸리는 시간은 온도, 습도 및 단열층의 두께에 따라 달라집니다. 온도와 습도가 높을수록 단열층의 두께가 얇아지고 가교 시간은 짧아지며, 반대로 낮을수록 가교 시간은 길어집니다. 지역과 계절에 따라 온도와 습도가 다르기 때문에 같은 장소, 같은 시간이라도 오늘과 내일의 온도와 습도는 다를 수 있습니다. 따라서 사용자는 사용 시 현지 및 일반적인 온도와 습도, 케이블 사양, 단열층의 두께를 고려하여 가교 시간을 결정해야 합니다.
게시 시간: 2022년 8월 13일