Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
В производстве кабелей и проводов повышение производительности труда достигается прежде всего путем широкого применения пластмасс и резин, так как полимерные материалы и смеси на их основе можно перерабатывать высокопроизводительным методом экструзии. Одновременно метод экструзии позволяет автоматизировать производство кабельной продукции путем объединения в единый технологический процесс операций экструдирования, волочения, отжига, испытаний и т.д.
Важная задача, решаемая при внедрении в кабельное производство пластмасс и резин,——снижение материалоемкости. Так, например, применение полимерных оболочек и изоляции позволяет в большинстве случаев отказаться от использования металлических оболочек, в частности из остродефицитного свинца, и резко снизить массу кабелей. Применение hobi^ix полимерных материалов с меньшей плотностью не только позволяет уменьшить массу кабельного изделия, но и дает возможность из одного и того же количества материала выпустить большее количество кабеля.
Именно поэтому применение прогрессивных полимерных материалов в кабельной промышленности возрастало быстрыми темпами. Так, в 1985 г. по сравнению с 1970 г. в кабельном производстве использование полиэтилена увеличилось на 91%, поливинилхлоридного пластиката ——на 41%, фторопластов ——в 4,5 раза. Применение резин осталось примерно на прежнем уровне, однако их номенклатура заметно изменилась, возросла доля более нагревостойких материалов.
В области материалов, применяемых для изоляции и защитных оболочек кабелей и проводов, работы ведутся, в основном, в направлении повышения нагревостойкости, мас- лостойкости, стойкости к воздействию пламени, различных агрессивных сред, радиационной стойкости. Результаты научно- исследовательских работ в области химии и физики обес- печивают создание таких материалов, которые принципиально меняют характеристики кабелей и проводов, позволяют со- здавать новые поколения кабельной продукции. Одновременно
использование новых полимерных материалов дает возмо- жность осуществлять миниатюризацию кабелей и проводов для электронной, авиационной, космической техники.
По сравнению с ранее опубликованными книгами по вопросам производства кабелей и проводов с пластмассовой и резиновой изоляцией настоящая книга содержит ряд новых материалов, в частности описание свойств и технологии переработки сшиваемых полимеров, каучуков и других ингредиентов резиновых смесей. В книге систематизированы методы расчета технологических режимов кабельных линий непрерывной вулканизации, производительности экструдера, приведены полезные сведения по реологии пластмасс.
Работа над книгой распределилась между авторами следующим образом: А. Г. Григорьяном написаны гл. 3, 4 и 6, Д. Н. Дикерманом——§ 2.1, 2,2, 2.4, 2.5, 5.1, 5.2, 5.7—5.11, гл. 7, §9.3, гл. 10, И. Б. Пешковым—предисловие, гл. 1, §2.3, 2:6, 5.3 и 5.4, 5.6, гл. 8, 9.1, 9.2, 9.4, 9.5; § 5.5 написан Г. П. Казанчяном.
Авторы выражают глубокую благодарность Ф. Д. Демиковс- кому, В. В. Баландину и сотрудникам Камского кабельного завода им. 50-летия СССР, тщательно просмотревшим рукопись и сделавшим много ценных замечаний. Авторы будут признательны читателям за замечания и пожелания, которые следует направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб” 10, Энергоатомиздат.
' Я. Г, Григорьян
4 Н. Дикерман
И. Б. Пешков
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙС ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС И РЕЗИН
КЛАССИФИКАЦИЯ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ СПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС И РЕЗИН
Вся кабельная продукция с точки зрения конструктивных элементов делится на кабели, провода и шнуры. Эта классификация является достаточно условной, так как в соответствии со сложившейся многолетней практикой в ряде случаев эти термины используются произвольно. Достаточно отметить, что одножильные кабели с пластмассовой изоляцией и авиационные провода больших сечений конструктивно выглядят практически одинаково. Тем не менее в соответствии с действующей стандартизированной терминологией понятия кабель, провод и шнур могут быть определены следующим образом [1 ]:
кабель ——одна или несколько изолированных жил (проводников), заключенных, как правило, в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может быть соответствующий защитный покров, в который может входить броня;
провод ——одна неизолированная или одна или несколько изолированных жил, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может быть неметаллическая оболочка, обмотка и (или) оплетка волокнистыми материалами или проволокой;
шнур——две или более изолированных гибких или особо гибких жил сечением до 1,5 мм2, скрученных или уложенных параллельно, поверх которых в зависимости от условий эксплуатации могут быть неметаллическая оболочка и защитные покровы.
Как кабели и провода, так и шнуры изготовляют с примене- нием в конструктивных элементах пластмасс и резин. Поэтому наиболее правильно классифицировать кабели и провода, а также шнуры с применением пластмасс и резин прежде всего в рамках групп однородной продукции, стандартизиро- 貝нных в последнее время для кабельных изделий в целом. iaK^x групп однородной кабельной продукции всего 21:
кабели силовые для стационарной прокладки на напряже- ние Д° 35 кВ включительно;
кабели силовые для стационарной прокладки на напряжена НО кВ и выше;
кабели силовые для нестационарной прокладки;
кабели связи симметричные;
кабели связи коаксиальные;
кабели связи телефонные;
кабели связи телефонные распределительные;
кабели радиочастотные;
кабели управления;
кабели контрольные;、*
провода неизолированные для воздушных линий эле
ктропередачи;
провода неизолированные гибкие;
провода силовые изолированные;
провода обмоточные с эмалевой изоляцией;
провода обмоточные с эмалево-волокиистой, волокнистой, пластмассовой и пленочной изоляцией;j
провода монтажные низковольтные;, 1
провода монтажныевысоковольтные;:j
шнуры силовые;&
провода телефонныераспределительные;Я
арматура силовых кабелей;，
шнуры слаботочные.I
Имеется еще одна, по существу, 22-я общая группа ——прочие кабельные изделия, охватывающая судовые, шланговые, оптические и другие типы кабелей и проводов Кабели и провода
с применением пластмасс и резин входят во все перечисленные группы однородной продукции, за исключением проводов неизолированных для воздушных линий электропередачи, проводов неизолированных гибких и проводов обмоточных с эмалевой изоляцией. Поэтому можно считать, что на кабельные изделия с применением пластмасс и резин распространяется общая классификация кабельной продукции. ~
Из других систем классификации кабельной продукции, принятых в повседневной практике, следует выделить следующие [2].
Классификация по материалу изоляции. Кабельные изделия с применением пластмасс и резин, прежде всего, делятся на кабели и провода с пластмассовой изоляцией и (или) оболочкой и кабели и провода с резиновой изоляцией и (или) оболочкой. В свою очередь, кабельные изделий с применением пластмасс делятся на кабели и провода с полиэтиленовой, поливинилхлоридной, фторопластовой и другими видами изоляции или оболочек, а кабельные изделия с применением резин — на кабели и провода с изоляцией илй оболочками из маслобензостойких резин, теплостойких резий и т. д. Эта система классификации носит частный характер и наиболее часто используется в практике кабельных заводов， так как для потребителя она не несет полезной информаций
(потребителя прежде всего интересуют области применения того или иного кабельного изделия),
Классификация по назначению. Так как назначением кабельных изделий является передача и распределение электроэнергии, сигналов информации, выполнение различных электрических соединений, в том числе обмоток в электротехнических устройствах, то с точки зрения назначения кабели и провода с применением пластмасс и резин делятся на кабели и провода высокого напряжения (более 1000 В), низкого напряжения (не более 1000 В), связи, радиочастотные кабели, обмоточные провода.
Классификация по области применения. Эта система классификации несет для потребителя наибольшую информацию, так как, практически не давая информации о конструктивных элементах кабелей и проводов, применяемых в их конструкции материалах, она снабжает конструкторов и расчетчиков необходимыми данными для выбора требующихся им кабельных изделий.
В соответствии с этой системой все кабели и провода с применением пластмасс и резин можно разделить на кабели и провода общего применения и кабели и провода специального применения. Кабельная продукция общего применения называется так потому, что эти кабели и провода можно использовать в самых различных областях: для энергоснабжения предприятий и передачи электроэнергии на расстояние, для подводок к отдельным электротехническим, металлургическим и другим устройствам, для удовлетворения нужд населения и т. д. Кабельные изделия специального применения используются в строго определенных условиях или таких устройствах, где особенности применения требуют соответствующих особенно- сте访 конструкции кабелей и проводов, обеспечивающих удовлетворение специфических требований потребителей. Кабельные изделия специального применения делятся на судовы-> кабели, кабели и провода для авиационной и космической техники, кабели для нефтегазовой промышленности, шахтные кабели и провода, кабели для питания передвижных механизмов, подводные кабели и т. д. Так, шахтные кабели и провода применяются для передачи электроэнергии в шахтах (питание угольных комбайнов, различных угледобывающих инструмен- тов, освещение), организации местной связи и сигнализации, монтажа различной аппаратуры. К этим кабелям и проводам предъявляется прежде всего требование взрывобезопасности, заключающееся в их повышенной стойкости к образованию электрической искры, которая может привести к взрыву при коплении рудничного газа. Кроме того, эти кабели и провода г；6 ДОЛЖНЬ1 распространять пламя, обладать повышенной к℃1ъю и механической прочностью, стойкостью к истира- ^>5 продавливанию и . ударам.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС И РЕЗИН. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТОКО
ПРОВОДЯЩИХ ЖИЛ
Основными конструктивными элементами всех типов кабелей, проводов и шнуров, в том числе с применением пластмасс и резин, являются токопроводящие жилы, изоляции, экраны, оболочки, наружные покровы. Токопроводящие жилы предназначены для прохождения электрического тока и выполняются, как правило, из меди или алюминия. Для токопроводящих жил применяется также медная луженая, медная посеребренная и медная никелированная проволока. Изоляция представляет собой слой диэлектрика (пластмассы, резины, пропитанной бумаги и т. д.), наложенный на токопроводящую жилу. Экран——это электропроводящий, в том числе металлический цилиндрический слой вокруг токопроводящей или изолированной жилы, группы жил, сердечника кабеля. Экраны выполняют в виде разделительного слоя различной конфигурации.
Оболочка кабельных изделий может быть изготовлена как из металлов, так и из электроизоляционных материалов, она представляет собой, как правило, трубку, расположенную поверх сердечника и предназначенную для защиты его от влаги и других внешних воздействий. Поверх оболочки накладывают защитный покров ——элемент кабельного изделия, обеспечивающий дополнительную защиту от внешних воздействий. В состав защитного покрова может входить металлическая броня, предназначенная для защиты от механических воздействий при прокладке и частично при эксплуатации, а в некоторых случаях для восприятия растягивающих усилий. Защитный покров выполняют также в виде шланга из пластмассы или резины. Отдельные типы кабелей, проводов и шнуров могут не иметь оболочки, экранов и наружных покровов^
Так как технология наложения пластмассовой и резиновой изоляции и оболочек будет подробно рассматриваться ниже, а технология наложения экранов и защитных покровов практически одинакова для всех типов кабелей и проводов, то в настоящей главе целесообразно рассмотреть характерные особенности производства токопроводящих жил для кабелей и проводов с применением пластмасс и резин. Прежде всего, следует отметить, что медные и алюминиевые токопроводящие жилы, предназначенные для кабелей и проводов стационарной прокладки, подразделяются на классы 1 и 2, а для кабелей, проводов и шнуров нестационарной прокладки и стационарной прокладки, требующей повышенной гибкости при монтаже,——на классы 3——6. Чем выше класс токопроводящей жилы, тем выше ее гибкость.
Таблица 1.1, Кратность шагов скрутки расчетным 'диаметрам новива или стренги
Класс жилыКласс жилывнутреннихповивоввнутреннихповивовнаружногоповнванаружногоповнвапроволок встренгупроволок встренгуСкрутка в противоположные сто-Скрутка в противоположные сто-1,23—61,23—61,23,4561,23,45635253525роны1816роны18163030СкруткаСкрутка88одну сторонуодну сторону1412121412121816161418161614202016202016Кратность шагов скрутки (не более)
Класс жилы
Класс жилы
внутреннихповивов
внутреннихповивов
наружногоповнва
наружногоповнва
проволок встренгу
проволок встренгу
Скрутка в противоположные сто-
Скрутка в противоположные сто-
1,2
3—6
1,2
3—6
1,2
3,4
5
6
1,2
3,4
5
6
35
25
35
25
роны
18
16
роны
18
16
30
30
Скрутка
Скрутка
8
8
одну сторону
одну сторону
14
12
12
14
12
12
18
16
16
14
18
16
16
14
20
20
16
20
20
16
При производстве многопроволочных токопроводящих жил используют как правильную, так и пучковую скрутку проволок. При правильной системе скрутки поверх одной или нескольких центральных проволок, скрученных вместе, накладывают один или несколько коаксиальных повивов проволок, причем каждый последующий повив накладывают, как правило, в направлении, противоположном предыдущему. Линии, соединяющие центры проволок каждого повива, образуют правильный выпуклый многоугольник. Жила пучковой скрутки представляет собой многопроволочную жилу, все проволоки которой скручиваются вместе в одну сторону. В состав токопроводящей жилы, скрученной с использованием как правильной, так и пучковой скрутки, могут входить стренги — элементы жилы, сами скрученные из нескольких проволок.
Количество проволок, из которых состоит токопроводящая жила, с повышением класса жилы увеличивается, для медной жилы сечением 35 мм2:
®ассL 23456
Количество
проволок и их диаметр,
мм1 x6,6 7x2,5219x1,53 98 х0,67 267x0,4 1107x0,2
Кратность шагов скрутки повивов жилы и проволок в стренгу расчетным диаметрам соответствующего повива или стренги должна соответствовать указанной в табл. 1.1.
Кратность шагов скрутки одноповивных жил и жил пуч- ксвсй скрутки должна соответствовать кратности шагов скрут- ки наружного повива односторонней скрутки. В конструкциях кабельных изделий с пластмассовой и резиновой изоляцией используются жилы всех классов, но в большей степени
характерно применение токопроводящих жил повышенных ] классов, особенно при резиновой изоляции. Производство токопроводящих жил повышенных классов имеет высокую трудоемкость, так как волочение более тонких проволок, их отжиг и скрутка требуют больших трудовых затрат. Вместе с тем при использовании более гибких жил, как правило, повышается надежность эксплуатации кабельного изделия. Поэтому правильный выбор класса токопроводящей жилы требует проведения обоснованного технико-экономического расчета. Следует отметить, что для некоторых типов кабелей специального назначения (например, судовые герметизирован- ные кабели, кабели сигнализации и блокировки, геофизические кабели и т. д.) применяются токопроводящие жилы, конструкции которых отличаются от приведенных выше.』
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СКРУТКИ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЖИЛ 1
Для скрутки токопроводящих жил кабелей и проводов,' в том числе с применением пластмасс и резин, используют крутильные машины различных типов, В зависимости от того, какой узел машины вращается, их можно разделить на четыре типа [3 ]: с крутильно-отдающим устройством; с крутильноприемным устройством; с рамкой, вращающейся вокруг отдающего устройства; с рамкой, вращающейся вокруг приемного устройства. В машинах с крутильно-отдающим устройством, крутильное устройство совмещено непосредственно с отдающим, несущим массу всех отдающих катушек для скручиваемых в токопроводящую жилу проволок. В машинах с крутильно-приемным устройством крутильное устройство соединено соответственно с приемным. В машинах с вращающимися рамками масса отдающих или приемных катушек неподвижна, а вращается лишь рамка, в результате чего скручивается тот участок скручиваемой жилы, который в данный момент времени находится в пределах контура рамки [4].
Скрутка 7——19-проволочных жил сечением 0,05——4 мм2 производится на сигарных машинах с отдающими катушками диаметром 100, 160, 200 и 400 мм и на рамочных машинах с приемными катушками диаметром 160, 200, 400, 500 и 630 мм. По существу, сигарные машины также относятся к машинам рамочного типа: они представляют собой машины одинарной скрутки с узкой длинной обтекаемой формы рамкой, вращающейся вокруг отдающего устройства. Схема такой машины показана на рис. 1.1.
Вращающаяся рамка, обычно называемая ротором, на концах имеет конусы, придающие машине сигарообразную форму. Так как крутильный ротор большой длины практически невозможно отбалансировать, то его выполняют из нескольких
Рис. 1.1. Схема крутильной машины сигарного типа: /—скручиваемая проволока; 2—отдающая катушка; 3—крутильная рамка; 4 — приводная шестерня; 5—распределительная розетка; 6——калибр; 7 — направляющие ролики; 8 —— тяговое устройство； Р—приемное устройство; 10—опорные ролики
коротких секций, сочлененных между собой. Это позволяет достигать на сигарных машинах с малым диаметром отдающих катушек частоты вращения 2000——3000 об/мин. Уменьшение трения обеспечивается применением опорных роликов с бандажами из пластмассы или использованием вращающихся кольцевых шарикоподшипников. В сигарных машинах для снижения шума в ряде случаев используют ротор на воздушной подушке: ротор охватывается в нескольких местах ио длине манжетами, в которые из отверстий, расположенных по окружности ротора, подается под давлением 0,7 МПа сжатый воздух, образующий воздушную подушку. При снижении давления воздуха ниже рабочего уровня машина автоматически останавливается.
По длине ротора распределены поперечно расположенные крестовины, в центре которых находятся подшипники для люлек с отдающими катушками. Так как центр тяжести люлек с отдающими катушками расположен ниже геометрической оси ротора, то при его вращении отдающие катушки остаются неподвижными в пространстве и, слегка покачиваясь, вращаются только вокруг своей оси, отдавая скручиваемую проволоку.
В машинах собственно рамочного типа в отличие от сигарных машин рамка состоит из нескольких жестко связанных между собой стержней. При скрутке токопроводящих жил малых сечений, например из проволоки диаметром 0,05 мм, частота вращения рамки достигает 3250 об/мин. Схема рамочных машин для одинарной скрутки с откруткой и двойной скрутки без открутки показана на рис. 1.2.
В машинах одинарной скрутки рамка вращается только вокруг приемного устройства, двойной скрутки ——вокруг как приемного, так и отдающего устройств. Поэтому в машинах Двойной скрутки пучок проволок, сходящих с отдающих катушек, совершит два поворота: перед выходом на рамку и при сходе с нее. Следовательно, за один оборот рамки осуществляется двойная скрутка пучка проволоки и, если
Рис. 1.2. Схемы рамочных машин одинарной скрутки с откруткой (а) и двойной скрутки без открутки (б):
1—отдающее устройство; 2——люлька для отдающей катушки; 3— -отдающая катушка с проволокой; 4——приспособление для открутки; 5 ——распределительная розетка; 6 — калибр; 7—приводная шестерня; 8--крутильная рамка; 9—направляющие ролики;
10 ——тяговое устройство; 11——приемное устройство
частота вращения рамки составляет 3250 об/мин, количество скруток равно 6500 в минуту.
Известны машины четверной скрутки, когда навстречу друг, другу вращаются две рамки, а пучок проволок, проходящих， по ним, претерпевает четыре перегиба. В этом случае з# один проход жила подвергается четырехкратной скрутке, и количество скруток в минуту может достичь 8000.
Семи проволочные токопроводящие жилы сечением 10— 70 мм2 и се м истренгов ые жилы сечением 6- -25 мм2 скручивают на сигарных машинах с отдающими катушками диаметром 400, 500 и 630 мм. Частота вращения ротора в зависимости от типа машин составляет от 100 до 1400 об/мин. В этих сигарных машинах использован бесступенчатый привод. 19- проволочные жилы сечением 25— 一150 мм2 и 19-стренговые жилы сечением 120—400 мм2 можно скручивать на сигарных машинах в два прохода: сначала на машинах с 7 отдающими 12
катушками, а затем на машинах с 12 отдающими катушками Проволока или стренги, сходящие с этих 12 катушек, образуют ртоуой повив токопроводящей жилы. Сигарные машины с 7 н 12 отдающими катушками можно устанавливать последовательно, в i аидам
Для скрутки 19-проволочныл жил можно использовать клетьевые крутильные машины, как пр。以с числом отда„ ющих катушек в клетях 6 и 12. Принципиа^._тоя ?^" клетьевой крутильной машины показана на рис. 1.3.
Крутильная клеть состоит из нескольких параллельных металлических колец или дисков, жестко закрепленных на полом валу, р асп сложенном в их центре. Между этими кольцами или дисками на подшипниках установлены люльки для отдающих катушек, а все катушки снабжены тормозными устройствами в целях создания необходимого натяжения каждой скручиваемой проволоки. Клетьевые крутильные машины позволяют осуществлять скрутку с откруткой. Для этого используют ся механизмы открутки (кривошипно-эксцентриковый или。планетарный), позволяющие за каждый оборот крутильной клети поворачивать отдающие катушки также на один оборот вокруг оси, параллельной оси клети, но в направлении, противоположном направлению вращения клети. Частота вращения крутильных клетей составляет 36——250 об/мин,
т. е. производительность клетьевых крутильных машин при
.—Рис. 1.3. Схема клетьевой крутильной машины:
/--крутильная клеть； 2——опорный подшипник; 3—люлька для отдающей катушки;
[—^аа^ща兄 катушка; 5приводная трстерня; 6―распределительная розетка; 7—— калибр； 8—тяговое устройство; Р - - приемное устройство; 10——устройство для открутки люлек с катушками
ниже по сравнению с производительностью сигарных машин. Повышение частоты вращения ограничивается большими вращающимися массами, трудностью центровки, статической и динамической балансировки вращающихся масс. Некоторое повышение производительности клетьенвр машин достигается путем использования мехадаг3^Рованно® загрузки клетей от- J проволокой. Перечисленные недостатки , ^летьевых ^ашин не могут быть в полной мере перекрыты с—” их важным преимуществом, как технологическая универсальность, позволяющая скручивать жилы практически для любых типов кабелей и проводов.
Для производства токопроводящих жил больших сечений можно использовать также комбинированную скрутку 7— 19-проволочных заготовок на сигарных машинах с последующим наложением внешнего повива на крутильных машинах клетьевого типа.
Токопроводящие жилы кабелей некоторых типов, например судовых, должны быть герметизированными. В зтом случае крутилкная машина совмещается с экструдером, с помощью которого и производится наложение герметизирующего состава. Во время скрутки проволок в жилу герметизирующий состав должен заполнить все промежутки между проволоками.
Многопроволочные токопроводящие жилы кабелей с пластмассовой и резиновой изоляцией могут быть уплотненными. Уплотнение многопроволочных токопроводящих жил можно осуществлять с помощью прокатки в валках с заданным профилем (рис. 1.4) или путем обжатия жилы в калибре определённого размера. Уплотнение увеличивает коэффициент заполнения жилы, уменьшает междупроволочное пространство и обеспечивает плавность профиля поверхности жилы. В результате снижаются габариты кабеля и его материалоемкость. При уплотнении токопроводящих жил коэффициент уплотнения, т. е. отношение сечения металла к общему сечению жилы, может достигать 0,96—0,97. Уплотнение может поповивным, частичным или общим. Поповивное уплотнение целесообразно применять для многопроволочных токопроводящих жил, в которых местные неравномерные деформации отдельных элементов не допускаются. В частности, это важно для кабелей с пластмассовой и резиновой изоляцией, применяемых для нестационарной прокладки.
Для кабелей стационарной прокладки уплотнение жилы достаточно производить только по наружному повиву (общее уплотнение). Основное преимущество такого уплотнения —— простота технологической оснастки, так как необходима только одна уплотняющая фильера, устанавливаемая после распределительной розетки и собирающего калибра、последаего фонаря или диска крутильной машины.
рис. 1.4. Общий вид уплотняющего устройства для миогопроволочных токопроводящих жил：
/——стойка; 2——фланец; 3 ——болт; 4 ——планшайба; 5-—кассета для первой пары горизонтальных уплотняющих валков； 6——кассета для первой пары вертикальных уплотняющих валков; 7—-кассета для второй пары горизонтальных уплотняющих валков; 8 ——кассета для второй пары вертикальных уплотняющих валков
Частичное уплотнение является промежуточным вариантом уплотнения многопроволочных жил, при котором отдельные повивы могут быть уплотнены, а отдельные——нет.
Глава вторая
ПЛАСТМАССЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КАБЕЛЬНОМПРОИЗВОДСТВЕ
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ПОЛИМЕРОВ
Строение полимеров, характеризуемое химической и физической структурой, предопределяет весь комплекс присущих им свойств, как эксплуатационных, так и технологических. Главная особенность строения полимеров определяется наличием двух различных типов связей: во-первых, химическая связь, объединяющая атомы в молекулы полимера, длина которых несоизмеримо больше поперечных размеров, а во-вторых, силы межмолекулярного взаимодействия. Второй важной особенностью полимеров является то, что практически молекулы полимеров не имеют строго одинакового размера, т, е. у них различная молекулярная масса. Поэтому для характеристики полимера используют понятия как средней молекулярной массь1, так и молекулярно-массового распределения.
Возможность относительно легкого вращения сегментов макромолекул относительно валентных связей главной цепи
и большая длина самой макромолекулы обусловливают большую гибкость цепной молекулы. Поэтому молекулы способны принимать различные конформации, причем гибкость ограничивается не только свойствами самой цепи, но и межмолекулярным взаимодействием. Реализуемые конформации носят флуктуационный характер, т. е. в принципе форма цепной молекулы может постоянно изменяться. С энергетической точки зрения наиболее выгодная форма цепной молекулы —— свернутая глобула, что и реализуется в случае, если меж-1 молекулярное взаимодействие существенно слабее внутримолекулярного. Взаимодействие глобул создает определенные упорядоченные надмолекулярные структуры.
В результате действия межмолекулярных сил в полимере могут возникать области, в которых создаются более упорядоченные структуры: молекулы группируются в пачки, которые могут объединяться в ленты, складываться с образованием пластин и в итоге образовывать кристаллические структуры.
Тепловое движение оказывает двоякое действие на процесс кристаллизации: с одной стороны, оно необходимо для формирования упорядоченных структур, а с другой, оно нарушает* правильность расположения молекул. При повышении тем пературы с приближением к температуре кристаллизацш динамическое равновесие смещается в сторону снижения кри сталличности и скорости кристаллизации. В то же времз снижение температуры ограничивает подвижность молекул что также ведет к уменьшению скорости кристаллизации Поэтому зависимость скорости кристаллизации от температурь проходит через максимум; например, максимум скорости1 кристаллизации полиэтилена находится при 40—60° С. В реальном кристаллическом полимере обычно всегда присутствует и аморфная фаза, а количественное соотношение фаз характеризуются степенью кристалличности. Плотность кристаллической фазы полимера всегда выше, чем плотность аморфной, например плотность кристаллического полиэтилена составляет 1000 кг/м3, а аморфного ——0,920 кг/м3. Следует отметить, что поскольку процесс перестройки структуры связан с изменением энергетического состояния, то для достижения равновесия требуется определенная длительность, характеризуя емая временем релаксации, которое уменьшается с увеличением температуры.I
Аморфные линейные полимеры могут в зависимости ofl температуры находиться в трех физических состояниях. Пре низких температурах — это стеклообразное состояние, когм возможны только колебательные движения атомов в пеиж При превышении температуры стеклования становится возможным колебательное движение звеньев цепи, такое состояние 16「
называют высокоэластическим. И наконец, при превышении температуры плавления полимер переходит в вязкотекучее состояние, когда может проявиться подвижность всей макромолекулы.
В высокоэластическом состоянии полимер обладает рядом характерных свойств, определяющих поведение полимерной изоляции при эксплуатации кабельных изделий. Главная особенность этого состояния——зависимость деформации и напряжения от времени. При приложении постоянной нагрузки деформация будет развиваться постепенно по закону
2общ = £упр + ®теч + ®зл оо (1 —С т)? (2*1) где 806nl——общая деформация, наблюдаемая черет время £ после приложения нагрузки; 8упр——упругая деформация; £теч—деформация течения (при низких температурах ею обычно пренебрегают); £элоо——равновесное значение высокоэластической деформации (достигаемое при £т 8); т—время релаксации;
т = ТосГТ； здесь т0 ——постоянная, AU——энергия активации; R —— универсальная газовая постоянная; Т——абсолютная температура.
Анализ формулы показывает, что общая деформация зависит от длительности приложения нагрузки, т. е. от времени релаксации, которое уменьшается с ростом температуры. Реальное поведение полимера усложняется тем, что различные элементы структуры требуют различных энергетических затрат для изменения своего состояния, что приводит к появлению целого спектра времен релаксации. Поэтому в реальных условиях полимер в высокоэластическом состоянии никогда не находится в равновесном состоянии, в нем всегда идут релаксационные процессы изменения напряжений и деформаций. Эта динамическая нестабильность еще более усиливается в результате естественных на практике изменений температуры.
Не рассматривая здесь все особенности поведения полимера в вязкотекучем состоянии, т. е. при температурах выше температуры плавления, отметим лишь, что поскольку при переработке полимера происходит неизбежное относительное перемещение структурных элементов, некоторое распрямление макромолекул и т. п., то переработка всегда сопровождается возникновением высокоэластических деформаций. Это приводит к проявлению всего комплекса релаксационных явлений, в том нн，ле к возникновению «замороженных» внутренних напряже- ний, изменяющих форму изделия при последующей эксплу- атации; скорость и степень этого изменения возрастают с увеличением температуры.
Чтобы лучше понять механизм проявления релаксаций в полимерах, рассмотрим механическую модель сегмента 2 3125 …
-IfРис. 2.1・ Механическаямодель сегмента по-лимерной молекулы-IfРис. 2.1・ Механическаямодель сегмента по-лимерной молекулыполимерной молекулы (рис. 2.1). Она состоит из двух упругих элементов》] и 歹？， деформация которых определяется по закону Гука, и двух элементов, в которых поршень перемещается в вязкой жидкости, причем это перемещение необратимо и подчиняется закону Стокса. Поведение модели под воздействием силы F можно легко описать математически, но даже качественное рассмотрение позволяет сделать интересные выводы.
-If
Рис. 2.1・ Механическаямодель сегмента по-лимерной молекулы
-If
Рис. 2.1・ Механическаямодель сегмента по-лимерной молекулы
Во-первых, при низких температурах, когда вязкость велика, в первый момент после приложения силы 尸 элементы & и 纟2 деформироваться не будут и общая
деформация определяется только упругостью элемента у「! С течением времени под воздействием, силы F поршни в элементах 5丄 и 5& будут перемещаться со скоростью, зависящей от вязкости, т. е. от температуры. Элементы В* и у2 соединены параллельно и деформируются совместно, при этом элемент у2 будет постепенно нагружаться силой 尸〃)，стремящейся к К Если же в какой-то момент времени % прекратить действие силы F, то размер элемента у； мгновенно вернется к исходному размеру, элементы В» и В2 окажутся необратимо вытянутыми, при этом элемент у2 окажет； на элемент Bt сжимающее действие с силой Г(^). Напряжение, создаваемое этой силой, и называют «замороженным» внут-, ренним напряжением. Под его воздействием будет происходить постепенное сжатие элемента 当 и уменьшение внутренних напряжений, т. е. релаксация напряжения. Если температура! достаточно низкая, то высокая вязкость элемента Bt приводит； к тому, что сокращение размеров происходит очень медленно.] Наоборот, подъем температуры приводит к резкому сокраще-1 нию времени релаксации и ускорению наступления равновес-] ного состояния. Рассмотренное на модели сокращение размеров! имитирует усадку полимерной изоляции в реальных условияхл С помощью описанной модели может быть рассмотрен широкий круг явлений, протекающих в полимерах при воз-J
Проведенный краткий обзор современных представлени» степени не можемПроведенный краткий обзор современных представлени» степени не можемдействии механических нагрузок.
Проведенный краткий обзор современных представлени» степени не можем
Проведенный краткий обзор современных представлени» степени не можем
о структуре полимеров даже в малой претендовать на анализ основных достижений относительно! молодой области науки ——физикохимии полимеров. Более подН
робно с ними можно ознакомиться по специальным изданиям； [5, 6]. В настоящем параграфе мы стремились показатй чрезвычайно важное значение структуры полимеров, которая, с одной стороны, в значительной степени предопределяет 18 ，
условия и режимы переработки, а с другой, формируется и изменяется в зависимости от условий переработки полимера. От условий переработки зависят степень неравновесности структуры, наличие и значение внутренних напряжений, наличие пустот в изоляции и др. Со структурой полимерной изоляции связаны такие явления, как растрескивание, усадка, деформация и др. ,
Следует также отметить, что при переработке возможно протекание химических реакций, изменяющих строение самих макромолекул. Это, прежде всего, различные процессы дест- рукции, связанные с воздействием на молекулу тепла, механических усилий, кислорода и т. п. и приводящие либо к отрыву боковых ответвлений, либо к разрывам в основной цепи. Образующиеся макрорадакалы могут вступать в различные реакции, в результате чего возникают новые продукты. При образовании поперечных химических связей между макромолекулами говорят о сшивании полимера. Таким образом, при переработке могут происходить не только физические,, но и химические превращения полимера.
КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА
Благодаря комплексу ценных качеств полиэтилен сразу же после своего появления в конце 30-х ——начале 40-х годов нашел применение в кабельной технике, и- с тех пор выпуск кабелей с его применением постоянно возрастает. Структура и свойства полиэтилена определяются способом его получения, причем к настоящему времени промышленное использование нашли несколько способов, отличающихся применяемыми катализаторами, ,аппаратурным оформлением и режимами полимеризации, прежде всего давлением и температурой, Полиэтилен высокого давления, получаемый в автоклавах или в реакторах трубчатого типа, синтезируют при давлении порядка 130——250 МПа и температуре 180—300° С. Полиэтилен низкого давления получают при давлении порядка 1 МПа м температуре 70—80℃. Применение нашел также способ полимеризации при среднем давлении. В последние годы все гпире используется способ полимеризации в газовой фазе, с помощью которого можно получать полимеры с широким спектром свойств, в том числе так называемый линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП).
Особенность свойств ЛПЭНП обусловлена строением его молекулярной цепи (рис. 2.2). По сравнению с полиэтиленом £зкой плотности (ПЭНП) он обладает примерно в 1,5 раза более высокой прочностью и модулем упругости при рас- тяжении; стойкость к истиранию у него также в 1,5 раза вьппе, a tg§ существенно ниже. Немаловажным достоинством 2* 19
I I ""-、/-|«"—л)
Рис. 2.2. Структуры макромолекулы различных полиэтиленов: а—ПЭВП; 6—ГТЭНП; в — ЛПЭНП
ЛПЭНП является то, что наличие поверхностных дефектов снижает морозостойкость изделий в меньшей степени, чем у ПЭНП. Температура хрупкости, ℃, по ASTM Д 746 составляет:
Образец. ПЭНП ЛПЭНП
Исходный —90— ЮО
С надрезом —25—60
Благодаря этим преимуществам ЛПЭНП в последнее врем, все шире используется в кабельной технике.
В таблице 2.1 приведены основные параметры получаемы различными способами полимеров; указанный в таблице диа пазон значений зависит от условий и режимов полимеризации Меньшее значение молекулярной массы у ПЭНП и бблыпа степень разветвленности (длинные ответвления содержат 1000-^ 10000 атомов углерода, а короткие——2—8) связаны с меньшей кристалличностью, меньшей плотностью, а также более низкой температурой плавления. Указанный в таблице широкий диапазон молекулярной массы предопределяет получение по одному и тому же способу полимеров с различными свойствами; с увеличением молекулярной массы уменьшается текучесть материала при переработке, характеризуемая показателем текучести расплава (т. е. количеством материала, выдавливаемого при 190℃ за определенное время при нормируемых условиях истечения), и возрастает стойкость к растрескиванию под напряжением. 、
В кабельной технике применяют не чистый полиэтилеЯ а различные композиции на его основе. Поскольку в процессе переработки и эксплуатации под воздействием тепла и кислорода воздуха происходит термоокислительная деструкц^ полиэтилена, то необходимо применять специальные стаб" лизаторы — антиоксиданты, задерживающие окисление гюл* 20 '
Таблица 2.1. Основные параметры полиэтиленов, получаемых рязлшнымя способами
Показатель
Тип полиэтилена
ПЭНП
пэвп
лпэнп
Молекулярная масса Mw
30—400 тыс.
50—800 тыс.
80—ПО тыс.
Молекулярно-массовое распределение
4,5—25 '
1,5—25
3,5-^-4,'5
Mwl
Количество СН3 групп на 1000 ато-
12—25
2—4
мов углерода
Количество атомов углерода между
20—100
200—250
боковыми ответвлениями
Количество ненасыщенных связей
02—0,5
* 0,5—0,6
0,15—0,25
на 1000 атомов углерола Размер кристаллитов, А
50—200
50—500
Степень кристалли ч ности, %
30—50
50—80
-1
Плотность при 20е С, кг/м3
918—930
940—960
Температура плавления, ℃
103—110
124—135
115—123
Толщина ламелей, А
100—140
200- 250
Длинный период, А '
200—240
280—330「1
этилена. В композициях полиэтилена для кабельной промышленности применяют антиоксиданты в количестве 0,05——0,3% (по массе). Наиболее широко в настоящее время используют диафен НН и НОНОКС WSP. Первый из них под воздействием света изменяет окраску и поэтому не рекомендуется для окрашенной изоляции; рецептурам с его применением присвоен индекс 01. НОНОКС WSP можно применять в окрашиваемой изоляции; рецептурам с его применением присвоен индекс 02. Кроме того, в ограниченных объемах можно использовать композиции, содержащие в качестве антиоксидантов сантонокс (рецептура 04), тиоалкофен МБП, НГ-2246 и др. В последнее время получили распространение так называемые пространственно-затрудненные антиоксиданты, эффективность которых Существенно выше эффективности применяемых стабилизаторов* К таким стабилизаторам относятся отечественные фенозо- ан-30, АО-40, ФА У-13 (рецептуры соответственно 93, 94 и 95) или импортные Irganox 1010 или 1035. Наибольший стабилизирующий эффект достигается при комбинации различных стабилизаторов в оптимальных соотношениях.
В ряде стран в некоторые композиции кабельного поли- этилена иногда вводят добавки, снижающие каталитическое воздействие меди на термоокислительную деструкцию поли- этилена, однако в отечественной практике такие добавки не применяют. Следует учитывать, что количество антиоксиданта в изоляции может существенно уменьшаться из-за миграции ^『о из полиэтилена. Для большинства антиоксидантов мак- снмум его расхода приходится на 60—80° С
Несмотря на наличие антиоксидантов, скорость окисления полиэтилена резко возрастает при воздействии солнечного света, в частности ультрафиолетовой части спектра. Для придания полиэтил ено вым композициям светостойкости в них вводят технический углерод (сажу), стабилизирующий эффект которого основан на поглощении энергии солнечного спектра. Наилучшие результаты дает применение технического углерода с размером частиц 10—30 нм. Наиболее широко применяют канальную газовую сажу (в отечественной практике сажа марки ДГ-100), а также печную сажу, например марки ПМ-100 или ПМ-ЮОВ. В композиции для оболочек и защитных покровов вводят 2—2,5% технического углерода (индекс рецептуры 10), а для светостойкой изоляции——0,5% технического углерода.
Некоторые композиции полиэтилена содержат в своем составе каучуки, например бутилкаучук или полиизобутилен, которые вводят в полиэтилен в смесителях закрытого типа. Для повышения стойкости к растрескиванию достаточно вводить 5% полимерной добавки. Эти же добавки используют часто в тех случаях, когда в композицию необходимо ввести большое количество наполнителей для придания специальных свойств; в этом случае применяют также сополимеры этилена с винилацетатом или этилакрилатом, а количество второго полимера в смеси может достигать 50% и более. Свойства композиции, в том числе и технологические, зависят от вида добавки и ее количества.
Например, при введении 30——60% полиизобутилена с молекулярной массой 260 000 на 20——40% увеличивается разбухание экструдата. Одновременно возрастают и потери массы в процессе выдержки при повышенной температуре, в том числе и при температуре переработки. Положительными свойствами таких композиций являются увеличение стойкости к многократным изгибам и снижение сопротивления изгибу при отрицательных температурах.
Поскольку полиэтилен является горючим материалом (кислородный индекс равен 18,4, а теплота сгорания 46,5 МДж/кг), то при необходимости придать ему свойство самозатухания в композицию вводят специальные добавки ——антипирены. Выпускаемые в настоящее время композиции самозатухающего кабельного полиэтилена содержат около 5% триоксида сурьмы и столько же хлорированного парафина, при этом достигается кислородный индекс около 26. Однако подобные композиции не удовлетворяют сегодняшним возросшим требованиям по пожаробезопасности. Новые самозатухающие композиции являются высоконаполненными (их плотность возрастает до 1300——1500); они содержат декабромдифенилоксид, тригидрат Алюминия или другие антипирены. Кислородный индекс до- 22
стигает 28—32, при горении они не создают горящих капель и образуют относительно прочный кокс. К сожалению, часто повышение стойкости к воздействию пламени сопровождается ухудшением технологических и ряда физико-механических свойств.
Для некоторых применений необходимы композиции, обладающие электропроводящими свойствами. Для этого в них вводят технический углерод в количестве до 36% (по массе). При переработке таких композиций необходимо обеспечить технологические режимы, не ухудшающие электропроводящих свойств, которые в значительной степени зависят от них.
Для электропроводящих композиций применяют различные типы углеродных саж: канальную, ацетиленовую, печную и т.д. Электропроводность обеспечивается благодаря образованию цепочечных структур из агрегатированного углерода. У кабельных электропроводящих композиций полиэтилена удельное объемное электросопротивление достигает 10—102 Ом м. При переработке благодаря ориентации цепочек, их разрыву, нарушению плотности контакта между агломератами углерода возможно увеличение р? на несколько порядков, что может привести к полной потере полезных электропроводящих свойств. Поэтому при производстве кабельных изделий необ- ходамо, во-первых, исключить возможность чрезмерной ориентации цепочек углерода, а, во-вторых, обеспечить контроль проводимости электропроводящего слоя в процессе производства. Применявшиеся ранее электропроводяпще композиции на основе поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката в настоящее время практически не применяются, так как кабели среднего напряжения, в конструкциях которых необходимо использовать электропроводящие слои, в настоящее время выпускаются только с изоляцией и экранами на основе композиций полиэтилена.
Композиции для получения вспененной изоляции содержат порообразователи, т. е. вещества, которые при температуре переработки разлагаются с выделением значительного количест- ва газообразных продуктов, обычно азота и др.; эти композиции содержат 0,4——0,8% порообразователей (для концентратов количество порообразователя может возрастать до 375%), а также порядка 0,1——0,3% зародышеобразователя и активатора разложения. В качестве порофоров в кабельных композициях используют азодикарбонамид (ЧХЗ-21) или смесь его с 〃； п7-о/сси-бис-(бензолсульфонилгидразид) (Дженитрон ОВ), а также 2,2/-азо-бис-(изобутиронитрил) (ЧХЗ-57).
Кроме рассмотренных выше выпускаются различные ком- п°зиции, в которых гГрименены специальные добавки для "рнданяя им специфических свойств. Например, полиэтиле- HOBbie концентраты пигментов, применяемые для окраски
23
Показатель
Обозначение базовой' марки
102
153
107
178
Показатель текучести расплава (ПТР), г/10 мин
Компо
0,24—0,36
зиции полиэтиле
0,21—0,39
на низкой плоп
1,7—2,3
шости
1,05—1,95
Стойкость к растрескива- иию, ч
500
500
2,5
2,5
Таблица 2.2. Назначение и основные свойства композиций полиэтилена по ГОСТ 16336-77
Показатель
204206**207**208**271273…204206**207**208**271273…Обозначение базовсж маркиОбозначение базовсж маркиПоказатель текучести расплава (ПТР), г/10 минПоказатель текучести расплава (ПТР), г/10 минСтойкость к растрескиванию, чСтойкость к растрескиванию, чКомпозиции полиэтилена высокой плотности0,6—0,90,9—1,51,5—2,02,0—3,00,4—0,650,3—0,55100502424500500Композиции полиэтилена высокой плотности0,6—0,90,9—1,51,5—2,02,0—3,00,4—0,650,3—0,55100502424500500
204
206**
207**
208**
271
273…
204
206**
207**
208**
271
273…
Обозначение базовсж марки
Обозначение базовсж марки
Показатель текучести расплава (ПТР), г/10 мин
Показатель текучести расплава (ПТР), г/10 мин
Стойкость к растрескиванию, ч
Стойкость к растрескиванию, ч
Композиции полиэтилена высокой плотности
0,6—0,9
0,9—1,5
1,5—2,0
2,0—3,0
0,4—0,65
0,3—0,55
100
50
24
24
500
500
Композиции полиэтилена высокой плотности
0,6—0,9
0,9—1,5
1,5—2,0
2,0—3,0
0,4—0,65
0,3—0,55
100
50
24
24
500
500
Кроме того, по различным техническим условиям выпускаются вулканизующиеся композиции полиэтилена, вулканизующиеся самозатухающие композиции, пенообразующие композиции, концентраты пигментов полиэтилена и т. д.
Рассмотрим некоторые технологические свойства полиэтилена. На перемещение гранул в зоне загрузки экструдера существенное влияние оказывает соотношение коэффициентов трения полиэтилена по поверхности цилиндра и шнека, что в значительной степени можно регулировать, изменяя их температуру, так как коэффициент трения Ктр сильно зависит от температуры:
Темпера- Ктр ПЭНП 0 ПЭВП тура, ℃Темпера- Ктр ПЭНП 0 ПЭВП тура, ℃Темпера- 0 ПЭНП / ПЭВП тура, ℃Темпера- 0 ПЭНП / ПЭВП тура, ℃
Темпера- Ктр ПЭНП 0 ПЭВП тура, ℃
Темпера- Ктр ПЭНП 0 ПЭВП тура, ℃
Темпера- 0 ПЭНП / ПЭВП тура, ℃
Темпера- 0 ПЭНП / ПЭВП тура, ℃
2050800010205080001053 3 5 9 9 ,,,,, о о о о о53 3 5 9 9 ,,,,, о о о о о5 5 52 2 2 2 35 5 52 2 2 2 32030500050IX IX IX т^ т^2030500050IX IX IX т^ т^5 5 87 6 4 105 5 87 6 4 10J975415J975415При достиженииПри достиженииплавленияплавления
2050800010
2050800010
5
3 3 5 9 9 ,,,,, о о о о о
5
3 3 5 9 9 ,,,,, о о о о о
5 5 5
2 2 2 2 3
5 5 5
2 2 2 2 3
2030500050
IX IX IX т^ т^
2030500050
IX IX IX т^ т^
5 5 8
7 6 4 10
5 5 8
7 6 4 10
J975415
J975415
При достижении
При достижении
плавления
плавления
реходит в вязкотекучее состояние, и с повышением температуры вязкость его постепенно уменьшается. Свойства расплава при течении определяются его реологическими характеристиками. На рис. 2.3 приведены кривые течения для полиэтилена низкой и высокой плотности. Следует отметить, что кривые течения могут изменяться в зависимости от способа получения и от состава композиции. Скорость экструзии, особенно при тонкостенной изоляции, ограничивается значением критической скорости сдвига. При увеличении скорости экструзии до критических значений поверхность изаляции становится матовой из-за появления шероховатости, а при
, Рис. 2.3. Вязкость полиэтилена 「 при различных скоростях сдвига v: ^ПЭНП,ПТР = 0,2 г/Юмин; 2—ПЭНП,ПТР = 2,1 г/10 мин;3—ПЗВП,
ПТР=о,9 г/10 мин; 4 —ЛПЭНП, ПТР = 0,55 г/10 мин (цифры на кривых — температура
расплава)
Рис. 2.4. Влияние различных факторов на высокоэластическое восстановление расплава полиэтилена:
vc ——скорость сдрига; 〃d——относительная длина формующей части;《^/《曰—отношение сдиаметров канала внутреннего и внешнего *''
дальнейшем увеличении скорости неровность поверхности нарастает, что исключает возможность получения качественных проводов. Критические режимы течения зависят от температуры и могут изменяться в широких пределах: напряжение сдвига —— от 5 • 105 до 2 • 106 Н/м , а скорость сдвига — от 2 • 101 до 1,5 103 с"1.
После выхода расплава из формующего инструмента под воздействием нормальных напряжений происходит изменение сечения экструдата, т. е. эластическое восстановление, или разбухание экструдата (эффект Барруса), что необходимо учитывать при конструировании инструмента и выборе режимов переработки. Степень эластического восстановления круглого прутка можно характеризовать коэффициентом K3 = R^/RW9 где & — радиус формующего инструмента, а & — радиус струи расплава [при этом Лс = Лохл(ро/рЕ)1/3; здесь /гохл —радиу» изделия после охлаждения; р0 и pf ——плотность полимера прм комнатной температуре и при температуре переработки ]Я Значение Кэ зависит как от типа полиэтилена и составЛ композиции, так и от режимов переработки, влияющих н» время релаксации (рис. 2.4). Снизить высокоэластическое вое, становление можно путем увеличения температуры расплава! снижения скорости переработки, увеличения длины формующей! части матрицы и др. [8].|
При переработке важно учитывать характер зависимости | плотности от температуры и давления (рис. 2.5). Объем! полиэтилена при температуре 4-200° С превышает объем прп температуре +20° С на 25%; особенно резко объем изменяется при температуре, близкой к температуре плавления. ЭтЯ свойство полиэтилена необходимо учитывать как при выборй! конструкции формующего инструмента, так и при выборе режима охлаждения изоляции* Когда изолированная жила, выйдя из головки экструдера, попадает в охлаждающую ванну, то охлаждение начинается с поверхности. Поверхностный слой 26
Рис. 2.5. Зависимость плотности полиэтилена от температуры (а) и давления (5): ПЭНП; 2—ПЭВП
в результате снижения температуры стремится сократить свой объем, чему препятствуют еще не остывшие внутренние слои. В результате наружный слой изоляции затвердевает при воздействии радиального давления, направленного наружу, и находится как бы в растянутом состоянии с замороженными внутренними напряжениями. Последующее охлаждение внутренних слоев приводит к сокращению их объема, однако общий объем изоляции уже определен затвердевшим наружным слоем. Поэтому сокращение объема может пойти не равномерно, а по наиболее механически слабым местам, т. е. по местам, где изоляция охладится в последнюю очередь. В результате образуются так называемые пузыри, т. е. пустоты в изоляции, расположенные преимущественно у жилы. Отсюда вытекают и практические рекомендации по предотвращению образования этого дефекта: обеспечение постепенного, медленного охлаждения, особенно вблизи температуры плавления.
Вообще скорость охлаждения расплава при формовании оказывает очень большое влияние на свойства изделий. Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти формирование равновесной кристаллической струк- тУРы. Поэтому образуются мелкокристаллические структуры с преобладанием аморфной фазы, особенно в поверхностных сл°ях изоляции, где скорость охлаждения выше. При этом получают полимер, плотность которого ниже, чем в равновес- ном состоянии, а стойкость к растрескиванию выше.
В результате этого в дальнейшем, при хранении и эксплуатации структура будет стремиться к равновесному
состоянию, т. е. будут увеличиваться степень кристалличности и плотность, а снижаться стойкость к растрескиванию; эти процессы ускоряются при повышении температуры. Поскольку рост плотности вызывав! сокращение объема полимерной изоляции, а в готовом кабеле этому препятствует наличие неполимерных конструктивных элементов, например токоведущей жилы, то в кабеле в этом случае будут возникать внутренние напряжения, способные привести при неблагоприятных условиях к нарушению механической устойчивости конструкции. По этим причинам обычно стремятся так проводить охлаждение расплава, чтобы получить структуру по возможности более близкую к равновесной.
При переработке полиэтилена в результате воздействия тепла, механических напряжений и кислорода воздуха возможны процессы химических превращений макромолекул. Из-за обрывов боковых ответвлений макромолекулы и процессов сшивания текучесть полиэтилена уменьшается, а в результате деструкции, связанной с разрывами главной цепи, текучесть увеличивается. Показано, что при переработке происходит изменение молекулярной массы и молекулярно-массового распределения, а также сокращение количества стабилизатора из-за его расхода и поглощение кислорода с образованием СО связей. '
В ряде случаев существенное значение имеет адгезия изоляции к жиле, например в герметизированных кабелях, в проводах, изоляция которых зачищается механическим способом и др. Хотя степень адгезии в определенных пределах можно изменять путем выбора оптимальных режимов переработки, но, в основном, адгезия зависит от марки полиэтилена: с увеличением разветвленности адгезия уменьшается. Например, усилие снятия изоляции длиной 40 мм с жилы (диаметр медной жилы 0,5 мм, толщина изоляции 0,32 мм) для различных полиэтиленов составляет:
Марка полиэтилена Усилие снятияизоляции, Н' 17831,4
10713,2
2714,2
2062,4
В композициях полиэтилена, как и ряда других полимеров, к сожалению, могут присутствовать различные неоднородности, снижающие качество изделий. К ним относятся посторонние включения, гелеобразные частицы, агломераты наполнителя и т. п. К первым относятся различные загрязнения, не предусмотренные рецептурой композиции; для их сокращения стремятся выявить и устранить источник загрязнений, а также 28
проводят * фильтрацию расплава. Гелеобразные частицы——это частицы того же полимера, но имеющие резко отличную от основного материала структуру, например сшитые или образования сильно разветвленных молекул; для их сокращения оптимизируют режим полимеризации и в ряде случаев производят фильтрацию расплава через специальные мелкопористые фильтры. Агломераты наполнителя (сажа, пигменгы, частицы меда) образуются в результате недостаточного диспергирования их при изготовлении композиций, а также по ряду других причин; поэтому их следует устранять путем усовершенствования технологии изготовления композиций (перетирка, просев и обработка наполнителя, увеличение смешения и т. д.).
ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫЕ ПЛ АСТИ КАТЫ •
Поливинилхлоридные пластикаты являются основными изоляционными и защитными материалами, применяемыми в производстве кабелей и проводов. Они представляют собой композицию полимера-поливинилхлорида и ряда ингредиентов, в число которых входят пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, пигменты и наполнители.
Поливинилхлорид получают в результате суспензионной полимеризации хлористого винила СН2 = СНС1 в водной среде при температуре 30——70° С и давлении 0,4—1,2 МПа в присутствии защитных коллоидов и инициаторов. После окончания реакции образуется суспензия, содержащая частицы полимера размером 75——150 мкм, легко отделяемые от воды центрифугированием и сушкой. Полученный полимер имеет структурную формулу
—сн2—сн-^
Полимерные цепи поливинилхлорида, используемого для кабельных пластикатов, мало разветвлены, его молекулярная масса находится в пределах 60 000—100 000. Сам по себе поливинилхлорид является жестким, твердым материалом, который нельзя использовать в качестве изоляции или оболочки Дгш кабелей и проводов. Однако при добавлении к поливинил- хлориду различных ингредиентов его физико-механические двойства и способное^» к переработке заметно улучшаются. В частности, улучшается эластичность материала, повышаются его нагревостойкость и долговечность.
Пластификаторы, которые являются одним из компонентов поливинилхлоридных пластикатов представляют собой, как
29
в пластикаты для улучшенш и снижения стоимости. В качеси мел, тальк, каолин, аэросил углекислый кальций СаСО|в пластикаты для улучшенш и снижения стоимости. В качеси мел, тальк, каолин, аэросил углекислый кальций СаСО|подразделяются на четыре типа: И——изоляционный, ИТ—изоляционный термостойкий, ИО — изоляционный и для оболочек (изоляционно-шланговый), О——для оболочек (шланговый).ным силикатом магния 4SiO2 ■ 3MgO Н2О. Тальк получают! И 己可歌 буквы в обозначении марок пластиката типов путем измельчения горной породы талькит. По сравнению! уКач ооозначают тип пластиката, две первые цифры с мелом тальк обладает более низким водопоглощением. ji удепкпог Т ^Г° морозостойкость, две последующие ——по?"齊 В。 . JTpJibHoro объемного электрического сопротивления при 20 С5подразделяются на четыре типа: И——изоляционный, ИТ—изоляционный термостойкий, ИО — изоляционный и для оболочек (изоляционно-шланговый), О——для оболочек (шланговый).ным силикатом магния 4SiO2 ■ 3MgO Н2О. Тальк получают! И 己可歌 буквы в обозначении марок пластиката типов путем измельчения горной породы талькит. По сравнению! уКач ооозначают тип пластиката, две первые цифры с мелом тальк обладает более низким водопоглощением. ji удепкпог Т ^Г° морозостойкость, две последующие ——по?"齊 В。 . JTpJibHoro объемного электрического сопротивления при 20 С5
в пластикаты для улучшенш и снижения стоимости. В качеси мел, тальк, каолин, аэросил углекислый кальций СаСО|
в пластикаты для улучшенш и снижения стоимости. В качеси мел, тальк, каолин, аэросил углекислый кальций СаСО|
подразделяются на четыре типа: И——изоляционный, ИТ—изоляционный термостойкий, ИО — изоляционный и для оболочек (изоляционно-шланговый), О——для оболочек (шланговый).
ным силикатом магния 4SiO2 ■ 3MgO Н2О. Тальк получают! И 己可歌 буквы в обозначении марок пластиката типов путем измельчения горной породы талькит. По сравнению! уКач ооозначают тип пластиката, две первые цифры с мелом тальк обладает более низким водопоглощением. ji удепкпог Т ^Г° морозостойкость, две последующие ——по?"齊 В。 . JTpJibHoro объемного электрического сопротивления при 20 С5
подразделяются на четыре типа: И——изоляционный, ИТ—изоляционный термостойкий, ИО — изоляционный и для оболочек (изоляционно-шланговый), О——для оболочек (шланговый).
ным силикатом магния 4SiO2 ■ 3MgO Н2О. Тальк получают! И 己可歌 буквы в обозначении марок пластиката типов путем измельчения горной породы талькит. По сравнению! уКач ооозначают тип пластиката, две первые цифры с мелом тальк обладает более низким водопоглощением. ji удепкпог Т ^Г° морозостойкость, две последующие ——по?"齊 В。 . JTpJibHoro объемного электрического сопротивления при 20 С5
■ правило, жидкости, повышающие пластичность и гибкость материалов. При совмещении пластификатора с поливинилхлоридом последний как бы набухает, происходит коллоидное или молекулярное диспергирование. В качестве пластификаторов наиболее часто используются эфиры фталевой кислоты чаще всего диоктилфталат:
С00С8Н17С00С8Н17СООС8Hl7СООС8Hl7
С00С8Н17
С00С8Н17
СООС8Hl7
СООС8Hl7
Для нагревостойких пластикатов, как правило, применяета додецилфталат, для морозостойких пластикатов ——диоктилсе бацинат [С8Н17ООС—(СН2)8—СООС8Н17]. При введении три крезил фосфа! а
/叫m/ 0= Р —OCgH^CH, ^OCgH^CHy
повышается стойкость пластиката к воздействию пламени Количество пластификаторов составляет 40—70% по отноше нию к массе поливинилхлоридной смолы.
Стабилизаторы повышают стойкость пластиката к возле访』 ствию тепла и света. Наиболее эффективными стабилизаторами являются соединения свинца— 一стеарат свинца, свинцовые белила, свинцовый сурик, которые вводятся в пластикат в соот： ношении 13——18 массовых частей на 100 частей поливинилхлорида. Действие стабилизаторов основано, как правило, на способности связываться с хлористым водородом, выделяющимся при разложении поливинилхлорида, и приостанавливать его каталитическое влияние на дальнейшее разложение
смолы.
Наполнители добавляются ■ их механических характеристик ве наполнителей используют обычно 96——99% составляет
В основном используется природный обогащенный мел, одна» лучшие результаты дает использование химически осажденной мела, получаемого при обработке гашеной извести углекЛ лотой и имеющего повышенную дисперсность. Тальк прея ставяяет собой порошкообразный продукт, являющийся вод
Если мел и тальк являются инертными наполнителями, т. е. в незначительной степени повышают физико-механические характеристики пластиката, то каолин и аэросил относятся к активным наполнителям, заметно повышающим прочность пластиката при растяжении, стойкость к истиранию, прочность на раздир. Каолин является продуктом разрушения и выветривания горных пород—гранита, гнейсов, порфиров. Его химический состав, %: SiO2 — 46,5; А12О3 — 39,5; Н2О —14. Аэросил, или белЗя сажа, получается при высокой температуре путем разложения тетрахлорида кремния в присутствии кислорода и водорода и содержит 99,9% SiO2. Аэросил обладает хорошей дисперсностью, но легко поглощает влагу, что следует учитывать при его хранении и переработке.
Для облегчения переработки при экструзии и улучшения качества поверхности кабельных изделий в пластикат вводят смазывающие вещества, в качестве которых можно использовать стеариновую кислоту, стеараты кальция или цинка. Их количество обычно составляет 1——3% массы пластиката.
Пигменты, или красители, используются для окрашивания пластиката в различные цвета. По составу пигменты делятся на минеральные и органические. Для окрашивания пластиката в белый цвет используется, как правило, диоксид титана, а окрашивание в черный цвет достигается введением 1——2% сажи (по массе). Для окрашивания пластиката при его переработке методом экструзии к гранулам пластиката натурального цвета добавляется до 3% концентрированно-окра- шивающей смеси, представляющей собой пластикат с повышенным содержанием пигмента определенного цвета. Окрашенный пластикат по равнению с пластикатом натурального цвета обладает повышенной светостойкостью.
Кабельные поливинилхлоридные пластикаты по назначению делятся на изоляционные и шланговые, т. е. применяемые для изготовления соответственно изоляции и / защитных оболочек кабельных изделий. Используются также такие рецептуры пластикатов, которые можно использовать как для изоляции, так и для оболочек кабелей и проводов——так называемые изоляционно-шланговые.
Основные технические данные отечественных поливинилхлоридных пластикатов, регламентированные технической документацией, приведены в табл. 2.3 и 2.4. Все пластикаты
к
Таблица 2.3. Основные техничеосие данные отечественных изоляционных ПВХ-пластикатов
Показатель■
Марка пластиката
И40-13
И40-13А
И5О-13
И40-14
И50-14
И6О-12
ИТ-90
'ИТ-105
Количество посторонних включений, шт., не более до 0,5 мм
Удельное электрическое сопротивление при 20° С, Ом см, не менее
Удельное объемное электрическое сопротивление при 70° С, Ом см, не менее
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, не менее Относительное удлинение при разрыве, %, не менее Температура хрупкости, ℃, не выше
45
1к хЮ13
2х хЮ10
17,6
200
-40
24—29
3-W13—5 1013
11011
17,6—19,6
200—250
-40
56
1-Ю13—5-Ю13
5 1010
19,6
200
-50
18—27
11014—2-Ю14
11012—
1,5 • О?
17,6—19,6
200—250
-40
36
1 X X 1Q14
1- X хЮ12
17,6
200
-50
36
1х X1Q12
1 X
хЮ10
9,8
300
-60
27
1х хЮ13
15Q
280
-40
Без посторонних включений и загрязнений , 2 1013
Не нормируется
14,7 340
-40
Таблица 2.4. Основные технические данные отечественных шланговых пластикатов в изоляционно-шлангового пластиката
Показатель，
Марка пластиката
ИО45-12
0—40
■ 0—50
0—55
ОМБ-60
ОНБ-50
ОНЗ-40
Количество посторонних включений, шт., не более Цвет
36
Не окрашенный, черный, под слоновую кость, коричневый, голубой, синий, зеленый, красный, се-
Не нормируете
я для веет ма
Черный
)ОК
,синий
36
Не окрашенный
Удельное объемное электрическое сопротивление при 20° С, Ом • см, не менее
Разрушающее напряжение при разрыве, МПа, не менее
Относительное удлинение при растяжении, %, не менее
Температура хрупкости ℃, не выше
РЫЙ
10,7
350
-45
ГЮ10—5 10to
13,7—14,7
280—300
-40
1,5 ТО— 、2,5-1010
15,7—17,7
280—350
-50
РЮ10—1-Ю11
10,7-11,7 .
350
-55
1-Ю9
11,7
350 -60
и,7
•350
-50
5-Ю11
13,7
300
-40
этой же марки послеэтой же марки послев течениев течениеи имели имелтечениетечение4 ч4 члюдения порядка выполнения строительных работ и т. п., одной из причин распространения огня вдоль кабельных туннелей является недостаточная стойкость кабелей к воздействию пламени. Поэтому для эксплуатации в условиях повышенной пожарной опасности рекомендуется использовать специальные поливинилхлоридные пластикаты пониженной горючести. Пониженная горючесть таких пластикатов обусловливается их составом: использованием фосфатных пластификаторов, специальных наполнителей и т. д.людения порядка выполнения строительных работ и т. п., одной из причин распространения огня вдоль кабельных туннелей является недостаточная стойкость кабелей к воздействию пламени. Поэтому для эксплуатации в условиях повышенной пожарной опасности рекомендуется использовать специальные поливинилхлоридные пластикаты пониженной горючести. Пониженная горючесть таких пластикатов обусловливается их составом: использованием фосфатных пластификаторов, специальных наполнителей и т. д.
этой же марки после
этой же марки после
в течение
в течение
и имел
и имел
течение
течение
4 ч
4 ч
людения порядка выполнения строительных работ и т. п., одной из причин распространения огня вдоль кабельных туннелей является недостаточная стойкость кабелей к воздействию пламени. Поэтому для эксплуатации в условиях повышенной пожарной опасности рекомендуется использовать специальные поливинилхлоридные пластикаты пониженной горючести. Пониженная горючесть таких пластикатов обусловливается их составом: использованием фосфатных пластификаторов, специальных наполнителей и т. д.
людения порядка выполнения строительных работ и т. п., одной из причин распространения огня вдоль кабельных туннелей является недостаточная стойкость кабелей к воздействию пламени. Поэтому для эксплуатации в условиях повышенной пожарной опасности рекомендуется использовать специальные поливинилхлоридные пластикаты пониженной горючести. Пониженная горючесть таких пластикатов обусловливается их составом: использованием фосфатных пластификаторов, специальных наполнителей и т. д.
а для пластиката типа О ——первая буква обозначает тиц| пластиката, две последующие цифры ——морозостойкость .пла стиката. .
Обозначение пластиката марок ИТ-90 и ИТ-105 со стой-] из букв, обозначающих тип пластиката, и последующих цифр указывающих верхний предел рабочих температур пластиката Условное обозначение пластиката, предназначенного для мае лобензостойких оболочек,——ОМБ-60, предназначенного дл； оболочек с низкой миграцией пластификатора в полиэтилен,— ОНМ-50, предназначенного для оболочек с низким запахом,— ОНЗ-40.
Следует отметить также некоторые важные характеристик] пластикатов специального назначения. Так, удельное объемно^
электрическое сопротивление нагревостойкого пластиката марки .ИТ-105 при температуре (105 + 2) ℃ не должно быть менее 1011 Ом • см, т. е. по сравнению с сопротивлением в исходно^ состоянии оно снижается примерно на два порядка. Пластикат 「_: выдержки при температуре (136 + 2) ℃
168 ч должен сохранить 90% относительного
удлинения при разрыве в исходном состоянии температуру хрупкости не выше минус 30° С.
Маслобензостойкий пластикат марки ОМБ-60 после выдер^1
ки в течение 24 ч в бензине при (20 ±2) ℃ или в масл{ при 100 + 2° С сохраняет 95% прочности при разрыве и 65— 90% относительного удлинения в исходном состоянии. Дм пластиката марки ОНМ-50 регламентируется коэффициеш изменения тангенса угла диэлектрических потерь полиэтилена в контакте с данным пластикатом при 90° С в'-
который должен быть не более 5. Для пластиката OH3-4J т лимитируется обонятельный коэффициент, который должев составлять не менее 6 мл. Сущность метода заключаета
в определении минимального количества воздуха в миллилит рах, которое необходимо ввести при помощи шприца в склянк) для того, чтобы выходящая из нее струя пахучего воздуха вызывала при попадании в нос обонятельное ощущение. ПрВ проведении испытаний образец испытываемого пластиката помещают в вакуумный эксикатор в количестве 0,2 м пластиката на 1 м3 и выдерживают в течение 24 ч при + 70° С Поливинилхлоридные пластикаты, используемые в произ водстве кабелей и проводов, должны быть технологична после экструдирования на поверхности пластиката должнь отсутствовать поры, видимые невооруженным глазом. Пла- стика ты должны обладать определенной термостабильностьк^ т. е. не подгорать при остановке экструдера в течение 2( мин, хотя в данном случае допускается незначительное измене ние цвета пластиката. При проведении этих испытаний 口如 пластикатов типов М, ИТ и ИО температура по зона»
цилиндра экструдера должна составлять 135——155° С, головки 165° С и матрицы 175° С, для пластикатов типа О ——соответственно 115—145, 155 и 165° С и для пластиката марки ОМ-40—135——145, 160 и 170° С (все температуры измеряются с точностью + 10° С).
Одной из основных причин широкого использования поливинилхлоридного пластиката в кабельной технике является прежде всего его способность затухать при вынесении из пламени, что объясняется отсутствием двойных связей и наличием атомов хлора НО (56,5%) в структурной цепи поливинилхлорида. При горении и превышении температуры из поливинилхлоридной смолы выделяется хлористый водород НС1, нтс приводит к снижению температуры в зоне горения и самозатуханию пластиката. Как сам пластикат, так и кабельные изделия с использованием пластиката не распространяют горения, если испытывать их в виде образцов каждый в отдельности.
Однако когда кабели с поливинилхлоридной изоляцией и оболочкой положены в пучке, особенно расположенном вертикально, то при использовании обычных пластикатов пучок кабелей загорается и не затухает после удаления источника пламени. Причиной этого является поддерживание высокой температуры в зоне горения даже при условии выделения хлористого водорода из-за влияния друг на друга соседних кабелей. Хотя пожары на электростанциях возникают, как правило, из-за нарушений условий эксплуатации, несоб-
В настоящее время на практике начали использоваться также поливинилхлоридные пластикаты с пониженным газо- и дымовыделением при горении. Причиной их применения является то, что при горении обычных пластикатов выделяется НС1, при контакте с водой образующий соляную кислоту, обладающую сильными коррозионными свойствами. Поэтому при сгорании кабелей с применением поливинилхлоридного пластиката выходит из строя оборудование, а пускорегули- РУющая аппаратура повреждается даже на тех участках пРедприятий, куда пожар не распространился. Отрицательное воздействие оказывает выделение НС1 и на организм человека, пРичем с этой точки зрения крайне опасен и дым, содержащий
СО2. ПриНС1 в окрСО2. ПриНС1 в окр
СО2. При
НС1 в окр
СО2. При
НС1 в окр
Показатель
НГП-40-32
НГП-30-32
Удельное объемное электрическое сопротивле-
1-Ю12
1Tos
ние при 20° С, Ом • см, не менее Разрушающее напряжение при разрыве, МПа,
14
14
не менее
Относительное удлинение при растяжении, %,
280
250 彳
не менее , Температура хрупкости, ℃, не выше Кислородный индекс, %, не менее
—40
-зо *
32
32 ，可
Таблица 2.5. Основные технические данные пластиката понижганой
оксид углерода СО и углекислый газ
рецептур пластикатов, не выделяющих
среду, стремятся к тому, чтобы связать НС1 при выде: оставить его в составе прореагировавших соединений в
В отечественной практике пластикат пониженной горк выпускается марок НГП-40-32 и НГП-30-32. Маро пластиката состоит из букв, обозначающих тип пласт
и цифр, указывающих значения температуры хрупкости и кя© лородного индекса. Температура воспламенения пластиката Ч свыше 500° С, самовоспламенения—750° С. Основные техничен кие данные пластиката приведены в табл. 2.5.
В процессе эксплуатации в составе кабельного изделиз параметры поливинилхлоридного пластиката изменяются: сни жается относительное удлинение при растяжении, повышаютсз механическая прочность и температура хрупкости и т•冗 Причиной изменения этих параметров является снижение содержания пластификаторов из-за их миграции при повышенных температурах или вымывания в условиях нахождения вс влажных грунтах или в воде и дегидрохлорирование, определяемое выделением хлористого водорода НС1.
В качестве основного фактора старения в искусственны? условиях используется, как правило, повышение температуры, при которой выдерживаются образцы материала. Так, в ряде стандартов на пластикат, в том числе в отечественной практике,! предусмотрены испытания при температурах 120, 136 и 160° С которые сами по себе не позволяют оценить эксплуатационную надежность кабельной изоляции, эксплуатируемой при 70° С однако позволяют получить сравнительную оценку различный поливинилхлоридных пластикатов. Иногда на основании этй результатов делаются попытки определить ресурс кабельной изоляции, задаваясь определенным процентом снижения зван© ния коэффициентов К* и 及?，представляющих собой отношен^ механической прочности и относительного удлинения в ис ходном состоянии и после старения. Обычно считается Д° пустимым снижение в процессе старения коэффициенте1 Ki и & на 50%. Изменение коэффициента К2 в нроне<|
Рис. 2.6. Изменение коэффициента К2 для изоляционных пластикатов марок И40-13 (/), И40-13А (2) и И40-14 (3) в процессе старения при температуре 120° СРис. 2.6. Изменение коэффициента К2 для изоляционных пластикатов марок И40-13 (/), И40-13А (2) и И40-14 (3) в процессе старения при температуре 120° С
Рис. 2.6. Изменение коэффициента К2 для изоляционных пластикатов марок И40-13 (/), И40-13А (2) и И40-14 (3) в процессе старения при температуре 120° С
Рис. 2.6. Изменение коэффициента К2 для изоляционных пластикатов марок И40-13 (/), И40-13А (2) и И40-14 (3) в процессе старения при температуре 120° С
старения при температуре 120° С для изоляционных и шланговых пластикатов показано на рис. 2.6 и 2.7. При оценке ресурса изоляции или оболочки из поливинилхлоридного пластиката в ряде случаев ориентируются на изменение температуры хрупкости, характеризующей морозостойкость пластиката.
Рис. 2.7. Изменение коэффициента К, для шланговых пластикатов марок 040 U), 050 (2), 055 (рецептура 1183) (3) 055 (рецептура 1182) (4) в процесса старения при температуре 120° С
со спектром, наиболее близким к спектру солнечной радиации, влажнос1и, иногда тумана и дождя.
При длительном атмосферном старении пластикатов их характеристики изменяются, в частности заметно снижаются относительное удлинение при разрыве и температура хрупкости.
При прокладке кабеля с поливинилхлоридными оболочками в грунте и воде параметры пластиката изменяются довольно значительно. Несмотря на то что в этом случае пластикат не подвергается воздействию солнечной радиации, наличие влаги приводит к потере пластификаторов. Кроме того, в почве содержатся различные химические элементы и микроорганизмы, которые также влияют на старение пластиката. Электрическое сопротивление изоляции и разрушающее на- j пряжение при разрыве в течение 6 лет пребывания в воде, торфе и черноземе возрастают, относительное удлинение при растяжении несколько снижается, а температура хрупкости становится даже выше 0° С.
Определить ресурс изоляции на основе поливинилхлорид^ ного пластиката можно, если исходить из того, что при достижении некоторого критического значения какого-либо параметра материала происходит нарушение его целостности [7]. В этом случае представляется возможным вместо длительных испытаний пластиката на старение определять ту или иную его характеристику и прогнозировать ее изменение во времени, установив закономерности, которые лежат в основе этого изменения.
При эксплуатационных условиях старение пластиката определяется диффузионной десорбцией пластификатора, протекающей во времени по экспоненциальному закону
т^т^е~кг\• (2.2)
где w0 и т —начальная и текущая массы образца;左」 постоянная; t——время; п = 0,625.
Справедливость (2.2) подтверждена экспериментально, а также анализом результатов испытаний образцов после естёст-И венного хранения в течение времени до 25 лет.I
Диффузионная десорбция пластификатора приводит к поЛ вышению температуры хрупкости и снижению физико-меха-1 нических характеристик пластиката. При потере массы из-за! десорбции пластификатора в пределах 20——25% нарушаете^ целостность материала и, как следствие, происходит пробой] изоляции. Поэтому ресурс поливинилхлоридной электрической! изоляции можно рассчитать следующим образом:Н
3600klД G0 + a\G^-b)'' .
38•Я
где 左Пр——экспериментальное значение постоянной скорости десорбции; Go, а, Ъ ——коэффициенты, постоянные для данного Типа пластиката; AGHCXJ АСД0П——потеря массы материала в исходном и предельном состояниях.
ФТОРОПЛАСТЫ
Фторопласты——это полимеры, образованные из мономеров, содержащих фтор. Производство их, начатое в конце 40-х ——начале 50-х годов, постоянно расширялось, к настоящему времени изготовляется несколько десятков типов фторопластов, многие из которых имеют несколько различных марок. Постоянно растет и ассортимент кабелей с црименением фторополимеров. Это, прежде всего, провода и кабели повышенной нагревостойкости для авиационно-космической техники и радиоэлектроники. В радиочастотных кабелях используют прекрасные диэлектрические свойства фторполимеров; в ряде кабельных изделий, особенно малогабаритных, используют высокие механические свойства ряда фторполимеров, в других случаях ——химостойкость, негорючесть и радиационную стойкость. По этим причинам фторопласты находят широкое применение в монтажных проводах, радиочастотных кабелях, кабелях и проводах высокого напряжения, бортовых проводах, многожильных монтажных кабелях и кабелях управления, кабелях для геофизических исследований, для атомных электростанций и др. [4].
Наиболее широко применяется политетрафторэтилен (ПТФЭ), имеющий структурную формулу ( —CF? —CF? —% и являющийся продуктом полимеризации тетрафторэтилена. В кабельной промышленности используют ПТФЭ в виде порошков, суспензий и пленок. Молекулярная масса ПТФЭ может составлять от 4 • 105 до 107. Степень кристалличности после полимеризации достигает 93——98%, а после переработки в зависимости от молекулярной массы и режима охлаждения она обычно составляет 50——85%.
Поливинилиденфторид (ПВДФ) получают полимеризацией винилиденфторида (~CF2 —СН2 —)п. Степень кристалличности составляет 60—80%. ПВДФ — типичный термопластичный полимер, перерабатываемый методом экструзии; он наиболее жесткий и самый прочный из всех фторполимеров с высокой стойкостью к истиранию. Применяемый в кабельной промышленности модифицированный ПВДФ отличается меньшей степенью кристалличности (около 30%), лучшей технологичностью й морозостойкостью.
Сополимеризацией гексафторпропилена с тетра фторэтиле- ном получают фторированный этиленпропилен (ФЭП) со слеДУющей структурной формулой:
Это также термопластичный полимер, применяемый в кабельной промышленности как в виде экструдируемого материала, так и в виде пленок и суспензий. ФЭП объединяет в себе высокие диэлектрические свойства ПТФЭ и способность экструдироваться.
Широкое применение в кабельной промышленности нашел сополимер этилена и тетрафторэтилена (ЭТФЭ), который имеет следующее строение: [~CF2 —CF2~CH2 —СН2~ ]п. Степень кристалличности ЭТФЭ зависит от количественного соотношения мономера в сополимере и регулярности чередования мономерных звеньев и обычно составляет 40——60%. ЭТФЭ, уступая ПТФЭ и ФЭП по своим диэлектрическим свойствам, превосходит их по механическим свойствам и радиационной стойкости. Его можно перерабатывать методом экструзии.
Перспективным материалом является сополимер тетрафторэтилена с перфтор- fалкилвиниловыми丿 эфирами (ПФА), в котором сочетаются хорошие диэлектрические свойства, нагревостойкость и химическая стойкость ПТФЭ со способностью экструдироваться. Строение молекулы характеризуется следующей формулой:
(—CFz — CFz —)刁一(—CFZ — CF — )p .
. ORf 」月
Важнейшие свойства фторполимеров, применяеых в кабельной промышленности, приведены в табл. 2.6.
Следует отметить, что благодаря высокой энергии связи С—F, составляющей 625 кДж/моль, что почти в 2 раза выше, чем связи С—С (351 кДж/моль), полностью фторированные полимеры обладают высокой стойкостью к воздействию повышенных температур и практически не подвержены старению при температуре, ниже предельно допустимой. Поэтому они не содержат термостабилизаторов. Однако водородсодержащие фторполимеры подвержены тепловому старению, а при переработке возможны процессы деструкции. Заметим также, что перестро访ка структуры, происходящая при воздействий повышенной температуры, а также внутренние напряжения в изоляции обусловливают склонность некоторых фторполимеров к растрескиванию.
Таблица 2.6. Важнейшие свойства фторполнмеров
Показатель
ПТФЭ
ФЭП
ЭТФЭ
ПВДФ
ПФА
Плотность, кг/м3
2120-2280
2120-2170
1630—1700
1700-1800
2120—2170
Температура плавления, ℃
327
265—290
260—275
160—180
302—310
Максимальная температура длительной эксплуатации, °C
260
200
■ 200
150
260
Разрушающее напряжение прн
14,5—35,0
16^-30
27—50
39—60
28—32
растяжении, МПа
Относительная диэлектрическая проницаемость при 106 Гц
1,9—2,2
1,9—2,1
2,5—2,6
6,4
2,06—2,1
Тангенс угла диэлектрических
2-10 4
(3—8) х
(4—7) х
17-Ю~2
ЗЮ-4
потерь при 106 Гц
х10~4
х 10~3
Таблица 2.7. Перечень термопластичных фторполимеров, применяемых в ка- бельвой промышленности
Тип сополимера или полимера
Марка
Область применения
ФЭП
Фторопласт-4МБ
Изоляция и оболочка различных проводов и кабелей
ЭТФЭ
ПВДФ
Фторопласт-40Ш
Фторопласт-2М
Изоляция проводов и оболочка кабелей различного назначения
Изоляция проводов с повышенной стой-
ПФА
Ф-50
костью к механическим воздействиям То же
Фторцолимеры выпускают и применяют в кабельной технике в виде суспензий, порошков, гранул и пленок. Суспензии используют для изготовления изоляции обмоточных проводов, электропроводящих и окрашивающих слоев поверх изоляции, пропитки стеклонитей, стеклолент и оплетки из стекловолокон. Нанесение суспензий осуществляют методом окунания с последующей сушкой и запечкой (или оплавлением для термопластичных фторполимеров).
Порошок ПТФЭ, получаемый в результате полимеризации, при нагреве выше температуры плавления не переходит в вязкотекучее состояние, что делает невозможным переработку его на экструдерах, обычно применяемых для переработки термопластов, для его переработки требуются специальные методы. Для изготовления изоляции проводов применяются специальные сорта ПТФЭ: фторопласт-4Д (ГОСТ 14906—77) й его модификация——фторопласт-4 ДМ (ТУ 6-05-041-336-71). Предварительно смешением порошка с бензином получают насту, используемую для переработки на плунжерных прессах.
Перечень термопластичных фторполимеров, применяемых в кабельной промышленности дан в табл. 2.7. Эти материалы перерабатывают как обычные термопласты методом экструзии ° учетом ряда особенностей, о которых будет сказано ниже.
Показатель
ФЭП
ЭТФЭ
ПВДФ .
ПФА
Температура расплава при
315—400
280—350
190—270
350—420
переработке, ℃
Вязкость расплава при эк-
ю3—ю5
103—105
ю2—ю4
ю3
струзин, Па ■ с
Критическая скорость сдвн*
5—70 .
100—3000
100—500
20—60
га, с 1
Плотность расплава, кг/м3
1470—1510
1286—1330
1300—1350
1470—1510
Таблица 2.8. Основные технологические свойства
из различных фтор-
Пленочные материалы можно
получать
полимеров. Наибольшее распространение в кабельной промышленности получили пленки из фторопласта-4. Такую пленку получают методом строжки предварительно отпрессованных из порошка и спеченных цилиндрических заготовок. После строжки пленку прокатывают между валками для придания необходимых свойств. Если степень ориентации при прокате не превышает 1,3, то получают так называемую неориентированную пленку, которая при нагреве не изменяет своих геометрических размеров. Если же степень ориентации составляет 1,8——2,3, то получают ориентированную пленку, усадка которой при нагревании может достигать 40%. Широкое применение для изготовления монтажных проводов получила так называемая сырая каландрованная лента (СКЛ) из фторопласта-4Д. Она представляет собой не подвергнутую спеканию пленку, изготовляемую экструзионно-каландровым способом. Ее накладывают на жилу в незалеченном (сыром) виде с последующей термообработкой.
и пленок освещены ниже при рассмотрении технологии их переработки. В данном параграфе остановимся только на характерных особенностях переработки термопластичных фторпо- лимеров [9]. Первой особенностью являются более высокие пс сравнению с полиэтиленом и ПВХ температуры переработки и большая вязкость расплава (табл. 2.8). Кривые течения некоторш термопластичных фторполимеров приведены на рис. 2.8. Следу ющей особенностью этих материалов являются относительнс низкие критические скорости сдвига, ограничивающие скорость экструзии. Приведенные в табл. 2.8 данные следует рассматривав как ориентировочные, так как они существенно зависят как oi I конкретной марки материала, так и от режимов переработки.
Следующей особенностью этих материалов является близость температур переработки к температуре разложения. Это следует учитывать как путем ограничения заданных температур, так и путем устранения застойных зон в экструдере. При термодеструкции ухудшаются свойства изоляции, усиливается выделение газообразных продуктов разложения, загрязняющих 42
包包887〃〃 = 24 夕7〃〃 = 24 夕1gm)1gm)т4~4^т4~4^4,5斤）5@恤）4,5斤）5@恤）44310 4J,%310 4J,%44С?С?Z0Z0^!^!」2」2工工Рис. 2.8. Кривые течения термопластичных фторполимеров: j—фторопласт-4МБ (ТПП-255С С);. 6—фторопласт-4ОШ (ТПП-2780 С); в — фторопласт- 4МБ (температура 'расплава 280° С); г—фторопласт-2МРис. 2.8. Кривые течения термопластичных фторполимеров: j—фторопласт-4МБ (ТПП-255С С);. 6—фторопласт-4ОШ (ТПП-2780 С); в — фторопласт- 4МБ (температура 'расплава 280° С); г—фторопласт-2М"3,6 4厂%"旳価J"3,6 4厂%"旳価J
包
包
8
8
7〃〃 = 24 夕
7〃〃 = 24 夕
1gm)
1gm)
т4~4^
т4~4^
4,5斤）5@恤）
4,5斤）5@恤）
4
4
310 4
J,%
310 4
J,%
4
4
С?
С?
Z0
Z0
^!
^!
」2
」2
工
工
Рис. 2.8. Кривые течения термопластичных фторполимеров: j—фторопласт-4МБ (ТПП-255С С);. 6—фторопласт-4ОШ (ТПП-2780 С); в — фторопласт- 4МБ (температура 'расплава 280° С); г—фторопласт-2М
Рис. 2.8. Кривые течения термопластичных фторполимеров: j—фторопласт-4МБ (ТПП-255С С);. 6—фторопласт-4ОШ (ТПП-2780 С); в — фторопласт- 4МБ (температура 'расплава 280° С); г—фторопласт-2М
"3,6 4厂%"旳価J
"3,6 4厂%"旳価J
окружающую среду, вызывающих коррозию металлических ластей экструдера и образующих пузыри в изоляции.
Поскольку многие термопластичные фторполимеры накладывают на токопроводящую жилу методом трубки, то существенное значение имеет способность расплава продольно деформироваться без образования дефектов. Эту способность характеризуют допустимой степенью вытяжки, т. е. отношением площади поперечного сечения потока расплава в формующей части инструмента к площади поперечного сечения изоляции., Это отношение обычно определяют опытным путем, оно 氏笈mf в пределах от 5 до 200.
Плотность расплава составляет для ФЭП и ПФА 1480—1500 灯加3, а ЭТФЭ 1290—1310 кг/м3.
25. ПОЛИАМИДЫ
Полиамиды——это большой^ класс гетероцепных полимеров, ^держащих в основной цепи макромолекулы амидные груп- "^CONH. В кабельной технике применяют различные типы
Таблица 2.9. Основные технические данные иолиамидов, применяемых в кабельной промышленности
Показатель、
Полиамид 6
Полиамид 6,6
Полиамид 610
Полиамид 11
Молекулярная масса
(10—35)х
х103 卜
(15^.х
20 • 103
—
Плотность, кг/м3
ИЗО
1140
1090—1110
1040—2060
Температура плавления, ℃
220—225
264—266
213—220-
• 184—187
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
59—68,7
78,5
44,2—59
49,1—68,7
Относительное удлинение при разрыве, %
150—400
80—100
100—150
190—400
Твердость по Бринеллю, Па
Электрическая прочность (толщина 2 мм), МВ/м:
1000—1200
670—700
1000—1500
800—1000
сухой образец
22,0
30
70—100*
2S
предельно увлажненный образец
Удельное объемное электрическое сопротивление.
"30—60*
Ом см:
сухой образец
ат/
(1—4)1014
4,5-Ю14—Ю15
ю14
предельно увлажненный образец
1 10®
—
2 1011
Диэлектрическая проницаемость при 50 Гц
4,5—11,5
3,9—8,0
3,8
3,7
Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц
0,03—0,07
0,Ш—0,04
0,025—0,030
0,02
Предельное водопог ло- щение, %
10—11
8—9
3,3—3,5
1,8
* Толщина образца 0,1 мм
полиамидов: алифатические в виде гранул, перерабатываемых экструзией или по технологии эмалирования, а также в виде пленок и ароматические, применяемые в виде волокон, например волокно фенилон. Здесь будут рассмотрены только материалы, перерабатываемые методом экструзии. Строение их молекул может быть представлено общей формулой:
[-HN(CH2)„CONH(CH2)mCO-]p.
Молекулы этих полиамидов в твердом состоянии обычно имеют конформацию плоского зигзага и благодаря наличию амидных групп связаны между собой водородными связями С увеличением симметрии звеньев и частоты и регулярностй расположения амидных групп происходит увеличение числа водородных связей, степени кристалличности и температура плавления, что оказывает существенное влияние на важнейшйе свойства. Все полиамиды обладают высокой прочностью, тв&
рдостью и стойкостью к истиранию, стойки к воздействию многих химических реагентов, в том числе углеводородов н масеЛЛ Полиамиды способны в значительных количествах поглощать влагу с соответствующим изменением характеристик, причем водопоглощение снижается с увеличением числа метиленовых групп между ймидными. Важнейшие свойства полиамидов приведены в табл. 2.9.
Свойства полиамидов в значительной ci еи^т зависят от количества поглощенной влаги, степени ориентации и криста ч личности, которая достигает 60%. Для повышения устойчивости к окислению и деструкции под воздействием кислорода воздуха, особенно при повышенных температурах, в полиамиды вводят стабилизаторы. В качестве последних часто применяют дибетанаф- тилпарафенилендиамин и соли меди. Полиамиды можно окрашивать в массе с использованием фталоцианиновых красителей.
В кабельной промышленности полиамиды используют для создания механически прочных тонких оболочек монтажных и бортовых проводов. Высокие технологические свойства позволяют легко получать тонкие оболочки толщиной до 0,05——0,1 мм.
В отечественной кабельной промышленности применяют \ капрон (ПА-6, марка 210-15, ОСТ 6-06-09-83) и полиамид 610 (ОСТ 6-05-408-85).
Полиамиды обладают рядом специфических технологических свойств, которые следует учитывать при переработке. Прежде всего, это высокое влагопоглощение, что обычно требует предварительной подсушки материала до содержания влаги не более 0,1%. При содержании влаги свыше 6,2% происходит ее выделение при температурах переработки с образованием пузырей в изоляции. Следующая особенность обусловлена резкой зависимостью вязкости от температуры и высокой текучестью при температурах переработки. Поэтому конструкция червяка и профиль кривой роста температуры в цилиндре должны быть такими, чтобы сжатие начиналось после полного
0с. 2.9. Вязкость полиамидов п при различных скоростях сдвига v:/ — ПА-6; 2—ПА-6100с. 2.9. Вязкость полиамидов п при различных скоростях сдвига v:/ — ПА-6; 2—ПА-610Рис. 2.10. Зависимости плотности расплава полиамида р от температуры Г при разных давлениях; Па: /—400; 2—300; 3—150; 4—1Рис. 2.10. Зависимости плотности расплава полиамида р от температуры Г при разных давлениях; Па: /—400; 2—300; 3—150; 4—1
0с. 2.9. Вязкость полиамидов п при различных скоростях сдвига v:
/ — ПА-6; 2—ПА-610
0с. 2.9. Вязкость полиамидов п при различных скоростях сдвига v:
/ — ПА-6; 2—ПА-610
Рис. 2.10. Зависимости плотности расплава полиамида р от температуры Г при разных давлениях; Па: /—400; 2—300; 3—150; 4—1
Рис. 2.10. Зависимости плотности расплава полиамида р от температуры Г при разных давлениях; Па: /—400; 2—300; 3—150; 4—1
пасплавления материала. Из-за высокой вязкости расплав под действием противодавления, особенно при остановке экструдера, может перетекать по направлению от головки к загрузочной зоне и при со при косн овении с гранулами застывать с образованием «пробок». При длительном пребывании в экструдере при температуре переработки возможно разложение материала с образованием газообразных приду к юв ——оксида и диоксида углерода и аммт^^- наложение покрытий обычно производят с BbiTSPKN^H методом трубки. Кривые течения приведены а рис. 2p. Критическая скорость сдвига составляет примерно 2,5 • 105 с"1. Плотность расплава при температуре переработки 970一990 кг/м3; ее температурные зависимости при различных давлениях приведены на рис. 2.10.
ПЛЕНОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В производстве кабелей и проводов широкое применение находят пленочные материалы, которые используются в основном в качестве электрической изоляции. Кроме того, пленки используются для скрепления сердечников кабелей или в защитных покровах кабелей в качестве разделительного слоя между антикоррозионным битумным покрытием и слоем пластмассы. В кабельной промышленности наиболее широко используются полиэтилентерефталатные, фторопластовые, полиамидные и полиамидно-фторопластовые пленки, которые накладываются на жилу или заготовку кабеля, как правило, методом обмотки. В отдельных случаях после наложения пленки производится термообработка пленочной изоляции для ее спекания и герметизации.
Полиэтилентерефталатная пленка, известная в отечественной практике под названием лавсан, представляет собой полимер, получаемый поликонденсацией терефталевой кислоты с этиленгликолем:
…-00С《 >СОО-СН2cH2—оос/ \-C00—
Лавсановая пленка изготовляется путем экструзии расплава на, поверхность валка с последующими ориентацией путем растяже-' ния, термофиксацией и охлаждением. Пленка лавсан, используемая в кабельной промышленности, имеет толщину 20——25 мкм! и обладает высокой электрической и механической прочностью. В связи с повышенной степенью кристалличности эта пленка имеет' высокую температуру плавления (265° С). Основные технические данные пленки толщиной 20——2§ мкм приведены ниже: 46:
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, не менее 147—172
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее 60—70
Усадка пленки, %, не более 3—-4
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом м, не менее:
при испытании в нормальных условиях 1 • 10м
при испытании при температуре 155° С 1 • 10ю—1 • 10"
при испытании после выдержки во влажной среде при нормальной температуре в течение
24 ч 1 Ю12
Тангенс угла диэлектрических потерь 0,005—0,007
Электрическая прочность, МВ/м, при переменном.
напряжении частотой 50 Гц, не менее:
при испытании в нормальных условиях 180
при испытании при температуре 155° С 100
при испытании при нормальной температуре
в течение 24 ч 120
Рекомендуемый температурный диапазон эксплуатации плен- кИ лавсан от —65 до +155° С. В кабельной промышленности ЭТа пленка используется при температурах до +120° С. При воздействии на пленку температуры свыше 250° С протекает деструкция полимера с выделением оксида углерода, тере- фталевой кислоты, ацетальальдегида. При воздействии открытого пламени пленка загорается и горит коптящим пламенем с образованием расплава полимера и выделением летучих.
В производстве кабелей и проводов используются также пленки из политетрафторэтилена, или фторопласта-4, имеющие следующее строение:
FFFF
IIIГJ
1111FFFF
Симметричность структурымакромолекул политетрафтор
этилена и высокая кристалличность (до 90%) обусловливают высокую температуру разрушению кристаллов (327° С), при которой они переходят в аморфное состояние. В результате полимер становится высокоэластичным и превращается в прозрачную монолитную массу, которая уже не плавится вплоть ДО температуры разложения, равной 415° С. Длительная температура эксплуатации пленки из фторопласта-4—плюс 250° С, кроме того, она сохраняет работоспособность при низких температурах вплоть до температуры минус 269° С.
Пленка из фторопласта-4 обладает исключительно высокой стойкостью к действию растворителей или химических реагентов.
В отличие от ориентированной фторопластовой пленки ■^ориентированная пленка имеет пониженные физико-механичес- 47
кие и электрические параметры. Сравнительные показатели ориентированной и неориентированной пленки из фторопласта-4
приведены ниже:
ПоказательОриентирован- / Неориентиро-
.ная пленка ванвая пленка
Разрушающее напряжение при растяжении в продольном направлении, МПа, неменее 50,015,6
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее:
в продольном направлении 50160
в поперечном направлении 50Ненормиру.
ется
Электрическая прочность при постоянном напряжении, МВ/м, не менее 16060
Остальные электроизоляционные параметры ориентирован' ной и неориентированной пленок из фторопласта-4 примерно равны: удельное объемное электрическое сопротивление не менее 1015 Ом м, tg8 не более 0,0003, диэлектрическая проницаемость 1,9-2,!. I
В том случае, когда при спекании пленочной изоляции! кабелей и проводов необходимо обеспечить максимальную герметичность, используется так называемая сырая каландрированная пленка из фторопласта-4Д, изготовляемая экструзионнокаландровым методом из паст, представляющих собой смесь порошка фторопласта с вазелиновым маслом. Сама технология изготовления такой пленки предполагает, что она имеет невысокие характеристики до спекания, и поэтому к технология обмотки токопроводящих жил лентами из сырой каландрированной пленки предъявляются повышенные требования.
Сырая каландрированная пленка толщиной 0,045 мм имеет минимальное разрушающее напряжение при растяжении в продольном направлении 12,7 МПа, в поперечном направления 1,5 МПа, относительное удлинение при растяжении соответственно 100 и 600%. Такая пленка при спекании заметно изменяет размеры; усадка пленки не должна превышать 30%. Доля смазки, вводимой в порошок фторопласта-4Д перед формованием пленки, после экстрагирования должна быть не более 0,03%
Электрические параметры сырой к аландрир ованной пленки находятся примерно на том же уровне, что и параметры пленки из фторопласта-4, изготовленной методом сострагивания.
Рабочая температура кабельной пленочной изоляции на основе фторопластов-4 и -4Д от —60 до +250° С. Пленки на основе сополимеров фторопласта, например фторопласта-4МБ, можно эксплуатировать при температуре, не превышающей +200° С
При нагревании пленок из фторопластов свыше 260° С начинается выделение токсичных легколетучих фтористых с° единений: фтористого водорода и перфторизобутилена, а так双' оксида углерода. Поэтому помещения, в которых производитсл 48
Таблица 2.10. Основные технические дайные полнимц^о-фторопластом# плеию!
Показатель ,
Пленка с одно* сторовним покрытием
Плевка с двусторонним псифытием
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, не менее:
при 15—35° С в продольном и поперечном
88
78
направлениях
при 200° С в продольном и поперечном иа-
64
49
правлениях
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее：
при 15—35° С в продольном направлении: среднее значение
70
75
минимальное значение
35
35
в поперечном направлении: среднее значение
60
65
минимальное значение
35
'35
при 200° С в продольном направлении: среднее значение
60
60 -
минимальное значение
35
35
в поперечном направлении: среднее значение
60
60
минимальное значение
35
35
Сопротивление раздиру, Н/мм, не менее
70
70
Усиление разрыва технологического сварного шва, Н* не менее
18—23
20—24
Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом - м, не менее:
при 10—35。С
10й
10м
при 200° С
ю12
限
Электрическая прочность, МВ/м, при переменном напряжении, не менее:
при 10—35° С:
среднее значение
160
160
минимальное значение
120
120
при 200° С
120
120
Адгезионная прочность, Н/см, не менее (фторо- пласт—фторопласт):
среднее значение
минимальное значение.
2,5
2,5
должныдолжныбыть обо-быть обо-спекание изоляции из лент фторопласта, должны быть оборудованы эффективной приточно-вытяжной вентиляцией.
должны
должны
быть обо-
быть обо-
В кабельной промышленности используется также полиимидно- фторопластовая пленка, представляющая собой комбинированный (дублированный) материал. В качестве основного слоя пленки используется полиимид, покрываемый затем слоем политетрафторэтилена или сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена.
4 31254 3125Полиимиды принадлежат к циклоцепным полимерам, об- ^адающим исключительно высокой термической стойкостью. сн°ву полиимидной пленки составляет полипиромеллитимид СлеДующего строения:
4 3125
4 3125
Длительная рабочая температура пленки составляет от — 60| до +200° С. Полиимидная основа обеспечивает высокие ме- ■ ханические и электрические характеристики пленки, а фторопластовое покрытие——свариваемость пленок между собой, при нагревании, т. е. спекание изоляции.
Полиимидно-фторопластовая пленка обладает высокой химической стойкостью. Она инертна по отношению к органическим растворителям и маслам, разбавленным кислотам. Однако полиимидно-фторопластовая пленка растворяется в концентрированной азотной или серной кислоте, а под воздействием щелочей и перегретого пара начинается ее гидролиз.
Пленка выпускается с односторонним и двусторонним фторопластовым покрытием и в отличие от матово-молочной по цвету фторопластовой пленки имеет темно-желтый или светло- ： коричневый цвет. Толщина полиимвдной основы пленки равна; 0,03—0,04 мм, фторопластового покрытия0,005— 0,01 мм.:
Основные технические данные полиимидно-фторопластовой； пленки приведены в табл. 2.10.
При нагреве полиимидно-фторопластовой пленки до темпе-: ратуры выше 200° С в том случае, если покрытие полиимидной основы выполнено из сополимера фторопласта, возможно выделение фторсодержащих соединений, которое резко интенсифицируется при температурах 360—400° С. Поэтому, как и при использовании фторопластовых пленок, при спекании полиимидно-фторопластовых пленок необходимо обеспечивать эффективную вентиляцию производственных помещений.
Глава третья
ИНГРЕДИЕНТЫ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ И КАБЕЛЬНЫЕРЕЗИНЫ
НАТУРАЛЬНЫЕ КАУЧУКИ
Резины представляют собой вулканизированные многокомпонентные смеси на основе каучуков. В состав резиновых； смесей кроме каучуков входят другие ингредиенты, в частности минеральные и углеродные наполнители, вулканизующие агенты, ускорители вулканизации, противостарители, мягчителй и т, д. Резиновые смеси изготовляются методом смешения, а после наложения на токопроводяпхие жилы или заготовку 50
кабеля подвергаются вулканизации, состоящей в нагреве смеси до температуры, при которой вулканизующий агент (например, сера или тиурам) вступает в реакцию с каучуком и сшивает между собой длинные цепи каучука. В результате резиновая смесь переходит из пластичного в эластичное состояние. Основным компонентом резиновых смесей является каучук, содержание которого составляет 30——50%. Как правило, чем больше содержание каучука, тем выше электрические и механические свойства резин. Каучуки делятся на натуральные (НК) и синтетические (СК), и исторически первым типом каучука, применяемым в производстве кабелей и проводов, был НК, который -широко применяется и в настоящее время. Несмотря на постоянное снижение потребления, он продолжает, оставаться одним из основных каучуков, применяемых в кабельной промышленности.
Натуральные каучуки можно легко перерабатывать, они обладают высокими физико-механическими и диэлектрическими свойствами, а главное——невулканизованные резины на основе НК имеют высокую когезионную прочность (в отличие от его синтетического аналога), что позволяет накладывать тонкостенные оболочки кабелей. Производство НК в мире неуклонно возрастает. Основными производителями НК являются Малайзия, Индонезия, Таиланд, Сингапур, Шри Ланка и др. В последнее время НК начал производить Вьетнам. В соответствии с «Международным стандартом по качеству и упаковке натурального каучука» установлено восемь международных типов НК, каждый из которых подразделяется на несколько сортов. Типы НК различаются по методу получения и составу (главным образом, по степени чистоты и окисленности). Сорта определяются на основании описаний в международных стандартах по внешнему виду и путем сравнения каучука с международными эталонными образцами и копиями.
В кабельной промышленности применяют в основном смокед-шитс рифленый (RSS) различных сортов.
Натуральный каучук представляет собой линейный длинноцепной полимер, а именно цис-1, -/-полиизопрен общей формулы
—сн2—с=сн—сн2— Jch2—c=c—сн^—сн2—с=с—снг—.
Он состоит из молекулы длинного размера с молекулярной Массой от 30 000 до 10 млн, среднечисловая молекулярная Масса Мп лежит в пределах 105—106. Содержание цис-1,4 'РУнп составляет примерно 98 %. Благодаря регулярной
Таблица 3,1. Электроизоляционные свойства резины ва основе f
Условия испытания
Удельное объемное сопротивление ру. Ом. м
Тангенс угла диэлектрических потерь tg5
Диэлектрическая проницаемость е
Электрическая пр^ч-、 нос、
МВ/м、
До увлажнения при температуре, °C:
2,2 Ю13
0,003
2,2
42,5
9,2-1012
0,004
2,4
1,4-Ю11
0,003
2,5
100
1,1 -1011
0,021
2,4
——
После пребывания в воде при 20 ℃ в те-
чение времени» сут:
2,1 -1013
0,009
2,6
38,9
14
2,1 1013
0,017
2,6
22,0
После пребывания в воде при 70 ℃ в те-
ченне времени, сут:
1
2,1-1013
0,010
2,7
29,6
14
2,1-1013
"0,018
3,1
18,3
структуре НК обладает низкими температурой хрупкости и стеклования (около —70 ℃).
При комнатной температуре НК аморфен, но при длительном хранении (более года) кристаллизуется, причем скорость кристаллизации увеличивается с понижением температуры и проходит через максимум при —25 ℃. Обычно перед переработкой его подвергают декристаллизации («распарке») и пластикации в резиносмесителе до пластичности 0,35——0,50. Ряд химических соединителей ускоряют пластификацию НК — это каптакс, альтакс и др.
Вулканизация резиновых смесей на основе НК обычно производится в присутствии серы или тиурама. В качестве ускорителей вулканизации применяют каптакс, альтакс, дифе- нилгуанидин и др., а в качестве активаторов и диспергаторов — оксид цинка и стеариновую кислоту соответственно. Наилучшими мягчителями являются парафин, церезин и другие соединители нефтяного происхождения.
Вулканизация резиновых смесей из НК проводится прй температуре не выше 175——180° С. При более высокой температуре происходит реверсия каучука, сопровождающаяся снижением механических характеристик. Резины на основе НК имеют высокие физико-механические и диэлектрические свойства.
В табл. 3.1 приведены электроизоляционные свойства НК смокед-шитс, вулканизированного в присутствии тиурама-3 части, оксида цинка ——5 частей, стеариновой кислоты ——0,5 части на 100 частей (по массе) каучука.
52
К недостаткам резин на основе НК следует отнести их горючесть, низкие маслобензостойкость, озоностойкость, светостойкость, стойкость к воздействию сильных кислот.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ OBWE「Q НАЗНАЧЕНИЯ
К синтетическим каучукам общего назначения относятся эластомеры, резины на основе которых находят широкое применение в народном хозяйстве, в том числе и в кабельной промышленности. К этой группе каучуков можно отнести изопреновый каучук (СКИ), бутадиеновый каучук (СКД), бутадиен-стирольный каучук (БСК), бутилкаучук (БК), этиленпропиленовые каучуки (СКЭП и СКЭПТ). Указанные каучуки обладают широким комплексом свойств, они работоспособны при температуре 65——105 ℃, но не обладают какими-то ярко выраженными характеристиками (масло- и бензостойкость, негорючесть, высокая термостойкость), что отличает их от каучуков общего назначения.
Изопреновый каучук. Технологическая схема получения СКИ включает следующие основные стадии [10, 11]: полимеризация изопрена, дезактивация катализатора, стабилизация полимера, водная дегазация каучука, сушка и очистка возвратного растворителя. Изопрен в каучуке может располагаться в следующих вариантах:
—HzCн Н2Сн Н2С н
/ \/ \/ \
—Н2С ■ сн2 —сн2сн2 —сн2сн2 —
ЦИС-1, -/-присоединение“
сн5
Iсн2=с—сн = ся2
Мономер изопрена
—HzCсн2一сн2н н2ссн2 —
>=<\=/
~сн2Н Н2СCHZ —CHZн
С", ^-присоединение
сн3СМ3нн
—CHСНС—СНус —сн3
сн2сн2恥сн2
2-присоединение 3, ^-присоединение 1
Поливариантность направлений вхождения молекулы изоп・] рена в полимерную цепь обусловливает многообразие структур* образующихся полиизопренов, которые отличаются друг от друга как относительным содержанием звеньев определенною типа, так и характером расположения в макромолекулах. Микроструктура СКИ оказывает решающее влияние на физикомеханические свойства резин на их основе. Прочность ненапол- ненных вулканизатов минимальна при суммарном содержании 2, 2- и 5, 4-звеньев 20—60%.
В настоящее время в основном выпускаются каучуки с содержанием цис-1, -/-звеньев 92—99%.
В табл. 3.2 приведены сравнительные технические данные СКИ и НК [11, 12].
В основном технология переработки СКИ такая же, как и НК. Однако из-за наличия у СКИ области, где вязкость мала, а молекулярная масса велика, можно ввести ингредиенты преждевременно, и они будут плохо диспергированы. Это обстоятельство необходимо учитывать при составлении режима смешения СКИ.
Как правило, в кабельной промышленности применяется СКИ с пластичностью по Карреру свыше 0,4, который не требует предварительной пластикации. В процессе смешения температура резиновых смесей возрастает медленно. Из-за отсутствия остаточных сдвиговых усилий при смешении необходимо следить за равномерным распределением ускорительной группы. Для этого рекомендуется применять двухстадийное смешение, давать «отдых» смеси между операциями смешения и вулканизации, применять маточные смеси, предпочтительно с НК. Ускорители с высокой температурой плавления для лучшего распределения желательно применять в виде цинковых солей.
По кинетике вулканизации изопреновые каучуки подобны натуральным. При завышении температуры вулканизации возможно явление реверсии (распада) каучука. Для предотвращения этого явления в каучук вводят дополнительно против востарители, в основном производные фенилендиамина. |
Таблица 3.2. Характеристяки ооюшшх марок СКИ в сравненп с НК
Показатель
СКИ-3
Америпол
НК
Содержание звеньев, %: Цис-1А
92—99
97
97,8
Транс-1,4
0—4
0
0
1,2
и—
-2
0
0
3,4
1-
-3
0—3
2,2
Непредельность, %
94—98
94
95—98,5
Температура стеклования, ℃
-70
-70
-70
Ненаполнеиные вулканизаты разрушающее напряжение прн растяже-
29「32
25—27
30—32
нии, МПа
Относительное удлинение при разрыве, %
750—850
900
750—850
Эластичность по отскоку, %
65—75
70
65—75
Сажевые вулканизаты
Разрушающее напряжение при растяже-
26—35
25
28—36
нии, МПа
Эластичность по отскоку, %:, при 20 ℃
48
46
50
при 100 °C
55
53
67
Температура хрупкости, ℃
-58
—58 ■
Истираемость, см3, при работе 1 кВт-ч
260
—
250
Каучук СКИ-3 из-за присутствия в нем водорастворимых минеральных солей непригоден для применения в изоляционных резинах, так как сопротивление изоляции в процессе увлажнения значительно снижается. Поэтому в кабельной промышленности применяется специальный диэлектрический каучук СКИ-ЗД, который по своим диэлектрическим свойствам не уступает НК.
Несмотря на то что СКИ-ЗД по своим электроизоляцион- ньгм и физико-механическим характеристикам практически не уступает НК, однако полностью заменить НК в настоящее время не может в основном из-за низкой когезионной прочности, что не позволяет накладывать относительно тонкие (0,6——2 мм) изоляционные оболочки на кабельной линии непрерывной вулканизации. Так, когезионная прочность резиновой смеси на основе НК, наполненной техническим углеродом, составляет при растяжении 1,5—2 МПа, а на основе СКИ-30 1—0,4 МПа.
В связи с тем что СКИ-ЗД, так же как и НК, по теплостойкости уступает другим каучукам в изоляционных резинах, он обычно применяется в сочетании с бутадиеновым й бутадиен-стирольным каучуками.
Обычный СКИ-3 может быть использован в шланговых Резинах.
Бутадиеновый каучук. Бутадиен — мономер, на основе которого благодаря трудам акад. С. В. Лебедева было ор- ганизовано первое в мире производство синтетического каучука. Еще до недавнего времени отечественная кабельная
55
промышленность широко применяла натрий-бутадиеновые каучуки (СКБ, СКБМ). Однако открытие стереоспецифической полимеризации позволило получить стереорегулярный цис-1,4- лолибутадиен (СКД), промышленное производство которого организовано во многих странах мира (США, Япония, ФРГ, Италия, Великобритания).
Бутадиеновые каучуки получают при полимеризации бутадиена в растворе в присутствии катализаторов. Из всего многообразия каталитических систем лишь катализаторы на основе титана, кобальта и никеля нашли промышленное применение и привели к созданию промышленного производства этого каучука.
Технология получения СКД заключается в следующем. Бутадиен и растворитель (толуол, циклогексан или бензин) тщательно очищаются и высушиваются, и из их смеси приготовляется шихта. Катализатор готовится отдельно и затем добавляется в реактор. После получения необходимой степени полимеризации катализатор дезактивируется, а непрореагировавший мономер и растворитель удаляются. Готовый полимер выделяется из раствора, просеивается, высушивается и упаковывается.
Применяемый в кабельной промышленности СКД имеет молекулярную массу 200 000——300 000, плотность 910—— 920 кг/м3, температуру стеклования минус 105——110° С, полидисперсность 4—5 (MwIMn). Содержание цис-1,4-звеньев равно 87—93%, транс-7Х-звеньев 3—8%, 7,2-звеньев 3—5%.
Бутадиеновый каучук является аморфным при комнатной температуре, но легко кристаллизуется при пониженной температуре. Степень кристаллизации каучука невелика, и поэтому для усиления вводят активные наполнители. Лучшими являются печные технические углероды (ПМ-70, ПМ-Ю0 и др.), при этом количество наполнителя и мягчителя может быть введено значительно больше, чем в НК или стирольный каучук, что удешевляет смесь.
Ввиду высокой регулярности полимерной цепи и отсутствия боковых винильных групп этот каучук обладает исключительной морозостойкостью (температура стеклования до —110° С). Для сравнения натрий-бутадиеновый каучук, содержащий 51 —— 57% "〃е・/,4-звеньев имеет температуру стеклования —48° С. Другой особенностью СКД является то, что он не меняет вязкости при механической обработке. Так, после пребывания в резиносмесителе при 150° С в течение 10 мин его вязкость по Муни при 100° С снижается с 40 до 38, в то время как для НК вязкость снижается с 90 до 53, а у бутадиенстирольного каучука——с 54 до 45. Смеси СКД с техническим углеродом имеют неудовлетворительные технологические свойства (вальцуемость, шприцуемость, каландруемость), что, веро- 56
ятно, связано с образованием прочного сажекаучукового геля, который не разрушается даже при 120° С, а также низкую когезионную прочность. Поэтому на практике обычно используют композиции СКД с НК, БСК или другими каучуками. Лучшие результаты достигаются при соотношении каучуков 1:1, причем ингредиенты можно вводить только тогда, когда оба каучука образуют гомогенную смесь.
Вулканизацию резиновых смесей на основе СКД производят при помощи серы и ускорителей. Следует отметить, что присоединение серы к СКД происходит медленнее, чем к СКИ- 3, так как наряду с вулканизацией происходит цис-транс- изомеризация СКД, достигающая 10% исходного содержания цис-1,4-звенъев. Резины на основе СКД обладают достаточно высокими прочностными характеристиками (особенно наполненные техническим углеродом), хотя и меньшей температу- ростойкостью по сравнению с резинами из НК. По сопротив-
превосходятпревосходятлению тепловому старению резины из СКД
превосходят
превосходят
в течениев течение31 МПа до31 МПа дорезины из НК. Так, после старения при 100° С
в течение
в течение
31 МПа до
31 МПа до
96 ч прочность резины из НК снижается от 二
5,3 МПа, а резины из СКД — от 23,1 МПа до 13,4・МПа.
Однако основное преимущество резин из СКД ——исключительно высокая морозостойкость (эластичность сохраняется при температуре ниже —65° С). Поэтому все кабели в исполнении ХЛ имеют оболочки из резин, содержащих СКД. Кроме того, было показано, что добавление в изоляционные резины СКД повышает их стойкость к проминам.
Бутадиен-стирольный каучук (БСК) — продукт сополимеризации бутадиена и стирола ——наиболее распространенный тип каучуков общего назначения, синтез которых осуществляется в эмульсии. БСК относится к некристаллизующимся полимерам нерегулярного строения со статическим распределением мономерных звеньев. Около 30% звеньев стирола изолированные, примерно 40% расположены попарно, 80% бутадиеновых звеньев полимерной цепи имеют присоединение в положение 1,4, главным образом в транс-формуле (около 70%), ?кол。 20% присоединены в положение 1,2. Разновидностью бутадиен-стирольных каучуков являются бутадиен-х-метилсти- рольные каучуки (БМСК), характеризующиеся близкими струк- Турой и свойствами. Промышленный выпуск и потребление ВСК составляют около 60% общего количества синтетических каучуков, а это более 3 млн. т [11, 15].
Производство БСК (БМСК) состоит из следующих стадий: I) сополимеризация мономеров в эмульсии, отгонка незапо- ^имеризовавшихся мономеров; 2) выделение и сушка каучука.
Для придания каучукам с повышенной молекулярной массой 「Ребуемой пластичности в латекс на стадии полимеризации Убавляют эмульсию пластификатора в количестве 15——50
.57
частей на 100 частей каучука (по массе). Применяемый пластификатор должен быть нелетучим в процессе получения каучука, резиновых смесей и при эксплуатации изделий. Лучшей / совместимостью с БСК обладают масла, содержащие значительное количество ароматических углеродов и небольшое парафинов. Наиболее полно этим требованиям отвечает масло марки ПН-6 (до 91% ароматических углеводородов). Такие каучуки называются маслонаполненными. В кабельной промышленности применяют каучук СКС-30 АРКМ-15.
Введением дисперсии сажи на стадии латекса получают саженаполненные каучуки. Возможно также совместное введение в латекс сажи и масла, т. е. получение сажемасляных каучуков.
Все низкотемпературные БСК содержат 22——25% связанного стирола, что является оптимальным в отношении свойств каучука. Регулирование БСК (типа СКС-30 АРК) не требует предварительной пластикации.
В основном смеси из БСК обрабатываются так же, как смеси из НК. Однако БСК менее термопластичны, чем НК, поэтому резиновые смеси из них быстрее нагреваются в процессе их изготовления. При изготовлении смесей с техническим углеродом мягчители вводятся, как правило, после того, как основная часть технического углерода совмещена с каучуком. Применение лакового битума значительно облегчает процесс изготовления смесей. Смеси из БСК шприцуются при меньших скоростях, чем смеси из НК, и характеризуются большей усадкой. Введение в смесь каолина в качестве наполнителя значительно улучшает шприцуемость и придает резиновой оболочке более гладкую поверхность. Так как резиновые cmW на основе БСК сильно разогреваются, шприцевание нужно проводить при более низкой температуре. '
Вулканизация БСК осуществляется обычными приемами для ненасыщенных каучуков с помощью серы и ускорителей. Вследствие их меньшей ненасыщенности скорость их вулканизации несколько меньше, чем у НК. Явление реверсий вулканизации у БСК выражено в меньшей степени, чем у смесей из НК. Скорость вулканизации БСК больше зависит от дозировки ускорителя, чем от дозировки серы, особенна в начальный период процесса. Поэтому, как правило, содер жание серы не превышает 2 частей (по массе).
В качестве ускорителей вулканизации применяют каптакс- альтакс, тиурам, сульфинамиды, дитиокарбаматы. Смесь 切 БСК можно также вулканизировать м несернистыми ву" канизующими агентами ——диазосоединениями, хинонами, пероК' сидами и смолами. На практике в отечественной кабельной промышленности для изоляционных кабельных резин примет’ ются тиурам в количестве 2,5—3 части (по массе), а д” 58
шланговых резин——сера в сочетании с каптаксом, альтаксом й тиурамом.
Резины на основе БСК, наполненные активным техническим углеродом в количестве 50—60 частей (по массе), характеризуй ртся высокими физико-механическими свойствами.
Вулканизаторы из БСК по сопротивлению тепловому старению, стойкости к истиранию превосходят резины из НК и СКИ-ЗД и уступают им по температуростойкости и стойкости к многократным деформациям. Из большого ассортимента выпускаемых БСК в кабельной промышленности по различным технико-экономическим соображениям применяются лишь два типа: диэлектрический СКС-30 АРПД в сочетании с НК и СКИ-ЗД для изоляционных резин и СКС-30 АРКМЛ5 в сочетании с СКД для шланговых резин.
Бутилкаучук представляет собой сополимер изобутилена с небольшим количеством (1—5%) изопрена. Его получают путем ионной полимеризации в растворе при температуре около —100° С. Растворителем служит низкокипящий хлорированный углеводород (метилхлорид, СС14). Катализаторами являются полигалоидные металлы, обычно А1С13 и BF3. По окончании полимеризации реагирующую смесь обрабатывают горячей водой или паром для удаления растворителя, а затем вводят противостаритель(0,15%) и стеарат цинка (2%) (для устарения липкости).
Установлено, что изопреновые звенья присоединяются в положение 1,4:
Средняя плотность 1 ВЯЗКОСТЬ поСредняя плотность 1 ВЯЗКОСТЬ помолекулярная масса БК равна 250 000—300 000,910 кг/м , температура г二二二二二二二 二7 二丁 С, Муни при 100° С равна 38—71.Бутилкаучук относится к легкокристаллизующимся каучу- ，二 j сравнению с НК он лучше набухает в алифатическихмолекулярная масса БК равна 250 000—300 000,910 кг/м , температура г二二二二二二二 二7 二丁 С, Муни при 100° С равна 38—71.Бутилкаучук относится к легкокристаллизующимся каучу- ，二 j сравнению с НК он лучше набухает в алифатическихстеклованиястеклования67—69° С,67—69° С,кам. Покам. ПоРастворителяхРастворителяхи стоек к спиртам, кетонам, эфирам и т. п.,и стоек к спиртам, кетонам, эфирам и т. п.,а также к растительным.емость БК и его вулканизатов во много раз ниже, чем У других СК, и уступает только газопроницаемости тиокола.По влагостойкости БК является одним из лучших (табл. \3), и вследствие этого, а также из-за малого количества 'фимесей (только остатки катализатора) и неполярности яс・ ^°дных мономеров он обладает высокими диэлектрическими свойствами (табл. 34)..а также к растительным.емость БК и его вулканизатов во много раз ниже, чем У других СК, и уступает только газопроницаемости тиокола.По влагостойкости БК является одним из лучших (табл. \3), и вследствие этого, а также из-за малого количества 'фимесей (только остатки катализатора) и неполярности яс・ ^°дных мономеров он обладает высокими диэлектрическими свойствами (табл. 34)..и животным маслам. Газопроница-и животным маслам. Газопроница-
Средняя плотность 1 ВЯЗКОСТЬ по
Средняя плотность 1 ВЯЗКОСТЬ по
молекулярная масса БК равна 250 000—300 000,
910 кг/м , температура г二二二二二二二 二7 二丁 С, Муни при 100° С равна 38—71.
Бутилкаучук относится к легкокристаллизующимся каучу- ，二 j сравнению с НК он лучше набухает в алифатических
молекулярная масса БК равна 250 000—300 000,
910 кг/м , температура г二二二二二二二 二7 二丁 С, Муни при 100° С равна 38—71.
Бутилкаучук относится к легкокристаллизующимся каучу- ，二 j сравнению с НК он лучше набухает в алифатических
стеклования
стеклования
67—69° С,
67—69° С,
кам. По
кам. По
Растворителях
Растворителях
и стоек к спиртам, кетонам, эфирам и т. п.,
и стоек к спиртам, кетонам, эфирам и т. п.,
а также к растительным.
емость БК и его вулканизатов во много раз ниже, чем У других СК, и уступает только газопроницаемости тиокола.
По влагостойкости БК является одним из лучших (табл. \3), и вследствие этого, а также из-за малого количества 'фимесей (только остатки катализатора) и неполярности яс・ ^°дных мономеров он обладает высокими диэлектрическими свойствами (табл. 34)..
а также к растительным.
емость БК и его вулканизатов во много раз ниже, чем У других СК, и уступает только газопроницаемости тиокола.
По влагостойкости БК является одним из лучших (табл. \3), и вследствие этого, а также из-за малого количества 'фимесей (только остатки катализатора) и неполярности яс・ ^°дных мономеров он обладает высокими диэлектрическими свойствами (табл. 34)..
и животным маслам. Газопроница-
и животным маслам. Газопроница-
Таблица 3.3. Влагопоглощенне БК по сравнению е другимикаучуками
Тип каучукаТип каучука2070' Время испытания, сутВремя испытания, сут14714147142070' Время испытания, сутВремя испытания, сут1471414714Влагопоглощенне при температуре, °CВлагопоглощенне при температуре, °CБутилкаучук0,21'НК1,0СКС-30 АРПД0,27ски-зд0,18скэп0,22Наирит1,8хспэ0,64Бутилкаучук0,21'НК1,0СКС-30 АРПД0,27ски-зд0,18скэп0,22Наирит1,8хспэ0,648 6 7 2 >2 <£35948 6 7 2 >2 <£35940,554,40,953,51,06,41,210,212,(1,071,051,3L5и1,071,21,61,70,680,99и1,38,81324,634,154,.14,37,321,533,797,10,554,40,953,51,06,41,210,212,(1,071,051,3L5и1,071,21,61,70,680,99и1,38,81324,634,154,.14,37,321,533,797,18 6 2 43 9 7 7 5038 6 2 43 9 7 7 503
Тип каучука
Тип каучука
20
70
' Время испытания, сут
Время испытания, сут
1
4
7
14
1
4
7
14
20
70
' Время испытания, сут
Время испытания, сут
1
4
7
14
1
4
7
14
Влагопоглощенне при температуре, °C
Влагопоглощенне при температуре, °C
Бутилкаучук
0,21
'НК
1,0
СКС-30 АРПД
0,27
ски-зд
0,18
скэп
0,22
Наирит
1,8
хспэ
0,64
Бутилкаучук
0,21
'НК
1,0
СКС-30 АРПД
0,27
ски-зд
0,18
скэп
0,22
Наирит
1,8
хспэ
0,64
8 6 7 2 >
2 <£3594
8 6 7 2 >
2 <£3594
0,55
4,4
0,95
3,5
1,0
6,4
1,2
10,2
12,(
1,07
1,05
1,3
L5
и
1,07
1,2
1,6
1,7
0,68
0,99
и
1,3
8,8
13
24,6
34,1
54,.
14,3
7,3
21,5
33,7
97,1
0,55
4,4
0,95
3,5
1,0
6,4
1,2
10,2
12,(
1,07
1,05
1,3
L5
и
1,07
1,2
1,6
1,7
0,68
0,99
и
1,3
8,8
13
24,6
34,1
54,.
14,3
7,3
21,5
33,7
97,1
8 6 2 4
3 9 7 7 503
8 6 2 4
3 9 7 7 503
Таблица 3.4. Электроизоляционные свойства БК
Условия испытания
Ру，Ом м
tgb
£
Е, МВ/,
До увлажнения при температуре, ℃:
20
2,1 -Ю13
0,004
2,2 '
25 ；
40
1,11013
0,005
2,3
65
4,6 1012
0,006
2,3
-1
85
2,1-1012
0,005
2,3 ,
100
8,5-Ю11
0,009 .
2,4.
После пребывания в воде в течение 14 сут при температуре, ℃:
20
2,1 • Оз
0,004
2,4
22 I
70
2,1-1012
0,007
2,5
18
Малое количество двойных связей в молекулах БК делает его пассивным к химическим воздействиям: кислороду, озону, кислотам. Так, при 130° С БК окисляется значительно медленнее БСК и особенно НК. БК с непредельностью 0,6——1 % позволяет получать резину, которая в напряженном состоянии не разрушается озоном при концентрации 0,15% (по объему). При воздействии концентрированных серной и азотной кислот вулканизаты из БК даже через несколько месяцев не изменяют своих свойств, в то время как резины из НК разрушаются уже через несколько часов.
При нормальной температуре БК обладает высокой упругостью, что затрудняет процесс изготовления резиновых смесей. Поэтому смешение резиновых смесей и их шприцевание и каландрование производят при повышенных температурах-
Так как БК является кристаллизующимся каучуком, введ与 ние активных наполнителей (технического углерода, белой сажи) не увеличивает прочности вулканизатов, однако 】“ этом повышаются эластичность и сопротивление раздиру
Ввиду малой неопределенности резиновые смеси из БК вулканизуются трудно. Это объясняется невысокой скоростью й узким плато вулканизации при использовании традиционных вулканизующих агентов. Для повышения технологичности резиновых смесей разработаны новые вулканизующие системы.
Для вулканизации изоляционных резин применяется система, состоящая из «-хинондиоксима, альтакса и пероксида марганца (или свинца), которая не вызывает коррозии токопроводящей жилы, придает вулканизату высокие тепл ост ойк ост ь, озоностой- кость и хорошие динамические свойства.
Недостатками резин из БК являются его пониженная «ползучесть» при повышении температуры и невысокая тем- пературостойкость. Так, при повышении температуры испытания от 20 до 100° С прочность БК падает более чем в 3 раза. Два этих момента очень важны, поскольку кабели большинства типов работают в тепловом режиме.
В настоящее время БК практически полностью заменен на этиленпропиленовый каучук. Следует, однако, отметить, что в последнее время ведутся работы по созданию галогенированных бутилкаучуков ——продуктов взаимодействия БК с хлором и бромом.
Галогенированные БК, сохраняя все ценные свойства БК, имеют ряд преимуществ, основными из которых являются совмещение и совулканизация с высоконепредельными каучуками, высокая скорость вулканизации, возможность получения теплостойких резин с относительно простыми вулканизирующими группами.
Этиленпропиленовый каучук. До начала 50-х годов из этиленовых углеводородов только изобутилен использовался для получения каучука в виде сополимера с изопреном (бутилкаучук). Попытка получить каучукоподобные продукты из более доступных и дешевых этиленовых углеводородов нормального строения не увенчалась успехом. Такая возможность возникла после открытия Циглером катализаторов, способных полимеризовать этилен при низких температурах и давлении с образованием высокомолекулярных полимеров. Каучуки из этилена и пропилена на катализаторах Циглера были впервые получены Натта.
В промышленных условиях выпускаются двойные предельные сополимеры этилена и пропилена (ЭДК) и тройные этилена, пропилена и диенового углеводорода (ЭПДК).
Благодаря ценному комплексу свойств этиленпропиленовые каучуки завоевывают все большую популярность в мировой практике. Эти каучуки наиболее дешевы, имеют наименьшую плотность, обладают уменьшенной тепло-свето-погодо-озоно- стойкостью, высокими диэлектрическими свойствами [16 -18].
Кабельная промышленность является одним из основных Потребителей ЭПК. Большинство кабельных фирм технически
развитых стран изготовляет изоляционные и шланговые резины (там, где не требуется маслостойкость) только из ЭПК. В настоящее время с изоляцией из ЭПК выпускают низ- ковольтные (силовые, судовые, шахтнь/е, шланговые) кабели, кабели на среднее напряжение (6—35 кВ) и высоковольтные кабели напряжением до 220 кВ.
В связи с этим этиленпропиленовые каучуки, во всяком случае для кабельной промышленности, можно рассматривать как каучуки общего назначения.
В настоящее время двойной ЭПК получают путем полимеризации этилена и пропилена в инертном растворителе (например, в н-гексане) или при избытке полипропилена в присутствии комплексного катализатора (соединения титана и ванадия плюс алюминий-алкид) при температуре 30° С и давлении 7 МПа. При получении тройных полимеров (ЭПДК) применяют третий мономер диенового типа.
Для кабельной промышленности в СССР выпускаются специальные диэлектрические каучуки СКЭП-240Д и СКЭПТ-40Д (СКЭПТ-Э40Д), которые отличаются от общепромышленных меньшим содержанием золы и нормированием содержания водорастворимых солей. Технологические свойства ЭПК (ЭПДК) зависят от средней молекулярной массы, ее распределения и химического состава.
Обычно применяют каучуки с вязкостью по Муни 30——40. Изготовление смесей в резиносмесителе обычно проводят при температуре 70——90° С в начале смешения и 120—130° С при выгрузке смеси. Для улучшения шприцуемости в качестве мягчителя рекомендуется вводить легкие минеральные масла.
Вулканизация этиленпропиленовых каучуков осуществляется, как правило, пероксидами, хотя каучуки, содержащие диеновый мономер, в принципе можно вулканизовать с помощью обычных систем из серы и органических ускорителей. Из большого числа пероксидов наибольшее применение получили пероксиды дикумила и диуретического бутила.
В отечественной кабельной промышленности применяется пероксид бис-?ире/и-бутилпероксидиизопропилбензола (зарубежный аналог «Пероксимон F-40»), который в отличие от пероксида дикумила не придает неприятного запаха вулканизатам, обеспечивает их высокие электроизоляционные свойства, хороший баланс между технологическими свойствами и степенью вулканизации резин, высокую теплостойкость и легкость совулканизации с другими полимерами, включая пластики. Образование трехмерной сетки протекает за счет отрыва радикалами, образующимися в результате распада пероксида, атома водорода от молекулы насыщенного полимера и возникновения в связи с этим свободных радикалов у третичного атома углеродной цепи.
62 Г
При использовании ЭПДК вулканизация проходит также 0 по двойным связям в боковой цепи, при этом плотность сшивки значительно возрастает [19].
Введение в резиновую смесь дополнительно серы, тиурама или других органических ускорителей способствует улучшению свойств вулканизата. Оксид цинка в количестве 3——5 частей (по массе) повышает сопротивление резин тепловому старению. В последние годы широкое применение нашли соагенты вулканизации бифункционального действия кремнийорганичес- кой природы, которые значительно увеличивают плотность сшивки, увеличивают взаимодействие между каучуком и наполнителем, а также гидрофобизируют последний, в результате чего резины становятся исключительно влагостойкими, а следовательно, сохраняют высокие электроизоляционные свойства в процессе увлажнения. За рубежом широкое распространение получили замещенные силаны общей формулы R】——Si— —(ОС2H5)з, где 7?[ = — SH, NH2, СН2 = СН—. В СССР также применяют замещенные силаны. Кроме того, используются также органосилоксаны и силазаны, причем последние значительно увеличивают термостойкость резин.
Высокие электрические параметры резин на основе ЭПК, правильно подобранные рецептуры позволили создать кабели высокого напряжения повышенной теплостойкости (с допустимой температурой изоляции 90° С вместо 65° С) и меньших габаритных размеров благодаря увеличению максимально допустимой напряженности электрического поля (до 4—5 МВ/м вместо 2——2,5 МВ/м). Это играет также важную роль при изготовлении кабельных жил на кабельных линиях непрерывной вулканизации.
Кроме изоляционных резин разработаны и широко применяются проводящие резины на основе ЭПК. Высокая проводимость таких резин (10——100 Ом см) достигается применением высокоактивных углеродов (ПМ-80Э, ПМ-100В и др.). Там, где не требуется маслобензостойкость, резины из ЭПК можно применять в шланговых резинах. Шланговые резины по ресурсу превосходят резины на основе каучуков общего назначения, при этом после 90 сут старения при 120° С резины сохраняют морозостойкость при температуре —55° С и озоностойкость при концентрации озона 0,01%.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Хлоропреновый каучук (ПХП)*——один из первых син- тетических каучуков, однако его значение сохраняется до сих ПоР- Кабельная промышленность является одним из основных его потребителей (10 —15% всего производства). Ассортимент Срабатываемых ПХП довольно широк.
Рис. 3.1. Схема соединения элементов структуры в молекуле хлоропренового . каучука при регулировании процесса полимеризаш<и меркаггтанами: 1 /—присоединение фрагментов регулятора; 2—разветвление у углеродного атома; 3\ звенья 3, 4; 4——звенья цис-1, 4; 5 ——разветвление по двойной связи; 6——присоединение фрагментов инициатора; 7—звенья I, 2; 8 г конец молекулы
Наиболее широко используются следующие группы каучуков: каучуки, модифицированные серой, с регулированием молекулярной массы с помощью тиурамоз; каучуки общегс назначения, регулированные меркаптанами; каучуки специального назначения с определенными свойствами.
Схематически строение полихлоропрена приведено на рис. 3.1 [21 ].
Основные марки отечественных и зарубежных типов ПХГ достаточно подробно описаны в литературе и поэтому здесь не приводятся.
До последнего времени в кабельной промышленности в основном применялся наирит марки КР-50, а также наирит марки ПНК. В 1988 г. начат серийный выпуск ряда другю марок наирита—ДКР, ДСН, ДМ, ДХ, ДС. Наирит марю ДС самостоятельно не применяется и в смесь вводится вместе основного полимера для уменьшения усадки. Так, при введенш 10 частей (по массе) наирита марки ДС вместо намрлт； марки ДН понижается усадка резиновой смеси.
Каучуки этой серии превосходят ранее применяемые п< стабильности при хранении и переработке, а вулканизаты нг их основе обладают несколько лучшей теплостойкостью.
Рецептура резиновых смесей на основе новых марок наирита технология изготовления резиновых смесей и их переработк； практически мало отличаются от применяемых ранее. Резинь
на основе хлоропреновых каучуков продолжают широко применяться в шланговых оболочках шахтных, силовых, судовых й других типов кабелей, где требуется маслостойкость, озоно-, светостойкость и повышенная стойкость к нераспространению горения. К сожалению, до настоящего времени не решена проблема создания наиритовых резин, сохраняющих длительное время достаточно высокую (до — 50° С) морозостойкость.
3・3・2・ Бутадиен-нитрнльный каучук (БНК) является продуктом совместной полимеризации бутадиена и нитрила акриловой кислоты. Из большого ассортимента БНК в кабельной промышленности применяются БНК только мягких марок (БНК- СКН-18МК, СКН-26МК и СКН-40МК) с фиксированной пластичностью (0,51—0,70) или твердостью по Дефо 600—800. Это связано с тем, что БНК жестких сортов практически не поддаются пластикации и не могут быть переработаны на червячных прессах.
Основными достоинствами БНК являются их высокая маслостойкость при повышенных температурах, а также теплостойкость. Специальные резины из БНК могут длительно работать на воздухе при 120° С (при условии защиты от действия света) и при 150° С (в маслах).
Низкие диэлектрические параметры БНК (ри^：107 Ом-м, tg3=0,2+0,3, е» 10-? 15) не позволяют использовать их в изоляционных резинах. Однако это же обстоятельство делает их незаменимыми при применении в электропроводящих резинах для экранов вьдсоковольтных и шахтных кабелей.
Резины из БНК обладают низко访 атмосферостойкостью и поэтому в чистом виде не применяются в шланговых оболочках. Однако при совмещении (СКН-18МК) с наиритом удается создать резины, которые можно длительно эксплуатировать на открытом воздухе в интервале температур от —60 до +90° С.
3・3・3・ Хлорированный полиэтилен (ХПЭ) является эластомером, который! производится путем хлорирования полиэтилена низкого давления. Содержание хлора в эластомере 36—42%, плотность. 1160 ——1250 кг/м3. Благодаря химической насыщенности полимерной цепи, наличию хлора он обладает высокой тепло- и термостойкостью, озоно- и атмосферостойкостью, стойкостью к маслам и топливам.
качест-качест-Вулканизация смесей на основе ХПЭ производится при помощи пероксидов (пероксид дикумила, 2,2-бис-бутилперокси- диизопропилбензол и др.) или облучения в присутствии соагентов (например, триалли лци анурат). Присутствие любых ароматических добавок снижает эффект вулканизации. В :е стабилизаторов в основном применяют соединения свинца (силикат свинца, свинцовые глет и сурьма). Оксид цинка °трицательно сказывается на теплостойкости резины, так как Инициирует дегидрохлорирование ХПЭ и его разложение. 5 3125'65
качест-
качест-
В качестве наполнителей могут быть использованы различные типы технического углерода, мела и диоксида кремния при условии, что РН наполнителя не должно быть менее 7. Наполнитель вводят в количестве 30——200 частей (по массе).
В качестве пластификаторов могут быть использованы сложные эфиры (диоктилсебацинат, диоктиладинат) и хлорированные парафины. Смешение резиновых смесей и их переработка производятся на обычном оборудовании.
За рубежом резины на основе ХПЭ широко используются при изготовлении изоляционно-шланговых, электропроводящих и шланговых оболочек кабелей и проводов, длительно работа- ющих при температурах 90° С в условиях воздействия масел, топлива и других агрессивных сред.
3・3・4・ Хлорсульфированный полиэтилен (ХСПЭ) получается путем пропускания хлора и сернистого ангидрида через раствор полиэтилена в четыреххлористом углероде. В полученном продукте на каждые 7 углеродных атомов приходится 1 атом хлора и на каждые 90 углеродных атомов——1 хлорсульфирован- ная группа, молекулярная масса ХСПЭ примерно 20 000.
Хлорсульфированный полиэтилен смешивается с наполни- телями без предварительной пластикации. Технический углерод и кремниевая кислота увеличивают прочность ХСПЭ.
Для повышения морозостойкости вводят пластификаторы класса сложных эфиров. Наиболее активной вулканизующей системой является комбинация органической кислоты (канифоль, стеариновая кислота) или тиазольных и дитиокар- баминовых производных с оксидами двухвалентных металлов, например, РЬО и MgO. Вулканизация обычно производится при температуре 150—J60° С. Резины на основе ХСПЭ могут длительно работать при температуре 90° С и кратковременно до 200° С.
Недостатком ХСПЭ является низкая морозостойкость. Эластичность резин сохраняется примерно до —30° С. В табл. 3.5 приведены электроизоляционные свойства резин на основе ХСПЭ.
Полиолефиновые термоэластопласты представляют собой предельные сополимеры этилена и пропилена с блоками различной структуры. Они состоят из этиленпропиленовой фазы с кремнийорганическими гомополимерными концевыми блоками, образующими термолабильные домены. Они могут быть несшитыми и частично сшитыми. Последние все более широко применяются в кабельной промышленности. Сшитыб 、полиолефиновые ТЭП получают путем динамической вулканизации, которая заключается в вулканизации каучуков в процессе их смешения, с термопластами и представляю^ собой частицы вулканизата, диспергированные в непрерывно^ термопластической матрице [22, 23].
66'
Таблица 3.5. Электроизоляционные снояства язоляциовной резины на основе ХСПЭ
Условия испытания
Ру，Ом м
tgS
£
£, МВ/м
До увлажнения при температуре, ℃:
20
8,5 1011
0,025
4,2
45,1
65
4,2 1010
0,380
12,6
85
4,5 108
1,0
10,0
После пребывания в воде при 20° С в течение времени, сут:
1
1,3 ю11
0,036
4,9
36,1
14
9・О°
0,246
9,3
9,1
Термоэластопласт марки сантопрен фирмы Monsanto (США), полученный динамической вулканизацией, представляет собой олефиновую многофазную систему, работоспособную в интервале температур от —40 до + 125° С (кратковременно — до 150° С).
Теплостойкость и погодостойкость сантопрена весьма высоки: при испытании в везерометре или в термостате при 125° С в течение 1000 ч прочность, относительное удлинение и модуль упругости при 100%-ном удлинении сохраняют не менее 85% первоначального значения. Он выдерживает воздействие озона в течение 70 ч при концентрации 50 млн'1.
Температура хрупкости сантопрена различных марок находится в пределах от —34 до —60° С.
Все сорта сантопрена хорошо шприцуются, при этом наибольшая производительность наблюдается на прессах с од- нозаходными шнеками при 工/£)= 24:1, степени сжатия 3:1.
Полиэфирные термоэластопласты (ТЭП) синтезируют из трех компонентов ——диметилтерефталата, полигликоля и короткоцепных диодов. В результате получается блок-сополимер с чередующимися мягкими блоками (аморфная фаза), состоящими из эластичных сегментов политетраметиленгликоля, и жестки'ми блоками политетраметилентерефталата (кристаллическая фаза).
Сочетание низкой температуры стеклования с высокой температурой плавления позволяет использовать эти полимеры Ь широком интервале температур.
Рекомендованные для практического применения полнзфнр- Hbie ТЭП характеризуются очень высокими физико-механичес- кимм показателями: сопротивлением разрыву выше 40 МПа, относительным удлинением 500—800%. Эти свойства ТЭП сохраняются до 150° С и выше. Полиэфирные ТЭП имеют Также хорошую теплостойкость: в течение 1 мес при 120° С йх свойсгва практически не ухудшаются, а после пребывания в течение 14 сут при 150° С сопротивление разрыву снижается "° 19一35 МПа. Температура хрупкости ниже —70° С.
Фирма Du Pont выпускает различные типы полиэфирных ТЭП Hytrel различных марок (4055, 4056, 5555 и др.), различающихся молекулярной массой и применяющихся в ка、 честве шланговых оболочек кабелей. j
Хайтрел обладает высокой влагонепроницаемостью, вне。』 кой стойкостью к истиранию, стойкостью ко многим маслам и топливам, сохраняет гибкость при низкой температуре. Полиэфирные ТЭП легко перерабатываются на обычном экструзионном оборудовании. I
СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ ПОВЫШЕННОЙ НАГРЕВОСТОЙКОСТИ
Силоксановый каучук и резины на его основе. Развитие современной техники потребовало создания новых эластичных! материалов, работающих в диапазоне температур от —60 до| 4-250° С и имеющих достаточно высокие физико-механические и диэлектрические параметры. В наиболыпей степени этим требованиям отвечают резины на основе силоксановых каучуков. - j
Силоксановые каучуки представляют собой высокомолеку^! лярные кремнийорганические соединения, которые получаются при конденсации силандиолов и представляют собой цепи чередующихся атомов кремния и кислорода: 1
где Rj и R2 могут быть как алифатическими, так и ароматичес^ кими радикалами, придающими каучукам специфические свой： ства.
В Советском Союзе выпускаются наряду с диметилполисилоксанами (СКТ) метилвинилполисилоксаны (СКТВ)5 метил- винилфенилполисилоксаны (СКТМФ) и др. Силоксановые каучуки имеют молекулярную массу 400 0001 000 000.
В кабельной промышленности применяют, как правило, готовые резиновые смеси на основе силоксановых каучуков. Это обстоятельство значительно упрощает весь цикл изготовления электротехнических изделий. Силоксановые резиновые смеси представляют собой малокомпонентные системы,叫 стоящие, в основном, из каучука, наполнителя и вулканиз)! ющего агента. Л
В качестве усиливающего наполнителя применяется тонк<я дисперсный диоксид кремния (аэросил), который позволяв получать резины с высокими физико-механическими парамея 68 I
рами. Кроме кремнеземных наполнителей применяются другие инертные наполнители, которые придают резинам специфические свойства: улучшают шприцуемость (диоксид титана), повышают твердость и маслостойкость (каолин, диатомит), придают электропроводность (технический углерод).
При применении кремнеземных наполнителей (аэросила) наблюдается изменение технологических свойств резиновых смесей, т. е. происходит структурирование, что, в свою очередь, является следствием взаимодействия макромолекул каучука с активным кремнеземным наполнителем. Для предотвращения этого явления в силоксановые смеси вводятся специальные антиструктурирующие добавки (низкомолекулярные силоксан- диолы), которые существенно замедляют структурирование смесей.
Для усиления отдельных свойств силоксановых резин в их состав вводятся небольшие количества специальных добавок, в основном, оксидов и диоксидов металлов переменной валентности, которые повышают сопротивление резин тепловому старению, сопротивление деструкции при высоких температурах в условиях ограниченного доступа воздуха и другие свойства.
В отличие от резиновых смесей на основе органических каучуков силоксановые резиновые смеси，вулканизуются органическими пероксидами (пероксидами бензоила, дикумила, дитретичного бутила, 2,4-дихлорбензоида и др.). Вулканизация пероксидами протекает в результате дегидрирования боковых радикалов с последующей сшивкой молекулярных цеяей углеродными мостиками.
Существуют другие способы вулканизации силоксановых резин: радиационная вулканизация (воздействие у-лучей или элементарных частиц высокой энергии), вулканизация по функциональным концевым группам, преимущественно гидроксиль- нмм (гидросилилирование).
В процессе вулканизации выделяются продукты разложения пероксида, которые в определенных количествах сохраняются ^ резинах в свободном и связанном виде и после вулканизации, в этом отношении пероксид дакумила имеет некоторое преимущество перед пероксидом бензоила, так как образующа- :при распаде последней бензойная кислота снижает теп- ^остойкость резин, особенно в условиях ограниченного доступа оздуха, что выражается в снижении механической прочности ：знн и появления липкости. Поэтому вулканизацию силок- Новых резиновых смесей, как правило, проводят в две :?ии: первая стадия при температуре 120—150° С под й лением или при 325—-375° С без давления на воздухе вс：т°Ра& стадия в термошкафу с циркулирующим горячим 3ДУхом при температуре 200—250° С (обычно на 25° С выше
температуры эксплуатации изделий). Продолжительность вти・ рой стадии зависит от толщины вулканизуемого изделия.
Во время второй стадии вулканизации, во-первых, удаляются летучие, главным образом, продукты разложения перок- сида, низкомолекулярные продукты реакции и др., а во-вторых, улучшаются физико-механические и диэлектрические параметры резин, особенно при низких и высоких температурах.
Вторую стадию вулканизации нельзя заменить увеличением длительности процесса или повышением температуры на первой стадии вулканизации.
Силиконовые резины не совмещаются с резиновыми смесями на основе органических каучуков, поскольку при попадании в смесь на основе силоксановых каучуков веществ, содержащих ненасыщенные связи (неозон Д, каптакс и др.), вулканизация смеси не происходит.
В кабельной промышленности силоксановые резины применяются в качестве изоляционной оболочки проводов и ка- белей. Основными требованиями электротехнической промышленности к силоксановым резиновым смесям являются стабильность свойств во времени, пригодность к шприцуемости и возможность вулканизации в воздушной среде при атмосферном давлении в течение всего срока хранения смесей.
В настоящее время силоксановые резиновые смеси благодаря применению эффективных антиструктурирующих добавок не требуют предварительного вальцевания перед их переработкой в изделия. Одаако в некоторых случаях необходимо вальцевание смесей, которое может осуществляться на обычных вальцах при температуре валков не выше 40° С.
Шприцевание смесей может осуществляться на червячных прессах, используемых в резиновой промышленности. Плавная работа червячного' пресса обеспечивается при принудительном его питании с помощью питающего ролика.
Непрерывная вулканизация без давления в горячем воздухе——наиболее распространенный способ вулканизации кабельных нздений. Время вулканизации и связанные с ним скоросп! шприцевания определяются толщиной оболочки, температурой, диаметром изолируемого изделия и длиной вулканизационной камеры. Непрерывную вулканизацию кабельных изделий можно проводить также в паровой среде под давлением.
Отличительным свойством силоксановых резин является их высокая теплостойкость. Обычная температура эксплуатации силоксановых резин 180° С, но они могут длительно работать при температуре 200—250° С и кратковременно при 300° С, при этом физико-механические параметры остаются на достаточно высоком уровне. Распад цепей вулканизованного полимера начинается при 400° С. 金
Теплостойкость, морозостойкость и другие свойства силсив сановых резин зависят от применяемого типа силоксановое 70 / 1
каучука, имеющего различные органические радикалы в бо- кОвой цепи (метильные, винильные, этильные, 3,3,3-трифтор- пропильные). Заменой части метильных звеньев на винильные достигается увеличение скорости вулканизации резиновых сме・ сей. Введение небольших количеств фенильных звеньев позволяет нарушить регулярность структуры полимера и повысить морозостойкость силоксановых резин.
Силоксановые резины кроме высокой теплостойкости и мо- розостойкос!и обладают также высокой озоиостойкостью, малым влагопоглощением, хорошей огнестойкостью и имеют высокие диэлектрические свойства, мало изменяющиеся в процессе увлажнения и в диапазоне температур от 20 до 200° С.
Фторсилоксановые резиновые смеси изготовляются на основе фторсилоксановых каучуков. Фторсилоксановые каучуки получаются методом полимеризации органоциклосилоксанов, где часть метильных звеньев метилоксанового каучука заменена на 3,3?3-трифторопропил.
Введение в силоксановые полимеры 3,3,3-трифторпропиль- ных звеньев позволяет получать фторсилоксановые резины с повышенной стойкостью к воздействию алифатических, ароматических и хлорсодержащих растворителей.
Основным наполнителем фторсилоксановых резин является тонкодисперсный диоксид кремния, обеспечивающий наибольшую прочность. Применяются и инертные наполнители. Для повышения термостойкости вводят комбинацию даоксида титана и красного оксида железа. При комнатной температуре механические параметры фторсилоксановой резины ниже, чем резины на основе фторкаучука, но при повышении температуры до 200——250° С ее прочность падает незначительно в отличие от резин на основе фторкаучуков.
Фторсилоксановые резины обладают высокой морозостойкостью ( — 60° С). Переработка фторсилоксановых резиновых смесей производится аналогично переработке силоксановых резин. Вулканизуются резиновые смеси в две стадии: первая ——в прессе или на воздухе и вторая——прогрев в термошкафу при 200° С в течение 6-—12 ч.
С учетом требований кабельной промышленности разработаны рецептуры силоксановых резин специального назначе- ния. Это такие требования:”.
+ 200^°ТОСПОСО^НОСТЬ в интеРвале температур от —60 до повышенная теплостойкость с работоспособностью в интервале от —60 до +250。С;
повышенная тепло- и морозостойкость с работоспособностью в интервале температур от —90 до +250°;
Резина не должна подвергаться дополнительному термо- статированию;
Таблица 3.6. Фнзнко-механнческне н диэлектрические данные силоксановых резин
Показатель
Резина
общего назначения
повышенной теплостойкости
повышенной тепло- морозостойкости
не распространяющая горения
че требующая дополнительного термостатирования
фторсилоксановая
Разрушающее напряжение при растяжении,
6,5—8,5
6?5—7,5
6,5—8,0
6,0—6,5
6,А8,5
6,0—7,5
МПа
Относительное удлинение при разрыве, %
300—350
350—400
350—400
350—450
350-^00
300—400
После теплового старения при 250° С в течение 72 ч
Разрушающее напряжение -при растяжении,
4,5—6,0
—
4,1,5
5,0—6,5
-4,1,5
МПа
Относительное удлинение при разрыве, %
180—220
—
—
120—180
180—250
180—200
После теплового старения нрн 300° С в течение 72 ч
4,1,5
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа
4,0~4,5
Относительное удлинение при разрыве, %
150-180
150—180
Электрические показатели после увлажнения
Удельное объемное сопротивление, Ом ■ м
(1—5)-1013
(1—5)1013
(1—5)1013
(1—5> IO'?
(1—55)1013
1-1012
Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6
Диэлектрическая про ницаемость
Электрическая прочность, МВ/м
0,007
2,9 22—27
0,005 2,9 22У8
0,005 2,9 22—28
0,01
3,0 ■ 25—30
0,006 3,0 22—28
0,03 4,9 20
Коэффициент морозостойкости при —70° С
—
0,5
по эластическому восстановлению
Кислородный индекс (по АЬГМ 2863)、
—
—
38
29
3,5—4,0
Набухание в соляровом масле при 150° С в течение 72 ч, % (по массе)
резина не дошкна распространять горення; повышенная масмобензостойкость длЕпанговойЕ обшюнки ваботоспособностью в интервале температурт —60 до ^^ С
сштоксановьЕ резнны применяются в качестве30nяионной о^ойол§ TenJIOCTOK0x проводов н ир^й^ разнвнного назнанс— дй»- в выводных Пров£ахпп2 зпектродв0raTene9 MOHTOCHbIX” авнаиноннЕХ нагревательных проводах》судовых кабелях со сроком слу 关 бьт 25 летпр・
К недостаткам силоксановь1Х резнн мо 关 но отнест0Hx ннзкое сопротввнение раздмру“ набухание в бензине S аро— матнескмх углеводорода" а так 第 е нх малую стокость к воздействию минеральных кислот в Еепо工ей》особенно при зксгремальнЕХ температурах*
В табл， 3.6 приведены основньк ^xws«OISOHP®s^ao«sa н днзпектрнческие даннзые силоксановых резн различного азнанения・
3.42 вн©^фй^1я» ^^^^, Ha60nbiнее распространение понунн-Л0 TPнхяр фторсодер 关 аЕ0х зластомсров- с содержанием фтора 53—70% на основе даядя§йая^но^яй^ (CF2MCH2) с гексафторпропипеном (CF2MCF — CF3) н ВН0— лиденеторнда с трнеторхлорзтнленом (CF2UFQ) с работоспособностью в интервале температур от —40 до +200。С с высокой термо/ хим? S коррозионной стойкостью) с сопер*анием фтора 30 — 40% (еторснпоксановЕе) с ра{ ботоспособностьз от —55 до +250。С в сонетаюпще высокую термостойкость ояйоио^яодаоно кауаукамаслостоЛкостъ етор， каучук身 - ^но^ё«х^ф«ож^фо^^моио»^& каучук〉ио свойствам близкий корсилоксанам，
Фторкаууукв обладают - достаточно «Г§3^ термостойко— зьюз что объясняется большой 3Hepreсвязке С ——F (от 400 До 500 кдмоль)・ попнам насьпцснностъ еторсодержапхнх каучуков обусловлшвает их хмческую стойкость к кнслороду” озону” маслам” автоматическим" алифатнческнмхпорнрован— НЕМ уптеводородам 11P0 гювшпенных температурах，Набуханве вызывают полярньа растворнтелн" а также ледяная уксусная кнснот戶 Под вли2HHeм Еепонн аторкаунукн ГНПРШ1НЗУЮТС2, GHO^^P^^^S Рад0аионно яаонф^лх- атак воздействие Y- f ^йикм они он^^^н^^х^^зн- что выражается в потере CTBOP0Moeти и резком изменении механических свойств- еторкаучукн имеют удовнетворнтелькые злектркнескне сво §ваР0 нормальнотемпературе" которьс температуры заметно ухудшаютсямто связано ностью*
аовьппенаем с их поляр—
резина на основе фторкаудуков являются ентнмн системами и • состоят нз каучук 尸
малокомпо— наполнителя”
73
ПоказательРезина на основекаучука СКФ-26каучука СКФ-260ДРазрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение при ^зрмве % Морозостойкость (на эргометпе 16.К71-098-90)Р ометре поМГк—ТУ12,2 290 -30℃21,0 393 -40° СДиэлектрические характеристикиПосле увлажнения при 20°—24 чУдельное объемное сопротивление. Ом мТангенс угла диэлектрических потёпь Диэлектрическая проницаемость1,2-10114 10100,0900,039Электрическая прочность, МВ/мПосле набухания в щелочи рН^Ю щж 1500 R течение 50 чнв25、6,5 ЙРазрушающее напряжение при пастяжрмии &#гт Относительное удлинение п& 鷗嚣:嘰，МПа После набухания в дизельном топливе при 150。С в течение 50 ч с ПРИ с36,632596,6 695Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение прт 矗；麓嘴МПа54,9280"9,7 490ПоказательРезина на основекаучука СКФ-26каучука СКФ-260ДРазрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение при ^зрмве % Морозостойкость (на эргометпе 16.К71-098-90)Р ометре поМГк—ТУ12,2 290 -30℃21,0 393 -40° СДиэлектрические характеристикиПосле увлажнения при 20°—24 чУдельное объемное сопротивление. Ом мТангенс угла диэлектрических потёпь Диэлектрическая проницаемость1,2-10114 10100,0900,039Электрическая прочность, МВ/мПосле набухания в щелочи рН^Ю щж 1500 R течение 50 чнв25、6,5 ЙРазрушающее напряжение при пастяжрмии &#гт Относительное удлинение п& 鷗嚣:嘰，МПа После набухания в дизельном топливе при 150。С в течение 50 ч с ПРИ с36,632596,6 695Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение прт 矗；麓嘴МПа54,9280"9,7 490Таблица 3.7. Физико-механические иоснове фтор禽片需46cMM ^^о ₽ез« наТаблица 3.7. Физико-механические иоснове фтор禽片需46cMM ^^о ₽ез« нарующим действием и позволяют изготовлять шприцующиеся композиции резиновых смесей, которые легко перерабатывать на обычных червячных прессах и вулканизовать на воздухе без давления. При этом повышенная вулканизационная активность каучука СКД-260Д позволяет использовать для вулканизации менее активные пероксиды (хлорированный пероксид бензоила).Вулканизация резиновых смесей на основе фторкаучуков производится, как правило, в две стадии: первая——в прессе № вулканизационном котле при 140——160° С в течение 15—30 шш, вторая — в термошкафу при 200° С в течение 〔2—24 ч. Вторая стадия проводится для достижения оптималь- HRx свойств вулканизатов при всех способах вулканизации нервов стадии. При второй стадии удаляются газообразные продукты, образующиеся при разложении вулканизующихся агентов, и организуются поперечные связи ароматического ；；рактера, которые устойчивы при высоких температурах. При ”0—200。С резины на основе фторкаучуков не претерпевают рачительных изменений, однако при температуре выше 200° С Рочностные свойств^ резко меняются.Существенным недостатком резин является их низкая мо- ^зостойкость (до -25° С) ввиду сильного межмолекулярного зимодействия.рующим действием и позволяют изготовлять шприцующиеся композиции резиновых смесей, которые легко перерабатывать на обычных червячных прессах и вулканизовать на воздухе без давления. При этом повышенная вулканизационная активность каучука СКД-260Д позволяет использовать для вулканизации менее активные пероксиды (хлорированный пероксид бензоила).Вулканизация резиновых смесей на основе фторкаучуков производится, как правило, в две стадии: первая——в прессе № вулканизационном котле при 140——160° С в течение 15—30 шш, вторая — в термошкафу при 200° С в течение 〔2—24 ч. Вторая стадия проводится для достижения оптималь- HRx свойств вулканизатов при всех способах вулканизации нервов стадии. При второй стадии удаляются газообразные продукты, образующиеся при разложении вулканизующихся агентов, и организуются поперечные связи ароматического ；；рактера, которые устойчивы при высоких температурах. При ”0—200。С резины на основе фторкаучуков не претерпевают рачительных изменений, однако при температуре выше 200° С Рочностные свойств^ резко меняются.Существенным недостатком резин является их низкая мо- ^зостойкость (до -25° С) ввиду сильного межмолекулярного зимодействия.
Показатель
Резина на основе
каучука СКФ-26
каучука СКФ-260Д
Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение при ^зрмве % Морозостойкость (на эргометпе 16.К71-098-90)Р ометре по
МГк
—
ТУ
12,2 290 -30℃
21,0 393 -40° С
Диэлектрические характеристики
После увлажнения при 20°—24 ч
Удельное объемное сопротивление. Ом м
Тангенс угла диэлектрических потёпь Диэлектрическая проницаемость
1,2-1011
4 1010
0,090
0,039
Электрическая прочность, МВ/м
После набухания в щелочи рН^Ю щж 1500 R течение 50 чнв
25
、6,5 Й
Разрушающее напряжение при пастяжрмии &#гт Относительное удлинение п& 鷗嚣:嘰，МПа После набухания в дизельном топливе при 150。С в течение 50 ч с ПРИ с
36,6
325
96,6 695
Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение прт 矗；麓嘴
МПа
54,9
280
"9,7 490
Показатель
Резина на основе
каучука СКФ-26
каучука СКФ-260Д
Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение при ^зрмве % Морозостойкость (на эргометпе 16.К71-098-90)Р ометре по
МГк
—
ТУ
12,2 290 -30℃
21,0 393 -40° С
Диэлектрические характеристики
После увлажнения при 20°—24 ч
Удельное объемное сопротивление. Ом м
Тангенс угла диэлектрических потёпь Диэлектрическая проницаемость
1,2-1011
4 1010
0,090
0,039
Электрическая прочность, МВ/м
После набухания в щелочи рН^Ю щж 1500 R течение 50 чнв
25
、6,5 Й
Разрушающее напряжение при пастяжрмии &#гт Относительное удлинение п& 鷗嚣:嘰，МПа После набухания в дизельном топливе при 150。С в течение 50 ч с ПРИ с
36,6
325
96,6 695
Разрушающее напряжение при растяжении Относительное удлинение прт 矗；麓嘴
МПа
54,9
280
"9,7 490
Таблица 3.7. Физико-механические и
основе фтор禽片需46cMM ^^о ₽ез« на
Таблица 3.7. Физико-механические и
основе фтор禽片需46cMM ^^о ₽ез« на
рующим действием и позволяют изготовлять шприцующиеся композиции резиновых смесей, которые легко перерабатывать на обычных червячных прессах и вулканизовать на воздухе без давления. При этом повышенная вулканизационная активность каучука СКД-260Д позволяет использовать для вулканизации менее активные пероксиды (хлорированный пероксид бензоила).
Вулканизация резиновых смесей на основе фторкаучуков производится, как правило, в две стадии: первая——в прессе № вулканизационном котле при 140——160° С в течение 15—30 шш, вторая — в термошкафу при 200° С в течение 〔2—24 ч. Вторая стадия проводится для достижения оптималь- HRx свойств вулканизатов при всех способах вулканизации нервов стадии. При второй стадии удаляются газообразные продукты, образующиеся при разложении вулканизующихся агентов, и организуются поперечные связи ароматического ；；рактера, которые устойчивы при высоких температурах. При ”0—200。С резины на основе фторкаучуков не претерпевают рачительных изменений, однако при температуре выше 200° С Рочностные свойств^ резко меняются.
Существенным недостатком резин является их низкая мо- ^зостойкость (до -25° С) ввиду сильного межмолекулярного зимодействия.
рующим действием и позволяют изготовлять шприцующиеся композиции резиновых смесей, которые легко перерабатывать на обычных червячных прессах и вулканизовать на воздухе без давления. При этом повышенная вулканизационная активность каучука СКД-260Д позволяет использовать для вулканизации менее активные пероксиды (хлорированный пероксид бензоила).
Вулканизация резиновых смесей на основе фторкаучуков производится, как правило, в две стадии: первая——в прессе № вулканизационном котле при 140——160° С в течение 15—30 шш, вторая — в термошкафу при 200° С в течение 〔2—24 ч. Вторая стадия проводится для достижения оптималь- HRx свойств вулканизатов при всех способах вулканизации нервов стадии. При второй стадии удаляются газообразные продукты, образующиеся при разложении вулканизующихся агентов, и организуются поперечные связи ароматического ；；рактера, которые устойчивы при высоких температурах. При ”0—200。С резины на основе фторкаучуков не претерпевают рачительных изменений, однако при температуре выше 200° С Рочностные свойств^ резко меняются.
Существенным недостатком резин является их низкая мо- ^зостойкость (до -25° С) ввиду сильного межмолекулярного зимодействия.
вулканизующего агента и активатора. В качестве наполнителе^
фторсодержащих каучуков применяются, главным образом, диоксид кремния (аэросил, белая сажа) и фториды различных металлов. При введении технического углерода снижается стойкость к окислительным средам. Минеральные наполнители вызывают снижение скорости вулканизации резин, технический углерод способствует ускорению вулканизации.
Для вулканизации применяются органические пероксиды (пероксид дикумила и пероксид бензоила) и полифункциональ ные амины. Перекисная вулканизация в отличие от других способов дает наиболее термосто访кме и стойкие к агрессивны^ средам вулканизаты.
Активаторами вулканизации являются оксиды металлов (оксиды цинка, свинца, кальция), которые служат, кроме того} акцепторами HF и способствуют образованию сетчатых струк. тур. Чаще для этих целей используется оксид кальция.
Фториды металлов способствуют повышению теплостойкости резин (особенно активен фторид кальция). Повышение сопротивления раздиру достигается при применении в качестве наполнителя диоксида кремния (аэросила).
Иногда для улучшения перерабатываемое™ добавляют небольшое количество пластификатора. Пластификаторы да фторкаучуков должны быть нелетучи^ температуростойки, хорошо совмещаться с полимером и не замедлять процесса вулканизации. Небольшие добавки органических каучуков, такш, как этиленпропиленовый (около 10 частей по массе), не только улучшают технологические свойства каучуков, но также повышают их эластичность, морозостойкость, практически не снижая ш стойкости к агрессивным средам. При добавлении небольшого количества низкомолекулярного полиэтилена (0,5——2 части по массе) улучшаются технологические характеристики без заметного ухудшения механических свойств и сопротивления тепловом? старению, но при этом снижается стойкость к гидроксидам,
Высокая жесткость фтор каучуков затрудняет их переработку, и по этой причине они до сих пор не нашли широкого применения в кабельной промышленности.
Смеси изготовляют на холодных вальцах (температур валков не выше 40° С). Введение ингредиентов в каучук н£ вызывает затруднений. В процессе вальцевания фторкау не изменяют своей пластичности. Смеси на основе фторк учуков можно изготовлять и в резиносмесителе, но цй смешения равен не более 2——2,5 мин, а вулканизующий аге вводят на вальцах или во втором цикле смешения в резий смесителе при температуре не выше 70° С.
Для широкого внедрения фторкаучуков в кабельной пр, мышленности необходимо создание шприцующихся комп°з ций. Фторолигомерные масла обладают хорошим пластифи 74
Резины на основе каучука СКФ-260Д имеют морозостойкость — 40° С, что объясняется наличием гетероатомов между фторированными углеродными атомами каучука, которые по. зволили нарушить упорядоченность структуры и снизить температуру стеклования каучука.
Резины на основе фторкаучуков не поддерживают горения и после удаления из пламени моментально затухают. Кислород, ный индекс для /резин с оксидом магния составляет 55.
Стойкость резин к свету, озону, воздействию микроор. ганизмов, минеральных масел и многих растворителей придает им большую ценность.
В кабельной промышленности резины на основе фторсодер. жащих каучуков используют в качестве изоляционно-шланговых оболочек термостойких проводов и кабелей, эксплуатируемых в условиях попадания агрессивных сред.
Основные физико-механические и электроизоляционные показатели резин на основе фторкаучуков приведены в табл. 3.7.
35 ИНГРЕДИЕНТЫ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
Ускорители вулканизации. В кабельной промышленности, как в отечественной, так и за рубежом, используются следующие типы ускорителей вулканизации: тиазолы, гуанидины, тиурамы, дитиокарбаматы, амины.
Тиазолы一一это ускорители вулканизации средней активности, обеспечивающие широкое плато вулканизации. 2-меркаптобенз- тиазол (каптакс)——наиболее распространенный ускоритель вулканизации шланговых резин. Он используется в комбинации с серой, тиурамами или гуанидинами для сшивания композиций на основе НК, бутадиеновых и бутадиен-стирольных каучуков, а также этиленпропиленовых тройных сополимеров.
Дибензотиазолилдисульфид (альтакс)—-ускоритель вулканизации, применяющийся самостоятельно или в сочетании с дру гими типами ускорителей вулканизации. Он использует^, в резинах на основе полихлоропрена как замедлитель процесса вулканизации, обеспечивающий исключение подвулканизаций
Гуанидины представляют собой ускорители вулканизаций замедленного действия. Дифенилгуанидин (гуанид Ф) йен。毋 зуется в сочетании с тиазолами и другими ускорителям! в смесях на основе комбинации натурального и синтетически бутадиен-стирольных каучуков. Помимо дифенилгуанидина ； рубежом используется О-толилгуанидин (Vulkacit DOT( „Bayer**), по свойствам аналогичный дифенилгаунидину.
Тиурамы обеспечивают высокую скорость вулканиза^ Их можно применять самостоятельно или в сочетании с 40 гими ускорителями, они способны вулканизовать кау4^ в отсутствие серы.
76 • I
Тетраметилтиурамдисульфвд (тиурам Д) используется в сочетании с тиазолами и серой в шланговых резинах, в изо дяционных резинах применяется без серы и выполняет функцию вулканизующего агента. Тиурам Д придает вулканизатам высокую стойкость к термическому старению.
Дитиокарбаматы——это ультраускорители, процесс вулканизации которых характеризуется коротким плато. Димечил- дитиокарбамат цинка (цимат) используется в резиновых смесях, предназначенных для изоляции токопроводящих жил проводов й кабелей, на кабельных линиях непрерывной вулканизации применяется в сочетании с тиурамом Д. Он придает вулканизатам хорошее сопротивление старению.
К ускорителям типа аминов относятся ускорители, специально предназначенные для вулканизации резин на основе полихлоропрена, в частности 2-меркаптоимидазолин (роданин S-62). Вулканизаты с 2-меркаптоимидазолином обладают хо-, рошим сопротивлением старению. Недостатком этого уско-' рителя является его высокая токсичность. Для снижения токсичности в настоящее время зарубежные фирмы для вулканизации полихлоропрена предлагают новые, менее токсичные материалы.
Активаторы вулканизации. В качестве активаторов вулканизации кабельных резин используйся, в основном, оксид цинки в сочетании со стеариновой кислотой. За рубежом в кабельной промышленности наряду с оксидом цинка применяются оксиды свинца и сурьмы. В качестве активаторов перекисной вулканизации используются специальные вещества типа производных этиленгликолей, циануратов, метакрилатов и др.
Противостарители. В кабельном производстве для защиты резиновых оболочек кабельных изделий от разрушительного действия кислорода, озона, тепла и света используются противостарители—антиоксиданты и антиозонанты. По специфическим признакам их можно разделить на следующие группы.
丄 Окрашивающие антиоксиданты с озонозащитным эффек- 、 том. Противостарители этой группы окрашивают полимерные материалы в процессе их изготовления и эксплуатации и поэтому используются только для производства темных изделий. К таким противостарителям относятся производные w-фенилен- Диамииов (^-изoпpoпил-^,-фeнил-?z-фeниJIeндиaмин, ^(1,3-ди- метилбутил)-^-фенил-п-фенилендиамйн, смесь диарил-и-фени- лендиаминов).
В отечественном кабельном производстве используется, в основном, Мизсшрсшнл-ТУ'-фенил-^-феннненднамнн (диафен , ①П, Vulkanox 4010N А). Это антиоксидант с очень хороишм озонозащитньгм эффектом. Он защищает резины от воздействия
тепла, кислорода, металлических ядов, повышает сопротивление резин к коронному разряду и используется в кабельных резинах в сочетании с защитными восками.
Окрашивающие антиоксиданты без озонозащитного 3办 фекта. Противостарители этой группы защищают полимерные композиции только от воздействия тепла и кислорода. К ним относятся производные нафтиламина (фенил-а-нафтиламин, фе- нил-Р-нафтиламин), дифениламина, дигидрохинолина. Из этой группы противостарителей наибольшее применение в кабельных резинах нашли фенил-Р-нафтиламин (нафтам-2, Vulkanox pan) и 2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолин полимеризованный (ацето- нанил, Vulkanox HS).
Нафтам-2 и ацетонанил эффективно защищают от термического старения изоляционные и шланговые резины на основе каучуков общего назначения. Ацетонанил особенно эффективен в комбинации с другими противостарителями, он широко используется в резинах на основе ЭПДК, так как эффек1ивно защищает их от термической деструкции.
Неокрашивающие антиоксиданты без озонозащитного эффекта не влияют на цвет полимерных композиций и применяются для изготовления белых и цветных изделий. К неокрашивающим антиоксидантам относятся химические соединения, представляющие собой смеси алкил- и аралкилированных фенолов, производные п-крезола, меркаптобензимидазола, специально гидрированные биг-фенолы и многоядерные фенолы.
Наиболее распространенными неокрашивающими антиоксидантами являются следующие химические соединения: 2,2- метилен-бис-(4-метил-6-/ире/и-бутилфенол) (НГ-2246, Vulkanox BKF)——эффективный ингибитор термоокислительной деструкции, нетоксичен, защищает резины от поверхностного ф'отоокис- ления и от воздействия металлических ядов; 2.6-^~трет- бутил-п-крезол (Jonol, Vulkanox КВ)——защищает резины от воздействия тепла и света, нетоксичен; меркаптобензимидазол (МБИ, Vulkanox МВ)——в комбинации с другими противостари- телями образует синергетические системы, защищающие резины от воздействия кислорода, тепла, металлических ядов.
Неокрашивающие антиозонанты. За рубежом в кабельном производстве в рецептуре светлых и цветных резин на основе диеновых каучуков используются химические вещества типа циклических ацеталей и их композиции с неорганическими наполнителями и парафиновыми восками.
Ингибиторы атмосферного старения； К этой группе противостарителей относятся воскоподобные материалы, защищающие резины от атмосферного растрескивания, возникающего под воздействием озона и солнечной радиации.
Защитные воски представляют собой смеси очищенных парафиновых фракций и микрокристаллических восков. Имея
небольшую растворимость в вулканизованной резине, воски мигрируют на ее поверхности и образуют непрерывную защитную пленку. В зависимости от назначения используются воски с различным молекулярно-массовым распределением.
В отечественном кабельном производстве применяются защитные воски мелкокристаллической структуры: сплав АФ-1, представляющий собой сплав церезинов, парафина и петролатума; паралайт-17 ——композиция углеводородов парафина й церезина.
Пластификаторы и мягчители. Пластификация является наиболее простым и доступным способом модификации свойств полимерных композиций. При введении пластификаторов в резиновые смеси улучшаются их технологические свойства, распределяются сыпучие ингредиенты в резиновых смесях, значительно сокращаются цикл смешения и энергозатраты.
Правильный подбор пластификаторов позволяет не только значительно улучшить процесс переработки резиновых смесей и качество поверхности изоляции и оболочки, но и повысить эластичность вулканизатов, их морозостойкость, негорючесть и цругие характеристики.
В кабельной промышленности применяются мягчители и пластификаторы разного химического состава, придающие резиновым смесям разнообразные свойства. Их можно разделить на следующие группы: продукты органического синтеза, продукты переработки нефти, продукты растительного и животного происхождения.
Из продуктов органического синтеза как в отечественной кабельной промышленности, так и за рубежом основную группу пластификаторов составляют фталаты. Фталаты используются в шланговых резинах на основе полярных каучуков Для повышения их морозостойкости. Наибольшее применение нашли дибутилфталат, диоктйлфталат, дибутилсебацинат.
Из продуктов переработки нефти в кабельной промышленности используются парафины и композиции на их основе. Парафины, предс та в ляю щие собой смесь предельных углеводородов нормального строения и имеющие крупнокристаллическую структуру, используются, в основном, в качестве мягчителей изоляционных резин, так как обладают хорошими электроизоляционными свойствами. В качестве мягчителя шлан- roBbix резин используется сплав парафина с петролатумом —— мягчитель ПП. Парафины и композиции на основе парафинов, мигрируя на поверхность, защищают резиновую оболочку ^беля от разрушительного воздействия атмосферного озона. В качестве огнестойких мягчителей кабельных резин исполь- зукггся хлорированные парафины.
К продуктам нефтяного происхождения, используемым в качестве мягчителей кабельных резин, относятся нефтяные
мксла, представляющие собой смесь углеводородов парафи нового, ароматического и нафтенового ряда: вазелиновое, трансформаторное, индустриальное масло, вазелин. Эти масл；^ применяются в неответственных изоляционных резинах, так как их электроизоляциоиные характеристики ниже, чем у парафинов. Парафинонафтеновое масло «Стабилойл-18» является эффективным мягчителем шланговых резин на основе тройного этиленпропиленового сополимера.
В саженаполненных резинах для улучшения технологических характеристик резиновых смесей и их обрабатываемости нашли применение битуминозные материалы типа рубраксов. В основном, это нефтяные хрупкие битумы, используемые кабельными предприятиями в дробленом виде. За рубежом для изготовления кабельных изделий также применяются битуминозные продукты типа рубраксов, выпускаемые в виде хлопьев, чешуек, гранул.
Из продуктов растительного происхождения в кабельных резинах для повышения их клейкости применяется сосновая канифоль. Для замены дефицитной натуральной канифоли разработаны рецептуры с октофором-^синтетической алкил- феноламинной смолой.
Стеариновая кислота——продукт растительного и животного происхождения——широко используется в кабельных резинах и помимо функции мягчителя выполняет роль диспергатора ингредиентов и активатора процесса вулканизации. Стеариновая кислота применяется в изоляционных и шланговых резинах.
Заменителями стеариновой кислоты/ вырабатываемой из натурального сырья, являются синтетические жирные кислоты (СЖК) фракции &7 ——С2|. СЖК используются только в шланговых резинах, т. к. имеют непостоянный состав и примеси в виде изо-дикарбоновых и низкомолекулярных кислот, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках резин.
Наполнители. Одним из наиболее эффективных способов модификации свойств резин является их наполнение —— введение твердых тонко дисперсных порошкообразных веществ—наполнителей, которые способствуют улучшению фи- зико-механических и технологических свойств резин, а также «разбавлению» каучуков, т. е. сокращению их распада в целях снижения себестоимости материала.
Наполнители подразделяют на активные, часто называемые усилителями, и неактивные (инертные). Усилители увеличивают прочность резин при растяжении, сопротивлении истиранию и раздиру. Наполнители, не изменяющие свойств резин, называют инертными.
К активным наполнителям относятся технический углерод, оксиды цинка и магния, коллоидная кремниевая кислота, карбонат магния, гидроксид алюминия, каолин и др., к неак-
80 %
тивным—мел, тальк, барий и др. Из активных наполнителей в кабельной промышленности нашли применение технический углерод, каолин, коллоидная кремниевая кислота и, в последнее время, гидроксид алюминия, который позволяет также созда- ваТЬ резины повышенной негорючести, которые в процессе горения не выделяют токсичных и корродирующих продуктов о ^плотных дымов. Из неактивных наполнителей широко используются мел и тальк.
При введении наполнителя в эластомер между ними возникает адсорбционное, а иногда и химическое взаимодейст- вйе на границе раздела фаз. Это взаимодействие возрастает с увеличением поверхности контакта эластомер——наполнитель, т. е. с увеличением дисперсности последнего, при этом некоторые высокодисперсные наполнители способны прочно адсорбировать на своей поверхности макромолекулы каучука, которые образуют на ней слой связанного каучука. В связанном каучуке подвижность макромолекул ограничена, что существенно влияет на свойства материала. При введении низко дисперсных наполнителей интенсивность межфазного взаимодействия значительно меньше, и связанный каучук на поверхности частиц наполнителя не образуется.
Рассмотрим основные активные наполнители.
Технический углерод является основным усилителем шланговых резин. Его получают неполным сжиганием или термическим разложением газообразных или жидких углеводородов. Выпускают большое количество марок технического углерода, различающихся физико-механическими характеристиками, элементным составом, размерами частиц, удельной поверхностью, способом получения и видом используемого сырья. Состав технического углерода, %: собственно углерода—98,1—99,4, кислорода—0—3,5, водорода — 0,4—0,9, серы—0,1—0,8 и минеральных веществ 0,1—0,2. Плотность технического углерода 1800——1900 кг/м3. Элементарной частицей технического углерода является частица, состоящая из множества микрокристаллов. Первичные частицы в техническом Углероде образуют характерные цепочечные структуры. Размер й форма первичных структур обусловливают свойство технического углерода, называемое структурностью. Частицы в этих структурах связаны прочными химическими связями, нозтому они не разрушаются в процессе смешения. При Развитой первичной структуре невулканизованные смеси по- ^чаются более вязкими, с более гладкой поверхностью, Уменьшается их усадка при шприцевании, увеличиваются твердости, модуль упругости, износостойкость вулканизатов.
Первичные структуры, объединяясь друг с другом, образуют торичные структуры, более слабые, разрушающиеся в процессе йзготовления резиновых смесей.
6 3125
Поверхность частиц технического углерода может содержа^ различные функциональные * группы, которые придают ему либо кислотные, либо щелочные свойства. Углерод кислых марок (рН<4) снижает скорость вулканизации резиновых смесей, а щелочных (pH > 8) повышает ее.
При температурах обработки и вулканизации резиновых смесей технический углерод реагирует с другими ингредиентами с образованием различных химически активных групп.
В зависимости от способа получения и применяемого сырья технический углерод разделяется на следующие типы: диф. фузионный (канальный), печной и термический.
Содержание технического углерода в резиновых смесях колеблется в широких пределах и составляет в среднем 50——60%.
В кабельной промышленности широко используются рецеп> туры резиновых смесей на основе комбинации технических углеродов различных марок. Технический углерод, кроме того, используется для создания электропроводящих резин.
В кабельной промышленности применяется печной злекь ропроводящий технический углерод двух марок по свойствам Приближающийся к импортному техническому углероду типов ХС-72: П 267 Э или П 366 Э. Углерод этих марок различается, в основном, по степени дисперсности и структурности, а следовательно, по уровню проводимости.
Коллоидная кремниевая кислота является неорганическим усиливающим наполнителем. В СССР выпускают коллоидную кремниевую кислоту двух видов: осажденную жидкофазную — белая сажа марок БС-120, БС-100, БС-50, БС-30 с удельной поверхностью 120, 100, 50 и 30 м2/г соответственно и размером частиц 22, 27, 54 и 90 нм и газофазную (аэросил) марок А-380, А-300 и А-17 5 с размером частиц 3—15, 5— -20 и 10—40 нм. Аэросил применяется только в кремнийорганических кабельных резинах, а белая сажа ——в некоторых специальных изоляционных и шланговых резинах. Каолин повышает механическую прочность резин в меньшей степени, чем технический углерод и белая сажа. Однако в сочетании с техническим углеродом он нашел широкое применение в кабельных резинах, так как позволяет получать смеси, обладающие хорошими технологическими свойствами (малая усадка, хорошая шприцуемостъ) при сохранении высоких физико-механических показателей резин. Обычный каолин (марок КР и П-2) применяют, главным образом, в шланговых резинах. Применение каолина в изоляционных резинах невозможно из-за его высокой гигроскопичности, из-за чего электроизоляционные параметры резин в процессе увлажнения снижаются.
В связи с этим для кабельной промышленности в настояШ^ время разработаны дегидратированные каолины марок КД-^ и КД-10 с содержанием частиц менее 2 мгм 70 и 63% соответственно. *
Тригидрат алюминия А1(ОН)зВ последнее время находит 1ЦИрокое применение в зарубежной и отечественной кабельной промышленности, так как позволяет получать изоляционные и хпланговые резины, которые в процессе сгорания не выделяют вредных, коррозирующих соединений, а также плотных дымов.
Результаты испытаний А1(ОН)з в изоляционных (на основе ЭПК-50) и шланговых (на основе наирита) резинах показали, что увеличение его степени дисперсности приводит к уменьшению пластичности изоляционной смеси, но не оказывает влияния на пластичность шланговой смеси, при этом физико механические показатели обеих резин увеличиваются. Однако при этом снижаются диэлектрические характеристики изоляци- 0%Hbix резин в процессе увлажнения при 20 и 70° С.
Модификация А1(ОН)3 жирными кислотами, особенно мета- криловой кислотой, приводит к значительному улучшению технологических и физико-механических свойств изоляционных резин.
Мел является основным инертным наполнителем кабельных резин, так как при его введении значительно снижается их стоимость, а иногда улучшаются электроизоляционные харак- геристики резин. В кабельной промышленности применяется мел природный молотый мокрого (марок ММО, ММФ) или сухого обогащения (марок ММС-1 и ММС-2), а также мел, химически осажденный. В настоящее время ведутся работы по получению мела из отходов известняка и мрамора.
Тальк молотый обогащенный марок ТКВ и ТК1 получил широкое применение в изоляционных влагостойких резинах благодаря своему малому влагопоглощению. Кроме того, тальк позволяет получать резины с меньшими значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.
Недостатком резин, содержащих тальк, является их малая эластичность, вызываемая его анизотропностью. Поэтому тальк, как правило, применяется с мелом. Для высоковольтных резин на основе этиленпропиленовых каучуков применяется микротальк, который придает им высокие диэлектрические свойства: р^^Ю13 Ом-м, tg3-0,003 4-0,007, е = 2,4 + 2,6.
Общими требованиями ко всем минеральным наполнителям являются однородность, отсутствие склонности к агломерации R процессе хранения и изготовления смесей, высокое содержание основного вещества, строго определенная степень дисперсности, "нннмальное содержание веществ, отрицательно влияющих на ? ^ктроизоляционные свойства и тепловое старение резин, х°Рошая влагостойкость.
『Следует отметить, что при изготовлении резин некоторых !?°н применяются материалы, не указанные в общей клас- иФикации ингредиентов: красители, антипирены, репелленты, 二必септики и т. д. [24].
36 КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН
Кабельные резины согласно ТУ 16.К71-098-90 разде， ляются на классы: изоляционные, изоляционно-защитные и защитные.
Изоляционные резины служат для изолирования tok(j. проводящих жил, изоляционно-защитные резины ——для изолирования кабелей, проводов и шнуров, обладающих способ- ностью защиты от внешних воздействий, защитные (шлан， говые)——для внешних защитных оболочек некоторых кабелей В число кабельных резин входят также электропроводящие применяемые для экранирования гибких кабелей, и так называв емые починочные резины, используемые для сращивания или ремонта кабелей. В пределах соответствующих классов резины делятся на типы и марки (табл. 3.8).
В кабельных изделиях резины используются, главным образом, для изолирования токопроводящих жил и внешней защитной оболочки гибких переносных кабелей, проводов и шнуров, для силовых и контрольных кабелей напряжением до 660 В, осветительных проводов, кабелей и проводов да питания всевозможных электротехнических установок, для спе- ци а лизир ов анных кабелей (судовых, автомобильных, самолетных, геофизических и др.)-
Изоляционные и изоляционно-защитные резины (табл. 3.9) отличаются типами и количественным содержанием полимера что обусловливает их физико-механические и электроизоляционные свойства.
Для изоляции, допускающей длительный нагрев токопроводящей жилы до температуры. 65° С, применяются резины на основе каучуков общего применения типов РТИ-0, РТИ-1 РНИ, а также изоляционно-защитные резины типов РТИШ и РТИП1М.
Резины типа РТИ-0 обладают повышенными физико-механическими и электроизоляционными параметрами. Они предназначены для изолирования ответственных кабельных изделий.
Наиболее широко для изолирования кабелей, проводов и шнуров применяют резины типа РТИ-1. Обладая хороший характеристиками, они отвечают эксплуатационным требоваий' ям всех кабельных изделий на переменное напряжение 用 660 В и постоянное до 1000 В (кроме упомянутых выше осо^ ответственных кабелей и проводов).
Резины типа РНИ от других изоляционных резин отли^ ются способностью не распространять горение. Они пример ются главным образом в проводах, к которым предъявляет^ требование нераспространения горения (например, провод мар ки АППР).j
84-1
Та блица 3.8. Перечень кабельных резни
Класс
Тип
Содержа нце поли мера в резине, У
Основные марки резин
Характеристика и область применения
Изоляцион-
РТИ-0
40
ТСШ-50;
Резина повышенного качества
ные
ТСШ-40;
на основе натурального каучука,
ТСШМ-40;
изопренового каучука и их ком-
KC-u-эи；
бинациц с бутадиеновым, бу-
ТС-0-45;
тадиен-стирольным и другими
ОВР-40
синтетическими каучуками для
РТИ-1
33
ТСШ-33;
изоляции токопроводящих жил Резина общего применения на
ТС-35;
основе натурального каучука,
ТС-33;
изопренового каучука и их ком-
ТСП1М-35
бинации с бутадиеновым, бутадиен-стирольным и другими синтетическими каучуками для
РНИ
35
НШИ-35
изоляции токопроводящих жил Резина, не распространяющая горения, на основе полихлоропрена для изоляции токопрово-
РТЭПИ-1
30
ИД-45;
дящих жил
Резина повышенной теплостой-
ИД-40ПЭ;
ЭПТИ-45
костн на основе этиленпропиленовых каучуков для изоляции
РТСИ-1
Не йор-
К-69;
токопроводящих жил
Резина повышенной теплостой-
мируется
К-673;
кости на <основе силоксанового
k"〉2U；
каучука для изоляции токо-
К-69Т
проводящих жил
Изоляционно-защитные、
РТИШ
33
ШСИ-33;
ШСИ-35
Резина на основе натурального каучука, изопренового каучука
и их комбинации с бутадиено- внм,бутадиен-стирольным
и Другими синтетическими каучуками для изоляционно-за-
щитной оболочки проводов, ка- и шнуров, работающих
РТИШМ
35
ИШМ-45;
в средних и легких условиях Резина морозостойкая на осно-
ИШМ-40
ве натурального каучука, изопренового каучука и их комбинаций с бутадиеновым, бута- циен-стирольным и другими синтетическими каучуками для изоляционно-защитной оболоч-
кн проводов, кабелей и шнуров, работающих в средних и легких
^Цитные
РШ-1
50
твп-50
условиях
>езина на основе натурального саучука, изопренового каучука
их комбинаций с бутадиеновым.
、Продолжение табл. 3.8
Класс
Тип
Содержа- 1ие полимера в
Основные маркв резни
Характеристика н область применения
>езиие, %
эутаднен-стирольным и другими синтетическими каучуками
для оболочек кабелей, работающих в тяжелых условиях
РШМ-2
45
ШМ-45;
Резина морозостойкая на основе
ШМК-45У
изопренового каучука и его комбинации с бутадиеновым, бутадиен-стирольным и другими синтетическими каучуками для
оболочек кабелей, проводов
и шнуров» работающих в средних и легких условиях
РШТ-2
40
ШБТМ-40
Резина теплостойкая на основе изопренового, бутадиенового, бу-
тадиенчггирольного и других син-
тетических каучуков и их комбинаций для оболочек кабелей, проводов и шнуров, работающих в средних и легких условиях
РШТМ-2
45
ШД-45;
Резина теплостойкая повышен-
ШТМС-45;
ШТМ-45
ной морозостойкости на основе изопренового, бутадиенового, бу- тадаен-стирольного и других синтетических каучуков и их комбинаций для оболочек кабелей, проводов и шнуров, работающих в средних и легких условиях
РШН-1
50
ШН-50
Резина маслостойкая, не рас-
пространяющая горения, на основе полихлоропренового синтетического каучука (наирнт) для оболочек кабелей, работа-
ющих в тяжелых условиях
РШН-2
40
ШН-40
Резина маслостойкая, не распространяющая горения, на ос-
нове полихлоропренового синтетического каучука (наирит) для оболочек кабелей, проводов
и шнуров, работающих в сред- них и легких условиях
Для изоляции на рабочую температуру до 85℃ прилуняется резина типа РТЭПИ-1 на основе этиленпропиленового каучука (высоковольтные кабели на напряжение 6, 10 н 3 , силовые кабели повышенной теплостойкости и т_ Д-Ь
Для изоляции токопроводящих жил на рабочую г»4 пеоатуру до +180。С используются резины типов РГСИ и РТСИ-2. Это резины повышенной теплостойкости на осн
силоксанового каучука.
量
Таблица 3.9. Примерное распределение типов изоляционных л язолицяояио-защятных резня по основным областнм применения
* Тип резины
Основные, области применения
РТИ-О
Кабели для геофизических работ, рентгеновские, плавучие, специальные гибкие и др.
рТИ-1
Кабели шахтные, силовые, контрольные, судовые, установочные провода и шнуры, шланговые кабели, провода я шнуры для погружных электронасосов, кабели, провода и шнуры связи, кабели управления и т. д.
РНИ
Шиуры осветительные марки АППР
РТИШ
Изоляционно-защитная оболочка одножильных кабелей, про-
ртишм
водов и шнуров шланговых, установочных, бытовых, для подвижного состава
РТЭПИ-1
Силовые гибкие кабели, силовые кабели повышенной теплостойкости для стационарной прокладки, кабели для аэродромных огней
РТСИ-1
Выводные провода марок РКГМ, ПВКФ, ПРКА,
РТСИ-2
судовые кабели
Резины для защитных оболочек. При транспортировании, хранении, монтаже и эксплуатации кабельные изделия подвергаются различным механическим воздействиям и влиянию света, влаги и т. д. Поэтому необходимо в зависимости от конструкции кабеля, провода и шнура скрученные или одиночные изолированные жилы заключать в защитную оболочку из материала, наиболее отвечающего условиям монтажа эксплуатации данного кабельного изделия.
Резиновые оболочки применяются, главным образом, для переносных кабелей и проводов, так как требуется таким изделиям придавать максимальную гибкость. К ним относятся шланговые кабели и провода общего применения, шахтные кабели, экскаваторные, судовые переносные, электросварочные, лифтовые и кабели и провода многих других типов. Однако в ряде случаев резиновая оболочка используется также для силовых кабелей стационарной прокладки (для судовых кабелей, для кабелей вертикальной прокладки и т. д.).
Гибкие переносные кабели работают в тяжелых, умеренных или легких эксплуатационных условиях. Так, шахтные и экскаваторные кабели эксплуатируются в исключительно тяжелых условиях. Их тащат по земле, подвергают деформациям изгиба различного характера, на них попадают куски добываемых Пород, по ним проезжают автомобили, они зачастую находятся в воде и т. д. Такие же кабели и провода, как судовые, •^ифтные, для радиоустановок, шланговые кабели и провода °бщего применения и некоторые другие, работают в срав- йительно умеренных и легких условиях. Поэтому в соответствии с ТУ 16.К71-098-90 защитные оболочки кабелей, предназначен- "Мх для тяжелых условий эксплуатации, изготовляют из резин
механически более прочных типов РШ-1 и РШН-1 с со дер. жанием каучуков 50%, а для средних и легких условий——из резин типов РШМ-2, РШТ-2, Р1ПТМ-2, РШН-2 с содержанием каучуков 40—45%, причем резины типов РШН-1 и РШН-2, не распространяющие горение и обладающие нефтестойкостью, предназначены для негорючих шахтных и судовых кабелей, нефтестойких каротажных и буровых кабелей и других изделий, к которым предъявляготся требования негорючести и масло- стойкости.
Электропроводящие резины используются в высоковольтных и шахтных кабелях. Как известно, в высоковольтных кабелях высокая напряженность электрического поля вызывает процесс ионизации, сопровождаемый образованием озона Оз, который, являясь сильным окислителем, разрушающе действует на резиновую изоляцию. Процесс разрушения начинается с об- разования характерных трещин, которые по мере продолжения воздействия озона постепенно увеличиваются. Процесс закан- чивается электрическим пробоем изоляции. Действие образующегося в электрическом поле озона на изоляцию проявляется в местах наибольшей механической напряженности, т. е. на участках резких изгибов кабелей, что особенно характерно для кабелей в эластичной резиновой оболочке. Таким образом, если изоляция неозоностойка, то она должна быть защищена от воздействия озона конструктивно, иначе кабель будет быстро выходить из строя. Защиту осуществляют наложением на поверхность резиновой изоляции или между токопроводящей жилой и изоляцией, а иногда с обеих сторон слоя электропроводящей резины, характерной особенностью которой 兄в・ ляется пониженное электрическое сопротивление.
В силу тяжелых эксплуатационных условий в подземных шахтах кабели по разным причинам получают механические повреждения, приводящие к коротким замыканиям, что может служить причиной поражения людей электрическим током и взрывов метановоздушной среды. Наличие в кабеле поверх изоляции элемента, способного при механическом воздействии на оболочку кабеля мгновенно передать импульс к быстродействующей коммутационной аппаратуре для опережающего отключения электрооборудования, позволяет предупредить ав空 рию. Таким защитным элементом служит экранирующий слой из электропроводящей резины, накладываемый поверх каждой изолированной жилы.
Ниже приводятся характеристики специальных резин. К ним в частности, относятся резины для заполнения кабелей. В ряДе случаев в конструкцию кабелей вводят круглый или профи* лированный резиновый сердечник, размещаемый по осн кабеле- Обычно это делается для герметизации или для устойчивой конструкции многожильного кабеля при недостаточном ко"* 88
чесТве жил, обеспечивающих их равномерную скрутку. В целях равномерного заполнения повивов добавляют холостые жилы g виде резиновых жгутиков диаметром, равным диаметру изолированных жил.
В процессе эксплуатации иногда имеют место повреждения изоляции или защитной оболочки. Бывает также необходимость увеличить строительную длину кабелей. В этих случаях для заполнения исправляемых участков применяют специальные, так называемые починочные невулканизированные резины Такие резины изготовляют в виде ленты толщиной 0,4——0,6 мм, шириной 20——50 мм, намотанной в ролик с прослойкой во избежание склейки слоев ленты телефонной бумагой или синтетической пленкой. Заполнение исправляемого места произ- водят путем многослойной обмотки починочной резиновой лентой.
Починочные резины отличаются высокими упругими свойствами, необходимыми для обеспечения плотной и безобрывной намотки ленты по заделываемому месту кабеля.
За последние годы получили значительное применение 1 провода и кабели в резиновых оболочках с концевыми заделками контактов. Заделку концов кабелей с запрессовкой металлической арматуры производят с помощью специальных изоляционных и защитных резин. Это так называемые резины для концевых заделок кабелей. К этим резинам предъявляются особые требования—способность адгезии к металлу, специфические технологии свойства, обеспечивающие плотную запрессовку места заделки.
Резины таких марок отвечают характеру заделки соответствующих изделий. Содержание каучука в таких резинах составляет 30—40%.
3.7 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН
Резины.Так как Различным РастяженииРезины.Так как Различным Растяжениивнешняя защитная оболочка кабеля подвергается механическим воздействиям, то прочность при является важной характеристикой для защитныхвнешняя защитная оболочка кабеля подвергается механическим воздействиям, то прочность при является важной характеристикой для защитныхОбщее механическое состояние кабельных резин характеризуется прочностью при растяжении, относительным удлинением при разрыве и относительной остаточной деформацией. Эти показатели предусмотрены стандартом на кабельные
Резины.
Так как Различным Растяжении
Резины.
Так как Различным Растяжении
внешняя защитная оболочка кабеля подвергается механическим воздействиям, то прочность при является важной характеристикой для защитных
внешняя защитная оболочка кабеля подвергается механическим воздействиям, то прочность при является важной характеристикой для защитных
Резин, которые служат материалом для оболочки. Что касается Реляционных резин, то для них прочность при растяжении не является первостепенным показателем, так как изоляция, :ак правило, защищена от внешних механических воздействий ^кой-либо оболочкой. Для изоляционной резины важно не °пько первоначальное значение прочности при растяжении,
сколько сохранение исходного уровня прочности после тер、 мического старения. Резины на основе синтетических каучуков имеют меньшую прочность, нем резины на основе НК. но более стойки к тепловому старению.
Относительное удлинение при разрыве играет одинаково важную роль как для изоляционных, так и для шланге чьц резин, так как оно выражает эластические свойства, служащее основной, отличительной чертой резины.
Остаточное удлинение, показывающее степень деформации образца резины после его растяжения и разрыва, зависит от рецептурного состава резины и, главным образом, уста лов- ленного режима вулканизации (температура теплоносителя и продолжительность вулканизации). Этот показатель непосредственно выявляет, насколько правильно проведен процесс вулканизации резиновой оболочки. При недовулканизации зна・ чение остаточного удлинения повышается, а при перевулканизации снижается; и то и другое нежелательно. Поэтому показатель остаточного удлинения служит эффективным средством контроля технологии производства.
Ряд кабелей в защитной оболочке работает в тяжельи условиях, сопряженных с ударными нагрузками, волочением по земле, наездами колесного транспорта и т. п. Поэтому для защитных резин, применяемых в таких кабелях, имеет важное значение сопротивление раздару. Этот показатель предусмотрен в ТУ 16.К71-098-90 для защитных резин типов РШ-1 и РШН-1, предназначенных для гибких кабелей с тяжелыми условиями эксплуатации.
Ввиду того что каучуки й другие ингредиенты, входящие в рецептуру резин (иногда 12—15 компонентов), по своему происхождению, составу и технологии изготовления разнородны, свойства резиновых смесей колеблются. Причиной отклонений могут служить также и технологические нарушения при смешении резиновых смесей, но практически наиболее вероятной причиной служит состояние качества ингредиентов. Это приводит к некоторым колебаниям прочности при растяжении и относительного удлинения, сопротивления раздиру- электрических параметров и т. д.
Стандарт на кабельные резины нормирует не номинальны^ качественные показатели, а допустимые нижние пределы показателей. Поэтому, анализируя качество резиновой изоляц^ и защитной оболочки на кабельных изделиях, следует р* -сматривать не только минимальные, установленные стандарт。" показатели, но и весь диапазон фактических показателей.
Анализ распределения фактических показателей по диа^' зонам прочности при растяжении и относительного удлине^ кабельных резин показывает, что у них имеется довонь®' большой запас по физико-механическим показателям. 通। 9。I
3 8. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН
Для кабелей, проводов и шнуров существенное значение имеют электрические характеристики применяемых в качестве изоляции материалов, в частности изоляционных резин.
Главными параметрами, характеризующими электроизоляци- оНные свойства резиновой изоляции, являются удельное объем- ное электрическое сопротивление и электрическая прочность.
Удельное объемное электрическое сопротивление pv резин зависит от типов каучуков и остальных компонентов. Практически значение pv путем соответствующих рецептурных модификаций можно варьировать в пределах от 0,1 до 10" 0M M й получать резины с различной электрической проводимостью.
Значение рг определяют на стадии изготовления резиновых смесей до наложения на жилы на образцах резин в виде плоских пластин. В некоторых случаях (если это оговорено в соответствующих ГОСТ или ТУ) измеряют сопротивление изоляции сначала после изолирования жил отдельных кабельных изделий, а затем при окончательных выходных испытаниях этих изделий в готовом виде.
Электроизоляционные параметры у кабельных резин тем выше, чем больше содержание каучука в них. Исключение составляет резина типа РНИ. Это объясняется тем, что в этой резине применяется высбкополярный, не распространяющий горение полихлоропреновый каучук.
На фактические параметры вулканизованной резиновой изоляции может оказывать существенное влияние ряд факторов, связанных с качеством применяемых материалов и соблюдением установленных технологических режимов. Если смеси полу- чаются неоднородными, электрические параметры снижаются.
МОРОЗОСТОЙКОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН
Кабели, провода и шнуры работают в различных климатических условиях, в том числе и на морозе. Поэтому в стандартах на кабельные резины устанавливаются нормы морозостойкости для всех защитных резин:
Моро-зостой-кость,℃Моро-зостой-кость,℃4050505040503030二二二一4050505040503030二二二一Тип резины
Моро-зостой-кость,℃
Моро-зостой-кость,℃
4050505040503030
二二二一
4050505040503030
二二二一
РТИШ . РТИШМ РШ-1 .... РШМ-2 . РШТ-2 РТШМ-2 РШН-1 . РШН-2 .
Морозостойкостью (холодостойкостью) резины называется предел отрицательной температуры, при которой она в условц^ ях данного вида деформации не разрушается. Следует отметить, что представление о том, что морозостойкость резины означает сохранение эластических свойств при отрицательных темпера- турах, неверно.
Характерные эластические свойства резин объясняются гиб、 костью их молекулярных цепей при приложении растягивающих сил. Молекулы содержащихся в резине каучуков выпрямляются и ориентируются относительно друг друга. Упругие свойства резин создаются стремлением молекул под воздействием теплового движения возвращаться к их первоначальному положению, поэтому степень эластичности данной резины находится в прямой зависимости от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры окружающей среды. Резина по мере снижения температуры постепенно переходит из эластического в твердое состояние и начинает разрушаться в местах, механически наиболее напряженных, с образованием характерных трещин.
При воздействии низких температур благодаря внутренним структурным изменениям увеличивается разрывная прочность резин и одновременно в связи с уменьшением эластических свойств снижается относительное удлинение.
Снижение эластичности резин при низких температурах является следствием происходящих в них процессов кристаллизации или стеклования каучуков, которые носят обратимый характер. У резин, затвердевших под воздействием низких температур, после повышения температуры полностью восстанавливаются первоначальные эластические свойства；.
Морозостойкость любой резины в основном зависит от морозостойкости применяемого каучука. Поэтому для получения морозостойких резин используют НК в сочетании с синтетическими или такие специальные типы СК, обладающих повышенной морозостойкостью, как стереорегулярный СКД.
Однако в ряде случаев по условиям эксплуатации требуется применение в резинах маслонефтестойких каучуков, к которым относятся полихлоропреновый каучук наирит, дивинилнитриль- ный каучук СКН. Но эти каучуки в силу их полярности не обладают высокой морозостойкостью. В этом случае в целях повышения морозостойкости резины применяют пластификаторы типа дибутилфталата, диоктилсебацината, дибутилсеба- цината, которые обладают резко выраженной полярностью, хорошо совмещаются с полярными каучуками и снижают их температуру стеклования.
При транспортировке, монтаже и эксплуатации кабельных изделий наиболее часто встречающимис я видами деформации являются изгиб и удар.
92
На морозостойкость резин заметно влияет длительное сТарение при хранении и эксплуатации кабельных изделий. Сопутствующим фактором являются также климатические условия, в которых находятся кабельные изделия. С течением времени в той или иной степени снижается морозостойкость, прежде всего, внешней резиновой оболочки.
СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПЛАМЕНИ,МАСЛОСТОЙКОСТЬ И БЕНЗИНОСТОЙКОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН
Стойкость к воздействию пламени для кабелей и проводов означает сопротивление распространению горения. Для ряда кабельных изделий этот вопрос имеет существенное значение при эксплуатации, так как часто при коротких замыканиях в электрической сети или при возникновении пожаров в помещениях провода и кабели служат источником распространения огня.
Главной причиной горения служит горючесть входящих в состав резины каучука, мягчителей, сажи. Особенно подвержены горению бутадиеновые, бутадиен-стирольные каучуки, которые, разлагаясь под воздействием высокой температуры, выделяют легковоспламеняющиеся вещества.
Некоторого снижения горючести можно достичь рецептура ным путем, например введением в резиновую смесь хлорированного парафина, уменьшением содержания каучука и др” но наиболее правильным способом получения трудногорючих резин является применение в них хлоропренового каучука. В таких резинах наличие хлора исключает возможность распространения горения, поэтому в ТУ 16.К71-098-90 предусмотрены специальные типы резин.
Стойкостью резины к воздействию агрессивной жидкости называется способность сохранять необходимые технические свойства и работоспособность при воздействии той или иной среды. Для некоторых кабелей и проводов, эксплуатируемых в агрессивных средах, существенное значение имеют маслостой- костъ и бензиностойкость. Для таких изделий применяют резины или пластмассы, обладающие маслостойкостью и бен- ЗИНОСТОЙКОСТЬЮ.
Наиболее явным признаком неудовлетворительного сопротивления воздействию агрессивных сред служит набухание полимера. Это явление обусловлено подверженностью набуха- ^к» большинства типов каучуков, являющихся основой резины, главным образом НК и синтетических бутадиеновых, бутадиен- Стирольных каучуков. У каучуков после максимального насыще- Ни^ растворителем, что обусловлено избирательной способностью каучука того или иного типа, набухание постепенно переходит в процесс растворения. У резин, как правило,
воздействие растворителя ограничйвается набуханием в мак{ симально访 степени, но в некоторых случаях, главным образом при окислительной деструкции, резины также обнаруживают способность перехода в форму раствора.
Резины, стойкие к агрессивным средам, можно получить рецептурным способом — путем введения в смесь некоторых стойких к воздействию растворителей наполнителей, мягчителей и др., но этот способ недостаточно эффективен. Наилучшим способом получения маслостойких и бензиностойких резин является применение в резинах соответствующих СК, не подверженных набуханию в растворителях. Такими каучуками можно считать полихлоропреновые (наирит) и бутадиен-нит- рильные (СКН) каучуки, хлорированный и хлорсульфированный полиэтилены.
Методы определения воздействия агрессивных сред (мао лостойкость, бензиностойкость и др.) различны. Наболее широко распространены методы испытания по ГОСТ 9.030-74. В последнее время в кабельно访 промышленности внедрен другой, новый метод определения стойкости резиновой или пластмассовой изоляции и оболочки к воздействию масел и бензина по ГОСТ 25018-8 L По этому методу фвджо- механические показатели резин типов РШН-1 и РШН-2 после 24 ч пребывания в масле марок И-40А и И-50А по ГОСТ 20799-75 при температуре (100± 1°) С не должны снижаться (прочность при растяжении более чем на 20%, относительное удлинение более чем на 25%). d
СТОЙКОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИН К СТАРЕНИЮ 黒
Признаками старения каучуков и резин служат потеря эластичности, ухудшение электрических и физико-механических параметров, морозостойкости и других основных характеристик. Со временем внешний слой резиновой оболочки постепенно твердеет, образуются трещины, и в определенный период времени оболочка становится хрупкой, способной разрушаться. Все это является следствием процесса окислительной деструкции содержащегося в резине каучука под воздействием ки(^ лоро да, озона, света, тепла, агрессивных сред, механической нагрузки и других факторов.
Присоединение кислорода, происходящее по месту двойных связей каучука, приводит к разрыву цепи с образованием радикалов, обладающих реакционной способностью. Наиболее активной реакционной способностью обладают пероксвдны£ радикалы. Пероксиды служат автокатализаторами цепной 戸‘ акции процесса окисления.
На интенсивность окислительного процесса влияет 6。〃夕 шинство компонентов, входящих в резиновые смеси, причем?
■ если один из них способствует процессу, то другие, наоборот, ВУ*ат ингибиторами, т. е. средством торможения процесса окисления. Так, технический углерод затрудняет доступ кис・ порога к каучукам.
Процесс старения проходит первоначальную стадию индукционного периода, в пределах которого не проявляется резкое влияние результатов окисления, но за пределами этого периода наступает интенсивное старение. Продолжительность индукционного периода зависит от различных факторов.
Для замедления старения в резиновые смеси вводят различные химические и физические противостарители, хотя они л не способны полностью предотвратить процесс старения, а оказывают лишь частично ингибирующее воздействие.
Из всех существующих видов старения для кабельных резин имеет значение тепловое и атмосферное старение.
Тепловое старение обусловлено тем, что кабельные изделия на протяжении многолетнего срока эксплуатации находятся под воздействием тепла, выделяемого, с одной стороны, токопроводящей жилой в связи с электрической нагрузкой (др 65° С), а с другой стороны ——температурой окружающего воздуха, доходящей до 50——60° С.
При тепловом старении скорость окисления вулканизата зависит от реакционной способности каучуков, составляющих основу данной резины. Так, полярные (хлоропреновые и hijt- рильные) каучуки меньше подвержены тепловому старению, чем неполярные (натуральный, синтетические: изопреновый, бутадиеновый, бутадиен-стирольный). Например, в хлоропреновых резинах взаимодействию кислорода с двойными связями препятствует атом хлора, присутствующий в молекуле каучука. В нитрильных же резинах замедлению старения способствуют продукты окисления, обладающие высокоэффективными защитными свойствами.
Сопротивление старению резин с применением других синтетических неполярных каучуков и НК несколько слабее, но скорость их окисления зависит от содержания двойных связей в главных и боковых цепях. Так как двойные связи в главных цепях более активны, то бутадиеновые синтетические каучуки, имеющие до 43—49% двойных связей в боковых Цепях, обладают большей сопротивляемостью окислению. Ре- Зйни на основе НК менее нагревостойки, чем резины на основе СК.
На старение резин могут оказывать влияние также неко- торые ингредаенты смесей. Например, коэффициент старения * защитных резин, наполненных газовой и печной сажей, при
Под коэффициентом старения понимается коэффициент/ характеризу- снижение механических пгГраметров рези^ в процессе старения.
продолжительном старении ниже, чем коэффициент старения резин с термической или ламповой сажей. Влияет на старение и наличие в минеральных наполнителях поливалентных ме・ таллов. Обращает на себя внимание характер действия вул， канизующего агента——серы, которая при комнатной темпера^ туре стабилизирует каучуки, а при повышенных температурах ускоряет процесс окисления. Одновременно с этим ускоритель вулканизации ~ тиурам (тетраметилтиурамдисульфид) значите、 льно замедляет старение.
Ввиду явного преимущества так называемых бессернистых резин (высокая нагревостойкость, большая сопротивляемость старению) в СССР в изоляционных резинах сера как вулканизующий агент не применяется, она заменена тиурамом-Д в сочетании с каптаксом и другими ускорителями вулканизации.
Установлено, что на старение резиновой изоляции могут влиять некоторые конструктивные особенности кабельных изделий. Так, выяснено, что алюминиевые проволоки, применяемые в токопроводящих жилах, более инертны к процессу окисления изоляции, чем медные. Имеет значение также конструкция скрутки жил. Чем больше свободного пространства внутри скрученных жил, следовательно, больше кислорода, тем интенсивнее протекает процесс окисления изоляции. Значит, менее гибкие кабельные изделия находятся в более благоприятных условиях.
В кабелях, проводах и шнурах применяются защитные оболочки различного типа. Почти все они могут участвовать в процессе окисления изоляции, если нет сепаратора, затрудняющего непосредственный контакт изоляции с оболочкой.
Вредное влияние оболочки на изоляцию может происходить путем миграции из поливинилхлоридных пластикатов й^сото- рых пластификаторов, из сернистой резиновой оболочки——серы, из оплетки ——пропиточных составов и др.
Весьма четко и определенно проявляется зависимость старения кабельных резин от температуры окружающей среды. Чем выше температура среды, тем быстрее протекает процесс старения.
Глазными показателями, характеризующими сопротивление резины тепловому старению, являются степень снижения прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве после воздействия тепла. Поэтому в мировой практике принят метод оценки сопротивления кабельных резин старению по изменению именно этих показателей.
В отличие от теплового старения атмосферное старение, также выражающееся в изменении физико-механических и ДРУ" гих параметров, является следствием воздействия на резину различных климатических условий в процессе хранения и зк& плуатации на открытом воздухе. Главными факторами ат； мосферного старения служат солнечный свет и озон, который содержится в окружающем воздухе. На степень воздействий 96- м
озона влияют сопутствующие факторы — кислород, темпера- ура? влажность и др. Атмосферному старению подвержены, главным образом, наружные защитные оболочки кабельных 03делий5 находящиеся в непосредственном контакте с внешней средой. Изоляционные резины, как правило, защищены от атмосферных воздействий.
Воздействие света. Окисление и деструкция каучуков, привоДяиХие к ухудшению технических свойств резин, являются результатом фотохимического процесса, возникающего под воздействием света. Механизм этого явления по данным исследований представляется следующим образом. В результате влияния света молекулы каучуков возбуждаются, предваритель- н0 поглощая квант энергии, соответствующий длине волны света. Активность окисления резины зависит от интенсивности солнечной радиации. Световые лучи с 'малой длиной волны оказывают наиболее сильное разрушающее действие. Световое старение может иметь место при любом виде светового воздействия——при прямом облучении, рассеянном свете, в закрытых помещениях, в темноте, но, конечно, с различной эффективностью.
Внешний вид резиновой оболочки, подвергшейся световому старению, обычно представляет собой затвердевшую поверхность с беспорядочной сеткой мелких поверхностных трещин, иногда с измененной окраской.
Каучуки гораздо больше подвержены окислению под воздействием световых лучей, чем резиновая смесь; степень воздействия зависит от содержания в каучуках двойных связей. Частичная защита резиновой смеси от окисления с помощью ингредаентов указывает на светофильтрующую роль последних. Известна такая же способность серы, тиурама, каптакса, оксида цинка, технического углерода и др.
Воздействие озона. Озон ——один из самых активных агрессивных факторов, нарушающих нормальное состояние резины. Признаками озонного воздействия служат образование характерных трещин на поверхности оболочки, расположенных Кшдикулярно оси напряжения, и снижение первоначальных ко-механических и других показателей.
По активности окислительного воздействия на резину озон значительно превосходит кислород. Озон является продуктом превращения кислорода в результате фотохимического воздействия солнечных лучей. Воздушные потоки доносят его до земной поверхности, причем в весенне-летний период концен- транн只 озона увеличивается из・за грозовых разрядов ,и о6・ "Умения земного шара Солнцем. На протяжении суток кон- Центрация озона в воздухе тоже неодинакова. До полудня ：°ппчество озона растет и к 14——15 ч достигат максимального Уровня, а в дальнейшем постепенно уменьшается и к полуночи 7 11
падает до самого низкого уровня, что соответствует ходЛ нагревания и охлаждения окружающего воздуха. Но еслд концентрация озона в воздухе находится в прямой зависимое^ от температуры окружающей среды, то от влажности воздуха она находится в обратной зависимости: чем выше влажность, тем меньше концентрация озона в воздухе. '
Озон разрушающе действует на резину в местах деформации растяжения, а в местах деформации сжатия и в ненапряженных местах воздействие может ограничиваться образованием окн& ленной поверхности пленки. Смонтированные кабели и провода, эксплуатируемые в среде повышенной концентрации озона, будут подвергаться воздействию озона на напряженных участках изгибов трасс проводов и в местах концевых заделок, если они не защищены надежно. Количество, размеры и скорость развития трещин зависят от критической деформации резины, времени воздействия озона, температуры и других условий. Однако главным фактором служит концентрация озона. Разрушение резин происходит в напряженных местах лишь при повышенных концентрациях озона, а при нормальной концентрации деструкция ограничивается образованием сетки неглубоких трещин.
Воздействию озона подвержены те резины, основой которых служат неозоностойкие каучуки. К ним относятся НК, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, нитрильные каучуки. Наибольшей озоностойкостью отличаются силоксановые резины, сравнительно озоностойки также полиизобутилен, тиокол, хлоропреновые каучуки, бутилкаучук, этиленпропиленовые каучуки.
Как видно из сказанного выше, атмосферное старение кабельных резин является одним иЗ важных факторов, определяющих продолжительность сроков службы кабельных изделий, особенно изделий, работающих в полевых условиях. Чаще всего кабельные изделия испытывают совместное воздействие света и озона. Поэтому меры предупреждения атмосферного старения приобретают весьма существенное практическое значение. В числе таких мероприятий используется рецептурный путь, т. е. подбор необходимого состава каучуков.
б。％ каучука с 17——38% наполнителя и 2——3% других йнгРеДиентов (поРошкиг масла и легкоплавкие смолы) в специальных смесительных агрегатах (резиносмесителях) для рав- йОГлерного распределения ингредиентов в каучуке. Процесс решения существенно влияет на качество резин и себестоимость готовых изделий. Установлено, что получение гомоген- ной смеси в основном зависит от следующих факторов: тщательности подготовки ингредиентов, количества обрабатываемого материала, продолжительности смешения, последовательности введения ингредиентов; температуры смешения, скорости вращения роторов резиносмесителя, давления плунжера на смесь, пластичности смеси [25]. При скоростных режимах сМешения цикл приготовления кабельной резиновой смеси составляет примерно 5—11 мин.
В дальнейшем продолжительность цикла может быть сокращена, и за это время необходимо обеспечить подготовку и поступление в резиносмеситель всех ингредиентов в заданных дозах. Решение этих задач возможно только при создании поточно-автоматизированных линий.
В условиях автоматизированного поточного производства, в основе которого лежат процессы приготовления резиновых смесей, под названием резиноделательный цех следует понимать комплекс производственных элементов, связанных с подготовкой, промежуточным хранением, дозировкой и смешением ингредиентов. Такая структура резиноделательного цеха объясняется наличием непрерывных непредельных поточных связей, из которых трудно выделить какой-либо участок
Г лава четвертая
Хранение готовь/х резиновых смесейХранение готовь/х резиновых смесейТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ РЕЗИНОВЫХСМЕСЕЙ
Хранение готовь/х резиновых смесей
Хранение готовь/х резиновых смесей
Рис 4.1. Структурная схема резиноделательного цехаРис 4.1. Структурная схема резиноделательного цехаИзготовление кабельных резиновых смесей является одним из основных технологических процессов в производстве проводов и кабелей с резиновыми оболочками. Собственно процесс приготовления резиновой смеси заключается в смешении 20?
Рис 4.1. Структурная схема резиноделательного цеха
Рис 4.1. Структурная схема резиноделательного цеха
как самостоятельную единицу и решать вопросы его ар、 томатизации вне связи с остальными участками цеха Структурная схема современного рез иноде лательно го цеха кабельного завода представлена на рис. 4.1 [24]. ?
ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1
Применение качественного сырья является одной из ос. новных предпосылок получения резиновых смесей, полностью отвечающих техническим требованиям. В идеальном случае поступающие ингредаенты не нужно дополнительно обрабатывать (сушка, просев, измельчение и др.). Ингредиенты должны удовлетворять также условиям транспортабельности, хранения, дозировки и подачи в резиносмеситель. Этим требованиям больше всего удовлетворяет твердое сырье, получаемое в гранулированном виде. В настоящее время, к сожалению, в гранулированном виде поступают некоторые типы технического углерода, ускорителей, светлых ингредиентов. Однако больший- ство типов сырья поступает в негранулированном виде.
На кабельных заводах, где требования к кондиции материалов очень высокие и определяются не только условиями транспортабельности (т. е. сохранять свои свойства при транспортировке и хранении), йо технологическими соображениями, подготовка ингредиентов носит первостепенный характер и, в основном, сводится к их очистке от посторонних включений, а также в придании им такой формы, которая облегчает их последующее дозирование и смешение.
Подготовка каучуков. Как уже указывалось выше, каучуки являются основным сырьем, применяемым для приготовления резиновых смесей. Общее количество марок различных типов каучуков, используемых в кабельной промышленности, превьпиает 10 наименований. В связи с особыми физикомеханическими свойствами большинство каучуков перед употреблением подвергают специальной подготовке для придания качества и формы, удовлетворяющих как технологическим требованиям, так и требованиям механизации и автоматизации производства. До настоящего времени выпускаемые формы всех типов СК, изготовляемых в СССР, не унифицированы (брикеты, гранулы, листы), в связи с чем существуют большие затруднения при их подготовке и развеске. В промышленности СК ведут^я работы по стандартизации выпускаемых форм каучука и предполагается, что каучуки будут поступать к потребителю в вид' отдельных блоков в форме прямоугольного параллелепипеда 円 стандартными размерами 660 х 330 х 180 мм в полиэтиленово^ упаковке массой 32—34 кг. Следует одаако заметить, что многи СК обладают большой текучестью, поэтому первоначальна форма их может сохраняться только 10一15 сут.
100 Т
СК и НК перед подачей в резиносмеситель подвергают предварительной обработке: распарке, резке, разогреву, измельчению и пластикации. .
СК, поступающие на кабельные заводы в кипах массой до 30 кг, не требуют обработки, при этом поверхность кип должна быть предварительно очищена от загрязнений. Кипы массой более 30 кг необходимо разрезать на меньшие куски, ряд каучуков (НК, СКИ-ЗД, наирит) в процессе транспортировки и хранения могут кристаллизоваться и стать очень жесткими, что затрудняет их дальнейшую резку и пластикацию. Поэтому эти каучуки подвергают предварительной распарке для их декристаллизации. Декристаллизацию каучуков проводят в стационарной механизированной камере с принудительной циркуляцией горячего воздуха при температуре не выше 80° С в течение 8—36 ч для НК и 6—24 ч для наирита в зависимости от условий хранения.
На крупных (шинных) заводах применяют распарочные камеры туннельного типа. Нарезанный вдоль листов каучук помещают на полки цепного конвейера, проходящего через туннельную печь, обогреваемую горячим воздухом (70—80 ℃). Иногда применяют также электронагревательные камеры для распаривания каучука с помощью токов высокой частоты ТВЧ (25——50 МГц). Кипу помещают на металлический пластинчатый транспортер периодаческого действия. Когда она поров- няется с электродом (металлической пластинкой), транспортер останавливается и кипа начинает нагреваться. Транспортер экранирован металлическими листами и заземлен. При использовании установки мощностью 30 кВт можно в течение 40 мин нагреть до 45 ℃ четыре кипы каучука массой по 100 кг каждая. Однако этот способ не получил широкого распространения на кабельных заводах, так как большинство кип деформировано, и, следовательно, не обеспечивается их равномерный разогрев.
Этот недостаток устраняется при декристаллизации каучука на специальных установках в поле токов сверхвысокой частоты ,00—2450 МГц). Этот способ позволяет упростить камеры (не требуется контакт с электродом) и обеспечивает разогрев неравномерно деформированных кип, которые трудно разогреть на установках ТВЧ.
После декристаллизации кипы каучука режут. Для резки применяют вертикальные и горизонтальные гидравлические Ножи с звездообразным расположением лезвий и гидравличес- кие гильотинные ножи с одним лезвием.
В последнее время на ряде предприятий применяют ав- томатические гильотинные ножи, режущие кипы каучука на :Уски определенной толщины. Подача кип под нож и отбор Урезанных кусков автоматизированы. Такие ножи вместе
101
с транспортерами и автоматическими весами входят в сослав систем автоматической развески каучуков [26].
Натуральный каучук в необработанном виде обладает весьма низкой пластичностью (0,05——0,08 по Карреру) и не способен быстро смешиваться с остальными ингредиентами. Поэтому перед пуском в производство НК подвергаются пластикации. Пластикация может быть выполнена на вальцах, в червячных пластикаторах и резиносмесителях. Процесс пластикации в резиносмесителях наиболее механизированный, требует минимальных трудовых затрат, и поэтому только этот способ практически используется в отечественной кабеле ной промышленности. Пластикация НК производится при температуре 120—140 ℃ с каптаксом в дозировке 0,2 части на 100 частей (по массе) каучука. Время пластикации 6——10 мин. Применение каптакса (как, впрочем, и других химических пластификаторов) позволяет снизить затраты на 35% по сравнению с затратами на пластикацию без него. Пластикация каучука СКИ-ЗД производится по аналогичным режимам. После пластикации НК подвергается фильтрации через набор сеток № 2 + 063 + 045+ не более 028 для последующего применения в изоляционных резинах и через набор сеток № 2 + 09 + + 063 + 045 для последующего применения в защитных резинах.
Если с НК предварительно были сняты упаковочные листы («рубашки»), то его можно не подвергать фильтрации. Пласти- цированный НК и каучук СКИ-ЗД хранят в виде рулонов или пластин, опудренньГх мелом или покрытых тальковой пастой (98% талька и 2% трансформаторного масла). Время выдержки пластифицированных каучуков составляет не менее 6 ч.
Подготовка сыпучих материалов. Сыпучие материалы, применяемые в кабельных резиновых смесях, должны отвечать требованиям кабельной промышленности, что и отражено в требованиях ГОСТ и ТУ на них. Только такие материалы могут непосредственно идти в производство. Однако на практике большая часть этих материалов (мел, каолин, оксиды цинка и магния, красители, ускорители и др.) нуждается в предварительной подготовке——сушке, просеве или воздушной сепарации. Повышенная влажность минеральных наполнителей (особенно мела) может явиться причиной брака. В частности, она может вызвать запрессовку агломератов различного размера в резиновой смеси, увеличение пористости резиновой оболочки в процессе вулканизации и т. д.
Многолетний опыт показал, что белые наполнители ведут себя удовлетворительно на всех переделах при содержании влаги менее 0,5%. Исключение составляет технический углерод, для которого допускается большая влажность,1 так как он не склонен к агломерации и не применяется в изоляционных резина». 鼻 102 ' 1
В качестве оборудования для сушки наполнителей применяет- барабанные и шнековые сушилки непрерывного действия^ с электрическим или паровым обогревом. Конструкция таких' агрегатов и принцип их действия подробно описаны в [24].
Как уже указывалось, в технической документапии на материалы в большинстве случаев оговорено полное прохождение материала через сетку № 014 или 016, однако на практике этого нет, поэтому материалы подвергают просеву на воздушных сепарационных установках или центробежных сеялках через капроновую ткань или латунную сетку.
За рубежом некоторые порошкообразные материалы выпускают в виде текучих дисперсий. Они содержат до 80% порошкообразных ингредиентов и до 20% мягчителей. Объем таких композиций в 2 раза меньше объема исходных компонентов. Текучие дисперсии перекачивают насосами и хранят в бункерах. Для улучшения диспергирования тугоплавких ускорителей в каучуках иногда в резиносмесителях изготовляют маточные смеси, содержащие 50——80% ускорителей. Приготовляют и так называемые ускорительные пасты. Ускорители смешивают с нейтральными пластификаторами или жирной кислотой, оксидом цинка и красителями в специальных клееприготовительных машинах. Следует отметить, что все эти операции вызваны вынужденной ориентацией на сырье низких кондиций, являются очень энергоемкими, ухудшают санитарно- гигиенические условия, а их автоматизация не всегда цриводит к экономическим и рациональным схемам.
Подготовка мягчителей и смол. Парафин и другие воскоподобные материалы расплавляют в камерах для разогрева твердых мягчителей с электрическим, паровым или водяным обогревом и фильтруют через сетку № 016. Жидкие мягчители, пластификаторы и масла (марки ДБФ и др.) не / нуждаются в предварительном подогреве, их только фильтрует- Тугоплавкие мягчители (канифоль и др.) очищают, снимая (скалывая) наружный слой, и дробят на молотковой дробилке на куски размером 1——5 мм. Дробить эти материалы в ша- Ровнх мельницах или дезинтеграторах не рекомендуется, так :ак даже при незначительном разогреве смолы размягчаются ” слипаются. По этой же причине не следует делать больших 普пасов дробленого материала, особенно в жаркое время года. Материалы, поступающие на заводы в виде гранул (стеариновая ，с?та, нефтяные битумы) или чешуек (смола СФ-010А, :афен ФП), в предварительной обработке не нуждаются» йх распаковывают непосредственно перед взвешиванием.
Дозирование ингредиентов. Выше были рассмотрены "Особы подготовки твердых и жидких компонентов для 曾口ання им необходимого качества и транспортабельности, следующими основными и наиболее ответственными
103
технологическими операциями процессов приготовления зиновых смесей являются операции, связанные с дозировкой их компонентов. Качество резины, рациональное использование исходных материалов, санитарно-гигиеническое состояние резиноделательного производства во многом зависят от совершенства систем дозировки.
Различают три метода дозировки материалов: по времени, а также объемный и весовой методы. Метод дозировки по времени, несмотря на ряд преимуществ (низкая первоначальная стоимость механизмов управления, возможность легко изменять состав смеси, простота системы управления), имеет и существенные недостатки ——небольшая точность дозировки состава смесей в результате колебаний скорости подачи материалов, влияние на точность дозировки погрешности командных приборов, работающих во времени, зависимость точности дозировки от высоты столба материала. Поэтому этот метод не имел применения в кабельной промышленности.
Объемный метод также недостаточно точен, но иногда его применяют, используя насосы-дозаторы плунжерного типа для жидких ингредиентов.
Весовой метод дозировки является наиболее точным и благодаря этому нашел широкое применение в кабельной промышленности. Независимо от типа применяемых весов погрешность при взвешивании не должна превышать +1% заданной массы. Особое внимание нужно уделять точности дозирования активных компонентов, входящих в состав резиновой смеси: вулканизующих агентов, ускорителей и активаторов вулканизации, стабилизаторов и т. п.
В настоящее время на большинстве заводов применяют полуавтоматические и автоматические весы. Автоматические весы являются неотъемлемой частью поточных линий изготовления резиновых смесей. Однако ряд ингредиентов (каучуки, смолоподобные материалы и трудносыпучие порошки) пока не поддаются полному авт ома тическому дозированию. Взвешивание каучуков производится на полуавтоматических весах. Они предназначены для последовательного взвешивания четырех различных компонентов и соответственно оснащены четырьмя ленточными питателями. Последние имеют две рабочие скорости: большую для основной (грубой) засыпки материала в весовой котел и малую для досыпки материала. Весы имеют восемь весовых коромысел, что позволяет производить дистанционное их включение. Загрузка каучуков на эти весы происходит вручную, а остальные операции ——взвешивание и разгрузка ——автоматизированы.
Для взвешивания мелов, каолина, талька, технического углерода на большинстве кабельных заводов применяют ав“ томатические весы с пультом программного управления. Эт^ весы, как правило, оснащены аэроционными питателями. Л км[
Дозирование жидких и расплавленных мягчителей произ-
-йТся специальными автоматическими весами с про- в аммным управлением и со встроенным питателем. В качестве 需тателей применяют небольшие бачки с двумя коническими клапанами. Один клапан настраивают на основную заливку мягчителя, а второй—на доливку. Питающие бачки, весовой ковШ и сливная воронка снабжены электроподогревом. Взве- щивание прочих сыпучих материалов (вулканизующих веществ, ускорителей, стабилизаторов, красителей и т. п.) производится, % правило, вручную на почтовых весах. Готовые навески моЖно затаривать в мешочки из полиэтилена или каландрованной резины.
' В настоящее время в ряде отраслей промышленности, в том числе и кабельной, создаются автоматизированные системы хранения, подготовки, дозирования и подачи в резино- смесители всех ингредиентов резиновых смесей.
СМЕШЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
\ Смешение ——процесс приготовления резиновых смесей путем диспергирования в каучуке порошкообразных и жидких ингредиентов до получения гомогенной однородной фазы.
Процесс смешения в каучуке и резиновой смеси условно протекает в две стадии: на первой стадии происходит смешение
вязкости каучука и введение в него ингредиентов, а на второй——их диспергирование до получения однородной массы. При этом протекают следующие физико-химические превращения [27, 28]: разрушение крупных агломератов ингредиентов и полимерных блоков до более мелких структур, внедрение порошкообразных и жидких ингредиентов в каучук с нарушением его склонности к образованию общей грубодисперсной массы смеси в результате слипания отдельных микрообъемов, диспергирование агломератов тонкодисперсных наполнителей до минимального размера составляющих их первичных частиц с одновременным механохимическим взаимодействием поверх- н℃ти частиц с каучуковой фазой.
Гомогенизация или простое смешение——перемещение ча- СТиЦ от одной точки смеси к другой без изменения формы, °бусловливающее повышение однородности смеси.
процессов что опре- и диспер-процессов что опре- и диспер-Механическая деструкция каучука сопровождается сниже- ннем его вязкости (пластикация), разогревом вследствие выделе- н*只 энергии внутреннего трения, обусловливающего ускоренное "Р°теканне термо окислительных процессов, снижением эффек- ，Ивгой вязкости смеси. Протекание всех этих °пРеделяет качество смешения, однако считается, 长"ярщями процессами являются гомогенизация кование.
процессов что опре- и диспер-
процессов что опре- и диспер-
Гомогенизация (простое смешение) зависит главным об. разом от накопления деформации сдвига, а диспергирован^ определяется реализуемыми напряжениями сдвига или ^冷、 костью смеси. Косвенно это подтверждается тем, что в процесс смешения различных каучуков с техническим углеродом 嗨 лабораторном резиносмесителе на разрушение каучука затра. чивается около 200 МДж/м3, агломератов технического угле, рода ——600 МДж/м3, на внедрение порошкообразных и жидк^ ингредиентов в каучук ——600 МДж/м^, а на их распределение в смеси—до 1100 МДж/м3 [29, 30].
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИНОСМЕСИТЕЛЕЙ
Рис. 4.2. Роторы резиносмесителя; / — шейка ротора; 2—гребень ротораРис. 4.2. Роторы резиносмесителя; / — шейка ротора; 2—гребень ротораЗакрытый резиносмеситель состоит из двух горизонтально роторов фигурной формы (рис. 4.2), вращающихся в закрытой камере, установленной на массивной фундаментной плите, Камера имеет два Окна: верхнее для загрузки компонентов, закрываемое верхним затвором, находящимся под давлением плунжера пневматического цилиндра, и нижнее для выгрузи смеси, закрывающееся нижним затвором (отодвигающим ил» откидывающим дверкой). При перемешивании смесь и рабочие органы машины нагреваются. Поэтому камеры и роторы охлаждают водой. Устройство современного резиносмёсителя типа РСВД-140-30 показано на рис. 4.3. Производительность смесителя зависит от его конструкции, а также от технологических факторов, определяемых порядком за- грузки материалов и про должительностью смешения. Основными характеристиками резиносмесителя являются вместимость смесительной камеры 匕 частота вращения роторов 勺 давление, передаваемое 阳 смесь, р и мощность тродвигателя W. В кабельной промышленности ис殴 льзуют в основном резина смесители с овальными р： торами (типа «Бенбер^ имеющие р=250 б /pj = 20-^30 об/мин, Г -0,665 МПа и + 630 кВт. Фрикция Р°1 ров составляет 1 :1,18. ^ которые резийосмесит^
Рис. 4.2. Роторы резиносмесителя; / — шейка ротора; 2—гребень ротора
Рис. 4.2. Роторы резиносмесителя; / — шейка ротора; 2—гребень ротора
Рис. 43 Схема современного резиносме- сителя типа РСВД-140-30:/ — резиносмеситель; 2—фундаментная плита; 3—загрузочная ^воронка; 4 - горловина воронки； 5 — задняя стенка воронки; 6—пневматический цилиндр; 7 — универсальные шарниры муфты; 8—блок-редуктор; 9 — зубчатая муфта;10 — электродвигательРис. 43 Схема современного резиносме- сителя типа РСВД-140-30:/ — резиносмеситель; 2—фундаментная плита; 3—загрузочная ^воронка; 4 - горловина воронки； 5 — задняя стенка воронки; 6—пневматический цилиндр; 7 — универсальные шарниры муфты; 8—блок-редуктор; 9 — зубчатая муфта;10 — электродвигатель
Рис. 43 Схема современного резиносме- сителя типа РСВД-140-30:
/ — резиносмеситель; 2—фундаментная плита; 3—загрузочная ^воронка; 4 - горловина воронки； 5 — задняя стенка воронки; 6—пневматический цилиндр; 7 — универсальные шарниры муфты; 8—блок-редуктор; 9 — зубчатая муфта;
10 — электродвигатель
Рис. 43 Схема современного резиносме- сителя типа РСВД-140-30:
/ — резиносмеситель; 2—фундаментная плита; 3—загрузочная ^воронка; 4 - горловина воронки； 5 — задняя стенка воронки; 6—пневматический цилиндр; 7 — универсальные шарниры муфты; 8—блок-редуктор; 9 — зубчатая муфта;
10 — электродвигатель
*меют переменную частоту вращения. Увеличивая частоту ^Ращения в начале цикла и снижая ее в конце цикла, можно Уготовлять в одну стадию смеси, равноценные смесям при двУстадийном смешении.
В закрытых смесителях деформация каучука и резиновой ；^есн，а соответственно и само смешение происходят во всем ；'еме материала и во всех частях камеры. Однако скорости :вига в различных точках объема деформируемого материала уличаются друг от друга более чем на два порядка, напряжение сдвига——в 5——6 раз [31 ]. Наибольшая скорость
сдвига наблюдается в зазоре между гребнем ротора и стенке^ камеры. Средняя скорость сдвига уср в элементном объеме деформируемого материала рассчитывается по уравнению [25] Ycp = kp〃?o, где 〃о — расстояние между поверхностью ротора и стенкой камеры (зазор).
Характер процесса смешения определяется степенью объем^ ного заполнения камеры, давлением верхнего затвора, частотой вращения роторов и температурой. Масса заправки резине смесителя обычно определяется как произведение свободного объема камеры, плотности смеси и коэффициента заполнен^ камеры К3, который зависит от вязкости смеси, частоты вращения ротора и его формы и колеблется в пределах 0,5—0,8.
Мощность смесителя Wc зависит от реологических свойств материала, геометрии роторов и объема деформируемой смеси：
， W^ = W3nlL!h0-(4.1)
忆=心"+1厶，(4.2)
кромки лопасти ротора; ”кромки лопасти ротора; ”заполнения камеры；заполнения камеры；где ^*—мощность на единицу дайны ротора;厶一ширина ——эффективный объем смеси; иэ—
кромки лопасти ротора; ”
кромки лопасти ротора; ”
заполнения камеры；
заполнения камеры；
эффективная вязкость; К— коэффициент
скорость сдвига; у ——индекс течения.
Параметры, входящие в (4.1) и (4.2), по-разному влияют на Wc. Например, при уменьшении зазора в 7 раз потребляемая мощность возрастает всего на 3—5%. Поэтому существует оптимальное значение % (около 5—7 мм), значительное отклонение оТ которого в сторону увеличения или уменьшения приводит к ухудшению качества смеси. При износе резиносме- сителя (увеличении Ао) уменьшение мощности компенсируется увеличением объема загрузки. Поскольку Г, зависит от давления, при его увеличении мощность смешения возрастает.
Одаовременно повышается температура смеси. Это происходит благодаря уменьшению пустот в камере, что позволяет увеличить объеду загрузки, скорость захвата смеси роторами и сократить режим смешения. Однако рост мощности при повышении давления на смесь происходит до определенного； уровня (в зависимости от состава смеси), так как, если верхний затвор дошел «до упора»? усилие передается не 曲 смесь, а на конструкцию резиносмесителя [27, 28, 31, 33].
При смешении каучука с ингредиентами из-за возникнове' ния значительных сдвиговых усилий и деформаций выделяет^ значительное количество тепла, что приводит к интенсивном) повышению температуры смеси. Поскольку при механическо? обработке каучука и смеси процессы носят необратим^ характер (вязкое течение), практически вся энергия, переда®3, емая на привод, превращается в тепло. Масса обрабатываем^0 материала обычно весьма значительна (150一200 кг), поверх
нОсть теплоотвода сравнительно невелика, а его температуропроводность низка (около 0,00046 м2/с). Поэтому температура в резиносмесителе быстро понижается, но не успевает достичь равновесного значения, т. е. процесс передачи при смешении является нестационарным и может быть представлен уравнением
dT/dt = B(E-Qt)t, (4.3) где В——постоянная; Е——общая поглощенная энергия; Q —— терло, отобранное в систему охлаждения; t ——время.
Температура смеси не должна быть слишком высокой, так как при сильном понижении вязкости, которая изменяется с температурой по экспоненциальному закону, и напряжения сдвига ухудшается распределение ингредиентов. В то же время температура оказывает сильное влияние на характер механо- химических, деструктивных и термоокислительных процессов; при температуре до 100° С преобладает механическая, а выше 150° С ——окислительная деструкция. Установлено [27], что при смешении в смесителях типа «Бенбери» имеется определенный «инерционный» интервал температур, при котором коэффици- ент трения между смесью и металлом в камере постоянен; этот интервал составляет 20——40° С для смесей на основе НК, 30—50° С для смесей на основе СКН и СКЭП, 40—50° С для смесей на основе БК.
РЕЖИМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
В настоящее время основная масса кабельных резиновых смесей изготовляется в смесителях высокого давления с частотой вращения роторов 20——30 об/мин (тип РСВД-250).
Процесс резиносмешения может быть выполнен в одну или две стадии. Одноступенчатый процесс смешения по способу загрузки ингредиентов может быть последовательным или одновременным.
При одностадийном последовательном смешении ингредиенты вводят в следующем порядке. Сначала при закрытом нижнем затворе загружают каучук, маточные смеси, регенерат, химические пластификаторы и содержимое перемешивают под Давлением верхнего затвора, затем добавляют противостари- тели и диспергаторы. После распределения диспергаторов в смеситель добавляют технический углерод и другие напол^ Нители, а мягчители вводят после распределения активных Наполнителей.
При введении наполнителей и мягчителей верхний затвор Должен находиться в поплавковом положении (т. е. без дав- л^ния воздуха) до полного поглощения их каучуком, после ч^го на верхний затвор подают давление.
Современные конструкции смесителей снабжены приспособ^ лениями для подачи технического углерода и мягчителей под опущенный верхний плунжер. Мягчители подают под давле^ нием.
Одностадийное последовательное смептение применяется только на тихоходных смесителях, еще имеющихся на ряде заводов. Продолжительность смешения при этом составляет 6—12 мин. Этим методом невозможно достичь хорошего диспергирования технического углерода, поэтому резиносмеси^ тели заменяют модернизированными, с более прочным кор- пусом, с удлиненной воронкой, позволяющей вводить технический углерод и мягчители при опущенном плунжере и вмещающей полную загрузку материалов на один цикл, с большой питательной воронкой, улучшенной системой про- тивопыльных уплотнений и уплотнений корпуса и дверок. Такие смесители имеют четырехкрылый ротор, обеспечивающий более эффектавное смешение. Привод ротора осуществляется через редуктор с помощью гибких муфт. Смесительные камеры охлаждают водой, протекающей через высверленные отверстия, для охлаждения роторов применяют турбуляторы. Температура в таких смесях регулируется автоматически. В ряде случаев смесители снабжены откидной нижней дверкой, обеспечивающей быструю выгрузку.
При одностадийном процессе смешения на современных смесителях загрузку активных наполнителей производят после загрузки каучука при закрытом плунжере, после чего через открытый затвор подают ингредиенты, применяемые в малых количествах, а затем——мягчители при закрытом плунжере. Продолжительность смешения сокращается до 5——7 мин.
При смешении в быстроходных смесителях резиновые смеси сильно разогреваются, что приводит к снижению вязкости смеси и интенсивности смешения. Поэтому смешение проводят в две стадии с промежуточной выдержкой и охлаждением резиновой смеси. На первой стадии готовят маточную смесь, содержащую все ингредиенты, кроме агентов вулканизации и ускорителей, которые вводят на второй стадии.
В кабельной промышленности на первой стадии применяются смесители с частотой вращения роторов 30 об/мин. Смешение на второй стадии производят в смесителях с частотой вращения 20 об/мин, так как температура смеси не должна превышать температуру активации ускорителей (110° С). Некоторые современные смесители снабжают приводами, обеспечивающими плавное изменение числа оборотов, что позволяет поручать смеси при более низких температурах；
В последнее время для приготовления смесей с повышенной вязкостью применяют закрытые смесители с овальными р, торами типа «Интермикс». Особенностью таких смесителей по
является наличие взаимозацепляк)щихся роторов, которые имеют цилиндрическую поверхность с одним большим вин- товым выступом и двумя винтовыми выступами меньшего размера. Клиновидные лопасти одного ротора входят во впадины другого. Обработка материала происходит, в основ- ном, в зазоре между роторами, а не между роторами и стенками камеры.
Существуют два способа загрузки: прямой, когда сначала загружаются каучуки, а потом——все остальные. ингредиенты (последними мягчители), и обратный, когда сначала загружают мягчители, затем——технический углерод и последними ——каучуки. При обратном способе загрузки обеспечивается более интенсйвное смешение смесей, содержащих большое количество вьксокоструктурного технического углерода. Однако при получении смесей, содержащих технический углерод с нормальной или низкой структурностью или небольшое его количество, этот способ загрузки применять не рекомендуется. Кроме того, при таком способе загрузки необходимо герметизировать нижнюю дверку смесителя.
Ведутся также работы по непрерывному смешению рези- йовых смесей. При таком смешении в отличие от периодического не происходит резких изменений мощности и температуры. Кроме того, появляется возможность использовать отводимое тепло для предварительного нагрева ингредиентов, поступающих в зону загрузки. Это позволяет значительно повысить КПД оборудования, обеспечить стационарность температурного режима смесителя и получение смесей с однородными свойствами, а также совместить процессы смешения и формирования резиновых смесей.、
В большинстве случаев смесители непрерывного действия имеют такую же конструкцию, как и машины червячного типа, с одним или несколькими роторами (червяками).
Интенсивное перемешивание материалов происходит в двухчервячных резиносмесителях непрерывного действия, в которых . червяки расположены так, что витки нарезки и перемешивающие элементы одного червяка входят в соответствующие элементы нарезки другого червяка. Червяки с переменным тагом нарезки имеют зоны с обратной нарезкой, в которых тормозится движение смеси к разгрузочному отверстию 冗 увеличивается деформация сдвига.
Существенной трудностью в организации непрерывного смешения является отсутствие системы непрерывного дозирова- ни夕 ингредиентов. Кроме того, такие смесители невыгодны На производствах, потребляющих резиновые смеси различного состава, так как их приходится часю перестраивать. (Именно 麗Ким производством является изготовление кабельных резин). Однако их с успехом можно использовать дая приема
и доработки смесей из резиносмесителей периодического действия, а также дая проведения второй стадии смешения. При использовании машин непрерывного действия для доработки смесей продолжительность двухстадийного смешения сокращается в 1,5 раза, а одностадийного—в 2 раза.
В настоящее время в отечественной кабельной промышленности используют только резиносмесители периодического действия.
45 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКАИ ХРАНЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
В процессе смешения необходимо получить гомогенную резиновую смесь с заданными технологическими свойствами, пригодную дая переработки на червячных прессах. Смесь из резиносмесителя выгружают в виде бесформенных кусков. Перед тем как направить готовую смесь в производство, ей требуется придать определенную форму, а в большинстве случаев подвергнуть дополнительной механической обработке для улучшения диспергирования ингредиентов или введения в нее вулканизующих веществ. Поэтому после смешения в резиносмесителе смесь подают сначала на вальцы, а затем в червячные машины (стрейнеры), снабженные различными головками (фильтрующей, листующей, гранулирующей или комбинированными).
Число вальцов, агрегированных с резиносмесителем, а также их габаритные размеры зависят от производительности резиносмесителя. Так, для резиносмесителя типа РС-250-20 необходимы одни вальцы с длиной валков 2100 мм, а для типа РС- 250-30—двое таких вальцев, причем первые вальцы должны быть снабжены механизированным перемешивателем, а другие——ножами для срезки ленты смеси. Непрерывная лента по транспортеру поступает в фильтр-пресс. Фильтрация позволяет удалить из резиновой смеси различные посторонние включения, а также комочки порошкообразных ингредиентов. Фильтрацию смесей выполняют после первой стадии смешения, т. е. до введения вулканизующих веществ.
Поскольку кабельные заводы в настоящее время в основном оснащены червячными прессами с удлиненными шнеками, их питание производится холодной резиной в виде лент (гранулирование широкого применения в отечественной промышленности не имеет).
Срезанная с вальцов лента проходит через охладитель； где охлаждается водой и обрабатывается противоадгезионной мыльно-стеариновой эмульсией, и укладывается в виде гармошки на поддоны или в контейнеры. Иногда ленты намать^ вают на катушки.
46 ПОТОЧНО-АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЛИНИЯДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
За последние годы в СССР на кабельных заводах создан ряд поточных линий для изготовления резиновых смесей, которые получили сокращенные названия ПАЛ (поточная автоматизированная линия).
Эти поточные линии состоят из ряда последовательно сОвмещенных производственных процессов, которые имеют технологическую, механическую и электрические связи, позволяющие из разрозненных механизмов создать единый комплексный агрегат. Значительный прогресс в этой области дала разработка систем, в которых технологическое оборудование кроме обработки выполняет также функцию транспортирования материала (например, шнековые индукционные сушильные устройства) и, наоборот, транспортных устройств, которые кроме транспортирования выполняют функции обработки материалов (например, сушка сыпучих в процессе пневмотранспортирования).
Компоновка оборудования, входящего в состав поточной линии, а также выбор того или иного вида непрерывного транспорта для передачи материалов от одной операции к другой решаются на различных заводах по-разному в зависимости от местных условий [35].
Так, поточная полуавтоматическая линия завода «Азов- кабель» смонтирована в одноэтажном здании резиноподгото- вителвного цеха, а отделение по подготовке материалов размещено в многоэтажном здании высотой 30 м, которое примыкает непосредственно к корпусу цеха. Оборудование подготовительного отделения находится на расстоянии 100 м от резиносмесителя. Сыпучие материалы транспортируют при помощи четырех основных и двух вспомогательных пневмотранспортных систем [36].
Как видно из схемы поточной полуавтоматической линии (рис. 4.4), светлые сыпучие материалы загружаются из мешков йли ларей в воронку 52 и элеватором 51 поднимаются до загрузочной воронки электросушилки 50. После сушки матери- ап* шнеком 45 подаются в сито грубого просева 42, которое Расположено внутри бункера 43 вместимостью 7,8 м3. Предварительно просеянный и просушенный материал из бункера 43 через шлюзовой затвор по замкнутой пневмотранспортной системе 32, 44 проходит в верхний циклон 3/, откуда через шлюзовой затвор поступает в приемный бункер зб вмести- ,℃тью 7,8 м3. Из приемного бункера 30 при помощи еРтикальных течек и шнека сыпучие материалы подаются в Двойной шнековый питатель 29, из которого поступают
^ялки тонкого просева 59. Окончательно просеянный * 3125 из
3333Принципиальная схема поточной полуавтоматическойПринципиальная схема поточной полуавтоматической
33
33
Принципиальная схема поточной полуавтоматической
Принципиальная схема поточной полуавтоматической
материал по вертикальным течкам 33 транспортируется в контрольный бункер 34 и далее верхними шнеками 53 подается в сборный бункер 39 вместимостью 7,8 м3.*
Отсевы из сеялки тонкого просева 59 при помощи шнеков 58 и 35 и контрольного бункера 34 попадают в пневмотранспортную систему 36, которая транспортирует их в циклон- разгрузитель 47} откуда через шлюзовой затвор 46 поступает в сеялку грубого просева 42 для повторного просева. Воздух из циклона-разгрузителя поступает в фильтр 48 и вентилятором 49 удаляется в атмосферу. Бракованный материал при помощи шнека 58 и пневмотранспортной системы 55 транспортируется в циклон 57, откуда через шлюзовой затвор 60 попадает в бункер отходов 37. Воздух из циклона 57 поступает в фильтр 56、а затем через вентилятор 54 выбрасывается в атмосферу.
Обработанные материалы из бункера 39 через шлюзовой затвор 40 и пневмосистему 38, 41 подаются в верхний циклон 28, из которого через шлюзовой затвор 27 с помощью 皿口謂 .26 поступают в расходные бункеры 25, расположенные наД пневмовинтовым питателем.
Использование для транспортировки пневмовинтового пит^ теля обеспечивает по сравнению с установками обычного 丁瓜"； уменьшение затрат на бесполезное перемещение больших м"“ 114
4=
линии изготовления резиновых смесей на заводе «Азовкабель»
воздуха и снижение общего удельного расхода энергии на 1 т перемещаемого материала. Это обусловлено тем, что концентрация смеси в установке данного типа во много раз . выше, чем во всасывающих устройствах «классического» пневмотранспорта, а диаметр трубопровода и удельный расход воздуха значительно меньше.
Одновременно упрощается система очистки воздуха. Из расходных бункеров 25 материал под действием собственного веса поступает в приемную воронку питателя 24, откуда быстроходным напорным шнеком 23 подается в смесительную камеру 22. Шнек имеет переменный шаг, уменьшающийся по направлению к камере, что необходимо для создания пылевой пробки, предотвращающей прорыв сжатого воздуха из камеры 22.
Сжатый воздух из ресивера 10 подается в камеру через ^орнстую перегородку 21 в виде множества микроструек, благодаря чему процесс смешения протекает интенсивно с ма- “1мн потерями давления, и в трубопровод вводится окон- "ательн。 приго т о в ленная смесь.
Шнек питателя приводится в движение от электродвигателя [ощностью 7 кВт с частотой вращения 980 об/мин. Для Редотвращения попадания пыли из камеры шнека в подшип- ?кн служат воздушные и манжетные уплотнения.
Материалы от питателя 24 транспортируются по труб。、 проводам диаметром 60 мм из нержавеющей стали в приемные бункера 4 и 6, оборудованные фильтрами для очистки воздуху и сигнализаторами уровня типа УКМ. Внутренняя поверхность бункеров покрыта антикоррозионным материалом. Наполнение бункеров осуществляется следующим образом. Нижний датчик УКМ подает команду на подачу воздуха и включение в работу пневмовинтового питателя. При наполнении бункера верхний датчик отключает питатель; подача воздуха для продувки трубопровода продолжается после этого еще 2 мин.
Сажа после очистки в специальных сеялках-дозаторах /5 поступает в расходные надвесовые бункера 3 и 5 по вакуумной системе трубопроводов (диаметр 150 мм). »
Одним из основных элементов данной вакуумной транспорт- ной системы является разгрузочное устройство 7, изготовленное на базе серийного пневматического разгрузчика цемента типа С-362Б, модернизированного по рекомевдации завода «Амур, кабель». В нем радиальный подвод материала заменен на тангенциальный в кольцевую полость выше разгрузочного шнека, что устраняет возможность выдувания материала из межвиткового объема.
Такая конструкция существенно уменьшает количество материала, осаждающегося на рукавных фильтрах, и, следовательно, повышает производительность вакуум-линии.
Из осадительной камеры 1 сажа шнеком с помощью механизма выгрузки подается в распределительный шнековый питатель 2, который направляет сажу в расходные бункера 3 к 5 вместимостью 4,5 м3. Бункера 3 и 5 снабжены пневмозадвижками и оборудованы сигнализаторами уровня типа ИКС-2 (искробезопасный контроль сопротивлений), которые сигнализируют о наличии материала в бункерах и дают команду в цепь автоматического управления вакуум- транспортом.
В линию вакуум-транспорта вмонтированы вакуумметры вакуумного типа ВЭ-16Р6, которые отключают сеялку-дозатор при уменьшении вакуума в линии и предотвращают тем самым забивание трубопроводов сажей. Для создания вакуума в пневмосистеме используются два водокольцевых вакуум- насоса 20 типа РМК-4.
Жидкие мягчители самотеком по трубам с паровым обогревом поступают в дозировочные бачки 7 из специальнь^ плавильных ванн 9, установленных над ними. Дозатор работают на принципе автоматического объемного дозировани с помощью поршневого насоса.
Каучук перед загрузкой в резиносмеситель 14 гилвотмннМ ножом 12 разрезают на куски, после чего подают с помо叫 подъемника 11 к месту развески. Куски каучука взвешивав 116
на циферблатных весах 8 и укладывают на конвейер загрузки /3 вместе с мелкими ингредаентами, доставляемыми из централизованной навесочной.
По соответствующей команде от системы автоматического управления загрузки куски каучука и мелкие ингредиенты загружают в смеситель.
В соответствии с технологией производства резиновых смесей производится загрузка сыпучих наполнителей. Сыпучие материалы взвешивают на дозировочных автоматических весах /6 типа 4ДПК-80. Взвешенный материал поступает через течку в смесительный бункер /7, откуда спаренным шнековым питателем загружается в резиносмеситель. Контроль выгрузки материалов осуществляется датчиком типа УКМ.
Смесительный бункер 17 оборудован пневмовибраторами, не допускающими сводообразования сыпучего материала в бункере. Порядок загрузки материалов устанавливается командо- аппаратом КЭП согласно установленной программе. Готовая резиновая смесь выгружается из резиносмесителя 14 на ленточный транспортер 18 и подается на листовалъные вальцы 19.
Значительный интерес представляет проект резиноделатель- ного цеха с суточной производительностью 100 т для завода «Верхневолжсккабель». Особенностью данного проекта является высокая степень механизации и автоматизации вспомогательных и производственных процессов.
Выгрузка материалов, упакованных в мешки, производится с помощью разгрузочного конвейера, состоящего из двух узлов: основного и телескопического. Основной узел представляет собой часть конвейера, перемещающегося по рельсовому пути. Телескопический узел представляет другую часть конвейера, имеющую переменную длину и поворачивающуюся на 180° в горизонтальном направлении. Для растаривания мешков используется мешкоразгрузочное устройство, выполняющее в автоматическом режиме разрезку мешков на три части и их пакетирование в кипы. Пропускная способность устройства ——600 мешков в час.
Белые наполнители по пневмотранспорту подают в склад- скнс бункера и таким же способом в расходные бункера, установленные над резиносмесителем.
Технический углерод в контейнерах, выгруженный из ва- 「онов, складируют в складском корпусе. Подачу технического углерода к расходным бункерам с участка разгрузки контейнеров производят скребковым герметизированным конвейером. Каждый резиносмеситель имеет индивидуальную систему взвешивания и дозирования материалов.
Подачу материалов, применяемых в малых количествах к резиносмесителю, а также их дозирование производят для к^Ждой рецептуры в контейнерах по команде с пульта Управления.
Необходимые параметры дозирования, нулевые допуски весовых устройств вводятся с помощью клавиатуры.
После дозирования выводятся следующие отчетные данные： дата, время суток, заданное количество материала, дозирование количества материала, отклонение от допусков по количеству.
По окончании смены выводится рапорт рабочей смены, где указывается общая масса каждого материала.
Г лава пятая
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ОБОЛОЧКИ ИЗ ПЛАСТМАСС МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ 用
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ Й ПРОЦЕССУ И ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА [1
Экструзия представляет собой процесс выдавливания материала через кольцевое отверстие или отверстие какой-либо другой формы. В кабельном производстве материал экструдируется, как правило, через кольцевое отверстие в виде трубки, облечающей токопроводящую жилу или заготовку кабеля. Пластмассы в производстве кабелей и проводов экструдируются в расплавленном состоянии. Экструдируемые невулканизированные резины представляют собой многокомпонентные смеси, причем некоторые из компонентов могут быть жидкими.
Экструзия является наиболее прогрессивным технологическим процессом при производстве кабелей и проводов с использованием пластмасс и резин, так как она обеспечивает высокую производительность оборудования, возможность наложения однородного монолитного слоя материала, получение кабельных изделий большой дайны. Процесс экструзии облегчает автоматизацию кабельного производства.
Задачей технологического процесса экструдирования является получение из исходных полимерных материалов кабельных изделий или полуфабрикатов требуемого качества с максимальной производительностью при минимальных затратах. Поскольку при переработке методом экструзии полимер в процессе транспортировки внутри экструдера переводят из твердого состояния в вязкотекучее, а затем после формования обратно в твердое состояние, то приходится рассматривать ряд сложных физических процессов. Процесс нагревания полимера и его расплавление как за счет подводамого внешнего тепла, та* и за счет тепла, выделяющегося при внутреннем трении, описываются законами термодинамики и теплопередачи.
Дия описания процессов течения расплавленного полимера используются законы гидроданамики и реологии. В нроие簪 118 霸
охлаждения и формирования структуры происходит кристал- дизация или стеклование. В ряде случаев, например при получении сшитой или вспененной изоляции, физические процессы сопровождаются и химическими превращениями. Примерй использования физических и химических законов для оптимизации технологического процесса будут приведены ниже.
Технологический процесс изготовления изоляции и оболочки кабельных изделий связан с рядом требований, предъявляемых к исходным материалам. Прежде всего, они должны полностью соответствовать нормативно-технической документации. Заготовка должна быть чистой и сухой; на отдающей таре она должна быть намотана плотными правильными рядами без перехлестывания и слипания витков, вызывающих рывки и механические повреждения при размотке; для обеспечения непрерывности процесса желательно, чтобы длина заготовки на отдающей таре была максимально возможной или чтобы используемые отдающие и приемные устройства обеспечивали переход с одной приемноотдающей тары на другую без остановки процесса.
Для выпрямления проволоки и ее дополнительной очистки перед входом р головку экструдера при необходимости устанавливают устройства для ее выравнивания и удаления загрязнений с поверхности. Для исключения возможности загрязнения полимерного материала освобождение его от заводской упаковки нужно производить либо непосредственно перед переработкой, либо при централизованной подаче к экструдеру по трубопроводам при помощи пневмотранспорта—на центральном складе. При этом во избежание конденсации влаги на гранулах полимера его следует выдержать перед переработкой при температуре производственного помещения не менее 12 ч. ' При необходимости материал следует предварительно подсу- тить, так как при содержании влаги более 0,1% ее выделение при переработке приведет к образованию пузырей в изоляции; зто особенно часто бывает необходимо при переработке полиамидов, композиций ПЭ, содержащих технический углерод, ^ поливинилхлоридных пластикатов, особенно наполненных. Наиболее эффективна сушка в вакууме, допускается сушка ® специальных устройствах, устанавливаемых на загрузочный ^нкср экструдера или в специальных шкафах на поддонах. ак как различные партии полимерных материалов могут ^сколько отличаться между собой по технологическим свой- вам, то для переработки должен поступать материал, строго Рассортированный по партиям.
Технологический процесс нужно вести таким образом, чтобы 『ухудшить качество заготовки и полимерного материала, ряжение кабельного изделия на всем протяжении от от- Куцего до приемного устройства не должно приводить
к необратимым деформациям, что может вызвать большие усадки. Перегрев заготовки при нанесении наружных покрытий может привести к деформации и даже к частичному оплавлению изоляции жил заготовки. Конструкции экструдера и особенно головки должны быть такими, чтобы исключить возможность образования зон, где перерабатываемый материал может застраиваться, перегреваться и разлагаться, загрязняя изоляцию продуктами деструкции. Уровень физико-механических и электрических показателей в результате переработки материала как правило, не должен снижаться. К недопустимому снижению* например, относительного удлинения при разрыве могут пр/ вести слишком низкая температура расплава, охлаждение расплава в матрице при соприкосновении с холодной заготовкой, чрезмерная вытяжка и резкое охлаждение изоляции после выхода из головки.
Важнейшим требованием к процессу экструзии является обеспечение требуемой формы и геометрических размеров: толщины, диаметра и концентричности. Необходимо обеспечить не только средний уровень этих . параметров, но и их стабильность по длине кабельного изделия.
Нарушение режима охлаждения может приводить к образованию усадочных раковин, что снижает напряжение возникновения частичных разрядов. Чрезмерная вытяжку расплава и тем более вытяжка уже охлажденного затвердевшего пластмассового слоя приводит к возникновению недопустимых внутренних напряжений, что может вызвать большие усадки, деформации внутреннего проводника и даже растрескивание изоляции при термоударах. Технологический процесс должен обеспечивать получение однородного полимерного покрытия без разрывов с гладкой поверхностью.
Кроме указанных выше общих требований в ряде случаев к технологическому процессу предъявляют специфические требования: степень сшивки (для сшивающихся композиций), степень вспенивания (для вспенивающихся композиций), равномерность окраски, адгезия и др.
Рассмотрим основные параметры технологического процесса экструзии, правильный выбор которых позволяет выполнить перечисленные выше требования. Часть этих параметров определяется конструкцией экструдера и всего агрегата, а часть характеризует режим переработки. Из конструктивных параметров важнейшим является диаметр червяка, определяющий при прочих равных условиях объемную производительность экструдера (см. § 5.3).
При выборе размера экструдера можно пользоваться даН" ными, приведенными на рис. 5.1. Конструкция червяка влияет не только на производительность, но и на качество переработк" материала. К наиболее важным параметрам конструкн"" 120
Рис. 5.1. Производительность П экструдеров с различным диаметром червяка в зависимости от частоты вращения червяка:
диаметры червяка, мм: /—200； 2—150; 3—120; 4—90； 5 — 80; 6—60; 7—45
червяка относятся степень сжатия, длина зоны сжатия, наличие или отсутствие насадок, улучшающих пластикацию, й барьеров, отделяющих расплав от нерасплавленных гранул. Конструкция червяка предопределяет профиль нарастания давления, что непосредственно влияет на стабильность размеров готового изделия. Решетка и сетки, устанавливаемые у входа в головку, играют двоякую роль: во-первых, отфильтровывают от расплава различные примеси, а во-вторых, создают противодавление, способствующее лучшей гомогенизации материала.
Конструкция формующего инструмента (дорна и матрицы) определяет форму готового изделия и, прежде всего, зависит от способа наложения полимерного покрытия: трубкой или с обжатием (под давлением). В первом случае в инструменте происходит формование трубки, которая затем вытягивается и осаживается на заготовку, а во втором случае наложение полимера на заготовку и его формование происходят внутри инструмента.
Основными параметрами инструмента являются углы дорна "матрицы, а также поперечный размер и длина формующей "астк. Именно в формующем инструменте в расплаве раз- виваются самые высокие деформирующие напряжения, которые м°гут в определенных случаях приводить к разрушению ^сплава, что является причиной снижения качества изделий. “РН изготовлении изделий сложной формы (например, плоских ° перемычкой между жилами и др.) особое значение приоб- Ретает конструкция входа в формующую часть матрицы: при
неправильно сконструированном входе форма изделия искала， ется.
Существенное влияние на качество оказывает система нагрева и терморегулирования; она включает нагреватели цилиндра и головки экструдера с приборами контроля и ре, гулирования, систем охлаждения цилиндра, червяка и загруз。％ ной зоны. Для некоторых материалов требуется особо точное поддержание температуры; современные системы позволяют обеспечить отклонение в пределах не более ± Г С. Охлаждение загрузочной зоны необходимо для обеспечения стабильной подачи гранул из загрузочного бункера в цилиндр экструдера. Охлаждение червяка и цилиндра необходимо как для умень： шения инерционности работы нагревателей, так и для отвода излишнего тепла, выделяющегося из-за внутреннего трения в полимере; в ряде случаев охлаждение червяка позволяет оптимизировать режимы переработки. Для обеспечения необходимого качества существенны не только температура расплава, но и профиль изменения температуры в экструдере.
Следующими важными параметрами технологического про цесса являются линейная скорость и режим охлаждения. При изготовлении изоляции и оболочки методом экструзии скорость процесса обычно ограничивается не производительностью экструдера, а либо условиями охлаждения, либо сдвиговыми напряжениями, развиваемыми в матрице. В следующих параграфах рассмотрены примеры выбора оптимальных значении рассмотренных параметров. g
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ || РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ
Поскольку процесс переработки расплавов полимеров неизбежно связан с течением расплавов под воздействием различных сил, вызывающих в нем упругие, высокоэластические (зависящие от времени) и пластические (необратимые) деформации, то для исследования таких систем необходимо привлекать реологию, которая изучает закономерности деформации и течения в материалах под воздействием механических напряжений. Под воздействием приложенного гидростатического давления расплав перемещается в направлении X от большего давления к меньшему, при этом скорость перемещения гх зависит °т координаты У, перпендикулярной направлению скорости 電： у стенок канала скорость слоев равна скорости стенки (т. & около неподвижной стенки скорость равна нулю) и увеличивается по мере удаления от нее. Перемещение слоев жидкой относительно друг друга происходит под воздействием на’ пряжения сдвига т. Градиент скорости называют скорость^ сдвига 2dMdY. Между напряжением и скоростью сдвй^
曲 установившемся ламинарном течении существует следующая взаимосвязь:
T=一优 (5.1) где г,—величина, зависящая от вязкости жидкости, а п зависит 0T свойств жидкости. При 冷=1 уравнение (5.1) представляет сОбой уравнение Ньютона, где т|——динамическая вязкость.
Для ньютоновских жидкостей т прямо пропорционально л а П зависит только от температуры и не зависит от условий течения. Строго говоря, к ньютоновским относятся только низкомолекулярные жидкости, а расплавы полимеров, течение которых сопровождается сложными взаимодействиями как между макромолекулами, так и между надмолекулярными образованиями, характеризуются большей или меньшей зависимостью вязкости от скорости сдвига (аномалией вязкости), у таких полимеров, как полиамиды, полиэтилентерефталат, поликарбонат, аномалия вязкости выражена слабо («ж 1). В то же время у расплавов полиэтилена, пластифицированного поливинилхлорида и других наблюдается сильная зависимость П от у, при этом т] уменьшается с увеличением у, т* е. п> 1.
Для практических расчетов вводят понятие эффективной вязкости и эффективной скорости сдвига, значение которых несложно получить экспериментально, например по данным полимерной вязкозиметрии. Из этих же данных определяют энергию активации вязкого течения £, которая характеризует влияние температуры на вязкость по уравнению
П = По^£/ЛГ- (5.2)
Чем выше энергия активации, тем сильнее влияет температура на вязкость. Значения Е (кДж/моль) доя некоторых полимеров составляют:
пэнп пэвппэнп пэвпПВХ-пластикат .ПВХ-пластикат .При у= Ю3 с-161016При у= Ю3 с-161016При у=0
пэнп пэвп
пэнп пэвп
ПВХ-пластикат .
ПВХ-пластикат .
При у= Ю3 с-16
10
16
При у= Ю3 с-16
10
16
16
28
40 .
С увеличением давления р вязкость увеличивается примерно □с закону п = п()ехр(6р); для полиэтилена 3 = (1,2-^1,4)-108 Па. Однако при дальнейшем увеличении давления в расплаве начинаются процессы, аналогичные кристаллизации, и вязкость 胱3к。возрастает. Критическое давление зависит от темпера- турм. Оно составляет, например, для ПЭ 60 МПа при 十 150° С "120 МПа при +165° С.
Таким образом, способность расплава течь характеризуют кРивыми течения, связывающими т, у, т] при различных температурах.
и R качестве примера практического использования реологи- ескнх данных рассмотрим установившийся ламинарный поток
Рис. 5.2. К расчету параметров в формующем канале матрицыРис. 5.2. К расчету параметров в формующем канале матрицыв формующей части матрицу при изготовлении кабельного 凿、 делия (рис. 5.2), исходя из урав、 нения (5.1) и полагая для про. стоты п= 1. В потоке расплава выделим цилиндрический , элемент толщиной dr и длиной dL、 движущийся в направлении X на расстоянии г от оси канала рав- номерно и прямолинейно со ско- ростью % На этот элемент воз
Рис. 5.2. К расчету параметров в формующем канале матрицы
Рис. 5.2. К расчету параметров в формующем канале матрицы
действуют следующие силы: перепад давления ф5 действующий
на площадь 2nrdr; напряжение сдвига т, создающееся на наружной поверхности элемента, равной 2it(r+dr)dL, и ока- зывающее тормозящее действие, а также напряжение сдвига, действующее на внутреннюю поверхность элемента 2itrdL. Суммируя действующие силы, получаем исходное уравнение:
dp • 2itrdr — т2тг (г +(7r) t/L + т ■ litrdL = 0.(5.3)
После преобразования и интегрирования по г с учетом, что 結冬получаем
(5.4)
где С】——постоянная интегрирования, определяемая из граничных условий, или с учетом (5.1)
(5.5)(5.5)Исходя из определения скорости сдвига и (5.5), запишем дифференциальное уравнение скорости
(5.5)
(5.5)
интегрируя которое по г, получаем скорость потока 围 расстоянии г от оси канала
窖+С/ПГ+С2)(5・7)
Объемный расход, определяемый из dQ^vT2nrdr путем интегрирования, составляетОбъемный расход, определяемый из dQ^vT2nrdr путем интегрирования, составляет
Объемный расход, определяемый из dQ^vT2nrdr путем интегрирования, составляет
Объемный расход, определяемый из dQ^vT2nrdr путем интегрирования, составляет
Теперь по уравнениям (5.4)——(5.7), применяя соответствующие граничные условия и определяя d\——С3, можно рассчитать ровные параметры потока в любой точке матрицы. Для общего случая, показанного на рис. 5.1, граничные условия принимают вид： ПРИ 尸=火2 % = 0 и Qr — Q (полная объемная произ водитель- йость), а при r = R % = w (линейная скорость жилы). Заметим, что При 用=0 получаем частный случай для потока в кольцевом канале, а при ^1=0—случай изготовления прутка. Опуская громоздкие промежуточные вычисления, учитывая, что на практике объемную производительность можно легко определить из равенства
Q = «w(RMa—/^)兀， (5.9)
где Кнзд一наружный радиус готового изделия при +20° С, а т — коэффициент увеличения объема материала в матрице, равный отношению удельного объема материала при температуре экструзии к удельному объему при 4-20° С, и вводя обозначения
N=HR； ^窓；4=（加一川学+5）,
получаем расчетные формулы для показателей процесса экструзии, приведенные в табл. 5.1. По приведенным формулам могут быть рассчитаны напряжение и скорость сдвига в любой точке сечения* формующего канала матрицы, их максимальные значения (у стенки матрицы), а также скорость потока в любой точке и объемная производительность.
Ниже приведены формулы для расчета максимальной скорости сдвига у для каналов различной формы при 冷力1:
Форма каналау、
Цилиндрическая —
коническая :&t4.0
Щелевая (2>хА) 史上!1纟
w bh
Кольцевая, : 2————
"B北(%+及J阳一抬)
Отсюда нетрудно определить остальные параметры потока, например 2 н % для цилиндрического канала:
е=е=叮"&尹3帝工3）nL"'叮"&尹3帝工3）nL"'(5.10)(5.10)
е=
е=
叮"&尹3帝工3）nL"'
叮"&尹3帝工3）nL"'
(5.10)
(5.10)
2
(5.Н)
似
Таблица 5.1. Расчетные формулы для показателей процесса экструзии при различных условиях выпрессоааним
Показатель
Вид инструмента
для плотного наложения
для свободного наложения (трубкой)
для прутка
Производительность 0
言哈理器口;) 8nL\1п/<2/Л1/\21П/<2/К1/
詁（紀一火砸3+^+鲁前
冗р&； 8nL
Скорость потока %
^4(^^^р)+ 1一霜
R 弘口 г / R1 + R j In R z/r—r 21n 2g,&
麺A户）
M抬-岡 R2]n^+Rlin^Rl + Ri
&1&1
3
Показатель
Вид инструмента
Для плотною наложения
для свободного наложения (трубкой)
Для прутка
Скорость сдвига уг
с / Rl-Rl Л
2上嗔恒星型
n(*R咂+ 贝处告rln&/R J rlnR2IRi
"П我2/贝丿
М& К)(" + & 1п&/&)
4Qr
讓
Максимальная скорость сдвига Ум
^⑯沙+断蜀
碓"一总2）
丝
Л/?2
Напряжение сдвига тг
" 2一心一%+…
、4L〈 r^R^Rj rkiRz/Ri
4L|_ rlnRz/Ri」
史 元
Продолжение табл. 5.7
РиС. 5.3： Эпюры распределения скоростей в формующем канале:
'* а—плотное наложение; 6—трубка; в—пруток
На рис. 5,3 приведены эпюры распределения скоростей потока расплава в формующих каналах различных типов.
Следует обратить внимание на одно важное следствие распределения скоростей по сечению потока при экструдирова- нии изоляции кабеля. После выхода из матрицы тормозящее влияние стенок канала прекращается, а на некотором удалении от выхода из матрицы все слои полимера начинают двигаться с одной и той же скоростью готв (скоростью отвода). Если сопоставить готв со скоростями полимера в матрице для изготовления прутка, то станет ясно, что
т. е. слои, находящиеся у стенки формующего канала, будут «отставать», растягиваться (ориентироваться) и оказывать тормозящее воздействие на выход прутка. В то же время слои, находящиеся ближе к центру канала, будут «опережать» отвод прутка, стремясь ускорить его выход из матрицы, а их движение будет тормозиться прутком, вышедшим из матрицы. В результате лишний материал будет перетекать к периферии, усиливая разбухание экструдата. При наличии в центре формующего канала жилы и отсутствии проскальзывания скорость отвода будет задаваться скоростью жилы, поэтому
VR=^W = V0TB>VR>Rr
В результате слои, находящиеся на некотором удалении от жилы будут «отставать», растягиваться, что приведет к уменьшению сечения изоляции по сравнению с сечением формующего канала, т. е. будет происходить как бы само- вытягивание, самоориентация полимера. Рассмотренная схема подтверждается экспериментально (рис. 5.4). При отсутствии торможения и принудительного отвода жилы в условиях эксперимента обнаружено снижение диаметра по изоляции, которое составило 11 — 16% при L/D —2^2.5 и 18—22% при L/D— Юн-15, что соответствует 20—35% вытяжки по сечении^- «Самовытяжка» возрастает с увеличением длины формуюш©瓜 части матрицы, угла входа в формующую часть матрицы* а также температуры расплава, и несколько уменьшается
на самопроизвольный диаметр D :стета UrMlftr^Uua нало Л»-» и— IV cU，_Я.на самопроизвольный диаметр D :стета UrMlftr^Uua нало Л»-» и— IV cU，_Я.рис. 5.4. Влияние технологических факторов на самопроизвольный диаметр Рс： Д_ПЭНП; температура расплава Л= 180° С, частота вращения червяка и == 15 об/мин; пяаметр матрицы Ом, мм: / — 5,8; 2 — 5,4; 3 — 5,0; 4—4,6 (L—длина матрицы): s б—ПЭНП： »м = 4,6мм; Д = 7 5 мм; Гр, ℃: 5—180; 6—220; 7—200рис. 5.4. Влияние технологических факторов на самопроизвольный диаметр Рс： Д_ПЭНП; температура расплава Л= 180° С, частота вращения червяка и == 15 об/мин; пяаметр матрицы Ом, мм: / — 5,8; 2 — 5,4; 3 — 5,0; 4—4,6 (L—длина матрицы): s б—ПЭНП： »м = 4,6мм; Д = 7 5 мм; Гр, ℃: 5—180; 6—220; 7—200
на самопроизвольный диаметр D :
стета UrMlftr^Uua нало Л»-» и— IV cU，_Я.
на самопроизвольный диаметр D :
стета UrMlftr^Uua нало Л»-» и— IV cU，_Я.
рис. 5.4. Влияние технологических факторов на самопроизвольный диаметр Рс： Д_ПЭНП; температура расплава Л= 180° С, частота вращения червяка и == 15 об/мин; пяаметр матрицы Ом, мм: / — 5,8; 2 — 5,4; 3 — 5,0; 4—4,6 (L—длина матрицы): s б—ПЭНП： »м = 4,6мм; Д = 7 5 мм; Гр, ℃: 5—180; 6—220; 7—200
рис. 5.4. Влияние технологических факторов на самопроизвольный диаметр Рс： Д_ПЭНП; температура расплава Л= 180° С, частота вращения червяка и == 15 об/мин; пяаметр матрицы Ом, мм: / — 5,8; 2 — 5,4; 3 — 5,0; 4—4,6 (L—длина матрицы): s б—ПЭНП： »м = 4,6мм; Д = 7 5 мм; Гр, ℃: 5—180; 6—220; 7—200
с увеличением производительности и расстояния от дорна до входа в формующую часть матрицы.
НТОНТОПри разработке технологии переработки следует учитывать такие реологические свойства, как эластическую турбулентность (неустойчивое течение), эластическое восстановление (разбухание) расплава, способность к вытяжке и др. Неустойчивое течение расплава наблюдают при высоких скоростях экструзии; сначала появляется матовость поверхности, затем с увеличением скорости поверхность экструдата становится более шероховатой (при этом говорят о возникновении дефекта типа «кожуры апельсина») или экструдат принимает винтообразную форму. Дальнейшее увеличение скорости приводит к появлению периодических дефектов типа «поверхность бамбука», и, наконец, расплав распадается на части и появляются нарушения сплошности покрытия. Режимы, при которых наблюдается начало искажения расплава, называют критическими. Они характеризуются двумя факторами: ткр и укр. Считается, что зтн два фактора приводят к возникновению неустойчивого течения. Влияние первого сказывается в том, что при высоких скоростях и малых сечениях канала максимальное напряжение сдвига у поверхности матрицы настолько возрастает, что происходит разрыв потока и местное проскальзывание рас- нлава в этот момент снижается напряжение сдвига. Затем вновь происходит сцепление расплава, и процесс повторяется, )приводит к наблюдаемым дефектам.
НТО
НТО
Вторым фактором, вызывающим неустойчивость течения, ^ляется значительная эластическая деформация в местах Умения сечения потока, которая возрастает с увеличением :г^а входа. Критические режимы течения особенно важно бывать как при изолировании на высоких скоростях 9 "25129
проводов малых размеров, так и при переработке материалов имеющих низкие значения укр (некоторые фторполимер^ и высоконаполненные пластмассы).
Для предотвращения неустойчивого течения используют несколько способов. Во-первых, можно повысить температур^ расплава, что снизит вязкость и напряжение сдвига, a rz^z сократит время релаксации. Во-вторых, следует применять матрицы с малым углом входа (при уменьшении угла входа от 90 до 20° критическая скорость сдвига увеличивается в 3—6 раз) или с конической формующей частью с конусностью 3——6°. При применении таких матриц для изготовления полиэтиленовой изоляции жил городских телефонных кабелей получают приемлемое качество при скоростях сдвига порядка 105——106 с~‘. И наконец, третьим способом является применение наложения изоляции методом трубки, когда площадь поперечного сечения между дорном и матрицей существенно выше, чем у изоляции; в этом случае расплав преходит через формующий инструмент с небольшой скоростью, а окончательное формование происходит при вытяжке трубки, образованной расплавом.
О явлении эластического восстановления, приводящем к разбуханию экструдата, уже упоминалось ранее. Причиной разбухания является накопление упругих деформаций как на входе в формующую часть матрицы, так и при ориентации макромолекул в самой формующей части; в результате возникают нормальные напряжения, приводящие к разбуханию. В чистом виде это явление можно обнаружить, если экструдат выходит из инструмента самопроизвольно, т. е. не тормозится и не отводится принудительно, поскольку в реальных условиях экструзии он может нивелироваться благодаря вытяжке. Тем не менее эластическое восстановление необходимо учитывать при проектировании формующего инструмента.
При прохождении расплава по формующему каналу происходят два конкурирующих процесса, определяющих разбухание: во-первых, ориентация макромолекул и накопление нормальных напряжений и, во-вторых, релаксация накопленных напряжений из-за теплового движения. Итог этих двух процессов и пред- ,определяет разбухание.
Многочисленными экспериментами установлено, что зависимость разбухания от скорости сдвига проходит через максимум, значение которого с ростом температуры увеличивается, а максимальное разбухание сдвигается в область болып^ скоростей сдвига. Поэтому в области относительно низ畑 скоростей с ростом температуры разбухание уменьшаем% а при высоких, наоборот, увеличивается. Поскольку 迎' увеличении длины формующей части возрастает время 吋 протекания релаксационных процессов, то при этом наблюй 130
ется снижение разбухания.ется снижение разбухания.возможности разбуханиювозможности разбуханиюЕсли экструдат после выхода из с0рмующего инструмента быстро охладить, т. е. не дать ^зможности разбуханию реализоваться, то тем самым в нем останутся замороженные внутренние напряжения, которые ^появятся при последующей эксплуатации в виде искажения первоначальной формы, усадки и т. и. При этом чем выше температура，тем больше искажения и тем быстрее они реализуются; полностью эластическое восстановление в этом ^yqae проявится при нагревании экструдата выше температуры плавления.
ется снижение разбухания.
ется снижение разбухания.
возможности разбуханию
возможности разбуханию
Рассмотрим на примерах, как следует учитывать эластическое восстановление при конструировании формующего инструмента. При экструзии изделий круглого сечения разбухание можно в определенных пределах компенсировать вытяжкой. Сложнее обстоит дело при экструзии изделий более сложной формы (рис. 5.5). Если для изготовления прутка прямоугольного сечения использовать формующий инструмент [1 ], у ко- торого входная часть А имеет коническую поверхность, а формующая часть £ представляет в сечении прямоугольник [2], то экструдат будет иметь форму в виде овала со скругленными краями [3 ], так как длина формующей часта у краев будет больше, чем в центре (L2>L), а напряжение сдвига, следовательно, меньше. Для получения правильной формы следует изменить сечение формующего канала инструмента [4].
Однако проще изменить не сечение формующего канала, а скорректировать длину формующей части и входную зону так, чтобы отношение длины канала к его длине (или радиуса к длине) в различных участках оставалось постоянным [5]. Та же ошибка при изолировании установочных двухжильных проводов с перемычкой приводит к перерасходу материала из-за утолщения перемычки в ее центральной часта.
”• Формирующие части матрицы, ие учитывающие “ 仆(4 н 5) разбух™ (7~?) И У™™вающие”• Формирующие части матрицы, ие учитывающие “ 仆(4 н 5) разбух™ (7~?) И У™™вающиеОстановимся кратко еще на одном явлении, происходящем 叩乳 течении полимеров. При сдвиговом течении затрачиваемая
”• Формирующие части матрицы, ие учитывающие “ 仆
(4 н 5) разбух™ (7~?) И У™™вающие
”• Формирующие части матрицы, ие учитывающие “ 仆
(4 н 5) разбух™ (7~?) И У™™вающие
механическая энергия из-за внутреннего трения частично прбч вращается в тепловую, что вызывает повышение температур^ расплава. Нетрудно показать, что выделяемая энергия равна отношению квадрата напряжения сдвига к вязкости. А посколь， ку напряжение сдвига, как показано выше, зависит от коор, динаты, перпендикулярной направлению движения потока, и достигает максимума у стенки канала, то и увеличение температуры из-за внутреннего трения будет максимальны^ вблизи стенки матрицы. Экспериментально установлено, что приращение температуры может достигать нескольких десятков и даже сотни градусов.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИЭКСТРУДЕРА
один из типов для наложения На рис. 5.6 по- экструдера.загружается илиодин из типов для наложения На рис. 5.6 по- экструдера.загружается илиЭкструдеры, или червячные прессы,—это кабельного оборудования, предназначенного полимерных материалов методом экструзии, казаны общий вид и принципиальная схема
один из типов для наложения На рис. 5.6 по- экструдера.
загружается или
один из типов для наложения На рис. 5.6 по- экструдера.
загружается или
Перерабатываемый материал периодически
непрерывно подается, например с помощью системы пневмоподачи, в загрузочную воронку экструдера. Этот материал может иметь форму гранул (полиэтилен, поливинихлоридный пластикат, фторполимеры) или лент (резина). В циливдре перерабатываемый материал захватывается червяком, имеющим винтовую нарезку, и перемещается вдоль оси по
Рис. 5.6. Принципиальная схема экструдера:.7 — загрузочная воронка; 2перерабатываемый материал; 3― червяк; 4 ——втулка; цилиндр; 6—нагреватели; 7—сетки; 8—решетка; 9—головка пресса；川一дорн； %@ матрица; 12——накладываемый слой изоляции или оболочки; 13 — токопроводящая *т_ или заготовка; /4—насадка червяка; 75 — охлаждающий воздух; /6 —вентилятор； 1приводной электродвигатель； 18——система приводных шестеренРис. 5.6. Принципиальная схема экструдера:.7 — загрузочная воронка; 2перерабатываемый материал; 3― червяк; 4 ——втулка; цилиндр; 6—нагреватели; 7—сетки; 8—решетка; 9—головка пресса；川一дорн； %@ матрица; 12——накладываемый слой изоляции или оболочки; 13 — токопроводящая *т_ или заготовка; /4—насадка червяка; 75 — охлаждающий воздух; /6 —вентилятор； 1приводной электродвигатель； 18——система приводных шестерен
Рис. 5.6. Принципиальная схема экструдера:.
7 — загрузочная воронка; 2перерабатываемый материал; 3― червяк; 4 ——втулка; цилиндр; 6—нагреватели; 7—сетки; 8—решетка; 9—головка пресса；川一дорн； %@ матрица; 12——накладываемый слой изоляции или оболочки; 13 — токопроводящая *т_ или заготовка; /4—насадка червяка; 75 — охлаждающий воздух; /6 —вентилятор； 1
приводной электродвигатель； 18——система приводных шестерен
Рис. 5.6. Принципиальная схема экструдера:.
7 — загрузочная воронка; 2перерабатываемый материал; 3― червяк; 4 ——втулка; цилиндр; 6—нагреватели; 7—сетки; 8—решетка; 9—головка пресса；川一дорн； %@ матрица; 12——накладываемый слой изоляции или оболочки; 13 — токопроводящая *т_ или заготовка; /4—насадка червяка; 75 — охлаждающий воздух; /6 —вентилятор； 1
приводной электродвигатель； 18——система приводных шестерен
направлению к головке. Внутри цдлиндра находится плотно
изготовляется изизготовляется измере продвижения внутримере продвижения внутризапрессованная в него втулка, которая кОррозионно-стойкой стали. По цилиндра перерабатываемый материал нагревается и постепен- йо размягчается. Разогрев материала происходит как за счет механических усилий, возникающих в винтовом канале нарезки
изготовляется из
изготовляется из
мере продвижения внутри
мере продвижения внутри
червяка, так и за счет нагревателей, расположенных между втулкой и цилиндром. Иногда используется нагрев индукционного типа. С наружной поверхности цилиндр охлаждается с помощью воздуха, подаваемого вентилятором, или воды, циркулирующей в каналах над поверхностью цилиндра.
Внутри втулки цилиндра расположен червяк, типовая конструкция которого показана на рис. 5.7. Червяк имеет по всей длине винтовую нарезку, и при вращении червяка перерабатываемый материал захватывается и перемещается благодаря силе трения вдоль винтовой нарезки по направлению к головке. В зависимости от направления экструдера, в котором применяется червяк, конструкции последнего различны. Основным параметром червяка является соотношение его рабочей длины L и диаметра D. Отношение L/D для червяков, применяемых в кабельном производстве, находится в пределах от 4 до 25. Червяк приводится во вращение через систему шестерен от электродвигателя постоянного тока с тиристорным управлением, что обеспечивает плавную регулировку скорости и поддержание ее постоянной с высокой точностью. Крепление червяка в цилиндре экструдера консольное——возникающие значительные осевые нагрузки воспринимаются подшипниками.
По длине экструдер может быть разделен на три зоны, в каждой из которых перерабатываемый материал находится в различном состоянии: зона /—зона загрузки, зона II—зона сжатия, зона III——зона выдавливания ——дозирующая.
В зоне /, рдсположенной непосредственно после загрузочной воронки, поливинилхлоридный пластикат или полиэтилен на- ходится еще в форме гранул. По мере движения вдоль винтовой нарезки перерабатываемый материал размягчается в зоне 〃 представляет собой смесь гранул и расплава. М зоне III материал находится уже в состоянии расплава. На выходе зоны III экструдера расплав полимера выдавлива- ется из цилиндра в головку и поступает к формующему инструменту, образующему кольцевой зазор,—дорну и мат-
&С・ 5.7. Типовая конструкция червяка, применяемого в экструзионных агрегатах для кабельной техники -
рице, внутри которых непрерывно движется изолируемая токопроводящая жила или полуфабрикат кабеля.
Расплав полимера фильтруется через сменный пакет метал， лических сеток, размещаемых между цилиндром и головкой. Повышение давления в головке обеспечивается с помощью решетки с отверстиями, разбивающей поток расплава полимера на много потоков меньшего сечения (по числу отверстий). Решетка находится непосредственно за сетками по направлению движения к головке. На конце червяка расположена насадка, назначение которой—способствовать более равномерному тече- нию расплава полимера, исключающему образование застойных зон, в которых скорость движения расплава равна нулю. Как правило, насадка имеет на поверхности кольцевую нарезку. При вращении из-за сил трения червяк нагревается и поэтому охлаждается с помощью холодной дистиллированной воды, протекающей в его теле через трубки, расположенные в продольных проточках.
Так как полимер в различных зонах экструдера находится в различном состоянии и имеет различную плотность, то объем витков червяка в зоне / больше, чем в зоне III. Отношение этих объемов называется компрессией, или степе> нью сжатия, и количественно равно отношению плотности расплава к насыпной массе гранул. Компрессия в червяках для переработки пластмасс осуществляется, как правило, путем изменения глубины винтовой нарезки при постоянном по длине червяка шаге нарезки, а в червяках для переработки резиновых смесей чаще всего используется убывающий шаг нарезки. При выборке материалов для червяка стремятся к тому, чтобы сила трения между поверхностью червяка и расплавом полимера была минимальной, а между поверхностью червяка и втулкой цилиндра ——максимальной.
Рассмотрим изменение давления по пути движения расплава вдоль оси червяка. Перерабатываемый материал при перемещении из зоны / в зоне III испытывает сопротивление продвиже-. нию, складывающееся в результате действия сил трения о стенки кольцевой нарезки и поверхность втулки цилиндра и сил сопротивления, оказываемых элементами головки (инструмент, сетки и т. д.). Поэтому, если на входе в цилиндр в зоне загрузки давление равно атмосферному, то в зоне Ш и в головке оно повышается в десятки раз. Увеличению давления по длине червяка способствует также наличие компрессии. Изменение давления вдоль оси червяка показано на рис. 5.8.
При проведении расчетов, связанных с течением расплава полимера, как правило, пренебрегают изменением давления в зонах / и //, принимая за противодавление Ар разность между давлением р2 на выходе в головку и давлением р^ на 134
Рис. 5.8. Изменение давления вдоль оси червяка:
、зоны: /——загрузки; II——переходная； III—-дозирующая
входе в Зону /〃, которое в этом случае принимается равным атмосферному:
кр=Р2-Р\・(5.12)
С одной стороны, наличие противодавления снижает производительность экструдера, с другой——способствует получению более плотной и гомогенной изоляции, препятствует образованию в изоляции воздушных включений.
Расчет производительности Q экструдера основан на принципе наложения трех потоков расплава полимера в цилиндре, относящихся к единице времени: прямого 2np обратного 206P и утечки 0ут. Схема, приведенная на рис. 5.9, показывает направления этих потоков; на схеме приведены также обозначения, которые будут использованы в дальнейшем при выводе расчетных аналитических выражений [4].
Очевидно, что результирующий поток в единицу времени, ЙЛи производительность экструдера, составит
。三 Ом—2°бр-2у「(5.13)
Прямой поток создается при вращении червяка и протекает ® направлении скорости %, как это показано на схеме. Обратный поток направлен противоположно прямому потоку 2. возникает как следствие противодавления в цилиндре, уротиводавление создает и поток утечки, но этот поток °зникает в зазоре между гребнем нарезки червяка и втулкой
цилиндра, необходимом для свободного вращения червяка. Естественно, что фактически существует единый поток расплава 0, который движется от загрузочной воронки к головке, а обратный поток и поток утечки лишь уменьшают этот общий поток и, следовательно, сжимают производительность экструдера.
В общем случае течение жидкости описывается линейным дифференциальным уравнением Навье—Стокса:
grad/> = p.Av,(5.14)
где р——локальное давление; ц——вязкость; v——вектор локальной скорости расплава полимера; А — оператор Лапласа.
Если считать, что характер движения расплава полимера ламинарный, а сам расплав представляет собой несжимаемую изотропную жидкость, то для движения расплава по оси X со скоростью гх, т. е. вдоль кольцевого канала червяка, уравнение (5.14) может быть представлено в следующей форме:
др/ d2vx d2vAдр/ d2vx d2vA4-^^ + ——Hz Hz ду ду4-^^ + ——Hz Hz ду ду(5.15)(5.15)
др/ d2vx d2vA
др/ d2vx d2vA
4-^^ + ——Hz Hz ду ду
4-^^ + ——Hz Hz ду ду
(5.15)
(5.15)
В представленной форме уравнение не требует, чтобы жидкость ——расплав полимера ——обладала ньютоновскими свойствами, а процесс был изотермичен. Это объясняется тем, что вязкость зависит от положения элемента жидкости в канале и определяется температурой и градаентом скорости в рассматриваемой точке. Однако решение уравнения в общем виде крайне затруднено, и поэтому делается ряд допущений, позволяющих в дальнейшем получить инженерные формулы для расчета произ водите ль ности экструдера.
Учитывая, что вязкость расплава незначительно изменяется в поперечном сечении канала, т. е. 6p./3z=0, можно упростить (5.15) следующим образом：
%"(总+露+*等⑴6)
Далее, считая, что температура расплава по всей площади учения постоянна (изотермический режим), можно предполо- *хть постоянство вязкости расплава по поперечному сечению, тогда 3Wy = 0, а
患卩侍+*)• б")
Кроме того, можно пренебречь изменением скорости течения по оси d2vxldz2 = 0. Это полностью справедливо для червяков с малым отношением глубины нарезки к его ширине (〃/圾 Тогда >%/北2 = 0 или
(5.18)(5.18)劭>% 82vx 1 初
(5.18)
(5.18)
——ц. — ■ ‘ -，“ "———dxду2 ду2 ц дх
Полученное выражение (5.18) относится к одномерному течению расплава в канале червяка, причем после сделанных допущений расплав должен рассматриваться как ньютоновская жидкость.
Как указывалось выше, в реальном экструдере изменение давления по длине дозирующей зоны принимается линейным. В этом случае
дх Ах Ьд ' где £д——длина дозирующей зоны. Следовательно, если обозначить - ~ как М, то
誥=推=%(5.19)
v — My2/2-\-Ау^-В.v — My2/2-\-Ау^-В.(5.20)(5.20)После двукратного интегрирования получаем
v — My2/2-\-Ау^-В.
v — My2/2-\-Ау^-В.
(5.20)
(5.20)
Граничные условия, необходимые дая определения постойных Л и В в (5.20), могут быть сформулированы следующим Аразом, Прежде всего условно примем, что червяк непо- °внжен, а цилиндр вращается вокруг него в сторону, про- ТИвоположную направлению червяка, при этом относительное перемещение червяка, расплава полимера и цилиндра не ^Меняется. Тогда при у = 0 и = 0, а при 歹=力 d = %. Поэтому
3 = 0 и / = %/% —M/z/2.3 = 0 и / = %/% —M/z/2.(5.21)137(5.21)137
3 = 0 и / = %/% —M/z/2.
3 = 0 и / = %/% —M/z/2.
(5.21)
137
(5.21)
137
Рис. 5.10. Эпюры скоростей прямого, обратного й результирующего потоков в каиале червяка
С учетом того, что Л/=-—, находим
(5.22)(5.22)比 hy—y2 Дрv^—y —.
(5.22)
(5.22)
Л2卩 Ах
В (5.22) первое слагаемое представляет собой скорость прямого потока, а второе—скорость обратного потока, при этом потоком утечки пренебрегаем.
Графически выражение (5.22) можно интерпретировать в виде эпюры скоростей, как это показано на рис. 5.10.
Для того чтобы выразить объемную производительность экструдера через параметры экструдера, прежде всего рассмотрим схему канала червяка с движущимся в нем потоком расплава (рис. 5.11).
Элементарный объемный расход материала в единицу времени А0^ или производительность в рамках элементарного
участка AS может быть выражена через скорость потока м на
эЛементарном участке:1“。〔。霖伤 на
^Qi — Vi^S—Vtb^y.^Qi — Vi^S—Vtb^y.(5.23)(5.23)
^Qi — Vi^S—Vtb^y.
^Qi — Vi^S—Vtb^y.
(5.23)
(5.23)
рассматривая Q как lim £А0 при п-*оо (Ау->0) и переходя к бесконечно малым приращениям, получаем:
С учетом (5.22)С учетом (5.22)Q — ^Vibdy.оQ — ^Vibdy.о(5.24)(5.24)
С учетом (5.22)
С учетом (5.22)
Q — ^Vibdy.о
Q — ^Vibdy.о
(5.24)
(5.24)
(5.25)(5.25)Далее выражаем %, b и Ар/АхДалее выражаем %, b и Ар/Ахчастоту вращения п, диаметр червяка L й параметры винтовой нарезки:частоту вращения п, диаметр червяка L й параметры винтовой нарезки:через параметрычерез параметрыD,D,экструдера:экструдера:Длину червякаДлину червякаЕсли обозначитьЕсли обозначитьвующее расстоянию Ах повующее расстоянию Ах поVo^TtDn cosq>. расстояние вдоль осиVo^TtDn cosq>. расстояние вдоль осиОСИ канала червяка,ОСИ канала червяка,(5.26) червяка, соответст-(5.26) червяка, соответст-Из анализа рие. 5.10 следует, 6 = (а —6')со8фИз анализа рие. 5.10 следует, 6 = (а —6')со8фA/=Axsinq> и Ах = A//sin <р.A/=Axsinq> и Ах = A//sin <р.как А 厶 то(5.27)как А 厶 то(5.27)Считая, что Ь'«а, получаем ^ = ;rZ>sin(p. С учетом (5.26)—(5.28) находимСчитая, что Ь'«а, получаем ^ = ;rZ>sin(p. С учетом (5.26)—(5.28) находимчтои a = nZ)tg(p.чтои a = nZ)tg(p.(5.28)(5.28)q_^2 ^2^2 sin ср cos (р^q_^2 ^2^2 sin ср cos (р^вЬ1ражение (5.29) не п°тока утечкивЬ1ражение (5.29) не п°тока утечкиnZ)sin2(p 3Др—12卩力Д/'nZ)sin2(p 3Др—12卩力Д/'(5.29)(5.29)учитывает влияния потока утечки. С учетомучитывает влияния потока утечки. С учетом
(5.25)
(5.25)
Далее выражаем %, b и Ар/Ах
Далее выражаем %, b и Ар/Ах
частоту вращения п, диаметр червяка L й параметры винтовой нарезки:
частоту вращения п, диаметр червяка L й параметры винтовой нарезки:
через параметры
через параметры
D,
D,
экструдера:
экструдера:
Длину червяка
Длину червяка
Если обозначить
Если обозначить
вующее расстоянию Ах по
вующее расстоянию Ах по
Vo^TtDn cosq>. расстояние вдоль оси
Vo^TtDn cosq>. расстояние вдоль оси
ОСИ канала червяка,
ОСИ канала червяка,
(5.26) червяка, соответст-
(5.26) червяка, соответст-
Из анализа рие. 5.10 следует, 6 = (а —6')со8ф
Из анализа рие. 5.10 следует, 6 = (а —6')со8ф
A/=Axsinq> и Ах = A//sin <р.
A/=Axsinq> и Ах = A//sin <р.
как А 厶 то
(5.27)
как А 厶 то
(5.27)
Считая, что Ь'«а, получаем ^ = ;rZ>sin(p. С учетом (5.26)—(5.28) находим
Считая, что Ь'«а, получаем ^ = ;rZ>sin(p. С учетом (5.26)—(5.28) находим
что
и a = nZ)tg(p.
что
и a = nZ)tg(p.
(5.28)
(5.28)
q_^2 ^2^2 sin ср cos (р^
q_^2 ^2^2 sin ср cos (р^
вЬ1ражение (5.29) не п°тока утечки
вЬ1ражение (5.29) не п°тока утечки
nZ)sin2(p 3Др
—12卩力Д/'
nZ)sin2(p 3Др
—12卩力Д/'
(5.29)
(5.29)
учитывает влияния потока утечки. С учетом
учитывает влияния потока утечки. С учетом
0_%班班3 ДP
U — '2麻 Z?
八 冗 2。2冷2 5]110 cos (р冗 Dsin^Cp ?Ap 冗2。253tgep©
q =力力—-—-.(5.30)
212卩 Д/ 12卩力 Д/
'означим'означимОбозначим длину дозирующей зоны экструдера £12 и давление массм соответственно в начале и конце дозирующей зоны как pi и 02・ Тогда, считая, что давление увеличивается с качала дозирующей зоны, а в загрузочной и переходной ；°Нзх давление равно атмосферному и изменение давления °стоянно по длине потока, получаем
'означим
'означим
(5.31)(5.31)&7/A/=S-pJ/Z力
(5.31)
(5.31)
Обычно для упрощения вводятся обозначения
4 =4 =^2Z)2/isin(pcos ф 、^2Z)2/isin(pcos ф 、В=В=2冗 Z>/Psi112cp.2冗 Z>/Psi112cp.с=с=12&2冗 3q353tg 屮12勿上1212&2冗 3q353tg 屮12勿上12(5.32)(5.32)
4 =
4 =
^2Z)2/isin(pcos ф 、
^2Z)2/isin(pcos ф 、
В=
В=
2
冗 Z>/Psi112cp.
2
冗 Z>/Psi112cp.
с=
с=
12&2
冗 3q353tg 屮12勿上12
12&2
冗 3q353tg 屮12勿上12
(5.32)
(5.32)
Поэтому уравнение (5.30) может быть представлено следующим образом:
Q = Ап—(В + С) Др / 山Q = Ап—(В + С) Др / 山(5.33)(5.33)
Q = Ап—(В + С) Др / 山
Q = Ап—(В + С) Др / 山
(5.33)
(5.33)
Коэффициенты А, В и С определяются только геометрией червяка и цилиндра, т. е. они постоянны для данного типа экструдера при использовании одаого й того же червяка. Противодавление Ар зависит от параметров головки экст-
рудера.
Известно, что количество массы, проходящей через формующий инструмент в головке, прямо пропорционально перепаду давления в головке и обратно пропорционально эффективной вязкости материала и сопротивлению протекания, которое зависит от профиля и размеров данного канала.
(5.34)(5.34)Поэтому производительность экструдера может быть определена как
(5.34)
(5.34)
Q = ApNR,
где R—сопротивление протекания в канале.
При расчетах чаще пользуются, однако, величиной, обратной сопротивлению протеканию k=\R так называемой постоянной сопротивления канала. Тогда
(5.35)(5.35)Q = ^pk/ii.
(5.35)
(5.35)
Принимая, что перепады давлений и вязкость расплава по длине дозирующей зоны и длине головки равны, и приравнивая (5.33) и (5.35), получаем
Q =Q =Ап1+^(5+С)Ап1+^(5+С)(5.36)(5.36)
Q =
Q =
Ап1+^(5+С)
Ап1+^(5+С)
(5.36)
(5.36)
Из выражения (5.36) нетрудно видеть, что производительность экструдера при сделанных допущениях определяется только частотой вращения и геометрией червяка, голов^ и формующего инструмента. 140
Когда вязкость расплава в дозирующей зоне щ и головке неодинакова, что обычно и бывает на практике, система решаемых уравнений приобретает следующий вид:
(5.37)(5.37)(5.38)(5.38)2”=/" - (В+С) Ар/ % ； J
(5.37)
(5.37)
(5.38)
(5.38)
2r °” = А*/кJ
В этом случае, приравнивая 0черв и 2ГОЛ, получаем
1+誚+需
Это выражение позволяет несколько уточнить результаты, полученные при использовании (5.36). Из анализа (5.36) следует, что если головка отсутствует и масса вытекает свободно (Др = О), то имеет место случай максимальной теоретической производительности экструдера:
2шах = /%
\Наоборот, если головка закрыта (6 = 0), то
Лп = (В+С) Ар/ц.
(5.39)(5.39)В этом случае противодавление максимально: ^pmax = An\i!(B+C).
(5.39)
(5.39)
Выражение (5.39) используется при расчете крепления головки к экструдеру.
Имеется ряд уточненных методов расчета производительности экструдера, позволяющих учесть влияние некоторых факторов, не учитываемых при расчете производительности в соответствии с (5.38).
Например, если значения 6’ и а соизмеримы, а это справедливо для некоторых случаев экструзии полимерных материалов, то
2_冗 1)力3(] - 6)@sin2(p g==2_冗 1)力3(] - 6)@sin2(p g==(5.40)(5.40)/一冗2Q2力(/ - 67a)5也中(:05屮、
2
_冗 1)力3(] - 6)@sin2(p g==
2
_冗 1)力3(] - 6)@sin2(p g==
(5.40)
(5.40)
" 12% ' J
Еще более точные результаты могут быть получены, если У^тывать зависимость вязкости расплава полимера от града- ента скорости, или скорости сдвига, однако при этом необходимо иметь более широкий спектр экспериментальных данных и проведение расчетов существенно усложняется.
С учетом вышеизложенного расчета производительности экструдера при изготовлении кабельных изделий состоит 陋 следующих этапов.
В соответствии с требованиями технической докумен* тации на заданный кабель, провод или полуфабрикат определи ются диаметры токопроводящей жилы и диаметр по изоляции (при изолировании) или диаметр кабельной заготовки пОд оболочкой и наружный диаметр по оболочке (при ошлангова. нии). По конструктивным параметрам выбирается тип зксь рудера, так как каждый тип экструдера можно использовать для изолирования токопроводящих жил или ошлангования заготовок на определенном диапазоне диаметров.
На основании технических характеристик экструдера выбираются следующие параметры: частота вращения червякк п, длина дозирующей зоны £125 глубина нарезки червяка в дозирующей зоне Л, шаг нарезки а, ширина гребня нарезки Ь\ зазор между гребнем нарезки и втулкой цилиндра 8, угол нарезки <р, температурный режим по зонам экструдера.
В соответствии с рекомендациями, содержащимися в гл. 5, 6, выбираются рабочий инструмент, а также консъ руктивные размеры дорна, матрицы, решетки и сеток.
Предварительно рассчитывается производительность экструдера в соответствии с (5.36). Сначала определяются значения коэффициентов А, В и С. Значение постоянной головки, входящей в (5.36), рассчитывается как
к1/&十1/左2+1/左3'к1/&十1/左2+1/左3'(5.41)(5.41)
к
1/&十1/左2+1/左3'
к
1/&十1/左2+1/左3'
(5.41)
(5.41)
где 左 1 —左 з—постоянные решетки, кольцевого конического перехода дорна, цилиндрического зазора между дорном и матрицей.
где m—число отверстий в решетке; 4TB—дааметр отверстия; Лр—толщина решетки.
(5.43)(5.43)
(5.43)
(5.43)
Обозначения очевидны из рис. 5.12.
(5.44)(5.44)А：з = л<рА3/12£м.
(5.44)
(5.44)
Вязкость расплава зависит от скорости сдвига, и зтн зависимости экспериментально определены для всех матер® 142
& перерабатываемых в льной промышленности
в кана-в кана-методом экструзии, м Скорость сдвига ле червяка
в кана-
в кана-
y4 — nDn/h.
(545)Аг и Цч(545)Аг и ЦчввДля определения первом приближении счи-
(545)
Аг и Цч
(545)
Аг и Цч
в
в
таем скорости сдвига в ка- нале червяка и головке примерно равными.
После предварительного расчета производительности экструдера 0” значения скоростей сдвига и вязкости по участкам головки уточняются.
f^c. 5.12, Схема дорна и матрицы и обо-- значения, используемые при расчете постоянных 左2 hк3f^c. 5.12, Схема дорна и матрицы и обо-- значения, используемые при расчете постоянных 左2 hк3у】=32 Qnp/m 冗 d()TB・у】=32 Qnp/m 冗 d()TB・(5.46)(5.46)В решетке скорость одвйга рассчитывается следуюхцим образом:
f^c. 5.12, Схема дорна и матрицы и обо-- значения, используемые при расчете постоянных 左2 hк3
f^c. 5.12, Схема дорна и матрицы и обо-- значения, используемые при расчете постоянных 左2 hк3
у】=32 Qnp/m 冗 d()TB・
у】=32 Qnp/m 冗 d()TB・
(5.46)
(5.46)
По значению 九 по экспериментальным графикам определяется уточненное значение 卩^ (в решетке) и, следовательно,
(5.47)(5.47)сдвига(5.48)сдвига(5.48)перепад давления расплава в решетке:
(5.47)
(5.47)
сдвига
(5.48)
сдвига
(5.48)
Арреш = Qnp 卩 1 / 左 1 •
Аналогично для конического перехода скорость
力=7力=72a
力=7
力=7
(&ср. вх + &ср. вых) (^вх + &внх)
И для конического перехода, как и для решетки, определяются вязкость расплава ц2 и перепад давления:
^Ркон. пер бпрЦг/^2*(5.49)
Соответственно для матрицы в зоне цилиндрического перехода
• 一 60
3笛伍%+位
(5.50)
А〃матр = ОпрАз /左 3*
Общий перепад давления в головке "з
Др= £ ^pi^Qnt，Е Л i=li=l勺
(5.51)
(5.52)
Г43
Уточненное значение производительности экструдера
Q = • (5$)
Полученное значение Q должно отличаться от 0np н© более чем на 10%. Если отличие превышает 10%, то проводится второе уточнение расчета скоростей сдвига и вязкостей расплава до тех пор, пока расхождение полученных результатов 肥 превышает 10%.
По полученному значению производительности экстру, дера рассчитывается линейная скорость наложения полимерного покрытия ил:
% = Q/S, (5・54)
где S——поперечное сечение накладываемого покрытия.
После проведения расчета производительности проверяется, не превышает ли рассчитанное значение Q паспортной произ- водительности выбранного экструдера* Если полученное значение Q превышает паспортную производительность пресса, необходимо либо снизить частоту вращения червяка и, если это возможно, либо провести расчет повторно и выбрать экструдер с большим диаметром червяка.
5.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКСТРУДЕРОВИ ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
В кабельной промышленности используются одночервячные прессы, которые в зависимости от взаимного положения центральных осей червяка и токопроводящей жилы или заготовки, проходящих через головку, могут быть разделены на экструдеры с прямоугольной головкой, с косоугольной головкой и прямоточные.
Экструдеры с прямоугольной головкой чаще применяют на кабельных заводах, так как они наиболее удобны в эксплуатации, их легко выполнить откидными, что обеспечивает смену формующего инструмента, фильтрующих сеток и решетки. При применении прямоугольных головок, в которых угол между осью червяка и жилы заготовки составляет 90°, проще производить чистку червяка и головки. Схема прямоугольной головки и общий вид экструдера с прямоугольной головкой показаны на рис. 5.13. Однако в прямоугольной головке поток перерабатываемого материала испытывает поворот на 9优 что осложняет центровку изоляции.
Ось косоугольной головки экструдера (рис. 5.14) расположена по отношению к оси червяка под углом 40——60°. Эт° 144
Рис. 5.13. Схема прямоугольной головки и общий вид экструдера с прямо- 、угольной головкой:
1—д^^^ 2—матрица； 3—перерабатываемый материал; 4 ——червяк; 5—цилиндр； 6—— токопроводящая жила или заготовка
позволяет уменьшить угол поворота расплава при выходе из цилиндра, несколько выравнивает путь расплава. Однако косоугольные головки имеют увеличенный объем. Так же как н прямоугольные. они должны быть откидными для удобства в эксплуатации.
При увеличении объема головки в целом одновременно увеличивается и объем каналов, через которые проходит
/一鼻и 5.14. Схема и общий вид экструдера с косоугольной головкой:иорн； 2—матрица； 3—перерабатываемый материал; 4 —червяк; 5—цилиндр;
токопроводящая жила или заготовка
расплав, что приводит к повышению вероятности образован^ «мертвых» зон, где скорость потока заметно снижается. Эт0 может привести к застойным явлениям, выражающимся в 映 стичном разложении полимерного материала и получен^ некачественной изоляции (инородные включения, шерохова. тость поверхности и т. д.).
В прямоточных экструдерах (рис. 5.15) поворота потока расплава не происходит. Поэтому при использовании прямотой ных экструдеров легче всего достигается равномерное 口。 толщине наложение покрытия. Но заправка экструдера и его чистка заметно усложняются, так как дорн находится 通 вращающемся червяке. Поэтому прямоточные экструдеры прц. меняются в том случае, когда отверстие в дорне не требуется (производство трубок, нитей, пленок и т. п.).
Выпускаемые для кабельной промышленности экструдеры различаются прежде всего по диаметру червяка и классифицируются в размерный ряд именно по этому принципу： 20, 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200 мм. В ряде случаев используются также мощные экструдеры с диаметром шнека 250 мм, которые выпускаются по индивидуальным заказам. Частота вращения и производительность экструдеров, применяемых в кабельном производстве, приведены в табл. 5.2. Следует учитывать, что в таблице приведены ориентировочные значения производительности. Фактическое значение может отличаться от указанных и определяется реологическими характеристиками перерабатываемого материала, размерами формующего инструмента и требованиями к качеству изделия.
Червяк экструдера охлаждается водой, циркулирующей в трубе, расположенной в специальном канале внутри червяка. Цилиндр экструдера охлаждается либо воздухом, либо водой- Во дяное охлаждение более интенсивное, однако воздушное
Рис. 5.15. Схема и общий вид прямоточной головки:
/—дорн; 2—матрица; 3——перерабатываемый материал; 4—червяк; 5—цилиндра токопроводявщя жила или заготовка
Таблица 5.2. Диапазон регулирсжаяия частоты вращении червяков жсгрудеров и производительность экструдеров
1 Показатель
Диаметр червяка, мм
32
45
60
90
125
160
200
диапазон регулиро- ^ния частоты вра- шения, об/мин
5—60
10—150
16—160
6—120
10—100
9—90
5—80
Производительность 赢 переработке по- !иэтилена низкой плотности, кг/ч -
25
50
115
200
300
550
760
Производительность 叩и переработке по- 1ивинилхлорндного пластиката, кг/ч
30
60
135
240
350
650
900
охлаждение позволяет проще обеспечивать
постоянство задан
ной температуры по зонам цилиндра экструдера. При водяном охлаждении экструдер снабжается системой труб, располагав емых рядом с нагревательными элементами. В эту систему из бака, выполненного из нержавеющей стали, с помощью насоса подается дистиллированная вода. Бак с насосом, как правило, располагается под цилиндром экструдера.
Регулирование систем охлаждения обычно взаимосвязано с регулированием систем обогрева. Это позволяет снизить динамические нагрузки на нагревательные элементы и повысить их ресурс, обеспечить высокую точность поддержания заданной температуры. Одновременно представляется возможным исключить разложение расплава полимера даже при остановке червяка.
Для обеспечения высокого качества наложения шланга и повышения производительности используется вакуумирование головки и цилиндра экструдера. В частности, экструдеры, изготовляемые комбинатом SKET (ФРГ), снабжаются вакуум- агрегатом, соединительным шлангом с устройством регулирования степени вакуума и прибором, показывающим остаточ- ное давление (обычно оно не превышает 8 кПа).
Экструдеры, изготовляемые фирмой Reifenhauser (ФРГ), снабжаются системами вакуумирования двух типов: с отделе- ннем и последующей очисткой выделяющихся при экструди- Р°вании газов и более простыми ——с непосредственным вы- °Росом выделяющихся газов в атмосферу (рис. 5.16). Общий '叨 применяемого вакуум-агрегата показан на рис. 5.17.
При наличии системы отделения газов выделяющиеся газы ^лаждаются с помощью воды, циркулирующей по змеевику, Т конденсируются с образованием жидкой и твердой фаз. ^РУбопроводы и вентили, соприкасающиеся с газами, выпол- JRtcsi коррозионно-стойкими.
Беа отделенияБеа отделенияфирмы Reifenhauser (ФРГ)：фирмы Reifenhauser (ФРГ)：j一окно со стеклом для наблюдения заj一окно со стеклом для наблюдения заG отделенномG отделенном抑экструдеров抑экструдеровЦилин^ экструдераЦилин^ экструдера"笈 /3Рис. 5.16. Системы вакуумирования"笈 /3Рис. 5.16. Системы вакуумированияОтвод охлаждающей жидкостиПоЗвод охлаз^ дающей жид^ \Отвод охлаждающей жидкостиПоЗвод охлаз^ дающей жид^ \кости а 〃"-历尤创74"“仇" кудмноао насосакости а 〃"-历尤创74"“仇" кудмноао насоса1—окно vu и слл<ли 夂丿Iл <z“vj,zvtv.ja" — процессом; 2 вентиль регулировки давления^ ?~ вакуумметр; 4—гофрированный шланг; 5——тройник； 6—отделитель; 7——охлаждение； 8—вентиль разрежения; 9—обогрев (повторное плавание); 10—воздушный вентиль С' концевым выключателем； И ——инжектор газа; 12—воздушный вентиль; 13—кольцевой жидкостный насос; 14 ——двигатель переменного тока; ?5 ——ресивер давления； 16—электромагнитный вентиль1—окно vu и слл<ли 夂丿Iл <z“vj,zvtv.ja" — процессом; 2 вентиль регулировки давления^ ?~ вакуумметр; 4—гофрированный шланг; 5——тройник； 6—отделитель; 7——охлаждение； 8—вентиль разрежения; 9—обогрев (повторное плавание); 10—воздушный вентиль С' концевым выключателем； И ——инжектор газа; 12—воздушный вентиль; 13—кольцевой жидкостный насос; 14 ——двигатель переменного тока; ?5 ——ресивер давления； 16—электромагнитный вентильBbixovBbixov
Беа отделения
Беа отделения
фирмы Reifenhauser (ФРГ)：
фирмы Reifenhauser (ФРГ)：
j一окно со стеклом для наблюдения за
j一окно со стеклом для наблюдения за
G отделенном
G отделенном
抑
экструдеров
抑
экструдеров
Цилин^ экструдера
Цилин^ экструдера
"笈 /3
Рис. 5.16. Системы вакуумирования
"笈 /3
Рис. 5.16. Системы вакуумирования
Отвод охлаждающей жидкости
ПоЗвод охлаз^ дающей жид^ \
Отвод охлаждающей жидкости
ПоЗвод охлаз^ дающей жид^ \
кости а 〃"-历
尤创74"“仇" кудмноао насоса
кости а 〃"-历
尤创74"“仇" кудмноао насоса
1—окно vu и слл<ли 夂丿Iл <z“vj,zvtv.ja" — процессом; 2 вентиль регулировки давления^ ?~ вакуумметр; 4—гофрированный шланг; 5——тройник； 6—отделитель; 7——охлаждение； 8—вентиль разрежения; 9—обогрев (повторное плавание); 10—воздушный вентиль С' концевым выключателем； И ——инжектор газа; 12—воздушный вентиль; 13—кольцевой жидкостный насос; 14 ——двигатель переменного тока; ?5 ——ресивер давления； 16—электромагнитный вентиль
1—окно vu и слл<ли 夂丿Iл <z“vj,zvtv.ja" — процессом; 2 вентиль регулировки давления^ ?~ вакуумметр; 4—гофрированный шланг; 5——тройник； 6—отделитель; 7——охлаждение； 8—вентиль разрежения; 9—обогрев (повторное плавание); 10—воздушный вентиль С' концевым выключателем； И ——инжектор газа; 12—воздушный вентиль; 13—кольцевой жидкостный насос; 14 ——двигатель переменного тока; ?5 ——ресивер давления； 16—электромагнитный вентиль
Bbixov
Bbixov
Экструдеры для переработки резиновых смесей имеют ряд особенностей. Эти особенности обусловлены тем, что в отличие от пластмасс резиновые смеси являются многокомпонентными, причем эти компоненты находятся как в твердом, так и в жидком состоянии. Известно, что в состав резиновых смесей входят каучук, минеральные и углеродные наполнители, жидкие мягчители и т. д. Кроме того, наличие в составе резиновых смесей вулканизующих агентов не позволяет поднять температуру в цилиндре и головке выше 50—90° С во избежание преждевременной вулканизации резиновой смеси. Поэтому эксзрудеры для переработки резиновых смесе访 имеют более короткие червяки с отношением длины червяка к его диаметру £/0 = 4+12. Практически в цилиндре и головке экструдеров для переработки резиновых смесей протекают процессы, ко・ торые характерны для загрузочной зоны экструдеров для переработки пластмасс.
Следует отметить некоторые особенности червяков экст； рудеров для переработки резиновых смесей, кроме упомянут^ короткой длины:
глубина нарезки находится в пределах 0,15——0,25 даамет* ра червяка, в то время как у червяков для переработки пластма, эта глубина существенно меньше (0,05—0,15 диаметра червяк)- 148
Рис. 5.17. Общий вид вакуум-агрегата к экструдеруРис. 5.17. Общий вид вакуум-агрегата к экструдеру
Рис. 5.17. Общий вид вакуум-агрегата к экструдеру
Рис. 5.17. Общий вид вакуум-агрегата к экструдеру
червяки, как правило, выполняются двух- или трехзаход- Ньши, что позволяет повысить производительность экструзии в условиях протекания более простых процессов переработки По сравнению с процессами, протекающими при переработке пластмасс;
червяки имеют убывающий шаг, что обеспечивает луч- ^Ук» перерабатываемость резиновой смеси благодаря более Равномерной ее подаче в головку и более плавному увеличению Давления (компрессия порядка 1:1,5).
Применяемые при переработке резин прямоугольные голов- кп должны иметь возможно меньший объем и плавные
/149
переходы, что исключает образование застойных зон и не、 допустимые перегревы резиновой смеси, преждевременную вулканизацию.
При выборе диаметра матрицы необходимо учитывать, что диаметр изолированной жилы или заготовки с наложенной резиновой оболочкой после выхода из экструдера увеличивав ется. Коэффициент усадки 左* находится в пределах 1,05——1力 и зависит от толщины, диаметра провода, пластичности резиновой смеси, длины цилиндрической части матрицы. Если проанализировать формулу
(5.55)(5.55)I = ^из~
(5.55)
(5.55)
где DM——диаметр матрицы; Пж——диаметр жилы (заготовки)； Риз——диаметр изолированной жилы (наружный диаметр оболочки); d%Hap ——наружный диаметр дорна, то нетрудно видеть, что 方нз при кус— 1,05—1,5 несколько превышает DM.
Исходя из особенностей процесса переработки резиновых смесей, характера протекающих процессов, которые при переработке носят в основном механический характер, в этом случае можно рассчитывать производительность экструдеров Q упрощенным способом:
(5.56)(5.56)Q^V^nik^
(5.56)
(5.56)
где 嗫一объем витка нарезки червяка; у^—плотность; п~ частота вращения червяка; / ——заходность (количество заходов) червяка;左 11P ——коэффициент проскальзывания.
Коэффициент 左 11P показывает, насколько реальная производительность экструдера ниже расчетной, ^пр = 0,18™ 0,25. Снижение производительности по равнению с расчетной объясняется наличием противодавления, неполным заполнением червяка резиновой смесью, наличием окружного и осевого смещения отдельных участков в смеси, заполняющей нарезку червяка.
Экструдеры для переработки термопластичных фторполимеров также имеют ряд особенностей. Особенности технологии переработки термопластичных фторполимеров связаны с высокой вязкостью расплавов этих полимеров, высокой температурой плавления, близкой к температуре разложения, и выделением при переработке коррозионно-активных газообразных продуктов.
Температура расплава термопластичных фторполимеров относительно высока и близка к температуре разложения, поэтому необходима тщательная регулировка температуры по зонам экструдера. Считается, что колебания температуры не должны превышать +1° С. При переработке фторполимеров недопу- 150
стимы Даже местные охлаждения расплава, поэтому даже Вовка и переходная зона экструдеров имеют от трех до пяти обогреваемых участков. Червяк экструдеров обычно не охлаждают, а охлаждение цилиндра чаще всего * воздушное, хот父 зона загрузки охлаждается водой.
Следует отметить также, что из-за большой вязкости расплава фторполимеров температура экструдера может отличаться от температуры расплава, поэтому экструдеры оснащаются специальными электрическими термометрами; более того, в ряде случаев рекомендуется контролировать давление расплава в выходной зоне экструдера.
Обладая высокой вязкостью расплава, термопластичные фторполимеры имеют невысокие критические скорости сдвига расплава. Поэтому прохождение расплава внутри головки должно быть максимально облегчено во избежание затормаживания потока и разложения полимера. Это достигается благодаря плавным внутренним переходам деталей головки, сглаживанию углов, имеющихся в конструкции.
Для предотвращения возможности разрыва потока расплава при достижении критических скоростей сдвига применяют экструдеры с небольшими диаметрами червяка и частотой вращения- (1——50 об/мин). В связи с высокой вязкостью расплава фторполимеров мощность привода экструдера должна быть увеличена по сравнению с экструдерами для переработки полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката в 1,5——2 раза, а привод должен обеспечивать плавное регулирование частоты вращения (как правило, используется привод постоянного тока с тиристорным управлением).
При переработке термопластичных фторполимеров выделя- ютсл агрессивные летучие продукты, при температурах выше 300— 3 50° С — перфторизобутилен, фтористый карбонил. В свою очередь, железо, входящее в состав сталей, исполь- зуемых для изготовления экструдера, оказывает на разложение фторполимеров каталитическое влияние. Поэтому для изготов- ле™я деталей экструдера приходится применять коррозионностойкие хромоникелевые и никель-молибденовые сплавы с относительно небольшим содержанием железа.
Применяемая для наложения на токопроводящую жилу Матрица выполняется двухконусной: коническая часть матрицы Делается с двойным углом (первый угол 30—60, второй 5—20°).
55 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ НАЛОЖЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХПОКРЫТИЙ
Одновременное наложение многослойных электроизоляци- ；нннх и защитных покрытий находит все более широкое Рименение в технологии производства кабелей и проводов
151
как с пластмассовой, так и с резиновой изоляцией. Первон詡 чально целью этой технологии было повышение производитель, ности труда, экономия материальных и энергетических ресур. сов, производственных площадей. Дальнейшие исследования кабельных изделий с многослойными монолитными покрыт^, ями и изучение всех возможностей технологии одновременного наложения покрытий показали, что преимущества новой тех. нологии вышеперечисленными не исчерпываются [40—42].
По сравнению с другими способами технология одновремен, ного наложения полимерных покрытий приводит к качественно новым результатам с наименьшими затратами. Этот способ не требует создания принципиально новых полимерных матери, алов и дорогостоящего технологического оборудования с прян、 ципиально новой технологией.
Применение многослойных монолитных покрытий позволяет распределить функции покрытия по слоям, что значительно облегчает требования к материалам каждого слоя. Подобрать один материал, использование которого позволило бы удовлетворить все предъявляемые к кабельному изделию требования, в ряде случаев крайне сложно. Например, один и тот же материал не может одновременно обладать такими свойствами, как эластичность и высокое сопротивление продавливанию и прорезанию [40].
Задача существенно облегчается, если вместо одного слоя нанести два слоя разных полимерных материалов с общей эквивалентной толщиной. При этом часть функций, например электроизоляционные свойства, механическую прочность к прорезанию и продавливанию, можно возложить на первый слой, а другую часть ——эластичность, химостойкость, маслостойкость, стойкость к атмосферным воздействиям ——на второй слой.
В целом применение многослойных монолитных покрытий в кабельных конструкциях открывает следующие возможности: управлять конечными свойствами изоляционных и защитных покрытий кабелей путем подбора слоев, соотношения их толщин, последовательности их наложения;
по-новому подойти к вопросу модификации или создания новых композиционных материалов для многослойных покрытий с учетом активного химического, физического, диэлектрического взаимовлияний слоев;
максимально отказаться от компромиссных решений при выборе материалов, от материалов с универсальными свойствами (как правило, более дорогих) и путем подбора различных материалов для многослойного покрытия добиться оптимальных свойств этих покрытий с наименьшими затратами;
повысить качество, надежность, нагревостойкость и ср°к службы кабельных изделий/
Схемы расположения экструдеров при двуслойном наложении ，покрытия:а, 6—F-образное расположение; % г—Т-образное расположениеСхемы расположения экструдеров при двуслойном наложении ，покрытия:а, 6—F-образное расположение; % г—Т-образное расположение
Схемы расположения экструдеров при двуслойном наложении ，покрытия:
а, 6—F-образное расположение; % г—Т-образное расположение
Схемы расположения экструдеров при двуслойном наложении ，покрытия:
а, 6—F-образное расположение; % г—Т-образное расположение
Кроме вышеизложенного следует отметить также, что во ^ногих случаях просто невозможно создать кабельные изделия с резиновой или пластмассовой изоляцией (особенно высоковольтные) без применения многослойных покрытий.
В настоящее время можно вполне определенно сказать, нто многослойное иа.южение полимерных покрытий является весьма эффективным и перспективным способом создания кабельных изделий с отимальными параметрами.
Для одновременною наложения на токопроводящую жилу или заготовку кабеля нескольких слоев полимерного материала используются сдвоенные или строенные экструдеры. В этом случае материал каждого слоя перерабатывается в отдельном экструдере и поступает в общую головку, причем работа обоих экструдеров синхронизирована. Экструдеры могут подавать материал в общую головку, располагаясь под углом один к другому (V-образная схема) или напротив друг друга (Т-образная схема). Различные схемы расположения экструдеров при двухслойном наложении материала показаны на рис. 5.18. При V-образном расположении экструдеров угол между ними
%с. 5.18.
составляет 30——40°. При одновременном наложении нескольких слоев, как уже указывалось, не только обеспечивается воз. можность наложения различных материалов, например зл^к、 тропроводящего и изоляционного, но и повышается качество выпускаемых кабельных изделий. В частности, при наложен^ изоляции одной и той же толщины и двухслойном наложении электрические параметры изоляции заметно повышаются ^ сравнению с однослойным наложением, так как при этом слабые или дефектные места в одном из слоев могут перекрываться вторым слоем материала.
Особый случай представляет собой использование двух экструдеров для получения полимерной изоляции, имеющей дополнительную к основной расцветку (например, желто-зеленой изоляции, применяемой для заземляющих жил кабелей). При этом экструдер, используемый для расцветки, и основной экструдер располагают по одну сторону от изолируемой жилы, и, как правило, дополнительный экструдер на кабельных заводах устанавливают вертикально над общей головкой под углом 90° к оси червяка основного экструдера, хотя в принципе можно использовать практически любое расположение обоих экструдеров.
На рис. 5.19 показан экструдер типа VMP30 финской фирмы Nokia, предназначенный для раскраски основной изоляции.
Рис. 5.19* Общий вид экструдера VMP30 финской фирмы Nokia, применяемо^ для дополнительной раскраски изоляции
154,好
диаметр червяка 30 мм, производительность при переработке ^дивинилхлоридного пластиката около 15 кг/ч. Такой зкст・ рудер можно использовать при производительности основного ^струдера до 300 кг/ч. В отличие от типовых экструдеров, характеристики которых приведены в табл. 5.4, частота враще- нйя червяка для экструдера типа VMP составляет от 10 до [50 об/мин. Экструдер имеет загрузочный бункер с четырьмя акциями, в каждой из которых помещается полимерный материал одного цвета, причем время, необходимое для перехода от одного раскрашиваемого материала к другому, при частоте вращения 150 об/мин составляет 2——3 мин. Такой экструдер можно устанавливать на рельсах рядом с основным й откатывать в сторону, если дополнительная раскраска изоляции не требуется.
На общую головку могут одновременно работать три экструдера, в частности, если требуется последовательно наложить электропроводящий, изоляционный и снова электропроводящий слои. Три слоя можно накладывать с помощью обшей головки и при использовании двух экструдеров. Этот способ применяется при использовании для электропроводящих слоев по жиле и по изоляции одного и того же материала. Три слоя материала можно накладывать также последовательно (в тандем) или по комбинированной схеме: сначала два слоя в одной общей головке, а затем еще один с помощью третьего экструдера, расположенного отдельно. Четыре слоя полимерного материала можно накладывать следующим образом: два экструдера, работающих на общую головку, расположены в тандем еще с двумя экструдерами, работающими на другую общую головку. В частности, такую схему используют при изготовлении высоковольтных силовых кабелей с полимерной изоляцией, когда сначала накладывают электропроводящий экран по жиле и эмиссионный слой, а затем изоляционный слой и электропроводящий экран по изоляции.、
Таким образом, на практике используют различные варианты компоновки экструдеров с головками многослойного наложения:
головка двухслойного наложения с двумя экструдерами;
головка двухслойного наложения с двумя экструдерами, дозволяющая благодаря дополнительной подаче материала наносить цветовую маркировку;
головка чрехслойного наложения с тремя экструдерами; головка трехслойного наложения с двумя экструдерами; Две пары экструдеров с головками двухслрйного наложения, Установленными последовательно (за один проход накладывался четыре слоя).
В процессе наложения многослойных кабельных покрытий Центральное место занимают головки двухслойного наложения.
Кабельные экструзионные линии многослойного наложения отличаются от обычных линий однослойного наложения именно этим узлом.
Головка двухслойного наложения——своеобразное совмещение двух головок однослойного наложения, при этом матрица наложения первого слоя одновременно является донором для наложения второго слоя. На рис. 5.20 приведена принципиальная схема головки. Дорны в обоих случаях имеют достаточно сложную конфигурацию каналов, по которым течет расплав полимера, с разделением потоков и их последующим соединением.
К головкам двухслойного наложения предъявляются требования в основном такие же, как и к головкам однослойного наложения, а именно:
.реологически благоприятные условия течения расплава полимера по каналу, т. е плавное изменение поперечного сечения канала и его формы, обеспечивающие равномерное давление по периметру кольцевого зазора между дорном и матрицей; автоматически управляемая система регулирования температуры головки на каждом участке;
точная воспроизводимость фиксации отдельных деталей в целях корригирования потоков расплава;
рнс. 5.20. Принципиальная схема головки двухслойного наложения:
7—корпус; 2—коническая втулка (с фасонными каналами) для наложения наружно； слоя изоляции; 5—коническая втулка (с фасонными каналами) для наложения внутрен^^ слоя изоляции; 4——дорнодержатель; 5——дорн; 6——матрица; 7——прижимные гайки; 3 центрирующие болты; 9—нагреватель
легкий монтаж, демонтаж, обслуживание и ремонт головки.
Отметим также некоторые требования, особенно актуальные ля головок двухслойного и трехслойного наложения:
' отсутствие «мертвых зон»;
минимальное расстояние от кончиков шнеков до матрицы;
соотношения сечений каналов разных слоев взаимосвязано с соотношениями толщин слоев покрытия.
Соотношения толщин в многослойных кабельных покрытиях й их общая толщина регулируются с помощью подбора соответствующих формующих инструментов (дорнов и матриц), согласования оборотов шнеков с линейной скоростью изолирования и изменения соотношения скоростей вращения щнеков, работающих в общую головку.
Конструкции современных головок многослойного наложения позволяют регулировать соотношения толщин экструдируемых слоев в достаточно широких пределах благодаря изменению частоты вращения шнеков. Таким образом удается наложить слой из пластмассы или резины с минимальной
版・ 5.21. Конструкция головки двухслойного наложения фирмы General Cable
丿 7(США);
口工^ экструдеры; 5—камера вулканизации； 4—нагреватель; 5 — термоэлектрические р^^Мзователн; б —корпус; 7—вкладыш; 8 —втулка формующая; 9 — втулка； 10 — до-' ^жатель； 11 — матрица； 12—матрица промежуточная; 13 — фланец; 14 — материал "Золирующий (вдутренний слой); ,5 ——материал изолирующий (наружный слой)
Рис. 5.22. Общий вид головки фирмы Trdster (ФРГ) в сборе с зкст] для пластмасс
толщиной до 0,1 мм, в то время как при однос наложении нанести слой толщиной менее 0,3 мм очень( Как правило, головки, предусмотренные для пл г снабжены электрическим обогревом, а для резин — об( с помощью жидких теплоносителей.
На рис, 5.21 приведена конструкция головки двyxcJ наложения изоляции из вулканизующегося полиэтилена модификаций фирмы General Cable (США). На рис. 5.22
Рис. 5.23 Головка двухслойного наложения конструкции ЕФ ВНИИКП] зобранном виде&
158/1
6【口0立 вид головки для двухслойного наложения изоляции 0 пластмасс в сборе с двумя экструдерами фирмы Troster ( В СССР на многих кабельных заводах успешно использу- тСя головки многослойного наложения для резин и пластмасс 絕 зарубежного, так и отечественного производства. На и& 5.23 приведена головка в разобранном виде для нанесения двухслойной комбинированной изоляции из вулканизующегося полиэтилена и кремнийорганической резины.
Эти материалы имеют разные температурные режимы экструзии. В зоне экструзии вулканизующегося полиэтилена необходимо обеспечить температуру 110—130° С, а в зоне экструзии кремнийорганической резины —около 70° С. Для обеспечения этих требований нагреватель головки размещен между дорном и дорнодержателем. Непосредственно нагревайся нижний экструзионный канал головки до 130° С [43]. Наружного нагревателя головка не имеет. Благодаря естественному перепаду температуры верхний канал экструзии (по которому подается кремнийорганическая резина) нагревается значительно ниже 130° С. При необходимости головку можно снабдить еше и рубашкой для охлаждения.
ЭКСТРУЗИОННЫЕ АГРЕГАТЫ И ПОТОЧНЫЕ КАБАЛЬНЫЕЛИНИИ
Экструзионные агрегаты, используемые для наложения пластмассовых изоляции и оболочек, представлены на рис. 5.24. Принцип действия экструзионной линии заключается в следующем. Жила или заготовка с отдающего устройства поступает в компенсатор, обеспечивающий постоянство натяжения. Кроме того, компенсатор может использоваться и для смены барабанов (катушек) с жилой или заготовкой без остановки. Однопроволочные токопроводящие жилы спрямляются в пра- вильно-прямильном устройстве. Все токопроводящие жилы желательно подогревать до 100一一150° С в специальном устройте, располагаемом перед входом в экструдер. После выхода "з экструдера изолированная жила или заготовка с дополнительным покрытием охлаждается в ванне с проточной водой, 'атем в обдувочном устройстве с поверхности полимерного Укрытия удаляется влага. Перед тяговым устройством рас- ；1°』агаются измеритель диаметра и устройство для контроля ^ектрической прочности покрытия, а после тягового устрой- 」ва——измеритель длины.
Для обеспечения равномерного натяжения изолированной ："л* или заготовки перед приемным устройством располага- "с丸 компенсатор. Приемное устройство, как правило, выпол- "ется сдвоенным. Отдельные узлы экструзионной линии могут
К9
* Рнс. 5.24. Принципиальна 7 ——отдающее устройство； 2—правильное устройство; 5 ——экструдер; 4——маркирующее приемное уст^йиство；
отсутствовать, для линий специального назначения можно использовать узлы, отличные от перечисленных, однако в целом приведенная схема экструзионной линии может рассматриваться как типовая.
Рассмотрим отдельные типовые узлы экструзионных линий. Применяемые отдающие устройства могут быть как осевого, так и пинольного типа, причем пинольные полуоси могут перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях, что необходимо для установки барабанов различных габаритов. Кроме того, широко используются отдающие устройства безынерционного типа.
Отдающее устройство безосевого типа с принудительным вращением барабана показано на рис. 5.25. Это устройств。 сдвоенного типа, хотя применяются и устройства, рассчитанные на установку одного отдающего барабана, который устанавливается между перемещаемыми пинолями с помощью подъемного механизма, а привод осуществляется от регулируемого электродвигателя. Частота вращения отдающего барабана изменяется по сигналу, поступающему от компенсатора роликового типа- Устройство снабжено электромеханическим тормозным устройством, обеспечивающим быстрое торможение барабана и остановку всей экструзионной линии при обрыве проволоки или окончаний проволоки, жилы или заготовки на отдающем барабане.
Друг ое отдающее устройство пинольного типа показано на рис. 5.26. Это устройство снабжено электромеханически механизмом перемещения станины.
160
схема экструзионной линии:
竺臨鼻рК茎产^咏亜皿；^измерительные ? приборы; 7-сдвоениое
'Сдвоенное отдающее безынерционное
ного типа для однопроволочных В таких устройствах
устройство флайер-
дтдающие
жил показано на рис. 5.27. барабаны уста на вливаются
限 5.25. Отдающее “ 3125
устройство безосевого типа с принудительным вращением барабана,
Рис. 5.26. Отдающее устройство пинольного типа йеподвижно, а проволока сходит с этих барабанов по фланцу барабана через сменный приводной флайер. Конические воронки, выполняемые с учетом требований звукоизоляции, направ* ляют проволоку с отдающего барабана к компенсатору и правильно-прямильному устройству. Внутренний конец проволоки на одном из барабанов сваривается с наружным концом проволоки на другом барабане, что обеспечивает
непрерывность работы линии, так как после схода проволоки с первого барабана начинается ее сход со второго. Барабаны устанавливаются с .помощью передвижной подъемной каретки.
Компенсаторы представляют собой систему роликов, верхние из которых являются неподвижными, а нижние могут перемещаться под действием натяжения жилы или заготовки в вертикальном направлении. Если натяжение ниже требуемого, то нижний ролик опускается вниз; при увеличении натяжения этот ролик поднимается вверх. Эти перемещения ролика в компенсаторе, установленном после отдающего устройства, воздействуют на тормозное устройство отдающего барабана. Перемещения ролика в компенсаторе, расположенном перед приемным устройством, обеспечивают равномерное натяжение изолированной жилы или кабельной заготовки с покрытием путем изменения ее скорости при увеличении диаметра намотки на приемном барабане.
Правильно-прямильное устройство используется только для однопроволочных жил и представляет собой комбинацию роликов, расположенных в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Ролики расположены попарно со смещением друг к другу, вращаются благодаря движению проволоки и выпрямляют ее перед входом в устройство подогрева.
Устройство подогрева жилы имеет контактные ролики, через которые подводится ток к участку движущейся жилы, огибающей эти ролики. Предварительный подогрев жилы обеспечивает лучшую адгезию изоляции к жиле и позволяет поднять скорость изолирования благодаря тому, что исключается недопустимое охлаждение расплава полимера в головке экструдера при входе в головку неизолированной жилы.
После выхода из экструдера изолированная жила или заготовка с наложенным в экструдере покрытием поступает в охлаждающую ванну, состоящую из одного или нескольких охлаждающих желобов (рис. 5.28). Длина каждой секции охлаждающей ванны около 4 м. Секции охлаждающей ванны обычно изготовляются из коррозионно-стойкой листовой стали и соединяются между собой фланцами. Секции представляют собой два желоба, вставленных один в другой; по внутреннему желобу в потоке воды проходит охлаждаемое изделие, наружный желоб используется для транспортировки воды, поступающей йз внутреннего желоба.
На практике применяются различные системы охлаждения — °ткрытые, замкнутые и полузамкнутые. При открытой системе необходимое для охлаждения количество воды полностью отбирается из заводской системы водоснабжения, а нагретая * результате охлаждения изделия вода также полностью Извращается в заводскую систему.
При замкнутой системе резервуар для воды, теплообменник н охлаждающая система образуют замкнутую систему.
Рис. 5.28, Охлаждающая ванна линии ME 1——60 Находящаяся в резервуаре вода насосами подается к ванне, а затем снова возвращается в резервуар.
При полузамкнутой системе охлаждения циркуляционная система включает резервуар для воды, теплообменник, охлаждающую секции и наружную сеть для свежей воды. При повышении температуры воды выше определенной, при которой мощность теплообменника для охлаждения воды становится недостаточной, автоматически начинается отвод нагретой воды и подвод свежей. При охлаждении изолированных проводников сравнительно малых диаметров (менее 8 мм) вместо погружения в воду можно использовать вариант охлаждения разбрызгиванием, Экструзионные линии можно снабжать устрой^ ствами для нагрева воды (так называемые станции теплой воды), состоящими из резервуара, погружных электрических элементов, циркуляционных насосов и системы регулирования. Эти устройства позволяют нагревать воду до 90° С и обеспечивать при необходимости ступенчатое охлаждение.
Влага с поверхности изоляции удаляется путем обдува струей воздуха под давлением около 0,2 МПа.
Применяемые тяговые устройства бывают колесного и гусеничного типов (рис. 5.29 и 5.30). Тяговое устройство колесного типа состоит из двух шкивов, которые изолировочная жила или заготовка огибают несколько раз, что увеличивает силу трения между поверхностью шкивов и кабельного изделия 164亠
полуфабриката. Такие ^ройства используются при Полировании или ошланговании кабельных изделий, имеющих малые диаметры, и при срав- нительно высоких линейных скоростях. Тяговое устройство кошеного типа может иметь также 出кивы с трапецеидальным желобом, в который уложен провод нли кабель. Кабельное изделие прижимается к поверхности желоба клиновидным (по форме хелоба) ремнем. Прижимные ролики являются подвижными, и их положение может изменять
ся в зависимости от диаметра
изолированной жилы или заго- 〃= 5.29. Тяговое устройство ко- товки. Такие тяговые устройствалесного типа
можно использовать для кабельных изделий как малых, так и больших диаметров.
Тяговые устройства гусеничного типа (рис. 5.30) имеют аве или три гусеницы, расположенные в вертикальной или горизонтальной плоскости и движущиеся в противоположных
направлениях. В месте соприкосновения с кабельным 113H лием поверх ремней или цепей гусениц имеются зласт*' ные резиновые накладки с желобообразным профилем 如' размещения изолированной жилы или заготовки. Тягову устройства гусеничного типа предназначены для кабельцЬ1 изделий больших диаметров или имеющих малую гибкое^ Они обеспечивают строгое постоянство линейной скорости и натяжения в заданных пределах.
Современные тяговые устройства оснащаются электродвига. телями постоянного тока с тиристорным управлением, обес. печивающим бесступенчатое регулирование скорости.
На экструзионных линиях, как правило, применяются ав. томатические приемные устройства сдвоенного типа, обес* печивающие высокую производительность (рис. 5.31). Устрой, ства такого типа обеспечивают автоматическую загрузку и съем барабанов, установку их между пинолями, раскладку из0. лированной жилы или заготовки. При заполнении одного из барабанов кабельное изделие или полуфабрикат переводится для приема на пустой барабан, а заполненной барабан останавливается, и производится его съем. Сдвоенное приемное устройство может располагаться в герметичном кожухе со смотровыми окнами, что полностью обеспечивает соблюдение требований техники безопасности.
В ряде случаев можно также использовать высокоскоростные приемные устройства контейнерного типа (рис. 5.32). Изолированная жила или заготовка укладывается в контейнер
Рис. 5.31. Приемное устройство сдвоенйого типа
рис. 5,32. Высокоскоростное приемное устройство контейнерного типа
по спирали, а встроенный в приемное устройство компенсатор обеспечивает схему заполненного контейнера без снижения рабочей скорости.
"&33. Схема расположения бесконтактного измерителя диаметра фирмы Beta (Великобритания) и его принципиальная схема
Рис. 5.34. Схема поточной автоматической линии дЛя
I ——отдающий контейнер с заготовкой-проволокой; 2— -машина среднего волочения “6——контрольно-измерительная аппаратура; 7——приемное устройство; 8——робот：
на кото-на кото-На экструзионных линиях можно использовать также бухтоприемные устройства, оснащенные двумя приемными катушками. После намотки изделия на одну из катушек провод автоматически переводится на незаполненную катушку. После этого автоматически отрезается жила и тормозится заполненная катушка, с которой снимается указанная бухта провода. Имеются автоматические бухтоприемные устройства, рых увязка, съем и упаковка бухт производятся автоматически.
на кото-
на кото-
6。即6。即Экструзионные линии оборудуются различной- контрольно- измерительной аппаратурой. Измерители диаметра бывают контактного или бесконтактного типа. Контактный измеритель диаметра размещается непосредственно после охлаждающего устройства, и как правило, состоит из двух роликов, между которыми и проходит измеряемое изделие. Если диаметр измеряемой изолированной жилы или заготовки отклоняется от номинального, то один из роликов (подвижный) перемещается, и это перемещение передается на измерительный прибор или используется для преобразования в электрический сигнал- обычно подаваемый в систему электропривода к тяговому устройству. На экструзионньгх линиях комбината SKET (ФРГ) ощупывание поверхности измеряемого изделия производится сапфировыми скользящими башмаками и измерительными роликами. Микрометрический винт с измерительной резьбой позволяет осуществлять установку размера с помощью вертикальной шкалы с ценой деления 0ч01 мм. Измерительная головка изготрвляется из нержавеющей стали и имеет сиен犷 альный подъемный механизм, позволяющий головке вмвор* чиваться, если провод или кабель имеет чрезмерное утолщен^-
6。即
6。即
Широкое применение, особенно при экструдировании с 6。工' шими скоростями, получили также бесконтактные измерите®
кабеля:кабеля:охлаждающая ванна;охлаждающая ванна;производства изолированной жилы телефонного с приставкой отжига; 3 ——экструдер； 4——шкаф управления; 5—9—складирующее устройство для хранения изолированных жилпроизводства изолированной жилы телефонного с приставкой отжига; 3 ——экструдер； 4——шкаф управления; 5—9—складирующее устройство для хранения изолированных жил
кабеля:
кабеля:
охлаждающая ванна;
охлаждающая ванна;
производства изолированной жилы телефонного с приставкой отжига; 3 ——экструдер； 4——шкаф управления; 5—
9—складирующее устройство для хранения изолированных жил
производства изолированной жилы телефонного с приставкой отжига; 3 ——экструдер； 4——шкаф управления; 5—
9—складирующее устройство для хранения изолированных жил
диаметра, которые устанавливаются непосредственно после головки экструдера. Принцип действия прибора ——фотоэлектрический. Схема расположения бесконтактного измерителя диаметра и его принципиальная схема на примере прибора фирмы Beta (Великобритания) показаны на рис. 5.33. Сканирующий луч лазера, ощупывающий поверхность изделия, фокусируется в фотощели. Полученная информация анализируется, и необходимая информация передается к ЭВМ, вое- производящим профиль или размер измеряемого изделия.
На экструзионных линиях, как и на других типах кабельного технологического оборудования, устанавливаются измерители длины. Измерение длины изделия осуществляется с помощыр медного ролика, который огибается движущейся изолированной хилой или готовым кабельным изделием. Принцип действия счетчика выработки основан на подсчете количества электрических импульсов, поступающих от концевого выключателя датчика. Длина окружности мерного ролика 0,5—1 м; его рабочая поверхность обладает повышенной износостойкостью. Мерный ролик приводится в движение движущимся кабельным изделием. Допуск, по диаметру мерного ролика определяет погрешность при измерении длины кабельного изделия.
Один из вариантов конструкции мерного ролика заключа- ■ ся в следующем: на оси ролика крепится диск из изоляци- ‘но「о материала с медной пластиной, который во время 1 Мщения входит в паз концевого выключателя, при этом 、【我н оборот ролика соответствует одному П-образному им- ""ьсу, образующемуся при прохождении в пазе медной "ИСТИНОЙ.
В других устройствах для измерения длины в качестве "Тинка может быть использована система из четырех роликов,
фактически представляющих собой два тяговых устройства колесного типа, расположенных друг под другом в виде сэндвича, как это сделано в измерителе длины фирмы Beta.
напряжение, какнапряжение, какЭкструзионные линии оснащаются приборами для контроля изоляции высоким напряжением как контактным, так и бесконтактным методом. Счетное устройство регистрирует количество дефектных мест (по существу, электрических пробоев), причем количество пробоев можно фиксировать на бумажной ленте с включением световой сигнализации для ориентации обслуживающего персонала. Испытательное —一、
напряжение, как
напряжение, как
устанавливаютсяустанавливаютсяправило, составляет 6——50 кВ.
устанавливаются
устанавливаются
В ряде случаев на экструзионных линиях приборы для измерения эксцентриситета накладываемого слоя полимерного материала, емкости и других параметров.
Использование экструзионных агрегатов создает принципиальную возможность создания поточных полуавтоматических и автоматических линий для производства различных кабельных изделий, на которых в одну последовательную цепочку совмещаются несколько. технологических операций (волочение, отжиг, изолирование и т.氏). Поточные линии обеспечивают повышение производительности труда благодаря исключению некоторых промежуточных операций, экономии производственных площадей и сокращению обслуживающего персонала.
Поточные линии применяются для производства изолированных жил телефонных кабелей, установочных проводов, жил сигнально-блокировочных и силовых кабеле访，кабеле访 сельской
связи с пористой изоляцией и других изделий.
Принцип действия поточных лини访 может быть проиллюстрирован на примере поточной автоматической линии для производства изолированной жилы телефонного кабеля, схема которой показана на рис. 5.34. Такая линия обеспечивает изготовление изолированных жил диаметром 0,32——0,9 мм при максимальных скоростях до 2500 м/мин.
В качестве исходной заготовки используется отожженная медная проволока диаметром 3 мм или твердая медная проволока диаметром 2,5 мм. Пр且меняема访 экструдер имеет червяк с диаметром 60 мм и соотношением длины и диаметра червяка L/D = 24. Лйния длиной 36 м снабжается устройством дозирования концентрированно окрашивающей смеси, расположенным над загрузочной воронкой экструдера. Г о ловка экструдера позволяет накладывать комбиниро в а иную изоляцию, основой которой является пористый полиэтилен, а поверх пористого материала накладывается сплошной защитный слоя полиэтилена (так называемая пленкопористая изоляция).
Поточные автоматические линии для производства изолированных жил телефонных кабелей управляются с помошьЮ ЭВМ.
ВЫБОР '“ РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА
В производстве проводов и кабелей применяют два способа наложения полимерных покрытий на заготовку: плотное (с обжатием под давлением) и свободное (трубкой), о чем уже упоминалось в § 5.1. Схемы наложения покрытий показаны на рис. 5.35.
/Тервм 访 способ позволяет получить покрытие, плотно охватывающее заготовку, с минимальными воздушными зазорами между заготовки访 и покрытием; вытяжка и, следовательно, ориентация минимальны, что обеспечивает также относительно небольшую усадку и минимальные относительные перемещения элементов кабеля на концах при циклических изменениях температуры.
Применение свободного наложения позволяет снизить расход материала при негладкой поверхности заготовки, существенно облегчает центровку и заправку заготовки в дорн, так как зазор между заготовко访 и дорном может быть больше, чем при первом способе. Так как по второму способу необходима значительная вытяжка экструдата, то возрастает ориентация и, следовательно, усадка, однако скорость прохождения расплава в формующей части инструмента ниже, чем скорость отвода провода, что увеличивает производительность переработки материалов с низкой критической скоростью сдвига.
К недостаткам этого способа относится то〉что расплавы ряда полимеров имеют недостаточную способность к вытяжке, особенно при наличии в материале посторонних гелеобразных включений, агломератов наполнителя, которые приводят при внсоко访 вытяжке к появлению точечных разрывов и даже к полному обрыву трубки при ее вытяжке.
Рис. 5.35. Схемы наложения полимерных покрытий- наложение; б—свободное наложение; дорн; 2—матрица;' заготовка' 4—расплав'Рис. 5.35. Схемы наложения полимерных покрытий- наложение; б—свободное наложение; дорн; 2—матрица;' заготовка' 4—расплав'Варианты технологического инструмента приведены на рис, 5.36. Дорн служит для ввода заготовки в формующую золовку и точного направления ее в матрицу. Он должен обеспечивать концентрическое положение заготовки в матрице.
Рис. 5.35. Схемы наложения полимерных покрытий- наложение; б—свободное наложение; дорн; 2—матрица;' заготовка' 4—расплав'
Рис. 5.35. Схемы наложения полимерных покрытий- наложение; б—свободное наложение; дорн; 2—матрица;' заготовка' 4—расплав'
''плотное
Рис. 5.36. Варианты технологического инструмента:
дорн для плотного наложения; 6—то же для свободного наложения; в—матрица;
вставка с наконечником из твердого сплава; 3——матрица с конической фррмующей частью'
что требует минимального зазора между заготовкой! и цилин- прниеско访 частью дорна, но одновременно свободное и равномерное без рывков введение заготовки в матрицу. Кроме того, при большом зазоре возможно проникновение расплава в дорн, что исключает возможность нормального ведения технологического процесса. Исходя из этого, диаметр отверстия дорна выбирают по следующему соотношению:
、 (5.57)
где D3ar и Азаг ——номинальный диаметр и максимальный допуск на диаметре заготовки; А'—размер зазора, обеспечивающий свободное прохождение заготовки через дорн. Величина А' зависит от размера и вида заготовки; рекомендации по выбору Dx и А' приведены в табл. 53
Значение угла дорна ос не имеет принципиального значения, однако для обеспечения плавности потока расплава его обычно выбирают по возможности минимальным, обычно в пределах 20—60°. Во всяком случае, угол дорна не должен превышать угол входа в матрицу и обычно меньше его приблизительно на 10 •
При недостаточном значении /】 усиливается вибрация заготовки и облегчается проникновение расплава в дорн. Вместе с тем при большом значении 厶 затрудняется заправка жилы в дорн и из-за увеличения трения растет натяжение. С учетом этого значение 1Г принимают равным 2— -5 мм для жил малых размеров и (2——3) D3ar для жил крупных размеров и сердечников кабеле访.Размер D2 должен превышать D{ не более чем на 1 м" для заготовок мелких размеров и 2——5 м для больших размеров- 172
Таблица 5.3. Исходные данные для выбора отверстия дорва
Рмг, ммРмг, ммАэаг + А', ММАэаг + А', ММА', ммА', мм
Рмг, мм
Рмг, мм
Аэаг + А', ММ
Аэаг + А', ММ
А', мм
А', мм
ОднопроволочиаяжилаОднопроволочиаяжилаМногопроволочнаяжилаМногопроволочнаяжила
Однопроволочиаяжила
Однопроволочиаяжила
Многопроволочнаяжила
Многопроволочнаяжила
2 020L ^ п^-2 5 ю ^ 一2 020L ^ п^-2 5 ю ^ 一0,02—0,030,03—0,10,05—0,20,15—0,300,2—0,50,02—0,030,03—0,10,05—0,20,15—0,300,2—0,50,03—0,05 0,05—0,10,10—0,20,15—0,30,2—0,50,03—0,05 0,05—0,10,10—0,20,15—0,30,2—0,50,1 —0,3 0,2—0,5 0,3—0,8 0,5— 10,7—1,50,1 —0,3 0,2—0,5 0,3—0,8 0,5— 10,7—1,5
2 020
L ^ п^-2 5 ю ^ 一
2 020
L ^ п^-2 5 ю ^ 一
0,02—0,03
0,03—0,1
0,05—0,2
0,15—0,300,2—0,5
0,02—0,03
0,03—0,1
0,05—0,2
0,15—0,300,2—0,5
0,03—0,05 0,05—0,1
0,10—0,2
0,15—0,3
0,2—0,5
0,03—0,05 0,05—0,1
0,10—0,2
0,15—0,3
0,2—0,5
0,1 —0,3 0,2—0,5 0,3—0,8 0,5— 1
0,7—1,5
0,1 —0,3 0,2—0,5 0,3—0,8 0,5— 1
0,7—1,5
Дорны, как и матрицы, изготрвляют из высококачественных стале访(например, марок У-12 и У-8, ХГ, ХВГ, Х12, а также [ПХ15 и ШХ9) с последующей термообработки访 до твердости по Роквеллу 58——65, хромированием (толщина хрома 0,015— 0,05 мм) и полнровко访.，
Параметр шероховатости поверхносте访，соприкасающихся с заготовки访 и пластмасс。访，не должен превышать 0,16— 0,32 мкм при изолировании жил и 0,4——0,64 при наложении оболочек.
При применении нехромированного инструмента резко сокращается его усто访инвость к износу, при этом требования к качеству поверхности остаются прежними. Максимальному износу подвержена внутренняя цилиндрическая часть дорна, причем износ усиливается с уменьшением диаметра изолированной проволоки и увеличением скорости изолирования. Для увеличения долговечности дорна применяют твердосплавные наконечники, например используют сплавы марок ВК-6 и ВК-8, а при изолировании жил диаметром менее 0,6 на скоростях более 400 м/мин применяют наконечники из натуральных или синтетических алмазов.
Для головок различной конструкции необходимо применение н Дорнов различной конструкции, поэтому в целях унификации ^асто дорны, особенно для заготовок малых размеров, делают Уставными, состоящими из корпуса, размещаемого в до- РИодержателе головки, и малогабаритной вставки (рис. 5.36, г), конструкция которой пригодна для использования в головках Различных типов.
Важным параметром инструмента является расстояние от 器инка дорна до входа & формующую часть матрицы, убычно конструкция головки позволяет, перемещая дорн вдоль Центральной оси, регулировать это расстояние. С увеличением ?ассто^нИ51 растет плотность наложения полимерного покрытия 个 *илу и снижается сопротивление потоку, однако увеличивав тся растягивающие усилия на жилу и усложняется заправка
жилы в головку. Поэтому, если не требуется большое обжатия, это расстояние не превышает 2——3 мм; в остальных случаях оно может составлять 2——3 диаметра экструдата В ряде случаев для обеспечения минимального обжатия, н° в сочетании с минимально возможной вытяжкой применяют дорн, заканчивающийся небольшой трубкой, которая частично вводится в формующую часть матрицы (рис. 5.36, 0,
Конструкция матрицы показана на рис. 5.36, в; ее главны^ параметрами является угол входа В〔, длина и диаметр формующей части существенно влияют как на стабильность диаметра, так и на степень ориентации полимера, т. е. на последующую усадку. С учетом этих факторов при плотном наложении обычно выбирают диаметр матрицы /)м = /)заг-]-(1 4-1,1)28, где 8 ——толщина изоляции; /)заг — диаметр заготовки; но не менее 5——9 мм при изготовлении изоляции, и £ =(0,3 + 1)Qm при изготовлении оболочек. Как показано в § 5.1, для снижения критических скоростей применяют матрицу с конической формующей частью, показанную на рис. 5.36, д, у которо访 QM = (0,95 +1)刀通 a L2 = (lO~- + 15 竺 м, В2 = 3 + 6°.
Инструмент для свободного наложения (трубко访)показан на рис. 5.36, бив. Принципиальным отличием такого инструмента от рассмотренного выше является то, что кроме сдвиговых возде访ствн访 в формующей части инструмента расплав после выхода из инструмента подвергается значительной продольной деформации ——вытяжке, что приводит к увеличению ориентации макромолекул. Это предопределяет анизотропию сво访ств и увеличение продольных напря:жеш1 访，проявляющихся в усадке. Ориентация зависит, прежде всего, от степени вытяжки к в, которая характеризуется отношением площади поперечного сечения расплава в формующем канале инструмента к площади поперечного сечения экструдата в готовом изделии, т. е.
(5.58)(5.58)_0上用
(5.58)
(5.58)
Чем больше степень вытяжки, тем выше скорость изо； лирования и меньше сдвиговые деформации в формующей части инструмента. Максимально допустимая степень вытяжки является свойством материала, хотя ее можно в определенных пределах регулировать, например изменением температуры (с повышением температуры расплава допустимая степень вытяжки возрастает).
Высокую степень вытяжки допускают такие материал^ как полиамиды, поликарбонат и полисульфон, ФЭП, ПФ^ ПВДФ; меньшую степень вытяжки допускают такие материалы, 174
аК ПЭ, ЭТФЭ и ПВХ-пластикаты. Существенно снижают оГ1устимую степень вытяжки различные неоднородности рас- :лава, вызывающие концентрацию продольных напряжений, таКие? как посторонние включения, гелеобразные включения («гелики»), агломераты наполнителя и пигмента, а также ；озпутные включения в расплаве. Кроме того, партии материка также могут отличаться между собо访 по способности к вытяжке. Поэтому на практике не рекомендуется применять инструмент с максимально возможно访 для данного материала степенью вытяжки. При этом следует иметь в виду, что
увеличение степени вытяжки ведет к снижению относительного удлинения при разрыве (в направлении ориентации); например, в [4] приведены следующие данные для изделий из ПЭНП:
%
е, %
公，%
е, %
0
750
100
500
50
720
150
380
Для уменьшения внутренних напря:жеш1 访 в полимерном покрытии обычно стремятся работать при минимальной степени вытяжки, применяя большие степени вытяжки только в тех случаях, когда это приводит к каким-либо преимуществам, например для наложения особо тонких гюкрмтн访 или для повышения скорости переработки материалов с низкой критической скоростью сдвига. Хотя допустимые степени вытяжки даже для однотипных материалов, но различных марок могут в значительной степени отличаться между собо访，при разработке инструмента и выборе максимально访 степени вытяжки можно ориентировочно руководствоваться следующими рекомендациями:
Материал«^
ПА 10—100
ФЭП ……「:50—150
ПФА .....л： 50—250
ПВДФ 20—150
ЭТФЭ 10—50
ПЭНП 5-20
ПВХ-пластикат 2——6，
Как показано на рис. 5.35, расплав в процесс вытяжки пРинимает коническую форму, т. е. у конниеско访 трубки пРоисходит одновременное уменьшение как толщины стенки, 咏 и внутреннего и наружного диаметров. В идеальном 5yqae при оптимальных размерах инструмента в момент ^Прикосновения конуса расплава с заготовкой толщина стенки
.175、
конуса, наружны访 и внутренне访 диаметры должны быть рав砌 соответственно толщине, наружному и внутреннему диаметра^ покрытия. Если же матрица взята меньшего диаметра, то толщина конуса достигнет заданного значения, когда его диаметр еще будет превышать заданный (при большем диамет. ре матрицы внутренний диаметр конуса достигнет заданного значения, когда толщина его еще будет выше требуемой толщины покрытия); в этих случаях нарушается равномерность вытяжки расплава по сечению. Равномерность вытяжки можно характеризовать величиной Р, где
(5.59)
Обычно значение В выбирают в пределах от 1 до 1,1； при р<0,9 возможно недостаточно плотное наложение покрытия на заготовку и искажение формы, а при В>1,2 возможны частые обрывы конуса. Таким образом, исходя из (5.58) и (5.59), расчет инструмента сводят к выбору значения к и вычислению DM и Da по формулам .
илиили(5.60)(5.60)(5.61)(5.62)(5.61)(5.62)
или
или
(5.60)
(5.60)
(5.61)
(5.62)
(5.61)
(5.62)
Учитывая, что 0н 1, можно применять упрощенные формулы:
^д^^загх/^ и ^м = ^н\/^・(5.63)
Поскольку концентричность наложения полимерного покрытия при свободном наложении определяется, прежде всего, концентричностью экструдируемой трубки, то превышение значения Dr над Даг не так критично, как при инструменте с обжатием； обычно значение А' выбирают в пределах максимальных значений, указанных в табл. 5.3. Угол 瓦 обычно составляет 30—60°, а угол ос на 5—10° меньше. Длину формующей части матрицы обычно выбирают в зависимости от зазора между матрицей и дорном:
丄=(5丁 15)(4 —〃д)/2, (5.64) хотя в ряде случаев ее приходится увеличивать, например при переработке фторопластов £ = 40-н70 мм. Длина формуюшей части дорна 厶-™бо равна £, либо превышает ее на 3—5 мМ・
Таблица 5.4. Основные размеры матриц для наложашя нзолшрш н оболочек нз нолиэтилена н ПВХ-пластиката
Диаметр кабеля
Основные размеры матриц
Материал изоляции или оболочки
или провода по изоляции или
Длниа цилиндрической
оболочке D, мм
Внутренний диаметр, мм
части
прн наложе-
при наложе-
НИИ изоляции
нии оболочки
Полиэтилен
От 0,5
до 5
+ 5% Р
5
2—3
От 5,1
до 15
+ 5% D
5
5—7
Свыше
15,1
+ 5% D
5
7—10
ПВХ-пластнкат
От 0,5
до 5,0
+ 3% D
2—5
4
От 5,1
до 15,0
+ 3% D
5—10
5—8
Свыше
15,1
+ 3% D
12
10
Продольная регулировка взаимного положения дорна и матрицы (в пределах ± 1,5 мм) позволяет изменять степень обжатия и длину конуса расплава. При изготовлении проводов и кабелей крупных размеров, т. е. при значительном кольцевом зазоре между формующей частью дорна и матрицы может случиться, что из-за низкого гидростатического сопротивления части потока полимера, огибающие рассекатель и дорнодер- жатель, не успевают свариться в матрице, и получится покрытие с продольной полосой низкой прочности. Поэтому следует обращать внимание на то, чтобы кольцевой зазор в инструменте был по крайне访 мере не больше 80% площади зазора между корпусом головки и рассекателем.
Основные размеры матриц для наложения изоляции и оболочек из полиэлилена и поливинилхлоридного пластиката приведены в табл. 5.4.
При использовании инструмента для свободного наложения часто используют вакуумирование дорна, что позволяет регулировать длину конуса расплава. Остаточное давление при зтом должно составлять 2——20 кПа.
58 ВЫБОР И РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ
Температурные и скоростные режимы переработки во ^ногом взаимосвязаны. Скорости переработки полимеров в ка・ 兆ньной промышленности составляют от нескольких метров 'минуту до 1500—-2500 м/мин; в значительной степени ко- 1еблются и температурные режимы переработки даже однотипных материалов. Что же предопределяет выбор тех "口玄 иных .температурных и скоростных режимов? Это, прежде" 'сего, экономические факторы, требующие повышения ско- Р°сте访 переработки и снижения энергоемкости, в частности 12 3125 177
температуры переработки. Однако и здесь есть определенные ограничения: если количество продукции одного маркоразмера которое надо изготовить на данном виде оборудования велико, что исключает необходимость частых заправок и пе： реналадок, а длина заготовки практически неограничена, то целесообразно применять непрерывные поточные линии и ра, ботать при максимальнд возможных скоростях. При этом следует учитывать, что сам по себе рост скоросте访 увеличивает время выхода на установнвпш访ся режим, т. е. увеличивает длину кабеля, на которой происходит настройка режима； поэтому при огранмиенно访 длине заготовки и необходимости частых перестроек процесса при переходе с одного мар- коразмера на другой, а тем более с материала на материал, при максимально возможно访 лине访ной скорости количество отходов будет возрастать. В зтом случае оптимальной с точки зрения экономики будет скорость, меньшая, чем максимально возможная.
Рассмотрим технические факторы, Влияющие на выбор скорости переработки. Конструкция экструзионного агрегата, его технические возможности, в том числе производительность экструдера, имеют важное значение, однако в большинстве случаев не производительность экструдера определяет скорость, а, наоборот, технически обоснованная скорость переработки определяет выбор того или иного агрегата, включая размер экструдера.
Скорость сдвига, развиваемая потоком расплава в формующей части матрицы, не должна превышать допустимых значений. Из расчетных формул, приведенных в табл. 5.1, 5.2, следует,что максимальная скорость сдвига обратно пропорциональна третьей степени радиуса матрицы, т. е. при изготовлении проводов малого размера критические режимы течения могут явиться фактором, ограничивающим скорость. Рассмотрим пример расчета максимальной скорости сдвига для наиболее простого случая ——инструмента для свободного наложения. Из формул, приведенных в § 5.1, нетрудно показать, что
Y…=60/兀%>m，(5.65)
где Dcp = (DM + Da)/2, см- А = (/)м-1)д)/2, a g—производитель- ность (по объему), см3/с, которую можно рассчитать по формуле
2 = q/Pt；
здесь g—производительность (по массе), г/с, a pt—плотность полимера при температуре переработки, г/см3. Учитывая, 4To
' V - 100 n/n 2 п2、
д = 4(Оп — Озаг)Р20,
где г~линеиная скорость изолирования, м/мин ? о,.о—плотность полимера при 20° С, окончательно получаем
_20ир20
(5.66)
口о зто访 формуле рассчитываем скорость изолирования для условий: Даг = 0,5 мм, DM = 0,8 мм, В=1, ^=.100, 4 = 8 мм, р2о = 2100 кг7M з,pt = l 490 кг/м 3,
следующих р =5мм "Ос?
— 10(8 — 5)100 1490 …
…20 —彌=106 м/мнн.
Наиболее
критичными условиями с точки зрения возникновения неустойчивого течения являются переработка матери- алов, характеризующихся низкими критическими скоростямй сдвига (например, некоторых термопластичных фторополиме* ров), и тонкостенное изолирование малогабаритных жил при высоких скоростях. Например, при изолировании жил город- ских телефонных кабелей (диаметр жилы 0,32——0,6 мм) слоем ПЭ толщин。访 0,15——0,2 мм при скоростях до 2500 м/мин скорость сдвига достигает (2 — 3) • 105 с^'. Результатом увеличе* является нарушение гладкости поверхности, что рис. 5.37. Для обеспечения устойчивой работы скоростях рекомендуется применять матрицы й формующей частью, чертеж которой дан на
ния скорости
показано на на высоких
с конической
рис. 5.36,д.
На рис. 5.38 показаны зависимости скорости начала неустойчивого течения от угла входа в формующую часть матрицы
Рис. 5.37. Фото проводов, изготовленных йри скопости:
7—200; 2—20; 3 — 2000 м/мин
Рис. 5.38. Зависимость критической скорости V от угла входа в матрицу а для различных сортов ПЭРис. 5.38. Зависимость критической скорости V от угла входа в матрицу а для различных сортов ПЭпри различных режимах перера. ботки различных марок ПЭ. Од, повременно для снижения скорости сдвига приходится значительно увеличивать температуру расплава (до 270—300° С), пр^ менять предварительный подо, грев жилы перед входом в головку, чтобы при соприкосновении с не访 не происходило охлаждение расплава, а также обогрев матрицы, температуру которой уста- навливают на 30—50° С выше, чем температура расплава. Длительное пребывание полиэтилена
Рис. 5.38. Зависимость критической скорости V от угла входа в матрицу а для различных сортов ПЭ
Рис. 5.38. Зависимость критической скорости V от угла входа в матрицу а для различных сортов ПЭ
при таких температурах неизбежно приводит к его окислению и деструкции. Поэтому следует стремиться к минимально возможному времени пребывания материала в экструдере, т. е. работать на экструдере минимально возможного размера и при максимально访 его производительности.
Вместимость экструдера,103 см3Вместимость экструдера,103 см3Для определения времени пребывания материала в экструдере следует исходить как из его производительности, так и из вместимости экструдера, т. е. объема материала, необходимого для заполнения экструдера:
Вместимость экструдера,103 см3
Вместимость экструдера,103 см3
Диаметр червяка, мм
25
38
50%
'63
90
Эти данные следует рассматривать как ориентировочные, так как вместимость экструдера зависит от конкретных констру- кцн访 червяка и головки, а при необходимости ее можно легко определить экспериментально. В целях предохранения материала от окисления при высоких температурах при остановках экструдера рекомендуетс я до остановки либо снизить температуру, либо заменить материал в экструдере на более термостои- кн访 или на материал с повышенным содержанием антноксида
Немаловажным фактором, ограничивающим лине访ную ско- рость изолирования, является то, что с увеличением скорости происходит рост давления расплава в головке, а также р°, растягивающей! нагрузки на жилу. На рис. 5.39 показа^ зависимости, полученные при изолировании жил городск^ телефонных кабелей обычными марками ПЭ; видно, что У5^ при скорости 1300 м/мин давление при ПТР, равном 0,5 г/10 м"; достигает 50——60 МПа, что близко к предельно допустимого
рис. 5.39. Зависимость давления р и натяжения 尸 жилы в головке от скорости изолирования у：/—3—ПТР = 2 г/10 мин, диаметр матрицы соответственно равен 1,05—0,9 и 0,72 мм; 4, 5—ПТР=0,5 г/*10 мин, диаметр матрицы равен 1,05 (разные конструкции матриц);давление; натяжениерис. 5.39. Зависимость давления р и натяжения 尸 жилы в головке от скорости изолирования у：/—3—ПТР = 2 г/10 мин, диаметр матрицы соответственно равен 1,05—0,9 и 0,72 мм; 4, 5—ПТР=0,5 г/*10 мин, диаметр матрицы равен 1,05 (разные конструкции матриц);давление; натяжениеРис. 5.40, Зависимость давления в головке р от скорости изолирования V для ПЭ марок;У—102-02К; 2—153-02К; 5-102-194Рис. 5.40, Зависимость давления в головке р от скорости изолирования V для ПЭ марок;У—102-02К; 2—153-02К; 5-102-194
рис. 5.39. Зависимость давления р и натяжения 尸 жилы в головке от скорости изолирования у：
/—3—ПТР = 2 г/10 мин, диаметр матрицы соответственно равен 1,05—0,9 и 0,72 мм; 4, 5—ПТР=0,5 г/*10 мин, диаметр матрицы равен 1,05 (разные конструкции матриц);давление; натяжение
рис. 5.39. Зависимость давления р и натяжения 尸 жилы в головке от скорости изолирования у：
/—3—ПТР = 2 г/10 мин, диаметр матрицы соответственно равен 1,05—0,9 и 0,72 мм; 4, 5—ПТР=0,5 г/*10 мин, диаметр матрицы равен 1,05 (разные конструкции матриц);давление; натяжение
Рис. 5.40, Зависимость давления в головке р от скорости изолирования V для ПЭ марок;
У—102-02К; 2—153-02К; 5-102-194
Рис. 5.40, Зависимость давления в головке р от скорости изолирования V для ПЭ марок;
У—102-02К; 2—153-02К; 5-102-194
значениям для современных экструдеров. Из рис. 5.39 следует, что с уменьшением размера жилы давление соответственно увеличивается, а натяжение достигает 45——55 Н, что соответствует растягивающему напряжению 150——200 МПа и может приводить к вытяжке и обрывам жилы, Проблема снижения давления решается путем применения специальных композиций полиэтилена, предназначенных для высокоскоростной экструзии (рис. 5.40).
Одним из основных факторов, определяющих возможную скорость изолирования и ошлангования, являются условия охлаждения готового изделия: прежде чем провод или кабель поступит на тяговое устро访ство, необходимо охладить полимер не только ниже температуры плавления, но и до такой температуры, при которо 访 он не будет деформироваться и повреждаться. Теория процессов охлаждения полимерного покрытия рассмотрена ниже, а в настоящем параграфе рассмотрим некоторые вопросы влияния режима охлаждения на качество кабеля и на выбор линейно访 скорости. В качестве максимальных температур, до которых нужно охладить изоляцию до попадания ее на тяговое устройство, можно принять следующие:
Температура,С—80 — ПО —90 —200 — 180Температура,С—80 — ПО —90 —200 — 1806090608060106060906080601060Материал
Температура,С
—80 — ПО —90 —200 — 180
Температура,С
—80 — ПО —90 —200 — 180
60906080601060
60906080601060
пэнп пэвп ПВХ-пласти|сат ФЭП, ПФА ЭТФЭ
ПВДФ
ПА-6 и ПА-610
Для сокращения длительности охлаждения температур^ охлаждающей воды должна быть минимальной. Расчетом и экспериментом нетрудно показать, что при охлажден^ провода с жилой дааметром 1 мм и толщиной изоляции нз ПЭ 0,25 мм водой с температурой +25° С (температура расплава 210° С) температура изоляции снижается до +70° с за время примерно 0,7——2 с (большее значение соответствует режиму, когда жила, входящая в головку, имеет температуру 210° С). Это означает, что при длине охлаждающей ванны 10 м скорость может составить 850—300 м/мин. По этой причине типовые технологические процессы допускают охлажде- ние тонких (не более 0,7 мм) покрытий лз ПЭ и ПВХ・ пластиката, т. е. материалов, у которых температура расплава не превышает 200——220° С, производить в водопроводной воде.
Однако резкое охлаждение даже тонких покрытий обладает рядом недостатков. Релаксационные процессы пройти не успевают, поэтому фиксируется неравновесная структура, о чем говорилось выше. Плотность резко охлажденного экструдата ниже, чем у медленно охлажденного образца, т. е. меньше равновесной, преобладает аморфная фаза, замораживаются внутренние напряжения, связанные с разбуханием и ориентацией расплава. В процессе последующей эксплуатации структура будет стремиться прийти в равновесное состояние, и свойства будут постоянно изменяться. Например, у полиэтилена, у которого при медленном охлаждении плотность составляет 922 кг/м3, в результате резкого охлаждения плотность составила 917,3 кг/м3 и в дальнейшем постоянно возрастала (в условиях хранения при +25° С):
Время, сут0,06 0,25 1617133Время, сут0,06 0,25 1617133Плотность, кг/мэ
Время, сут
0,06 0,25 1
6
17
133
Время, сут
0,06 0,25 1
6
17
133
917,3
917,7
918,3
918.9
920,2
919,8
Эти йзменения структуры и основных физических свойств могут в процессе эксплуатации, особенно при повышенных температурах, приводить к отрицательным последствиям: усадкам. перераспределению внутренних напряжений, что в ряДе случаев приводит к появлению трещин при тепловом старении, и снижению морозостойкости при наличии мест концентраций механических напряжений.
Другим важным отрицательным следствием быстрого охлаждения является образование пустот внутри изоляции, мех" низм возникновения которых рассмотрен в § 2.3. Пустот" при охлаждении образуются в момент, когда наружные сл°'
Рис. 5.41. Минимальное время охлаждения изоляции из ПЭНПРис. 5.41. Минимальное время охлаждения изоляции из ПЭНПизоляции из ПЭНП, в этихизоляции из ПЭНП, в этихуже охладились и затвердели, а температура внутренних принизилась к температуре плав- дения, около которой происходит резкое изменение плотности (см， рис. 2.3). Поэтому идеаль- HbiM режимом охлаждения был бы такой, когда температура、 охлаждающей среды была бы близка к температуре плавления. Теоретически и экспериментально показано, что пустоты не образуются, если охлаждение начинать хотя бы с температуры 70—90° С. Ориентировочное время, необходимое для охлаждения
Рис. 5.41. Минимальное время охлаждения изоляции из ПЭНП
Рис. 5.41. Минимальное время охлаждения изоляции из ПЭНП
изоляции из ПЭНП, в этих
изоляции из ПЭНП, в этих
условиях без образования внутренних пустот показано на рис. 5.41. Для различных материалов требуется разная скорость охлаждения. Например, большие значения диапазона, указанного на рисунке, соответствуют ПЭ марки ：78, а меньшие — маркам 102； 107 и 153. Поскольку температура плавления ПЭВП выше, то для исключения внутренних пустот температуру охлаждающей воды следует повысить до 80——95° С, а линейную скорость в ряде случаев придется снизить примерно на 10——15%.
Неравномерность охлаждения (а следовательно, и вероятность образования внутренних пустот) возрастает, разумеется, не только с увеличением толщины слоя, но и с возрастанием температуры расплава, что в ряде случаев ограничивает возможность увеличения температуры расплава и, следовательно, линейную скорость. По этой причине относительно толстые слои из материалов с высокой температурой переработки (например, термопластичных фторполимеров) до входа в воду охлаждают сначала в воздушной среде либо воду вообще не применяют. Это в свою очередь также ограничивает линейную скорость. Следует заметить, что если плотность материала вблизи температуры плавления резко не изменяется (например, У ПВХ-пластиката), то и склонность его к образованию внутренних пустот гораздо ниже. Именно по этой причине при наложении покрытий из ПВХ-пластиката допускается охлаждение в водопроводной воде даже для сравнительно больших толщин.
Следует упомянуть еще о нескольких факторах, ограничивавших скорость переработки. С увеличением линейной скорости приходится увеличивать и скорость вращения червяка, что Неизбежно влияет на изменение температурных режимов в ци- "мндре и условия гомогенизации и пластикации. Эти проблемы
рассмотрены ниже при анализе температурных режимов. Кроме! того, ограничивать линейную скорость могут в ряде случаев “ технологические процессы, совмеп^аемые с экструзией, например вулканизация композиций, содержащих пероксиды. В зто^ случае, с одной стороны, скорость ограничивается временем необходамым для реализации процессов сшивания, т. е. длиной вулканизационной трубы, с другой стороны, если даже увеличу вать длину трубы вулканизации или ускорять интенсивность процесса вулканизации другими способами, то скорость будет ограничиваться производительностью экструдера, так как во избежание разложения пероксида и преждевременной сшивки расплава в экструдере переработку приходится вести при низких температурах расплава, не превышающих 130—135° С.
Рассмотрим подробнее выбор температурных режимов. Самой нижней границей температуры является, разумеется, температура плавления, когда полимер переходит в текучее состояние. Фактически минимальная температура расплава должна быть выше температуры плавления на некоторое значение, чтобы вязкость расплава позволяла осуществлять экструзию; для этого вязкость не должна превышать 105— ■ 106 Па с. Температуру расплава приходится дополнительно повышать, когда необходимо снизить давление в экструдере или увеличить критические скорости сдвига.
Вместе с тем максимальная температура переработки ограничивается температурой, при которой не развиваются еще процессы окисления, деструкции и сшивания полимера; приходится иногда снижать температуру для оптимизации условий охлаждения с целью исключить образование пустот в изоляции. При свободном наложении полимерного покрытия, изменяя температуру, можно установить оптимальную степень вытяжки, так как повышение температуры хотя и увеличивает способность к вытяжке, но одновременно и ограничивает ее, снвдая прочность расплава.
При выборе температурных режимов следует учитывать динамику процесса, т. е. то, что материал в экструдере, продвигаясь в цилиндре, постепенно нагревается как из-за тех- ^ы. поступающей от нагревателей экструдера, так и из-за внучреннсго трения. Поэтому как температура расплава, так и свойства расплава будут определяться не только температурой экструдера, но, главным образом, длительностью пребывания цри этой температуре. С увеличением длительности пребывания полиэтилена в экструдере ускоряется расход стабилизатора, особенно при высоких температурах, что отра系* ется на стойкости к старению; в ПВХ-пластикатах мо*е『 протекать процесс дегидрохлорирования с образованием пустой в экструдате; у фторопластов из-за деструкции возраста^ ПТР, что показано на рис. 5.42.
рис. 5.42. Зависимость ПТР 0T длительного прогрева (цифры у кривых обозначают температуру, ℃):
一тефлон-100;тефлон- 160
При продвижении материала по шнеку гранулы постепенно разогреваются, и к зоне сжатия должен подойти расплав, не содержащий нерасплавленных гранул. При увеличении скорости вращения червяка зона окончания плавления может сдвинуться в направлении головки и дойти до зоны сжатия, что приведет к резкому увеличению колебаний давления. Особенно критично это явление при переработке материалов, имеющих в отличие от ПЭ и ПВХ-пластиката четко выраженную температуру плавления с небольшой зависимостью механических свойств от температуры, например полиамидов. В этом случае нерасплавленные гранулы, попадая в зону сжатия, могут вообще прервать истечение расплава.
Существенное влияние на качество изделий оказывает степень гомогенизации расплава, т. е. однородность расплава по температуре и вязкости. Экспериментально установлено, что перепад температуры по глубине канала червяка может достигать 20——30° С, что при недостаточной гомогенизаций, естественно, снижает качество изделий. Степень гомогенизации возрастает с увеличением энергии, затрачиваемой на перемешивание, т. е. значения и длительности приложения сдвиговых напряжений, а при увеличении температуры расплава из-за снижения вязкости уменьшается напряжение сдвига, а следо- вательно, и степень гомогенизации. По этой причине, если экструдер работает при максимальной объемной производительности и низком сопротивлении головки, гомогенность Расплава может быть недостаточной. На срезе с поперечного 凭иени父 кабеля с полиэтиленовой изоляцией, наложенной в усло- внах недостаточной гомогенизации, видны участки различной Прозрачности; слои расплава, которые касались стенки фор“ дующего инструмента, где, как известно, напряжение сдвига ^℃тигает максимума, имеют максимальную прозрачность
Рис. 5.43. Схема червяка с нарезкой барьерного типа:
I — гранулы; 2—расплав (Д( <Л,)
и однородность. Ликвидировать этот эффект можно путем увеличения сопротивления у входа в головку (например, установкой дополнительных фильтрующих сеток), что приводит как к увеличению сдвиговых напряжений, так и к длительности их воздействия.
С этой точки зрения существенные преимущества дает червяк с разделяющейся нарезкой (барьерный или дифференциальный червяк), впервые предложенный фирмой Maileffer (Швейцария), схема которого показана на рис. 5.43. В этом червяке происходит постоянное разделение гранул и расплава благодаря перетеканию последнего в самостоятельный винтовой канал; нерасплавившиеся гранулы не имеют возможности попасть в головку, что автоматически регулирует степень гомогенизации. Благодаря этому производительность экструдера увеличивается на 20—40%. Червяки такого типа успешно используют при переработке ПЭ, фторопластов и ПВХ- пластикатов. Особенно эффективны они в последнем случае, так как позволяют увеличить производительность без увеличения температуры.
Рассматривая выбор температурных режимов, следует остановиться на часто возникающем вопросе, как нужно откорректировать температурные режимы с учетом размера экструдера. В простейшем случае при изготовлении одного^и того же провода с одинаковой линейной скоростью на разных экструдерах переход, например, с меньшего экструдера на больший ведет из-за большей вместимости последнего к увеличению длительности пребывания материала в экструдер^- т. е. температуру цилиндра экструдера следует снизить.
Следует одновременно учитывать, что увеличение глубины нарезки червяка будет' при этом приводить к большей неоднородности расплава. Поэтому при возможности выбора нужно всегда стремиться применять экструдер возможно меньшего 186 '
размера, используя не более 60——80% его максимальной производительности, для сохранения возможности регулирования и управления процессом.
Существенное значение для обеспечения высокого качества изделия имеет стабильность давления и температуры расплава. Прежде всего, стабильность обеспечивается благодаря конструкции и системе регулирования (рис. 5.44). При применении нагревателей сопротивления в сочетании с принципом регулирования «включено — выключено» (рис. 5.44, а) максимальная температура нагревателей 厶 достигает 800° С, поэтому, когда температура цилиндра достигает z2 [заданное значение плюс А (чувствительность) ], даже после отключения нагревателей продолжается нагрев цилиндра. Такая система дает колебания температуры порядка +10° С, она не обеспечивает стабильности технологического процесса и является устаревшей. На- феватели индукционного типа (рис. 5.44,6), в которых нагрев осуществляется наведением вихревых токов в теле цилиндра, обеспечивают отсутствие перегревов; колебания температуры зависят только от чувствительности системы контроля и ре- гУлирования и обычно составляют от ±2 до ±5° С. Самые 1°временнъге системы имеют нагреватели сопротивления, размещенные в массивных литых радиаторах из алюминиевого cuqaBa для охлаждения (рис. 5.44, в); они сочетаются с тармстор- ч°й системой регулирования, которая обеспечивает подачу Злектрической мощности к нагревателю пропорционально раз- ^Ue между заданной и фактической температурами, которые 览сто измеряют с помощью трех последовательно соединенных
без охлаждения С охлаждениембез охлаждения С охлаждениемРис. 5.45. Влияние охлаждения червяка на стабильность диаметра изоляции (фрагмент диаграммной ленты)Рис. 5.45. Влияние охлаждения червяка на стабильность диаметра изоляции (фрагмент диаграммной ленты)щественно увеличивается.Для обеспечения требуемого качества следует учитывать особенности переходных, неустановив- шихся режимов. Даже если экструдер полностью прогрет до заданной температуры и заполнен рас' плавом полимера, любое изменение скорости вращения червяка вызовет изменение распределения давления и температур^5щественно увеличивается.Для обеспечения требуемого качества следует учитывать особенности переходных, неустановив- шихся режимов. Даже если экструдер полностью прогрет до заданной температуры и заполнен рас' плавом полимера, любое изменение скорости вращения червяка вызовет изменение распределения давления и температур^5Таблица 5.5. Технологические режимы при переработке ПЭНП
без охлаждения С охлаждением
без охлаждения С охлаждением
Рис. 5.45. Влияние охлаждения червяка на стабильность диаметра изоляции (фрагмент диаграммной ленты)
Рис. 5.45. Влияние охлаждения червяка на стабильность диаметра изоляции (фрагмент диаграммной ленты)
щественно увеличивается.
Для обеспечения требуемого качества следует учитывать особенности переходных, неустановив- шихся режимов. Даже если экструдер полностью прогрет до заданной температуры и заполнен рас' плавом полимера, любое изменение скорости вращения червяка вызовет изменение распределения давления и температур^5
щественно увеличивается.
Для обеспечения требуемого качества следует учитывать особенности переходных, неустановив- шихся режимов. Даже если экструдер полностью прогрет до заданной температуры и заполнен рас' плавом полимера, любое изменение скорости вращения червяка вызовет изменение распределения давления и температур^5
Толщина изоляции, мм
Скорость червяка, мин-1
Линейная скорость, м/мин
Температура экструдера по зонам, ℃
А尸山， МПа
А紡
I
II
Ш
IV
Головка
1,15
39
100
180
215
215
215
220
0,74
1,7
1,15
37
100 、
160
180
235
220
215
0,48
1,2
3,2
70
40
170
190
190
190
190
0；30
4,8
3,2
70
40
160
178
235
215
200
0,1
3,8
Рис. 5.46. Изменение диаметра изо-Рис. 5.46. Изменение диаметра изо-риала будут изменяться. Для ляцин ПРИ неустановившемся режиме примера на рис. 5.46 показаноизменение диаметра кабеля после включения экструдера: значериала будут изменяться. Для ляцин ПРИ неустановившемся режиме примера на рис. 5.46 показаноизменение диаметра кабеля после включения экструдера: значеа также сдвиговых напряжё- Йий, что и является причиной розникновения неустановивше- гося режима; для его стаби- дизации требуется определенное время. В процессе неуста- довившегося режима производительность, а в ряде случаев и некоторые параметры мате-
Рис. 5.46. Изменение диаметра изо-
Рис. 5.46. Изменение диаметра изо-
риала будут изменяться. Для ляцин ПРИ неустановившемся режиме примера на рис. 5.46 показано
изменение диаметра кабеля после включения экструдера: значе
риала будут изменяться. Для ляцин ПРИ неустановившемся режиме примера на рис. 5.46 показано
изменение диаметра кабеля после включения экструдера: значе
ние диаметра достигло установившегося значения после того, как было изготовлено примерно 130 м кабеля, т. е. потребовалось пропустить через экструдер материал, объем которого примерно в 1,5 раза больше вместимости экструдера.
Важным фактором температурного режима является температура заготовки, входящей в головку экструдера. Предварительный обогрев заготовки способствует, во-первых, удалению поверхностной влаги и загрязнений, которые могут при соприкосновении с расплавом из-за испарения образовать на границе раздела пузыри, а также снизить адгезию. Во-вторых, уменьшается количество теплоты, передающейся от расплава к жиле, в результате чего снижается фактическая температура расплава; это может привести к появлению дефектов при скоростях сдвига, близких к критическим. Кроме того, контакт с холодной заготовкой может приводить к возникновению внутренних напряжений в изоляции, что в ряде случаев приводит к ее растрескиванию.
Ниже приведены температуры переработки полимеров, применяемые в кабельной промышленности. Приведенные данные, разумеется, следует рассматривать как ориентировочные:
НаименованиеНаименованиематериаламатериалапэнп：толщина до 0,3 мм и скорость болеепэнп：толщина до 0,3 мм и скорость болееТемпературарасплава, ℃
Наименование
Наименование
материала
материала
пэнп：
толщина до 0,3 мм и скорость более
пэнп：
толщина до 0,3 мм и скорость более
1000 м/мин …二…二二…:…二 270-310
толщина от 0.3 до 0,8 мм 190—230
толщина более 0,8 мм 150—200
трубки воздушно-пластмассовой изо
ляции :150—180
Вулканизующийся ПЭ 120—130
ПЭВП 240—280
ПВХ-пластикат 150—180
ФЭП 330—400
ЭТФЭ 290—350
ПФА 380—400
ПВДФ 200—290
ПА ； 270—290
9. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИИ ОБОЛОЧКИ
В § 5.7 и 5.8 рассмотрены рекомендации по расчету и выбору основных технологических параметров переработки полимерных материалов при изготовлении изоляции и оболочки. К настоящему времени в целях унификации оборудования и технологических режимов разработаны типовые технологические процессы изготовления различных элементов кабельных ,изделий, в том числе и из полимерных материалов, подробное описание которых приведено в [4]. Поэтому в данном параграфе целесообразно рассмотреть только некоторые особенности этих процессов, недостаточно полно отраженные в предыдущих публикациях. Остановимся сначала на тонкостенной изоляции.
Разделение изоляции на тонкостенную и толстостенную в значительной степени условно. Обычно под тонкостенной изоляцией понимают такую, толщина которой не превышает примерно 20% диаметра изолируемой жилы или проволоки. В ряде случаев тонкостенной можно считать изоляцию, перепадом температуры на которой при расчете режимов охлаждения можно пренебречь.
Со времени начала применения пластмасс в кабельной технике толщина изоляции начала быстро снижаться. В настоящее время технологические свойства материалов и применяемое оборудование позволяют обеспечивать стабильное качество при толщинах до 0,15——0,13, а в; ряде случаев и до 0,10——0,07 мм, при этом тенденция уменьшения толщины сохраняется. Основными проблемами при изготовлении изо ляции является обеспечение качества поверхности и электрической прочности. Проблема качества поверхности связана, как показано выше, с возникновением режима неустойчивого течения при высокой скорости сдвига, значение которой возрастает пропорционально диаметру матрицы в третьей степени. Поэтому для тонкостенной изоляции следует применять матрицы с конической формующей частью и малым углом входа. В целях увеличения критической скорости сдвига следует по возможности увеличить температуру расплава, особенно в тех участках, где развиваются максимальные сдвиговые, напряжения; поэтому температуру на выходе из головки часто устанавливают на 30—50° С йыше, чем в предыдущих зонах..
Металлическая жила, входящая в головку, легко отнимает теплоту у тонкого слоя расплава, снижая температуру слоя, 'соприкасающегося с жилой. Это может привести к ухудшению физико-механических свойств изоляции (прочности и относительного удлинения), поэтому требуется предварительный по- 190
^огрев жилы перед входом в головку. Температура предварительного подогрева является результатом компромисса двух противоположно влияющих факторов: с точки зрения теплового баланса температура жилы должна быть близка к температуре расплава; вместе с тем при увеличении температуры жилы ухудшается охлаждение изоляции после ее выхода из головки экструдера, что может привести даже к возникновению пустот в изоляции и между изоляцией и жилой. Оптимальную температуру предварительного обогрева устанавливают экспериментально; для ПЭ и ПВХ- изоляции она обычно составляет 80—120° С, а для термопластичных фторполимеров 120—220° С.
Высокое сопротивление потоку расплава при изготовлении тонкостенной изоляции приводит к росту давления, что в ряде случаев вынуждает отказаться от применения мелких фильтрующих сеток. Вместе с тем наличие в полимере посторонних включений особенно критично именно для тонкостенной изоляции.
Для типового технологического процесса рекомендуется применять не менее двух фильтрующих сеток с номинальным размером ячейки от 140 до 200 мкм (№ 014—020). Однако для обеспечения минимального количества включений следует использовать сетки № 004 с минимальным отверстием 40 мкм (следует иметь в виду, что это номинальный размер ячейки, а стандартами на металлические сетки допускается определенное количество отверстий размером выше номинального).
По мере загрязнения сетки давление на нее будет нарастать, и она может прорваться. Чтобы увеличить долговечность пакета сеток и сократить периодичность замены, следует за мелкой сеткой устанавливать более крупную, а перед ней — так*е более крупную, которая позволит задержать наиболее крупные включения. Таким образом, пакет состоит из разных сеток, номинальный размер отверстий которых (считая от червяка) выбран по следующему правилу: % 弋 3d2 9d3 % ^3"2弋"1； желательно, чтобы крайние сетки с размером 4】 6bllпи из высокопрочного материала, а размер отверстий в опорной решетке был не более (3—5)d「Влияние фильтрующих сеток на качество изоляции толщиной 0,2 Мм видно нз табл. 5.6.
Поскольку мелкие фильтрующие сетки необходимо часто Менять, то разработаны специальные устройства, позволяющие Ускорить процесс их замены или очистки. На рис. 5.47 дана схема устройства с поворотной решеткой, позволяющего без Разборки головки в течение нескольких минут очистить ^грязненные сетки потоком расплава, а на рис. 5.48——схема °ловки, в которой замена сеток производится без снятия °ловки путем извлечения патрона с инструментом.
Таблица 5.6. Влияние фильтрующих сеток иа качество изоляции
Размер отверстий в фильтрующих сутках, мкм
Среднее пробивное напряжение, кВ
Коэффициент вариации
Среднее расстояние км, между пробоями при испытании на аппарате сухого испытания при 7 кВ
Без сеток
22,9，
0,126
3,8■
300
22,2
0,130
100
26,7
0,114
12,9 ■
45
39,1
0,097
58,3 Я
Иногда для уменьшения числа дефектов изоляции, вызываемых посторонними включениями, применяют разделение потока расплава в головке или в инструменте, т. е. фактически применяют многослойную изоляцию. Схема одной из конструкций такого инструмента показана на рис. 5.49.
К дефектам тонкостенной изоляции мбгут приводить также гелеобразные включения в материале, представляющие собой частицы того же полимера, но резко отличающиеся молекулярной массой, а следовательно, и вязкостью. Они обычно не оказывают заметного влияния на свойства изоляции, но, проходя через фильтрующие сетки и имея другую вязкость, нарушают равномерность потока, образуя поверхностные дефекты в виде «пупырышков», а при работе с высокой степенью вытяжки могут привести к точечным разрывам изоляции.
Охлаждение для тонкостенной изоляции, как показано выше, не является критичным, поэтому при отсутствии пустот в изоляции допускается применение охлаждения в водопроводной воде.
При отработке технологического режима изготовления тонкостенной изоляции следует контролировать следующие параметры изоляции: прочность и относительное удлинение при
Рис. 5,47. Схема устройства для быстрой очистки сеток：7—сетка； 2—решетки;3 — поворотнаяобоймаРис. 5,47. Схема устройства для быстрой очистки сеток：7—сетка； 2—решетки;3 — поворотнаяобоймаРис. 5.48. Схема голонки с решеткой и сеткой:/—кольцевая решетка; 2—гольцевая А*Рис. 5.48. Схема голонки с решеткой и сеткой:/—кольцевая решетка; 2—гольцевая А*
Рис. 5,47. Схема устройства для быстрой очистки сеток：
7—сетка； 2—решетки;3 — поворотная
обойма
Рис. 5,47. Схема устройства для быстрой очистки сеток：
7—сетка； 2—решетки;3 — поворотная
обойма
Рис. 5.48. Схема голонки с решеткой и сеткой:
/—кольцевая решетка; 2—гольцевая А*
Рис. 5.48. Схема голонки с решеткой и сеткой:
/—кольцевая решетка; 2—гольцевая А*
Рис. 5.49. Инструмент с разделением потока:17—дорн; 2—расплав; 3—канал в дорне; 4—матрицаРис. 5.49. Инструмент с разделением потока:17—дорн; 2—расплав; 3—канал в дорне; 4—матрицарастяжении (значения которых должны быть близки к значениям параметров исходного материала); статистические параметры распределения пробивного напряжения (средняя электрическая Прочность должна быть не менее электрической прочности материала, а коэффициент вариации — не менее 0,12—0,15). Кроме того, в процессе производства следует контролировать толщину изоляции, концентрич-
Рис. 5.49. Инструмент с разделением потока:1
7—дорн; 2—расплав; 3—канал в дорне; 4—матрица
Рис. 5.49. Инструмент с разделением потока:1
7—дорн; 2—расплав; 3—канал в дорне; 4—матрица
ность и среднее расстояние между пробоями при испытании АСИ.
При изготовлении толстостенной изоляции предъявляются особые требования как к условиям гомогенизации расплава, так и к режимам охлаждения; в ряде случаев, например для изоляции радиочастотных кабелей большое значение имеет также стабильность диаметра. При применении дополнитель
ного сопротивления, например, путем установки дополнительных сеток устраняется нестабильность диаметра, связанная с недостаточной гомогенизацией расплава.
Для изготовления изоляции силовых кабелей высокого напряжения, а также высоковольтных кабелей различного назначения следует применять особо чистый полиэтилен, получаемый в результате специальной операции очистки путем фильтрации через пакет сеток, содержащих сетки с особо малым размером ячеек. Если перерабатываемый полиэтилен содержит небольшое количество включений, то операцию очистки можно совмещать с изготовлением изоляции.
Как указывалось выше, материалы с резкой зависимостью плотности от температуры (к ним относится и полиэтилен) особенно подвержены образованию пустот внутри изоляции при слишком быстром ее охлаждении. Поэтому температуру охлаждающей воды в первой секции следует устанавливать не менее 80—90, а в ряде случаев даже 90—95е С. Для повышения равномерности охлаждения можно увеличить воздушный зазор между головкой и первой секцией ванны, так как в воздушной среде расплав будет охлаждаться медленнее. Если же устранить пустоты не удается, то изоляцию можно накладывать в несколько слоев (проходов), охлаждая каждый слой отдельно. Для обеспечения сваривания последующего слоя с предыдущим поверхность заготовки следует подогревать Перед входом в головку до температуры, близкой к температуре давления.
19319313 3125
193
193
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ . ФТОРПОЛИМЕРОВ И ПОЛИАМИДОВ
Особенности переработки термопластичных фторполимеров обусловлены спецификой их свойств. Из-за высоких температуры плавления и вязкости расплава необходимо, чтобы нагреватели экструдера обеспечивали нагрев до температуры 400——450° С, для чего их мощность должна составлять 4— 4,5 Вт/см2. Фланец, соединяющий головку с цилиндром, также должен быть обогреваемым. Близость температуры переработки и разложения, а также высокие требования к стабильности проводов и кабелей обусловливают необходимость высокой точности поддержания температурного режима: колебания не должны превышать +1° С. Следует также непосредственно контролировать температуру расплава. Экструдеры для фторполимеров не отличаются в принципе от обычных и выполняются из специальных коррозионно-стойких сплавов, так как продукты, выделяющиеся при переработке фторполимеров, вызывают интенсивную коррозию обычных сталей, а железо, входящее в их состав, является катализатором разложения фторполимеров. Для частей экструдера, контактирующих с расплавом, применяют хромоникелевые и никель-молибденовые сплавы с небольшим содержанием железа, например, марок ХН 77ТЮР (ЭИ-473Б) и 47 НХМ. Применяют червяки как с короткой, так и с большой длиной зоны сжатия; последнее— главным образом, для ПВДФ; степень сжатия 2,5——3.
Хорошие результаты дает червяк барьерного типа. Для равномерного прогрева расплава глубина канала в дозирующей зоне не должна превышать 6% диаметра червяка. Охлаждение червяка обычно не применяют. Частота вращения червяка, как правило, не превышает 50 мин-1, что ограничивается невысокими критическими скоростями сдвига. Решетки и сетки обычно не применяют, но, если есть необходимость увеличить сопротивление (при большой толщине изоляции), улучшить гомогенность расплава (при применении наполнителей или концентратов красителя) или проводить фильтрацию при экструзии, то сетки и решетки должны быть изготовлены из коррозионно-стойких сплавов и не создавать застойных зон.
Поскольку фторполимеры негигроскопичны, то нет необходимости в предварительной подсушке материала. Однако влага может конденсироваться на поверхности гранул, а также сорбироваться пигментами концентратов красителей; в этом случае может потребоваться либо предварительная сушка в течение 8—16 ч при 120一160° С, либо обдув горячим воздухом перед подачей гранул в бункер экструдера.
Как указывалось выше, скорость переработки термопластичных фторполимеров обычно ограничивается наступлением ре”
химов неустойчивого течения. Используют два пути увеличения скорости: повышение температуры расплава и снижение максимальной скорости сдвига. Первый путь реализуется как путем увеличения температуры на матрице и на головке, так и путем сокращения отвода теплоты к дорну и заготовке. Это достигается установкой в дорн либо обогревателя либо теплоизолирующей втулки, что обычно может быть реализовано при относительно больших размерах изготовляемого кабеля и соответственно дорна.
Второй путь——это свободное наложение изоляции. Такой способ применяют при переработке всех фторпластов, однако ЭТФЭ и ПВДФ, имеющие более высокие критические скорости сдвига, могут быть переработаны и способом с обжатием. фторопласт-40Ш,. характеризующийся относительно высокой критической скоростью сдвига и низкой способностью к вытяжке, накладывают на жилу обычно с обжатием. Выбор конкретных размеров формующего инструмента ведется в порядке, указанном в § 5.7; критические скорости сдвига, рекомендуемые степени вытяжки и температуры переработки приведены в гл. 2 и 5.
Цилиндрическая часть дорна обычно выступает из матрицы на 0,5—1,5 мм; для ФЭП и ПФА длина формующей части составляет 50 мм, длина конуса расплава—10—50 мм. При большем конусе может возникнуть нестабильность толщины изоляции, овальность и увеличиться внутренние напряжения, а чрезмерно короткий конус может привести к нарушению нормальной вытяжки. Длину конуса можно регулировать путем вакуумирования дорна.
При переработке фторполимеров практически всегда следует применять предварительный подогрев заготовки до температуры не менее 150一180° С. Это не только снижает охлаждение расплава, но также повышает- адгезию, снижает усадку и внутренние напряжения, способствует увеличению относительного удлинения при разрыве. Если фторопластовую оболочку накладывают на заготовку, способную сорбировать значительное количество влаги, то заготовку во избежание образования пузырей следует предварительно подсушить. С этой же целью иногда применяют обогрев конуса расплава после его выхода из головки. Для охлаждения используют как горячую, так и холодную воду в зависимости от требуемых свойств, а часто, особенно когда толщина изоляции превышает 0,5——0,8 мм, и воздушное охлаждение.
Качество изоляции характеризуется уровнем физико-механических характеристик и отсутствием трещин при одновремен- ном воздействии теплоты и механических напряжений. Применяют экспресс-метод, в соответствии с которым образцы пРовода, навитые на пятикратный (или однократный) диаметр, 13* 195
помещают на 5 мин в кремнийорганическую жидкость, нагре. тую обычно до + 200° С, а затем осматривают на наличие трещин или проверяют испытательным напряжением.
Экструдируемые материалы на основе полиамидов применяют в кабельной промышленности, главным образом, для создания тонких покрытий ——толщиной от 0,05 до 0,20 мм. Технология их переработки определяется рядом специфических свойств. Прежде всего, следует учитывать высокое влагопог- лощение полиамидов. Если в материале содержится свыше 0,2% влаги, то она будет выделяться, образуя пузыри в экструдате и ускоряя деструкцию материала. Поэтому перед переработкой обычно требуется подсушка материала. Количество влаги в материале определяется общепринятыми способами, на что необходимо существенное время.
На практике можно использовать экспресс-метод: гранулы в количестве нескольких штук нагревают до температуры переработки (например, на головке экструдера), если после расплавления в грануле образовались пузыри,, то материал следует дополнительно высушить; отсутствие пузырей свидетельствует о возможности переработки. При высушивании гранул следует учитывать не очень высокую стойкость полиамидов (ПА) к окислению. Поэтому в целях сокращения длительности сушки ее следует проводить во вращающихся цилиндрических камерах в вакууме; Вращение камеры обеспечивает равномерный нагрев гранул, а вакуум уменьшает количество кислорода и сокращает время сушки благодаря повышению ее интенсивности.
Температура стенок камеры должна быть около 100— 140° С, а остаточное давление ——не более 2,5 кПа. Длительность сушки зависит как от условий сушки, так и от исходной и конечной влажности, а также от объема загружаемого материала, и обычно составляет несколько часов. Поскольку горячий материал увлажняется быстрее, то в конце периода сушки следует сначала снизить температуру, а затем поднять давление. После сушки материал следует хранить в герметичной таре, не допускающей попадания влаги, так как на открытом воздухе материал снова увлажнится через 5—15 ч (в зависимости от влажности окружающего воздуха).
Следующая особенность связана с узким температурным диапазоном плавления и резкой зависимостью механических свойств от температуры. В отличие от большинства применяемых в кабельной технике полимеров, например ПЭ и ПВХ- пластиката, гранулы которых прн температурах, приближающихся к температуре плавления, размягчаются и могут быть относительно легко деформированы в канале червяка, гранулы полиамидов почти до самой температуры плавления сохраняю^ довольно высокую твердость. Если такие нерасплавленный гранулы полиамида подойдут к зоне сжатия червяка, то это 196 :
привезет к пульсациям расхода, возрастанию нагрузки на червяк Н даже к остановке экструдера. Поэтому профиль нарастания температуры в цилиндр должен быть таким, чтобы к зоне с*атая подходил только расплав, не содержащий нерасплавленных гранул. Следовательно, хотя и может быть применен червяк с L/Z>= 15, но лучшие результаты получаются при LjD не менее 20. Желательно использовать червяки с короткой зоной сжатия, равной (0,5―1)Z>, и с дозирующей зоной длиной (5—6)1).
Очень важной особенностью полиамидов является низкая вязкость расплава, достигающая 10~5—10^6 МПа с. Столь низкая вязкость хотя и способствует увеличению производи- 1ельности, но одновременно приводит к ряду затруднений. Во- первых, снижается давление, развиваемое червяком, увеличивается его склонность к созданию пульсаций. Поэтому следует применять червяк с небольшой глубиной канала в дозирующей зоне и сетки для создания противодавления. Во-первых, особо жесткие требования предъявляются к размеру зазора между червяком и цилиндром, так как при большом зазоре возрастающий поток утечки, который обычно в расчетах не учитывают, может заметно снизить производительность.
Кроме того, из-за низкой вязкости расплав может под воздействием противодавления перетекать назад в направлении к загрузочному бункеру и при соприкосновении с гранулами застывать, образуя в экструдере «пробку». Этот аномальный режим возможен особенно при остановке экструдера. Описанные особенности обусловливают специфику пуска и остановки экструдера. При пуске следует сначала установить температуры на цилиндре на 15—20° С выше номинальных, обеспечив заполнение экструдера при скорости вращения червяка не более 2——5МИН"1. После этого следует установить номинальную температуру и скорость, следя за нагрузкой на двигатель экструдера. При перерывах в работе остановку червяка нужно
проводить плавно, постепенно снижая скорость и давление;
при кратковременных перерывах лучше вообще не останавли- вать червяк, а только замедлить его вращение. При плановом прекращении работы или длительных перерывах следует за- неннть ПА в цилиндре на другой материал, например ПЭВП, "то облегчит чистку экструдера.
При переработке ПА применяют инструмент для свободного Наложения (см. рис. 5.36, 6); степень вытяжки составляет от 5 До 25. Для регулирования длины конуса можно использовать вакуумирование дорна. Охлаждение обычно проводят в во ^проводной воде, при этом получается структура с йреоб- ЛаДанием аморфной фазы, дающая максимальную гибкость "эластичность. Высокие критические скорости сдвига ПА ^зволяют работать на очень высоких скоростях, начиная от 心0300 м/мнн и более.
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ВСПЕНИВАЮЩИХСЯ КОМПОЗИЦИЙ
В кабельной технике применяют несколько способов полу^ ния вспененного полимерного покрытия. Так называемый физический метод вспенивания основан на том, что в полимер под давлением вводят газ, растворяющийся в нем в соответствии с законом Генри: C=ph, где С——концентрация раз творенного газа, р ——давление; й——коэффициент растворимости.
Введение газа можно осуществлять либо путем его подачи непосредственно в расплав полимера, находящийся в цилиндре экструдера (например, азота в ПЭ), либо путем предвари тель ного насыщения им гранул полимера при выдержке 耿 в течение нескольких суток в газовой среде под давлением. Так вводят дахлордифторметан (хладон-12) в ФЭП.
При изменении температуры и давления полимер оказыва- ется перенасыщен газом, и последний начинает выделяться из расплава полимера с образованием газовой фазы в виде пузырьков, создавая ячеистую структуру.
Химический метод вспенивания основан на введении в гранулы полимера химических веществ, называемых газообразова- телями, вспенивающими агентами или порообразователями, которые при определенной температуре в цилиндре экструдера разлагаются с образованием газообразных продуктов. Последние, так же как и при физическом вспенивании, растворяются в расплаве полимера, а затем при снижении давления образуют пузырьки, приводящие к вспениванию расплава. Существуют три модафикации этого метода: при первом методе газооб- разователи вводят в каждую гранулу полимера, при втором используют концентраты газообразователя в полимере, смешиваемые с чистым полимером перед экструзией, при третьем—газообразователь наносят на поверхность гранул полимера путем холодного смешения непосредственно перед экструзией.
Некоторое применение нашел также метод изготовления вспененной изоляции из раствора: раствор ПЭ в толуоле наносят путем окунания на токопроводящую жилу с созданием ячеистой структуры путем испарения растворителя.
Каждый из этих методов обладает своими достоинствами и недостатками. Физический метод применяют главным образом для кабельных изделий с относительно толстой изоляцией или в том случае, когда отсутствуют необходимые газообразователи, например для получения вспененной из^ ляции из ФЭП. Метод наложения изоляции из раствора ограниченно применяют некоторые фирмы для получен^ Очень тонкой изоляции, в частности для жил городски телефонных кабелей. Наибольшее распространение попу"価 химический метод вспенивания, применяемый как для широкой
круга полимеров, так и для различных толщин покрытий. 而зтому ниже подробнее рассмотрим именно этот метод.
В процессе продвижения по цилиндру экструдера гранулы с газообразователем нагреваются, и под воздействием теплоты начинается реакция разложения газообразователя. Обычно разложение идет по реакции первого порядка, где скорость ^висит от температуры. Период полураспада (т. е. время необходимое для уменьшения концентрации в 2 раза) дл$ газообразоватедя ЧХЗ-57 зависит от температуры:
Температура, ℃ Вро^я, ч
5085
6013
752,5
• 850,5'
'1000,12
Таким образом, количество выделившегося газа будет зависеть как от температуры, так и от длительности ее воздействия, что следует учитывать при выборе температурноскоростных режимов переработки: чем больше длительность' пребывания материала в экструдере, тем больше количество образовавшегося газа.
Образовавшийся газ растворяется в расплаве полимера, при этом следует иметь в виду, что газовой фазы еще не образуется, а молекулы газа распределены между молекулами полимера. В соответствии с законом Генри чем выше давление и ниже температура расплава, тем больше газа при данной температуре может раствориться в полимере. Если же давление мало, что может быть на практике при неправильно выбранной конструкции червяка и температурно-скоростном режиме (например, при чрезмерно низкой скорости вращения червяка), то часть газа не сможет раствориться в полимере и будет стремиться выйти в атмосферу через загрузочный бункер экструдера.
Насыщение газа расплавом начинается в зоне плавления, червяка и особенно интенсивно происходит в дозирующей зоне. Именно режим работы этой зоны ответствен за количест- в° образовавшегося газа и равномерность его распределения в расплаве. Желательно, чтобы основная часть газообразова- теля разложилась в этой зоне, так как газообразователь, Разлагающийся в головке, будет распределяться в расплаве Менее равномерно. Поэтому процесс чаще всего регулируют □утем изменения температуры последней зоны цилиндра, оставляя другие температуры неизменными. Таким образом, м* выявили первую особенность переработки вспенивающихся композиций, заключающуюся в том, что температурный режим ^Режде всего устанавливают в зависимости от температуры скорости разложения газообразователя.
S_ Н3S§ g g Й ^ 77 Л T 7§7 餌怠帛g gS寸111二丨，E S6C 4 7 gn 7 1 N、平MBJi§ Во §.国T f黑TОоI о О目if S 1 s 1йsn 7 1 7 j目訪HiIggwggil g§gEX 2 EuuseS_ Н3S§ g g Й ^ 77 Л T 7§7 餌怠帛g gS寸111二丨，E S6C 4 7 gn 7 1 N、平MBJi§ Во §.国T f黑TОоI о О目if S 1 s 1йsn 7 1 7 j目訪HiIggwggil g§gEX 2 EuuseГазМолекулярная : масса凡 Дж/кгНормально п j io гаость, кг他Азот №28297•1,25Оксид углерода СО28297Аммиак NH3174880,77 一Кислород О232260Диоксид углерода СО2441891,竺Воздухi 28,82871,29ГазМолекулярная : масса凡 Дж/кгНормально п j io гаость, кг他Азот №28297•1,25Оксид углерода СО28297Аммиак NH3174880,77 一Кислород О232260Диоксид углерода СО2441891,竺Воздухi 28,82871,29Таблица 5.7. Параметры газов как порообразователей в полимерной изоляци1*Таблица 5.7. Параметры газов как порообразователей в полимерной изоляци1*200200201201
S
_ Н
3
S§ g g Й ^ 77 Л T 7§7 餌怠帛g g
S
寸111二丨
，E S6C 4 7 g
n 7 1 N
、平MB
Ji
§ Во §
.国T f黑T
ОоI о О
目
if S 1 s 1й
s
n 7 1 7 j
目訪Hi
Iggwggil g§g
EX 2 E
uuse
S
_ Н
3
S§ g g Й ^ 77 Л T 7§7 餌怠帛g g
S
寸111二丨
，E S6C 4 7 g
n 7 1 N
、平MB
Ji
§ Во §
.国T f黑T
ОоI о О
目
if S 1 s 1й
s
n 7 1 7 j
目訪Hi
Iggwggil g§g
EX 2 E
uuse
Газ
Молекулярная : масса
凡 Дж/кг
Нормально п j io гаость, кг他
Азот №
28
297•
1,25
Оксид углерода СО
28
297
Аммиак NH3
17
488
0,77 一
Кислород О2
32
260
Диоксид углерода СО2
44
189
1,竺
Воздух
i 28,8
287
1,29
Газ
Молекулярная : масса
凡 Дж/кг
Нормально п j io гаость, кг他
Азот №
28
297•
1,25
Оксид углерода СО
28
297
Аммиак NH3
17
488
0,77 一
Кислород О2
32
260
Диоксид углерода СО2
44
189
1,竺
Воздух
i 28,8
287
1,29
Таблица 5.7. Параметры газов как порообразователей в полимерной изоляци1*
Таблица 5.7. Параметры газов как порообразователей в полимерной изоляци1*
200
200
201
201
После выхода материала из цилиндра экструдера в головку давление расплава начинает снижаться, и, как это следует 齿 закона Генри, снижается предельная концентрация газов которые может сорбировать в себе расплав. В результате этого газ будет стремиться выйти из расплава, и при некоторое критическом давлении 尸叩 скачкообразно начинает образовываться газовая фаза в виде микропузырьков. Образование начальных микропузырьков будет происходить у различных «дефектов» структуры расплава: частиц неразложивтегося газообразователя, твердых продуктов его разложения, специ- ально вводимых в композицию зародышеобразователей и пр. На этой стадии формируется количество будущих ячеек. Не вдаваясь в подробности довольно сложного процесса зарождения пузырьков, рассмотрим только основные процессы, ведущие либо к их росту, либо к гибели. Давление газа р： заключенного в пузырьке, стремится увеличить его радиус и компенсируется внешним давлением расплава 尸昨 и лапласовским давлением, обусловленным криволинейной поверхностью пузыря рь Величину Рг можно определить либо исходя из закона Менделеева——Клапейрона:
华=松，(5.67)
либо из уравнения состояния идеального газа:
~ = Rm,(5,68)
где 吸 и Т—объем и абсолютная температура газа в пузырьке; N—число молекул газа в пузырьке; к — постоянная Болыхмана. равная для одноатомных газов 1,38 • 10 ^23 Дж/К; m—масса газа в пузырьке; R ——универсальная газовая постоянная (табл. 5.7).
Из (5.68) следует, что при постоянных температуре и массе рг обратно пропорционально 匕.Лапласовское давление можно
Таблица 5.9. Температурно-скоростнь^
Материал изоляции
% мм
%, ММ
Скорость, м/мин
А* мм
Температура ЭКс
I
II
ПЭНП
2,15
9,7
30—35
90
80—100
90—Ио
пэнп
1,2
2,4
100—120
63
100—110
НО—120
ПЭНП
0,4
0,66
1200—1800
60—90
150—155
185
ПВХ-пла-
10,2
13,0
40
125
100—105
110—120
стикат
1,2—1,3
2,4-3,2
150—300
90
120—140
130—150
0,5
1,2
1200
90
140
150
рассчитать по известной формуле, зная удельную поверхностную энергию су и радиус пузырька 叫
厶= 2сг/г.(5.69)
Заметим, что с увеличением температуры поверхностная энергия о будет уменьшаться. Учитывая, что объем пузырька 匕=4冗г3, получаем в итоге
筹小+^(5而
ИЛИ
筹卜н + ^)・(571)
Из вышеприведенных формул следует, что в начальный момент, когда г очень мал, 2о/г»^вн, поэтому такой образовавшийся зародыш будет стремиться вытеснить из себя газ обратно в расплав полимера и погибнуть, т. е. вероятность возникновения микропузырьков близка к нулю.
В результате происходит пересыщение расплава газом, что увеличивает вероятность образования микропузырьков. Для спонтанного образования устойчивого микропузырька необходимо скопление достаточно большого числа молекул газа, и только при образовании микропузырька с радиусом больше критического, когда ^вн соизмеримо с 2о/г? возникают условия для дальнейшего роста пузырька. Расчеты показывают, чТ° ^кр равно примерно Ю-1—10-2 мкм, а число молекул газа в таком пузырьке составляет не менее 106——1011. Давлен^- при котором возникают пузырьки с г>гкр, называют критм吟
при наложении вспенеияой изоляции
рудера по зонам, ℃
Расстояние
П1IVГоловкаМатрица，
Температура в охлажда!д- щей ванне,. ℃
110—130130—150150—170——
1 — 60
И —40
120—130130—140140—150200—2100,8—1
1 — 70—80
II —20
190195198—205200—2050,3—1,5
1—70
11—20
125—140130—140135—140110—1350,5
135—160140—170130—160120—1600,5—1,0
1601601751850,5—1,5
20
20、
20
ким Ркр. Далее, снижение давления ведет к росту пузырька с увеличением общего объема вспененного полимера.
Одновременно с ростом пузырьков сразу же начинается процесс их слияния как из-за диффузии газа из мелких в крупные, так и из-за разрушения перемычек между пузырьками. Таким образом, со временем происходит сокращение количества пузырьков, прежде всего благодаря поглощению мелких. По этой причине 0叩 должно достигаться как можно ближе к выходу экструдата из матрицы, так как в противном случае получается структура с относительно небольшим количеством крупных пузырьков. Поскольку при снижении температуры расплава о резко возрастает, особенно вблизи температуры плавления, то увеличение объема прекращается при охлаждении изоляции. Поэтому, регулируя расстояние между головкой и охлаждающей ванной, можно в широких пределах изменять степень вспенивания, плотность, морфологию и наружный диаметр изоляции.
Процесс роста пузырьков, ведущий к увеличению объема расплава, характеризуется степенью (кратностью) вспенивания ^в= Кп/К0, где 嗫——объем вспененного материала, а Р。——объем исходной, невспененной композиции. Степень вспенивания можно также охарактеризовать увеличением объема АК/К0, где АР=К—%. При правильно выбранном режиме вспенивание начинается после выхода экструдата из матрицы и ведет к увеличению объема и наружного диаметра. Таким образом выявляется вторая принципиальная особенность получения вспененной изоляции: диаметр изделия формируется не в мат- Рице, а после выхода экструдата из нее при вспенивании. Рост размера пузырьков и диаметра кабеля прекратится, когда Давление внутри пузырька уравновесится наружным и лап- □асовским давлением.
Основными параметрами вспененной изоляции являются структура пены и макроскопические свойства. Структура пен* характеризуется средним диаметром пузырьков и распределением пузырьков по размерам, их формой, количеством пузырь, ков в единице объема изоляции, равномерностью их рас, пределения по сечению изоляции. К макроскопическим харак、 теристикам относятся степень вспенивания, плотность й относительная диэлектрическая проницаемость. Средний диаметр пузырька определяется на основании микроскопического изучения среза с поперечного сечения изоляции, при этом следует учитывать, что фактический средний диаметр будет в 4/тс раз больше, чем видимый в сечении диаметр. Форма пузырьков определяется при изучении продольного и поперечного срезов и их сравнения между собой.
Важнейшим параметром структуры является количество пузырьков в единице объема, рассчитываемое по формуле N=Ns/dcp, где ^ — видимое число пузырт>ков, на единицу площади; 4р——средний диаметр пузырька. Типичные параметры изоляции приведены в табл. 5.8. Там же даны основные макроскопические характеристики изоляции.
В принципе для переработки вспенивающихся композиций пригоден любой экструдер, как и для сплошной изоляции. Однако необходима повышенная точность поддержания температуры с отклонениями не более ± 1° С; желательно иметь также охлаждение червяка. Глубина нарезки в дозирующей зоне не должна быть очень мелкой, чтобы не допускать перегревов из-за чрезмерного сдвига. Следует использовать предварительный подогрев жилы (особенно при тонкой изоляции) до 90——110° С. Холодная жила может привести к образованию около нее невспененного монолитного слоя и к снижению физико-механических свойств параметров изоляции, а перегретая ——к крупным ячейкам. Применяют технологический инструмент с обжатием (см. рис. 5.36, а), диаметр формующей части матрицы должен быть обычно меньше диаметра изоляции и соответствовать соотношению
^| =/（0*一D幻信+。為（5-72）
где k учитывает степень вспенивания и степень вытяжки и обычно составляет от 1,5 до 2,2. Для тонкостенной изоляции жил городских телефонных кабелей применяют матрицу с конической формующей частью с диаметром выхода, рассчитываемым по формуле ,
0м = /(。备+ D»/1，6.
Температурно-скоростной режим зависит от применяемого материала и вида кабельного изделия; типичные режимы приведены в табл. 5.9.
Основными параметрами регулирования процесса являются температура расплава, скорость вращения червяка и расстояние от головки до охлаждающей ванны, дополнительными — температуры червяка, предварительного подогрева и охлаждающей boUEl В отличие от экструзии монолитной изоляции изменение каждого параметра регулирования приводит к изменению нескольких основных характеристик изоляции, что существенно ■усложняет управление технологическим процессом. Поэтому современные экструзионные агрегаты оборудованы управляющими микропроцессорами, регулирующими основные параметры экструзии по заданной скорости, емкости и диаметру.
Глава шестая
НАЛОЖЕНИЕ РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ И ОБОЛОЧЕК
СПОСОБЫ НАЛОЖЕНИЯ РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ И ОБОЛОЧЕК
Основными требованиями при наложении резиновой изоляции и оболочек на кабельные изделия являются равномерность покрытия по толщине и концентричность по отношению к заготовке кабельного изделия или к токопроводящей жиле при обеспечении монолитности.
При наложении резиновой изоляции и оболочек в соответствии с перечисленными требованиями могут быть использованы следующие различные способы:
опрессование холодными резиновыми лентами на про- дольно-покрывательном прессе с последующей вулканизацией в котле;
опрессование разогретой резиновой смесью в экструдере с последующей вулканизацией в котле;
опрессование разогретой резиновой смесью, совмещенное с процессом вулканизации на линиях кабельных непрерывной вулканизации (ЛКНВ).
Первые два способа очень старые, широко освещены в литературе по технологии кабельного производства и находят °граниченное применение в отечественной практике.
Третий способ, наиболее современный, постоянно совершенствуется и имеет следующие преимущества:
отпадает необходимость в каландрах, свинцовых прессах н вулканизационных котлах;
исключена деформация изоляции и оболочек в процессе вУлканизации, так как после формования в головке экструдера
резиновая оболочка попадает непосредственно в вулканизаод. онную камеру, минуя какие-либо усилия, вызывающие дефор. мации;
обеспечено повышение производительности экструдеров, зна* чительное увеличение съема продукции с еданицы производ. ственной площади;
уменьшено число обслуживающих рабочих и улучшены санитарно-гигиенические условия труда.
Линии кабельные непрерывной вулканизации, ранее именовавшиеся АНВ-агрегатами непрерывной вулканизации, раз- личаются по диаметру экструдера, установленного в линии, так как размеры экструдера определяют диапазон выпрес» совываемых изделий, а следовательно, и конструктивные особенности линии.
Парк АНВ, выпускавшихся отечественной промышленно» стью, состоял из следующих трех типов: АНВ-115, АНВ-150 и АНВ-250. Согласно паспортным данным перечисленные агрегаты имеют следующее назначение:
АНВ-115.——изолирование жил сечением от 0,75 до 16 мм2 и .наложение шланговых оболочек с наружным диаметром до 15 мм включительно;
АНВ-150——изолирование жил сечением от 10 до 240 мм2 и наложение шланговых оболочек с наружным диаметром до 50 мм включительно;
АНВ-250—наложение шланговых оболочек с наружным диаметром 35 мм и выше.
В связи с изменением типажа на экструдеры выпуск АНВ-115 и АНВ-150 был прекращен. Вместо них изготовляются линии ЛКНВ-125, ЛКНВ-160, в конструкцию которых помимо увеличения диаметра червяка внесены и другие изменения, о чем будет сказано ниже.
В процессе опыта эксплуатации выявлена необходимость разработки других типов ЛКНВ: для одновременного наложения двух слоев изоляции, изоляции и электропроводящего экрана, изоляции и оболочки——линии ЛКНВ-63 х 63, ЛКНВ- 90x90, ЛКНВ-160х 160, На указанных линиях возможно наложение изоляции с желто-зеленой расцветкой.
Основные типы и краткая характеристика новых типов отечественных ЛКНВ приведены в табл. 6.1.
В состав линий ЛКНВ входят следующие основные узлы： отдающее устройство, компенсатор, экструдер, заправочная камера, вулканизующая камера, охлаждающее устройство, тяговое устройство, приемное устройство.
Кроме того, линии в зависимости от назначения оснащаю^ вспомогательными узлами: талькирующим устройством, °许 дувочйым устройством, маркирующим устройством, аппаратом сухого испытания, устройствами для соединения жил и т. Д-
務 珞蝕2 1 1 5 Н ♦ W
冶3
t吃託s 炉炉
#1
2 X
7
雷 纟装
"巴
宵不£
記*产X
巴巴图 .
III鶏 °号享* MlHilli
亘W ° w •
aaHHIf fxH si UI§ USUSH T9 ЕПИ-1Г9-'I
По расположению вулканизационных камер ЛКНВ мож^ разделить на горизонтальные, наклонные и вертикальные Схемы расположения узлов горизонтального, наклонного и вер： • тикального ЛКНВ приведены на рис. 6.1——6.3.
Практика показывает, что ЛКНВ с горизонтально расположен， ной вулканизационной камерой можно использовать для наложения резиновой изоляции и оболочек на кабельные изделия диаметр0M до 25 мм. При вулканизации на ЛКНВ изоляции и оболочек большего диаметра помимо дефектов, получаемых от прикосновения к стенке вулканизационной камеры, иногда наблюдается эксцентричность резиновой оболочки, обусловленная воздействием собственного веса последней. Практикуемое в этом случае смещение матрицы к одной стенке не всегда дает положительный эффект, и качество изделия получается неудовлетворительным. ' Одним из путей радикального решения этой задачи является использование ЛКНВ с наклонным или вертикальным расположением вулканизационных камер.
Наклонные ЛКНВ обеспечивают более высокие скорости опрессования по сравнению с вертикальными линиями, а монтаж обходится дешевле, так как для их установки не требуется сооружать здание башенного типа. Однако наклонные ЛКНВ менее универсальные, поскольку в этом случае вес кабеля, приходящийся на единицу его длины, ограничивается допустимой степенью натяжения кабеля в изогнутой камере.
Наклонные ЛКНВ, имеющие вулканизационную камеру, по форме напоминающую цепную линию, являются установками, в которых управление натяжением кабеля становится весьма критическим, так как небольшое изменение натяжения значительно изменяет форму кривой, принимаемой кабелем, и, таким образом, влияет на положение точки, в которой кабель впервые вступает в контакт с внутренней стенкой вулканизационной камеры. Желательно, чтобы точка соприкосновения кабеля со стенкой камеры находилась как можно ближе к участку камеры, заполненному водой, и во всяком случае не касалась ее до тех пор, пока оболочка не вулканизируется достаточно, чтобы предотвратить деформацию, эксцентриситет или истирание. При выбора угла наклона вулканизационной камеры необходимо определить точку контакта кабеля с трубой, для чего требуется знать массу на единицу длины и максимально допустимое натяжение 削貝 каждого кабеля. В то же время необходимо вычислить врем% требующееся для вулканизации оболочки кабеля при данном значении давления (температуры) пара, что позволит определить длину вулканизационной камеры, необходимую при данной скорости линии. На основании полученных данных затем м°*吗 будет определить общую длину и наклон вулканизациони^ камеры, имея, однако, в виду, что чем больше длина линии, т©" больше натяжение потребуется для данного угла наклона.
0®HU®oa£ uossus^c—--^оюно^олнох woeo^H!-"HHEIrmQH OUO& -LEdEUUB— Zf SH«i§ K5&S2 к§ 9 оцло&и^I二 ^O5S «SHS§^«5O ——Of fdoajemoHOX ——6 ^rt&iM клэ§й«50 ——m ^5« ^so&^ qlfodlHOM —— z -EWEX KEHHO ^ -HnEmHHBJHfA——9 -EdswEX кзгомд&лм——^ idsBXdioxe——p ^о®но«олнох 8moixdHxqlrL——f roaLQUOCUOA woeouKH——、^0®ьи«0&^х оивозчьо17 / TBHHR OJOHHOUXPH Ks§8iw«^ «OSMS&&0® KPHqlfugEX9 dHd
OWHU^OaHQ^ 80HW3HdBi*r ^OASO&O^ эр"апц.IE『^ияяйвбя окпсЛэ кааппрI、f ^OHWSrt§ BHHOdusmH -BoaLOJJOdlac—^юо§^ «sa2«§«50—fdoappco&nHOX—^ -Bdswex КИМЯЭЙЙИ50-—g ^§.QB KHodx qlroBHOXIN iEd^wHy kshho—§rtsa«WR.X«——9 -EdswEXKEmloHBdn^e—睛 fdAdxQ*e——p S0SWO32^&SWJ§H——g ^OMHU«O&O^ 80JEiN ^0®^QW0&.u^ 8nKHBS0 — jй§н оёяйзндоэао^ онагкьцпнн кишш 5»й«^^9 и£ ，
!Ei! oiHohKOOPM^欝窮寶r患К嘉鍔4彥鼓/mW!Ei! oiHohKOOPM^欝窮寶r患К嘉鍔4彥鼓/mW
!Ei! oiHohKOOPM^欝窮寶r患К嘉鍔4彥鼓/mW
!Ei! oiHohKOOPM^欝窮寶r患К嘉鍔4彥鼓/mW
Математические вычисления, требующиеся для определения конечной формы конкретной наклонной вулканизационной камеры, вкратце сводятся к следующему.'
Стрела провеса / кабеля от головки экструдера до зоны пар——вода определяется из выражения
А^(8ес^-1) = ^Гсо8И-1А^(8ес^-1) = ^Гсо8И-1(6.1)(6.1)
А^(8ес^-1) = ^Гсо8И-1
А^(8ес^-1) = ^Гсо8И-1
(6.1)
(6.1)
oaxoHodsA aoHWSHdu12 -oe—оаз^oaxoHodsA aoHWSHdu12 -oe—оаз^
oaxoHodsA aoHWSHdu12 -oe—оаз^
oaxoHodsA aoHWSHdu12 -oe—оаз^
Определение длины по оси до любой точки, представленной углом, производится по формуле
\x=^ln(secW+tgW),(6.2)
где 屮——угол наклона экструзионной головки; у——длина цепной
линии от головки экструдера до зоны пар ——вода; То——допустимое натяжение, приложенное горизонтально для поддержания цепной линии; W——вес кабеля на единицу длины.
Схема провеса кабеля приведена на рис, 6.4.
Вертикальные линии отличаются универсальностью и простотой обслуживания. На них можно изготовлять кабельные изделия практически любого размера, причем масса кабеля, приходящаяся на единицу его длины, может различаться в очень широких пределах. Недостатком указанных линий является необходимость сооружать башню, высота которой, естественно, бывает ограниченной, что приводит к сокращению длины вулканизационной камеры по сравнению с наклонными и горизонтальными ЛКНВ. Это обстоятельство в сочетании с большим сечением вулканизуемых кабелей приводит к тому, что максимальная линейная скорость составляет на вертикальных ЛКНВ около 18 м/мин.
ВУЛКАНИЗАЦИЯ РЕЗИН
Вулканизация——это процесс сшивания поперечными связями в единую пространственную сетку молекул каучука. Количество поперечных связей, образующихся при вулканизации, определя- ет степень сшивания каучука, или степень вулканизации. 14* 211'
В прсцессе вулканизации происходит изменение основныЯ технических характеристик вулканизата, и резиновая смесь и3| пластичной становится упругой и эластичной. Вулканизация I является кинетическим процессом, т. е. характеризуется ск。、I ростью.F
Существуют различные способы вулканизации. В большие г стве случаев каучуки, имеющие в макромолекуле двойные: связи, вулканизуют серой при температуре 140——160° С. Наряду | с вулканизацией серой все большее развитие получают другие I способы вулканизации с учетом того, что серные вулканизаты I не обладают достаточно высокими термической и химической ' стойкостями. Каучуки могут быть вулканизованы не содержащими серу агентами: органическими пероксидами, хинонами и их оксимами или иминами, полигалогенсодержащими соединениями, диазодикарбосиэфирами, а также действием ионизирующей радиации и ультрафиолетового света (фотовул- канизация). В кабельной промышленности нашла широкое применение вулканизация с использованием тиурамдисульфидов, которая протекает по радикальному механизму с образованием поперечных связей С ——С.
Вулканизационная сетка состоит из растворимой части —— золь-фракции и нерастворимой части—-гель-фракции. Схематическое строение вулканизационной сетки, образованной тет・ рафункциональными узлами, дано на рис. 6.5.
Вулканизация как кинетический процесс обычно проходит через четыре следующие стадии:
индукционный период (реакция еще не начата, свойства исходной смеси практически не меняются);
поперечное сшивание (степень вулканизации увеличивается со временем, свойства вулканизата изменяются монотонно, достигая оптимальных значений);
плато вулканизации (свойства сохраняются на оптимальном уровне);
по сравнению с оптимальными). Соотношение этих периодовпо сравнению с оптимальными). Соотношение этих периодовреверсия, или перевулканизация (свойства ухудшаются
по сравнению с оптимальными). Соотношение этих периодов
по сравнению с оптимальными). Соотношение этих периодов
зависит от состава резины и характерно для каждого из изучаемых свойств.
Узлы сеткиУзлы сеткиАктивные цепиАктивные цепиРис. 6.5. Схематическое строение вулканизационной сеткиРис. 6.5. Схематическое строение вулканизационной сеткиФрагменты молекулФрагменты молекулдзракцияCModHbie концыдзракцияCModHbie концыПо мнению многих исследователей, реакцию присоединения вулканизующего агента, в частности серы, к каучуку можно считать реакцией первого порядка скорость которой зависит от концентрации агента. Если реакция протекает пР"
Узлы сетки
Узлы сетки
Активные цепи
Активные цепи
Рис. 6.5. Схематическое строение вулканизационной сетки
Рис. 6.5. Схематическое строение вулканизационной сетки
Фрагменты молекул
Фрагменты молекул
дзракция
CModHbie концы
дзракция
CModHbie концы
цостоянной< температуре в образце, т. е. в изотермических условиях, уравнение кинетики вулканизации должно иметь вид -^^k(CQ-C),/(6.3)
左=左0 exp左=左0 expЭто означает, что изменение количества прореагировавшего вещества С——вулканизующего агента во времени / (или dC/dt) пропорционально оставшемуся непрореагировавшим количеству вещества (Со — С), при этом Со 一 начальная концентрация вулканизующего агента;左一постоянная скорости реакции. Постоянная скорости реакции к изменяется с температурой Т в соответствии с уравнением
左=左0 exp
左=左0 exp
(6.4)
где U—энергия активации процесса вулканизации.
Если известны постоянные скоростей реакций кх и к2 при двух температурах 7； и Г2, энергия активации может быть вычислена из выражения *
ThTh1g1g左2左2(6.5)(6.5)
Th
Th
1g
1g
左2
左2
(6.5)
(6.5)
В ряде работ [11 ] относительное количество прореагировавшего агента вулканизации С/Со и уровень свойств, полученных при вулканизации, отождествляются. Так, согласно данным Клакстона и Лиска относительный модуль, определенный на приборе GEPAR, можно считать изменяющимся по закону
°=£^=1-ехр[-к(—。)]，(6.6)
что аналогично выражению
^=1-ехр(-Н),(6.7)
полученному при решении уравнения первого порядка, если Учесть время собственно вулканизации (Z —/0), т. е. вычесть продолжительность /0. Здесь М^——модуль в индукционный период； Mg—максимальный модуль; М—-текущее значение Модуля (при Т= const).
Вулканизация изделий происходит в условиях нестационар- н”х (переменных во времени) температур, распределенных по Массиву изделия.
・ Было введено понятие температурного коэффициента вул- Канизации:)
发=伏10 卜。,=[,(6.8)
где Z и tT+a——время вулканизации при соответствующих постоянных температурах Т и Т+а, за которые достигает* я один и тот же уровень параметров вулканизатов. Очевидно что при а=10 左& =左=2 согласно теории Шеппарда и Виганда' Приближенная теория Шеппарда и Виганда, применяемая для области переменных температур, основывается на зм・ лирическом правиле, справедливом в относительно нешироком диапазоне температур вулканизации: интенсивность вулканизации удваивается, а время достижения определимой степени вулканизации соответственно сокращается вдвое при повышении температуры на 10° С.
На практике оказалось, что к зависит от вулканизуемой системы. Наиболее часто встречающиеся значения к лежат в пределах 1,7——2,8.
В настоящее время значение температурного коэффициента вулканизации к определяется из кинетических кривых при различных постоянных температурах. Различают 左，определенные из кинетических кривых: предела прочности при растяжении 左。，модуля сдвига kM, присоединения серы 6$, а также по оптимальному времени вулканизации ZOTn = kt опт. Для того чтобы физико-механические свойства резины при переменной температуре ее вулканизации были такие же, как и при вулканизации ее с постоянной температурой, необходимо для расчета режима йулканизации при переменной температуре брать то значение к, которое определяется из кинетических кривых изменения того же самого физико-механического свойства.
В процессе вулканизации одновременно с основным процессом протекает процесс структурирования, уравнение которого
(6.9)
где 左 1——постоянная скорости реакции, которая экспоненциально растет с увеличением температуры; N——число активных групп, способных вступать в реакцию. Как указывалось выше, идет процесс деструкции:
dn_
犷一后"，
где п ——число связей, способных к деструкции и оставшихся к данному моменту времени.
Тогда степень реакции структурирования
а степень реакции деструкции
5=2^ «о
l—exp(-Jk2df)
При степени деструкции 5 свойства
(6.11)
вулканизата уже не
удовлетворяют требованиям нормативно-технологической кументации. Таким образом, i二 -
должно быть больше А • и меньше А*
Если А будет соответствовать tlmin ——минимальному времени вулканизации, а В—t получим
до-
время температурной обработки ■
1 max — максимальному
времени, то
—In (1 —№ =，左 I dt、 -о
откуда можно найти timi„.
Тогда 厶 2 получим из уравнения
— ln(l—5i) = j 左2 d片о
Зависимость постоянных скоростей реакции от следующая:
^i/=^oiexp
左2=标2 exp
(6.12)
(6.13) температуры
(6.14)
(6.15)
圾е Ur и (/2 —энергии реакции сшивания и №ы：амХХаЯ； "01 И ^-постоянные предэкспорен-
ПРИ постоянной температуре вулканизации Т
厶=
'2=-±m(l-52)exp 齡
деструкции;
(6.16)
(6.17)
Отношение максимального / к минимальному характеризует Ихнологический диапазон процесса. Чем больше он, тем Удобнее выбирать режим на практике
乜=纽 In(1-3J (u2-ux
In Ha практике значение U 存атуре экспериментально по П4°ЛЯЦИИ.
(6.18)
определяют по заданной тем- механическим характеристикам
电儿木Одной из основных техно- I
一 логических характеристик ре. I
зин является плато вулканиза- -、 ции, представляющее собой
/\зависимость механических ха・
/\рактеристик резин от времени
11' эксплуатации (рис. 6.6). На
участке 1-2 образуется про- ^ странственная, или сшитая, f . структура полимера благодаря
Рис. 66 Плато вулканизации для ре- действию вулканизующих ве- I зинществ. На участке 2-5 механи-
ческие характеристики не изменяются, так как процесс вулкани- зации завершен. На участке 3-4 доминирующее значение имеют процессы деструкции, что приводит к снижению механических параметров. Очевидно, чем меньше промежуток времени /-2, тем быстрее протекает вулканизация, тем выше производитель- ность процесса. Очевидно также, что чем шире участок 2-3, тем меньше опасность перевулканизации. Это обстоятельство важно при вулканизации покрытий большой толщины, так как за время, необходимое для вулканизации внутренних слоев, наруж- ные слои не должны перевулканизовываться.
На практике для определения скорости вулканизации ^аще всего используют видоизмененное уравнение (6.8), представленное в следующей форме:
.(6.19) I
в котором К——темнературни访 коэффициент скорости вулканизации; 7\, Т2 ——температуры вулканизации; /ъ /2一время вулканизации при температурах соответственно ^ и Т2.
Скорость вулканизации J выражают в условных единицах. За исходное время вулканизации берут время вулканизации етандартной резиновой смеси при 143° С и давлении 0,3 МПа.
Количественно степень вулканизации выражается через эффект вулканизации Е, определяемый в условных единицах:
E=Jt. (6.20)
Следует отметить, что для резин, степень вулканизации которых одинакова, эффекты вулканизации равны. Поэтому для получения одинаковой степени вулканизации при различив температурах следует соблюдать следующее условие:
J 1*1= J2t* (б""
В качестве вулканизующей среды можно использовать различные вещества. В настоящее время основным ви嘰 теплоносителя является насыщенный пар, обеспечиваю^
процессепроцессерабочие температуры до 220° С при высоком давлении (до 2,5 МПа). При существующей технологии парового нагрева скорость вулканизации во многом зависит от теплофизических свойств кабельных резиновых смесей. Однако температуропроводность резиновых смесей мала, что не позволяет обеспечить равномерный нагрев, особенно для кабелей крупных сечений с большой толщиной оболочки (до 5 мм). Установлено, что для исключения пористости в вулканизации давление теплоносителя можно поддерживать в пределах 0,3——1 МПа в зависимости от размеров кабельного изделия. Дальнейшее повышение температуры пара за счет повышения давления нецелесообразно по соображениям безопасности. Кроме того, хотя температура в камере и определяется по давлению пара, однако на практике насыщенный пар может попадать с некоторым превышением температуры. Если превышение температуры больше допустимых 2——3° С, фактический процесс до перехода пара в насыщенное состояние не будет соответствовать заданному. Коэффициент теплоотдачи перегретого пара заметно ниже, чем насыщенного, и, несмотря на более высокую температуру, изделие при заданной продолжительности процесса может оказаться недовулканизованным.
процессе
процессе
Основным направлением интенсификации процесса вулканизаций кабельных изделий является применение новых теплоносителей, обеспечивающих более высокую и стабильную температуру нагрева независимо от давления и внутреннего .разогрева резиновых смесей путем диссипации механической энергии или воздействия СВЧ-поля.
Разновидностью этого способа вулканизации является способ, разработанный фирмой Nokia (Финляндия). Благодаря электрическому нагреву вулканизационной камеры до 400° С можно обеспечить температуру пара до 250° С, что позволит поднять линейную скорость примерно на 30%.
В качестве теплоносителя при вулканизации могут быть использованы также жидкости, как, например, диэтиленгликоль с температурой кипения 245° С, силиконовое масло. При нагреве в среде высокотемпературной жидкости термодинамические условия теплообмена подобны условиям парового нагрева, однако коэффициент теплоотдачи нагревающей среды в этом случае несколько меньше, чем при паровом нагреве [^=3000 4-4000 Вт/(м2 К)]. Кроме ого, необходима стабили- зацня жидкости во избежание теплового старения.
Таким образом, способы вулканизации благодаря увеличе- нню температуры теплоносителя хотя и позволяют интен- сифицировать процесс, однако увеличивают неравномерность вулканизации в радиальном направлении, особенно для кабелей больших сечений, что приводит к нестабильности параметров 一 ^ЗДяции и оболочки.
Исключить отмеченные недостатки позволяют способы, обеспечивающие объемный разогрев резиновых смесей. '
В результате исследований вулканизации кабельных изделий с использованием нагрева в электромагнитном СВЧ-поле показано, что скорость нагрева зависит только от поглощенной энергии СВЧ-поля. Удельное поглощение энергии при СВЧ- нагреве выражается известной формулой:
P = 2n/£2£0£tg8, (6.22)；
где Е——частота и напряженность приложенного поля; £ и tg3 — диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь резиновой смеси.
Результаты проведенных испытаний, а также теоретические расчеты показали, что наиболее пригодны для СВЧ-нагрева резиновые смеси на основе полярных каучуков, а также резиновые смеси на основе слабополярных каучуков с наполнителями——высокодисперсными типами технического углерода (марок ПМ-50, ПМ-75). В то же время для изоляционных резиновых смесей с высокими диэлектрическими параметрами применение СВЧ-нагрева нецелесообразно.
Одним из способов, обеспечивающих объемный разогрев резиновых смесей, является способ, заключающийся в диссипативном разогреве резиновых смесей в экструзионной головке в процессе низкочастотных колебаний дорна (5——10 Гц). В отличие от СВЧ-нагрева при данном способе на разогрев резиновых смесей не влияют природа и характеристики компонентов резиновых смесей.
К способу, интенсифицир ующему процесс вулканизации благодаря внутреннему разогреву, относится способ, разработанный фирмой Anaconda Wire and Cable (США), при котором использованы перед экструдированием нагрев током высокой частоты или пропускание через термическую печь токопроводящей жилы.
Наряду с применением различных теплоносителей и систем их максимального использования ищут и другие пути увеличения производительности и повышения качества изделия. Так, японская фирма Fujkura Cable использует установку ультразвукового нагрева в жидкой среде. Источником ультразвука может быть один или несколько кольцевых вибраторов, .через которые пропускают изделие. При дополнительном ультразвуковом нагреве скорость может быть увеличена на 50%
Одним из способов, обеспечивающих равномерную вулканизацию, является способ радиационного сшивания. Преимущества радиационной технологии перед традиционными способами химической вулканизации в среде насыщенного пара заключаются в следующем: не требуется введение в м写 териал вулканизующих агентов, процесс идет при комнатной
температуре; производительность не ограничивается скоростью наложения изоляции на экструдере, экономится производственная площадь; участок облучения занимает не более 100—— 140 м2; уменьшаются отходы заготовки при заправке и окончании работы; энергетические затраты на 20—60% меньше, несмотря на то что электроэнергия дороже пара, но ее требуется меньше в 2—5 раз.
Недостатки радиационного способа ——ограничение толщины изоляции из-за ограниченной глубины проникновения электронного пучка, а также выделение большого количества озона при взаимодействии быстрых электронов с воздухом в камере облучателя. Радиационная вулканизация резиновых смесей находится в течение нескольких лет в стадии исследования.
Проведенный анализ способов, обеспечивающих внутренний нагрев, показывает, что всем им присущ общий недостаток: они не могут обеспечить равномерный разогрев резиновых оболочек (кроме СВЧ-нагрева).
Однако способ СВЧ-вулканизации нельзя использовать для вулканизации неполярных резин, применяемых для изоляции.
Разработанный перспективный способ разогрева резиновых смесей путем колебаний дорна в экструзионной головке позволяет получить температуру, близкую к температуре, при которой происходит вулканизация.
63 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ КАЁЕЛЬНЫХ ЛИНИЙНЕПРЕРЫВНОЙ ВУЛКАНИЗАЦИИ
Все ЛКНВ построены по одному принципу, поэтому ниже дано подробное описание линии ЛКНВ-125, имеющей наибольшее распространение на кабельных заводах. Для линий других типов приведены их особенности.
Линия ЛКНВ-125 разработана в изоляционном и шланговом вариантах и предназначена в первом случае для изолирования жил сечением 0,75——6 мм2, а втором ——для изолирования и ошлангования кабельных изделий диаметром до 15 мм*
Изолируемая жила или провод с отдающего барабана через оборотный ролик поступает в головку червячного пресса, где происходит наложение резиновой изоляции или оболочки. Из головки пресса жила кабеля или провод попадает в вулканизационную камеру, соединенную с экструдером с помощью телескопического затвора. Длина вулканизационной камеры выбирается от 75 до 100 м в зависимости от назначения агрегата. В вулканизационной камере изоляция или оболочка вулканизируется, проходит через паровой промежуточный за- твор и поступает в охлаждающую камеру. Охлажденная жила Нлн провод, выходя из камеры, попадает на оборотный ролик, Проходит по желобу с водой, а затем подвергается обдувке
воздухом для удаления влаги и поступает на тяговое колесо. С тягового колеса изолированная жила проходит через аппарат сухого испытания и принимается на приемный барабан.
Линии непрерывной вулканизации для наиболее эффективного использования производственной площади размещают на площадках на высоте 3——4 м над работающим оборудованием цеха. На одной верхней площадке устанавливают червячный пресс с тяговым колесом и щиты управления с размещенными на них контрольными приборами. Под площадкой располагают отдающее устройство, приемное устройство, аппарат сухого испытания и станция управления. На другой верхней площадке размещают конец вул к ан из ационн ой камеры с промежуточным и концевым затворами, охлаждающей камерой и оборотный ролик. Вулканизационная камера подвешивается на фермах вдоль цеха. Для удобства монтажа и обслуживания вдоль вулканизационной камеры над действующим оборудованием цеха на металлических стойках или кронштейнах устанавливают небольшую площадку. Иногда на одной площадке располагают параллельно несколько агрегатов со смещением их по длине. Отдающее и приемное устройства агрегатов размещают под площадкой.
Рабочий на верхних площадках обслуживает червячный пресс и по приборам следит за работой всего агрегата. Другой рабочий находится под площадками ——меняет приемные барабаны, устанавливает отдающие барабаны с проволокой или с изолированными жилами, производит учет и сдачу продукции. Кроме того, этот же рабочий следит за работой счетчика длины и аппарата сухого испытания. Если на изолированной жиле и проводе, принятом на приемный барабан или в контейнер, отсутствуют пробои изоляции, такой барабан или контейнер с жилой направляют на дальнейшие операции без перемоток.
Стандартное отдающее устройство на линиях непрерывной вулканизации состоит из отдатчика для барабанов с диаметром щек от 500 до 760 мм, с диаметром сердечника 300—-400 мм и шириной 350 мм. На такой барабан помещается от 20 до 40 км проволоки или скрученной жилы. Отдатчики оборудованы устройством для механического подъема и спуска барабанов. Равномерное натяжение проволоки или жилы, поступающей в пресс, обеспечивается регулированием тормозного момента с помощью рычага с роликом. При натяжении жилы поднимается рычаг с роликом, что уменьшает торможение колрдочного или ленточного тормоза. При установке двух отдатчиков на агрегате переход с одного барабана на второй производится без остановки агрегата.
При наложении изоляции на однопроволочную медну10 или алюминиевую жилу с бухт устанавливают конусы Д^я 220
бухт под площадкой агрегата. Конус размещают с наклоном 5^-10° так, чтобы qce его совпадала с отверстием в площадке, 「ри установке двух или трех конусов обеспечивается непрерывная подача проволоки путем сварки нижнего конца проволоки в бухте с верхним концом второй бухты.
Экструдер для линии непрерывной вулканизации должен обладать большой производительностью и широким диапазоном ее регулировки, чтобы обеспечить наложение изоляции различной толщины при максимально допустимых линейных скоростях движения проволоки. Червяк пресса изготовляется двухзаходным с убывающим шагом. Диаметр червяка 63, 90 и 125 мм, глубина нарезки в загрузочной зоне выбирается равной (0,1—0,2) Z), а в компрессионной и дозирующей зоне— (0,5——О」)Q, компрессия равна 1,9——2,5.
Червяк экструдера изготовляется полым, внутрь него вставлена трубка с отверстиями для водяного охлаждения во время работы. Конец червяка имеет конусный наконечник, позволяющий уменьшать объем резины во внутреннем пространстве головки.
Питание резиной экструдера производится лентами, снятыми с вальцов механическим ножом. Для обеспечения равномерности питания пресса подача резины производится с помощью механического питателя, состоящего из двух роликов. Ролики захватывают ленту резины и направляют ее в пресс со скоростью, обеспечивающей непрерывное его питание. Привод этих роликов осуществляется от червяка пресса.
Питание пресса из контейнеров с лентами резины может быть ручным или непрерывным механизированным с установленных у пресса нагревательных вальцов. В связи с применением для питания агрегатов непрерывной вулканизации холодных резиновых смесей разогрев и необходимая их пластикация достигаются червяком при увеличении его длины до (10 —— 15)。， уменьшении глубины нарезки, особенно на выходной части пресса, и увеличении компрессии. При работе пресса с длинным червяком необходимо помнить о точном регулировании температуры в цилиндре пресса, так как превышение температуры резины приводит к преждевременной частичной ее вулканизации.
Головки экструдеров агрегатов непрерывной вулканизации Рассчитаны для малого объема резины. Дорн и матрица Жестко центрируются с помощью дорнодержателя и мат- Рицедержателя. Для образования правильного кольцевого за- з°ра и равномерного распределения в нем давления резины ^°нец дорна глубоко введен в коническую часть матрицы. Регулировка центровки изоляции жилы достигается с помощью Установочных винтов, меняющих положение дорнодержателя с Дорном по отношению к матрице. На выходной стороне
головки пресса имеется кольцевая выточка с прокладкой в которую входит торец телескопической трубы. Производи' тельность линии можно повысить путем наложения изолящ^ одновременно на две жилы.
На производительность экструдера и качество кабельньц изделий существенное влияние оказывает формующий инет, румент (дорн, матрица). Основные геометрические размер* формующего инструмента при наложении резиновой изоляц^ следующие: угол конуса дорна а = 35+ 60°; диаметр отверстия дорка 4д = (1,04——l,09)d, где d——диаметр изолируемой заготов^ ки; длина цилиндрической части дорна 4——12 мм; угол конуса матрицы р = (65-^90°); диаметр отверстия матрицы Рм = 0,99^из) где 感з ——диаметр изделия или заготовки по изоляции или оболочке; длина формующей части матрицы не менее 3——7 мм.
При увеличении глубины погружения дорна в матрицу уменьшается степень обжатия жилы резиной. Если цилинд- рическая часть дорна глубоко погружена в матрицу или даже выступает из нее, то изоляция или оболочка будут накладываться почти без обжатия. Такой способ наложения изоляции или оболочки применяют для повышения изгибоустойчивости кабельного изделия, особенно при возникновении в процессе эксплуатации крутящих моментов относительно оси кабельного изделия. Приведенные рассуждения относятся к работе на экструдере без вытяжки, т. е. когда скорость выпрессования резиновой смеси равна скорости жилы или скрученной заготовки кабельного изделия.
Наложение изоляции с вытяжкой происходит в том случае, когда токопроводящая жила или скрученная заготовка движется через головку экструдера быстрее, чем выпрессовывается слой резиновой смеси, при этом происходит вытягивание резиновой смеси движущей жилой и уменьшение радиальной толщины изоляции. При малых толщинах изоляции или оболочки работа с вытяжкой позволяет несколько увеличить производительность экструдера, но при слишком больших вытяжках возникают внутренние напряжения в изоляции, которые могут вызывать растрескивание покрытия в процессе вулканизации. При 6。〃* шой толщине изоляции и высокой пластичности резиновой смеси наложение изоляции необходимо производить при ми” нимальной вытяжке, так как чем больше вытяжка, тем больше натяжение, а следовательно, и давление кабельного изделия на тяговое устройство.“
Для нормальной работы линии устанавливают второ* комплект отдающего и приемного устройств.
Для одно временно г о наложения на провод или жилу кабе"' изоляции и оболочки или изоляции и полупроводящего экрану применяют экструдеры с двумя червяками, размещенным под углом. 222*
Разработаны линии ЛКНВ-63 х 63, ЛКНВ-90 х 90 со сдво- еннь^ми V-образно расположенными экструдерами. Цилиндры с зращающимися в них червяками с индивидуальным приводом размещены под углом 45°. Каждый цилиндр пресса питают различной резиной для получения двухслойной изоляции, резина из одного из цилиндров подается в общую головку н поступает в зазор между дорном и матрицей, образуя первый слой изоляции. Резина из второго цилиндра поступает 的 специальным каналам в промежуток между дорном и матрицей, причем матрица для первого слоя изоляции является дорнодержателем для второго слоя. Выходная матрица сйаб- ^ена регулировочными винтами для центровки изоляции.
Входной или заправочный затвор, соединяющий вулканизационную камеру с головкой пресса, состоит из неподвижной стойки и передвигающейся в ней с помощью зубчатых шестерен и рейки телескопической трубы (рис. 6.7). При заправке и наладке агрегата телескопическая труба вдвигается внутрь вулканизационной камеры. Пространство между вулканизационной камерой и трубой служит для смены блока головки, проверки и регулировки центровки при наладке пресса.
Вулканизационная камера имеет две основные конструкции. Одна из них состоит из отдельных секций длиной 4,5——6 м, собираемых болтовым соединением фланцев. Каждая секция имеет паровую рубашку (одна труба вставлена в другую большего диаметра с зазором 8——12 мм, завальцованные торцы большей трубы приварены к внутренней трубе). Наружная труба снабжена отводными трубками, соединенными при помощи фланцев.
Для уменьшения конденсации пара в вулканизационной камере температура ее стенок поддерживается близкой к температуре пара путем подачи в рубашку вулканизационной камеры пара. Поверх наружной трубы накладывается теплоизоляция.
Внбор конструкции вулканизационной камеры зависит от соотношения стоимости электроэнергии и пара высокого
〔［6,7 Входной или заправочный затвор линии непрерывной вулканизации: 气л ^Ювка экструдера; 2——штурвал запирающего механизма; 5 -подвижная телескопичес- РУба; 4——зубчатая рейка； 5 — маховичок с шестеренкой; 6—-цилиндр заправочной камеры; 7—вулканизационная камера; 8—паровая рубашка
давления, а также от требований к качеству продукциЛ В том случае, когда пар получается от ТЭЦ, нет смысла прибегать к индукционному нагреву. Когда пар высокого давления получается с помощью термокомпрессорной уста* новки, применение индукционного нагрева становится ра. циональньгм.
Вулканизационная камера, так же как и внешняя труба для рубащки, изготовляется из цельнотянутых труб высокого давления с внутренним диаметром 50——85 мм и со стенками толщиной 6——7,5 мм. Повышенная толщина трубы нужна из-за возможного разрушения металла под воздействием сернистых соединений, образующихся при вулканизации резины.
Длины вулканизационной камеры выбираются в зависимости от ассортимента изготовляемой продукции и производств венной площади. Увеличение длины вулканизационной камеры позволяет при прочих равных условиях увеличивать линейную скорость наложения изоляции или оболочки. Однако в некоторых случаях, когда изолированию подвергаются жилы, имеющие малую механическую прочность (например, алюминиевые жилы для установочных проводов и контрольных кабелей или медные жилы сечением менее 0,75—1,5 мм2), длину трубы уменьшают. В камере происходят нагрев и вулканизация резиновых изоляций и оболочек паром при давлении до 1,96 МПа. В процессе вулканизации образуется конденсат, отвод которого из вулканизационной камеры осуществляется через конденсационный горшок, устанавливаемый в ковде камеры. Для облегчения стока конденсата вулканизационная камера имеет небольшой наклон в сторону парового затвора.
Промежуточный паровой затвор предназначен для предотвращения свободного выхода пара из вулканизационной камеры в охлаждающую трубу и попадания в вулканизационную камеру воды из охлаждающей трубы при свободном прохождении провода через затвор без повреждения изоляции. Промежуточный затвор представляет собой цилиндрическую камеру, перемещающуюся вместе с охлаждающей камерой. В охлаждающую камеру (трубу) провод поступает из вулканизационной камеры через промежуточный паровой затвор. Камера устанавливается на роликах, по которым она передвигается при открывании промежуточного затвора.
В охладающую камеру непрерывно подается насосом холодная вода под давлением 0,49——0,68 МПа, обеспечивающая интенсивное охлаждение резиновой изоляции и оболочки, а также экономию пара при работе агрегатов. Кроме того, наличие в охлаждающей камере воды под давлением 口戸' дупреждает возможность образования вздутий и разрывов изоляции, особенно в кабелях и проводах с многопроволочной жилой и большой толщиной резиновой ИЗОЛЯЦИИ ИЛИ обоЛОЧКЙ-
Давление воды в охлаждающей камере создается гидростатическим насосом. Во избежание возможности попадания воды из охлаждающей в вулканизационную камеру в конце последней установлен паровой контактный манометр, который при уменьшении давления пара до 0,785——Q,98 МПа отключает гидравлический насос, и давление воды становится равным атмосферному; одновременно с этим подается сигнал на пульт управления. Охлаждающая камера через сальник входит в камеру водяного затвора.
Охлаждающая камера заканчивается водяным затвором (рис. 6.8). К корпусу затвора с помощью шарнирных болтов крепится накидная гайка, зажимающая три кольцевые резиновые прокладки и одну стальную диафрагму. В отверстие втулки вставляется нажимная втулка со встроенным кольцом, давящая на стальную диафрагму и обеспечивающая уплотнение резиновой прокладкц поверх изолируемого провода. Давление на нажимную втулку осуществляется коленчатым рычагом, связанным с пневматическим цилиндром, давление воздуха в котором равно 0,49—0,59 МПа. В рабочем состоянии резиновые прокладки плотно обжимают изолируемый провод,
Рис. 6.8.
3125
Водяной (выходной) затвор линии непрерывной вулканизации
225
ролики и компенролики и компен
ролики и компен
ролики и компен
ограничивая утечку воды. При наличии на проводе утолщенийИ они проходят через пружинящие прокладки, отжимая втулку В Ввиду того что во время смены уплотняющих прокладок! корпус выходного затвора перемещается, подвод воздуха, к пневматическому цилиндру осуществляется гибким шлангом. 1 Провод после выхода из водяного затвора огибает поворот-] ный ролик и поступает в желоб с проточной водопроводнойИ водой, разделенный на несколько секций. Интенсивность охла-1 ждения изоляции или оболочки в желобе регулируется числом^ секций и количеством поступающей воды. При работе агрегата непрерывной вулканизации следят за тем, чтобы провод был полностью вулканизирован и высушен. При прохождении через аппарат сухого испытания провод с влажной поверхностью вызывает искаженные показания. Кроме того, прохождение влажного провода через аппарат сухого испытания недопустимо по условиям техники безопасности.
Обдувка воздухом предназначена для удаления влаги с поверхности провода. Устройство для обдувки представляет собой железный кожух, внутренняя трубка которого в месте выхода провода имеет отверстия, направленные навстречу движению провода. В эту трубку подается воздух под давлением 0,29——0,4§ МПа. Потоки воздуха, выходящие из отверстий трубки, сдувают с провода воду.
Тяговое устройство применяют барабанного типа, оно обеспечивает постоянную линейную скорость прохождения провода через агрегат. С тягового колеса провод через поворотный ролик поступает в аппарат сухого испытания.
Аппарат сухого испытания состоит из трансформатора 110/20 000 В, регулятора напряжения, испытательного электрода и сигнализирующих устройств. Значение испытательного напряжения устанавливается поворотом рукоятки регулятора напряжения, который имеет дополнительную обмотку, питающую вольтметр.
Концы жилы заземляются на отдатчике и на приемнике. Аппарат устанавливается перед приемным устройством. При пробое изоляции срабатывают реле, включающие сигнальную лампу. Кроме того, аппарат снабжен счетчиком числа пробоев, включенным через промежуточный трансформатор и выпрямитель в сигнальную цепь реле. Для удобства контроля на приемнике агрегата установлены два счетчика числа пробоев с переключателем, механически связанным с рукояткой перевода приемных барабанов. Это дает возможность непосредственно контролировать качество жилы на каждом приемном барабане и определять число пробоев на каждом барабане」 Высоковольтный электрод аппарата сухого испытания по условиям техники безопасности размещают на высоте, исключающей соприкосновение с ним обслуживающего персонал^- 226
Изолированный провод через поворотные
сатор поступает на приемный барабан.
Приемное устройство агрегата непрерывной вулканизации состоит из сдвоенного приемника и контейнеров. Сдвоенный приемник позволяет переводить изолированный провод с одного приемного барабана на другой без останова агрегата. Для синхронизации тягового и приемного устройств применяется компенсатор.
Электрический привод ЛКНВ должен обеспечить плавное бесступенчатое изменение скорости пресса, тягового колеса и приемного устройства с отношением 1:20, поэтому привод ЛКНВ обычно осуществляется с помощью электродвигателей постоянного тока. Пуск и регулирование скорости электродвигателя пресса, тягового и приемного устройств обычно осуществляются раздельно. В некоторых схемах агрегатов предусмотрена возможность синхронной работы экструдера и тягового устройства. Такая схема дает возможность несколько уменьшить заправочные концы при пуске.
I [6.4. ТЕХНОЛОГИЯ НАЛОЖЕНИЯ РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
'И ОБОЛОЧКИ
Обслуживать агрегат могут только хорошо квалифицированные специалисты, не только умеющие осуществлять те или иные операции, но и разбирающиеся в работе основных механизмов и приборов, установленных на ЛКНВ. Рабочие ЛКНВ должны хорошо знать правила безопасности, связанные с обслуживанием аппаратов, работающих при высоких давлениях и температуре. Бригадир должен иметь наиболее высокую квалификацию, осуществлять управление агрегатом, его заправку, пуск и остановку. Наличие на линии большого количества механизмов и приборов требует особого внимания к агрегату со стороны механика и электрика цеха.
Управление линии осуществляется с пульта, на котором Установлены указатели частоты вращения червяка и скорости прохождения жилы, амперметры электродвигателей червячного пресса и тягового устройства, кнопки пуска, остановки и регулирования скорости тягового и приемного устройств и на・ стоты вращения червяка, кнопки аварийной остановки всего агрегата, а также рукоятка переключателя автоматического (Регулирования диаметра провода.
На пульте управления наклонных и вертикальных агрегатов Устанавливаются дополнительные показывающие и регулирующие приборы для контроля и регулировки уровня охла- бающей воды, давления воды, натяжения кабеля, регулировки Срелы провиса и др. Пульт «ДКНВ для двухслойного Полирования должен иметь еще приборы, показывающие 15 *227
Таблица 62 Режимы вулканизации изделия сечением жилы 1,5—25MM2 ： и толщиной изоляции 0,6—0,8 мм
Давление пара, МПа
Температура, ℃
Скорость опрессования, м/мин
Давление пара, МПа
Температура, ℃
Скорость опрессования, м/мии
0,98 1,09 1,18 1,27
183,2
187,1
190,8
194,2
Не более 70 70—80 80—110 110—130
1,37—1,47
1,57—1,76
1,76—1,96
197—200
203—209
170—200
130—150
150—170
190—200
раздельно частоту вращения каждого червяка, и устройства для регулирования частоты вращения червяков как отдельно i для каждого пресса, так и синхронно с учетом работы тягового и приемного устройств.
В непосредственной близости от пульта управления рас- J положен щит с приборами, контролирующими и регулиру- 1 ющими тепловые режимы работы червячного пресса, вул-] канизационной камеры и других узлов.I
Обязанности бригады определяются заводскими инструкци- i ями и зависят от конструкции агрегата и его назначения. | При работе на горизонтальном ЛКНВ изоляционного типа обслуживающая бригада помимо наблюдения за показаниями приборов и управлением механизмами при работе агрегата контролирует качество изолированной жилы, ее диаметр, показания счетчика количества прогаров на аппарате сухого испытания и правильность раскладки жилы на приемном барабане. Члены бригады наблюдают за давлением пара в вулканизационной камере по манометрам, за давлением воды в охлаждающей трубе и работой водяного насоса, за работой аппарата сухого испытания по контрольной лампочке и счетчику прогаров, за работой отдающего и приемного устройств, за своевременной сменой барабанов.,
Технологические параметры работы линии с указанием давления пара и скорости опрессования каждого изделия определяются таблицами, имеющимися в технологической ； инструкции.
В табл. 6.2 приведены значения давления пара и скорости : опрессования на ЛКНВ-125 при наложении изоляции толщиной . 0,5—0,8 мм на жилу сечением 1,5—一2,5 мм2 при длине вул- j канизационной камеры 60 м.|
Вследствие плохой теплопроводности резиновой смеси ско- * рость вулканизации будет уменьшаться с увеличением толщины изоляции оболочки. Из расчетов и опыта известно, что перепад температур возрастает не только от увеличения толщины изоляции или оболочки, но и от абсолютного значения температуры пара, т. е. давления. При толщине слоя бол^е 5 мм перепад температур может достигать 60-^80° С. В 3工°"丨
Таблица 6.3. Фактические скорости, м/мии, наложении оболочки на ЛКНВ
Наружный диаметр шнура или кабеля, мм
1,.,
Кабель и шнур с радиальной толщиной оболочки до 2 мм включительно
Кабель с ра- даальной толщиной оболочки свыше 2 мм
Условия вулканизации
До 7
80—50
40—30
Длина вулканизационной каме*
81и
60—-45
ры 70—90 м. Давление пара
11 — 13
60—45
40—30
3,37—1,57 МПа
14—16
50—45
35—25
17—20
50—35
35—20
21—25
40—20
25—15
26—30
—
20—15
31—35
20—10
36—40
—
15—8
41—45
—
13—7
46—50
10—6
51—55 56—%
—
5—3
Длина вулканизационной каме-
5—3
ры 36——45 м. Давление пара
61—65
—
4——3
1,27—1,57 МПа
66—70
4—2
71—75
—
3—2
случае необходимо учитывать длительность плато вулканизации, которое сокращается с повышением температуры. При высоких температурах (более 200° С) длительность плато вулканизации настолько сокращается, что возникает возможность перевулканизации наружных слоев и недовулканизации внутренних. Для уменьшения перепада температур при вул- канизации больших толщин давление в трубе ЛКНВ шлангового типа берется несколько меньше ——порядка 1,37 г 1,57 МПа. Данные, характеризующие работу ЛКНВ шлангового типа, приведены в табл. 6.3.
Во время работы агрегата периодически (примерно через каждый час) производят спуск конденсата в конце трубы. При появлении воды через сальник заправочной камеры следует продуть конденсационный горшок.
Наиболее сложными технологическими операциями являются подготовка, заправка, пуск и остановка линии. Правильная подготовка и пуск не только сокращают длину бракованных заправочных концов, но и обеспечивают длительную бесперебойную работу линии. Небрежный, неправильный пуск Wro обычно приводит к выпуску большого количества брака, простоям линии и может вызвать аварию.
Заправка линии начинается с того, что экструдер н головка разогреваются 、до' 60——80 ’С (в зависимости °т марки резины). Одновременно подбирается и уста- Навливаетси технологический инструмент для каждой марки
на отдающее устройствна отдающее устройствприемприемпружины. На приемнике производится сменапружины. На приемнике производится сменасутствин пара в трубе,сутствин пара в трубе,выключаютвыключаюткаккакагрегата изоляционного типа на продол-агрегата изоляционного типа на продол-
на отдающее устройств
на отдающее устройств
прием
прием
пружины. На приемнике производится смена
пружины. На приемнике производится смена
сутствин пара в трубе,
сутствин пара в трубе,
выключают
выключают
как
как
агрегата изоляционного типа на продол-
агрегата изоляционного типа на продол-
изделия. Рекомендуется подобрать комплектный инструмен дорнодержатель, дорн и матрицу. В это же время уст
навливается барабан с жилой
и регулируется натяжение жилы при помощи тормозно(
барабанов и регулируется шаг раскладки.
Последующими операциями являются заправка и пуск всег агрегата.
Пустив тяговое колесо со скоростью 15—20 м/мин, а черв пресса с частотой 5—10 об/мин и очистив провод на ходу от возможных утолщений резины, закрывают заправочную камеру, проворачивая штурвальное колесо до отказа. Затем можно пускать пар в трубу, постепенно повышая давление. После стока конденсата в конце трубь* и появления пара из отводной трубки нужно закрыть спускной вентиль. Когда давление пара в трубе достигнет 0,7——0,8 МПа, следует включить водяной насос и пустить воду в охлаждающую трубу.
По мере увеличения давления пара в трубе необходимо увеличить частоту вращения червяка и тяговой шай&>1 пример* но до 50—70% частоты, соответствующей рабочему режиму. При выходе провода, удовлетворяющего техническим требованиям, устанавливается требуемая скорость опрессования, включается аппарат сухого испытания, измеритель диаметра.
В процессе работы линии нужно следить за равномерной и бесперебойной подачей кабельной заготовки, бесперебойным питанием экструдера резиновой смесью, его тем пера турным режимом, давлением пара в камере, непрерывным приемом готовых изделий и их качеством.
Во время работы ЛКНВ в трубе происходит конденсация пара, получающийся конденсат необходимо удалять полностью. Поэтому следует продувать вулканизационную трубу агрегатов регулярно 3—4 раза в смену, для ЛКНВ-125 8—12 раз в смену, для агрегатов ЛКНВ-150 и более в зависимости от размеров ошланговываемого кабеля.
Остановку агрегата при наложении изоляции производят при сходе жилы с отдающего барабана, не допуская ухода конца жилы в вулканизационную трубу. В процессе остановки линии необходимо постепенно остановить пресс и снизить скорость провода до 40——20 м/мин, а на тяжелых шланговых ЛКНВ一一 до 5—2 м/мин.
При появлении неизолированной жилы в охлаждают^ желобе останавливают тяговое колесо, выключают водяной насос, закрывают подачу пара в вулканизационную трУ°У и открывают клапан выброса пара в атмосферу. Категорически запрещается оставлять насос, подающий воду в охлаждаюШУ10 трубу, включенным после спуска пара, так как это м。*6T вызвать аварию или несчастный случай. Убедившись в °Т] 230
〜,можно открыть заправочную камеру.
Промежуточный и концевой затворы открывают после того,
пневматическое устройство. При остановке
^ительное время обязательно удаляют из пресса резину,
закрывают доступ воды и пара, питающих червяк и рубашку пресса, открывают затворы и выключают электрооборудование агрегата. При кратковременных остановках нельзя допускать превышения температуры или полного остывания резины В головке пресса. При длительной остановке агрегата (более одного часа) резину из пресса следует удалять.
6.5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВС ИЗОЛЯЦИЕЙ И ОБОЛОЧКАМИ ИЗ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКОЙРЕЗИНЫ
Как указывалось выше, технология переработки кремнийор? ганических резин в кабельной промышленности существенно' отличается от технологии переработки традиционных органических резин. В основном эти отличия сводятся к следующему.
Во-первых, кремнийорганические резины поставляются на кабельные заводы в готовом виде. Это обстоятельство значительно упрощает весь цикл изготовления кабелей и проводов и позволяет избежать трудоемкого процесса смешения кабельных резин. В большинстве случаев, особенно для кабелей н проводов массового назначения, полученные резиновые смеси не нуждаются в предварительной переработке и поступают непосредственно на изолирование или ошлангование.
Во-вторых, кремнийорганические резины большинства рецеп- ТУР можно подвергать воздушной вулканизации, что сущест- венно упрощает конструкцию и процесс заправки агрегатов пля непрерывного изолирования и вулканизации.
Таким образом, технология изготовления кабелей и про- водов с кремнийорганической изоляцией на кабельном предприятии имеет следующие стадии: приготовление окрашенных резиновых смесей (если необходимо), наложение оболочек н первая стадия вулканизации на поточно-механизированных Энниях, вторая стадия вулканизации, испытание готовой продукции.
В настоящее время наибольшее распространение для из- г°товления проводов и кабелей с изоляцией из кремнийор- г^нических резин получили поточно-механизированные линии, умещающие процессы нанесения покрытий и вулканизации.
СССР применяются линии с диаметрами шнеков ппес- СОв 25, 32, 45, 63, 90 и 125 мм.
В состав линии входят следующие узлы: отдающие, правиль- °е (только для линий АНВК-63) и протирочное устройства;
231
два одинарных безосевых отдатчика с плавным регулированием ' натяжения жилы при помощи тормозного устройства; камеры для предварительного обогрева токопроводящей жилы, чер. вячный пресс с питающим роликом; вулканизационная камера； датчики непрерывного контроля и автоматического регулировав ния диаметра провода; ванна охлаждения; обдувочное, таль- кующее и тяговое устройства; компенсатор (только для линии АНВК-63); измеритель длины провода; аппарат сухого испытания; приемные устройства; пульт управления; прибор непрерывного контроля натяжения кабеля или провода; камера
для второй стадии вулканизации.для второй стадии вулканизации.Отдающее устройство для линии АНВК-63 должно быть
для второй стадии вулканизации.
для второй стадии вулканизации.
снабжёйо компенсатором и приводом для принудительного ( отдающего барабана. Привод отдающего устройства связан с подвижной системой компенсатора и обеспечивает постоянное регулируемое натяжение провода или кабеля. Иногда применяется непрерывный отдатчик контейнерного типа.
Камера для предварительного нагрева токопроводящей жилы обеспечивает нагрев до 100——150° С. Предварительный
нагрев токопроводящей жилы увеличивает скорость вулканизации оболочек кабеля, дает возможность удалять влагу, имеющуюся на жиле, что позволяет избежать пористости изоляции, кроме того, способствует повышению качества и однородности готовых изделий.
В качестве червячного пресса с питающим роликом в принципе может быть применен любой червячный резиновый ， пресс, однако наиболее подходящим является пресс с прямо- 1 угольной головкой и шнеком длиной (10—12)力. При такой длине шнека не происходит перегревания смеси в процессе шприцевания. Шнек должен быть однозаходным с компрессией 3 :1. Наилучший способ обработки поверхности шнека— хромирование, так как у полированных шнеков иногда истирается поверхность, что приводит к появлению пятен на изделии. Для полной гарантии устранения истирания шнека рекомендуется применение полиамидного покрытия гребешков? которые .действуют как самосмазывающее уплотнение.
Плавная работа червячного пресса лучше всего обеспечивается при принудительном его питании с помощью питательного ролика. Питательный ролик для пресса с диаметром шнека 63 мм имеет следующие параметры: диаметр 101, ширина 73 мм, поверхность умеренно рифленая, угловая скорость на 50% выше, чем у шнека, его ось параллельна оси шнека, зазор между роликом и шнеком 5 мм. На нижней стороне ролика для поддержания его чистоты имеется шпатель. Конструкция позволяет легко вынимать ролик при чистке пресса.
Головка червячного пресса сконструирована таким образом^ что у входа в нее находятся решетка и две фильтрующее 232
сетки. Отверстия решетки круглые (60——120 отверстий на 1 см2). Благодаря этому улучшается гомогенность смеси, уменьшается скручивание ее шнеком, выравниваются перепады давления, вызывающие неправильное дозирование смеси, ликвидируется пористость изделия, а также предотвращается случайное загрязнение. Конструкция головки пресса дает возможность установить инструмент для жесткой центровки (для линий АНВК-63) или шарнирное крепление дорнодержателя с болтовой центровкой (для линий АНВК-125). «Мертвые» зоны в головке исключены ее конструкцией, вследствие чего невозможно скапливание и затвердевание резиновой смеси, приводящие к ухудшению качества поверхности кабеля.
При выборе формующего инструмента необходимо учитывать увеличение объема смеси при выходе из головки. Поэтому для данного диаметра провода необходимо применять матрицу несколько меньшего размера с учетом усадки кабеля после его вулканизации (обычно 3—7%).
Длина формующей части матрицы при диаметре провода до 5 мм должца быть равна половине диаметра провода, при больших размерах проводов——диаметру провода. Для переработки кремнийорганических резиновых смесей не требуется разогревать червячный пресс, наоборот, его цилиндр, червяк и головка должны подвергаться интенсивному водяному охлаждению.
Температура резиновой смеси не должна превышать 40° С. При этой температуре текучесть смеси заметно не меняется, давление в цилиндре остается постоянным, что гарантирует стабильность размеров изготовляемого провода. Температуру шприцевания нужно поддерживать с точностью ±3° С. После I окончания работы пресса необходимо сразу перекрыть подачу ；воды во все его части, чтобы исключить конденсацию водяного пара в цилиндре и шнеке. В цилиндре и головке должны быть предусмотрены гнезда и металлические чехлы для установки термометров.Привод червячного пресса осуществляется от электродвигателя постоянного тока с плавной регулировкой частоты вращения в пределах 5——60 об/мин, что позволяет достаточно точно регулировать диаметр получаемого изделия.Непрерывная вулканизация без давления в горячем воз- Духе——наиболее распространенный способ вулканизации кабель- нмх изделий благодаря малым габаритам установки, простоте аппаратурного оформления и малым отходам (например, благодаря сокращению длины заправочных концов). Она осуществляется, как правило, в горизонтальной вулканизаци-' “ камере туннельного типа при 250—-450° С. МожноТемпература резиновой смеси не должна превышать 40° С. При этой температуре текучесть смеси заметно не меняется, давление в цилиндре остается постоянным, что гарантирует стабильность размеров изготовляемого провода. Температуру шприцевания нужно поддерживать с точностью ±3° С. После I окончания работы пресса необходимо сразу перекрыть подачу ；воды во все его части, чтобы исключить конденсацию водяного пара в цилиндре и шнеке. В цилиндре и головке должны быть предусмотрены гнезда и металлические чехлы для установки термометров.Привод червячного пресса осуществляется от электродвигателя постоянного тока с плавной регулировкой частоты вращения в пределах 5——60 об/мин, что позволяет достаточно точно регулировать диаметр получаемого изделия.Непрерывная вулканизация без давления в горячем воз- Духе——наиболее распространенный способ вулканизации кабель- нмх изделий благодаря малым габаритам установки, простоте аппаратурного оформления и малым отходам (например, благодаря сокращению длины заправочных концов). Она осуществляется, как правило, в горизонтальной вулканизаци-' “ камере туннельного типа при 250—-450° С. Можно°ННОЙ°ННОЙтакжеДлинатакжеДлинакамеры.камеры.камеры может быть различной. Вкамеры может быть различной. Внастоящее время 233настоящее время 233применять вертикальные вулканизационные
Температура резиновой смеси не должна превышать 40° С. При этой температуре текучесть смеси заметно не меняется, давление в цилиндре остается постоянным, что гарантирует стабильность размеров изготовляемого провода. Температуру шприцевания нужно поддерживать с точностью ±3° С. После I окончания работы пресса необходимо сразу перекрыть подачу ；воды во все его части, чтобы исключить конденсацию водяного пара в цилиндре и шнеке. В цилиндре и головке должны быть предусмотрены гнезда и металлические чехлы для установки термометров.
Привод червячного пресса осуществляется от электродвигателя постоянного тока с плавной регулировкой частоты вращения в пределах 5——60 об/мин, что позволяет достаточно точно регулировать диаметр получаемого изделия.
Непрерывная вулканизация без давления в горячем воз- Духе——наиболее распространенный способ вулканизации кабель- нмх изделий благодаря малым габаритам установки, простоте аппаратурного оформления и малым отходам (например, благодаря сокращению длины заправочных концов). Она осуществляется, как правило, в горизонтальной вулканизаци-' “ камере туннельного типа при 250—-450° С. Можно
Температура резиновой смеси не должна превышать 40° С. При этой температуре текучесть смеси заметно не меняется, давление в цилиндре остается постоянным, что гарантирует стабильность размеров изготовляемого провода. Температуру шприцевания нужно поддерживать с точностью ±3° С. После I окончания работы пресса необходимо сразу перекрыть подачу ；воды во все его части, чтобы исключить конденсацию водяного пара в цилиндре и шнеке. В цилиндре и головке должны быть предусмотрены гнезда и металлические чехлы для установки термометров.
Привод червячного пресса осуществляется от электродвигателя постоянного тока с плавной регулировкой частоты вращения в пределах 5——60 об/мин, что позволяет достаточно точно регулировать диаметр получаемого изделия.
Непрерывная вулканизация без давления в горячем воз- Духе——наиболее распространенный способ вулканизации кабель- нмх изделий благодаря малым габаритам установки, простоте аппаратурного оформления и малым отходам (например, благодаря сокращению длины заправочных концов). Она осуществляется, как правило, в горизонтальной вулканизаци-' “ камере туннельного типа при 250—-450° С. Можно
°ННОЙ
°ННОЙ
такжеДлина
такжеДлина
камеры.
камеры.
камеры может быть различной. В
камеры может быть различной. В
настоящее время 233
настоящее время 233
наиболее широкое распространение получили четырехсекционЯ ные камеры с разрывом между секциями не более 10 мк^И и общей длиной 8—12 MM. Каждая секция имеет две зон^^ обогрева с самостоятельной автоматической регулировками температуры в каждой зоне. Максимальная температура в ка]В мере 450е С, точность регулировки +10° С.i
Вулканизационную камеру можно обогревать с помощью ( инфракрасных излучателей и других нагревателей. Наибольшее распространение имеет электрообогрев. Сечение камеры может быть круглое или прямоугольное. Ее внутренний диаметр 口收 линий АНВК-6 3 равен 100, а для АНВК-125 200 мм. Ecji^J предусмотрен поддув в камеру предварительно подогретогсИ (обычно до 350° С) воздуха, то скорость вулканизации знаЯ чительно возрастает (на 100%), так как теплоотдача в этолЛ случае выше, чем в статической среде. После каждой секци^Н камеры должен быть отсос газообразных продуктов, которыЛ могут быть токсичными и взрывоопасными. Вулканизационная камера имеет приспособление для изменения угла наклона одной секции относительно другой от 0 до 15° для обеспечения регулировки установки вулканизационной камеры по линии естественного провиса заготовки, что особенно важно при изготовлении кабелей крупных сечений.
Время вулканизации и связанные с ним скорости изолирования определяются толщиной оболочки, температурой, диаметром изолируемого изделия и длиной вулканизационной камеры. Скорости опрессования кабелей различных сечений при температуре воздуха в вулканизационной камере 350° С составляют:
Сечение токопрово
Скорость опрессо
Сеченне токопрово
Скорость опрессо
дящей жнлы, мм2
вания, м/мнн
дящей жилы, мм2
вания, м/мин
1 — 1,5
37—40
25"
7—10
2,5—4
26—30
35； 50 и 70
5—8
6
17—21
95 и
3,5—6
• 10
13—15
150, 185 и 240
2—5
16 .
10—14
Необходимо отметить, что у кабелей с толстыми оболочками лучшие свойства достигаются при более низких температурах вулканизации и снижении скорости, поскольку иначе возможно образование пор.
Как указывалось выше, вулканизацию кабелей и проводов / можно проводить также в вертикальных камерах. Вертикальные камеры имеют ряд преимуществ, в том числе дают экономию производственных площадей, позволяют изготовлять кабели с толстыми оболочками без «заливов», увеличивают производительность оборудования (при одинаковой температура циркуляции воздуха и длине вулканизационной камеры прои^ водительность вертикальной установки на 25% выше). j
I Ванна охлаждения находится непосредственно за вулкани- ! зационной камерой и служит для охлаждения проводов ；холодной водой перед поступлением на приемное устройство.
Длина ванны определяется температурой вулканизации и охлаждающей воды, а также толщиной кабельной оболочки и, как правило, составляет 3——5 м.
Обдувочное устройство служит для удаления влаги с охлажденного кабеля. Талькующее устройство предназначено для занесения небольшого слоя талька на кабель в целях предот- зращения слипания его витков на приемной таре. Тяговое устройство позволяет проводить изолирование и вулканизацию кабеля без его провисания. На линиях АНВК-63 применяется тяговое устройство колесного типа с плавной регулировкой скорости тяги, на линиях АНВК-125——устройство гусеничного типа.
В аппарате сухого испытания испытательное напряжение устанавливается в зависимости от типа кабеля.
Приемное устройство для линии АНВК-63 комбинированное: предусматривает прием провода как на барабаны, так и виде бухт. Барабаны должны быть металлическими и иметь отверстия на шейке и щеках для лучшей циркуляции воздуха во время второй стадии вулканизации. На линиях АНВК-125 прием провода происходит на барабаны и в специальные поддоны. Количество рядов кабеля на барабане и поддоне ориентировочно должно быть для сечений 16——35 мм2 не более трех, для сечений 50——95 мм2 не более двух, для сечений свыше 95 мм2 не более одного.
Прибор непрерывного контроля натяжения кабеля или провода служит для предотвращения касания кабелей стенок вулканизационной камеры при слабом натяжении.
Как уже указывалось, для вулканизации большинства изделий из кремнийорганических резин, в том числе и кабельных, необходима двухстадийная вулканизация. Исключение составляют изделия, изготовленные из специальных резин, не требу- ^Щих второй стадии вулканизации, а также изделия, эксплу- атирующиеся при температурах до 150° С. Не производится вторая стадия вулканизации и в том случае, когда требуется обеспечить не нагревостойкость, а другие свойства изделий.
Вторая стадия вулканизации осуществляется путем нагрева- вня кабелей горячим воздухом без давления, причем условия 睨 нагрева зависят от предшествующей переработки смеси ■ желаемых свойств кабеля.
Вторую стадию вулканизации (термостатирование) проводяг "° двум причинам. Во-первых, из кабельных оболочек уда- ^Ются летучие продукты, главным образом продукты раз- ；°*ения пероксидов (хлорбензойная кислота, углекислота), »"ата (адсорбированная на поверхности наполнителя или
образовавшаяся при частичном окислении органических радикалов и конденсации остаточных гидроксильных групп), низкомолекулярные продукты реакции, образующиеся при переработке резин. Если эти вещества не удалить, то при эксплуатации в условиях высоких температур, особенно в системах с ограниченным доступом воздуха, происходит деструкция кремнийорганических оболочек, приводящая к их размягчению и образованию пор. Обычно для удаления летучих достаточно провести термостатирование в течение 1—3 ч при 200° С.
Во-вторых, улучшаются физико-механические (остаточное сжатие, твердость, стойкость к растворителям) и диэлектрические (поверхностное электрическое сопротивление, диэлектрическая постоянная, тангенс угла диэлектрических потерь) свойства, особенно при экстремально низких и высоких температурах.
Для стабилизации физико-механических и диэлектрических свойств необходимо термостатирование в течение 6——24 ч при 200——250。С. Естественно, при выборе температуры надо учитывать ее влияние на материал токопроводящей жилы.
Необходимо отметить, что термостатирование нельзя заменить увеличением длительности или повышением температуры на первой стадии вулканизации.
Вторую стадию вулканизации проводят в специальных камерах, в которых циркулирует горячий воздух. Размеры камеры должны соответствовать размерам тары. Камеру нагревают электрическим током, паром или газом, причем нагревательные элементы располагают таким образом, чтобы уменьшить местные превышения температуры, под влиянием которых возможно в результате сгорания летучих продуктов образование белого оксида кремния, осаждающегося на стенках камеры и кабелях. Температура в камере автоматически регулируется с точностью ±5° С. Камера имеет также авт( магический выключатель, который при повреждении нагревг тельной системы отключает обогрев, что предотвращает во\ можность взрыва или порчи изделий. Это особенно необходимо при термостатировании кабелей с фторсилоксановыми оболочками, которые при температуре выше 280° С выделяют ток- / сичные вещества.
Во избежание «теплового удара» подъем температуры до 200° С необходимо проводить плавно или ступенчато в течение 5——8 ч. Важным фактором при термостатировании является эффективная внутренняя циркуляция воздуха, особенно в начале процесса, когда летучие продукты выделяются очень интен- оивно. Скорость обмена свежего воздуха должна составлять примерно 125 л/мин на 1 кг резины. Вулканизуемые изделия располагают в камере горизонтально, поэтому и циркуляция воздуха должна быть горизонтальной.
Бухты проводов мелких сечений, как правило, укладывают } на горизонтальные решетки, покрытые металлической сеткой (желательно из ванадиевой стали) или стеклотканью, чтобы I н& них не оставалось следов от решетки. Эти решетки ,'размещают на тележках, которые могут въезжать в камеру, что позволяет быстро менять изделия при непрерывном процессе. Кабели средних и крупных сечений термостатируют I на специальных барабанах или в поддонах, которые также i помещают на тележки.
После окончания второй стадии вулканизации кабели выгружают из камеры и отправляют на дальнейшие операции —— наложение дополнительных покровов, упаковку и т. п.
! Существуют также полуавтоматические линии для современ- I ного наложения изоляционной и шланговой оболочек. Кроме того, на указанных линиях \южно проводить непрерывно обе стадии вулканизации.
Глава седьмая
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СШИТОЙ ПЛАСТМАССОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СШИВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Изоляции проводов и кабелей, выполненной из термопластичных материалов, присущи некоторые недостатки, предопределяемые самой природой термопластов, главными из ко
торых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления, вплоть до полной потери формоустойчивости. Кроме того, внутренние напряжения, «замо- '
роженные» в изоляции при ее изготовлении, проявляют себя при повышенных рабочих температурах, приводя к заметной усадке, а в ряде случаев и к растрескиванию изоляции. Ввиду этого на практике часто не используется в полной мере на- гревостойкость термопластичной изоляции, так как потребители иногда предпочитают снизить допустимую рабочую температуру с целью облегчить условия эксплуатации и получить благодаря этому запас по надежности.
Рис. 7.1. Зависимость толщины изоляции А от температуры Т при воздействии продавливающей нагрузки;1—3—соответственно ПЭНП, ПЭВП н ЭТФЭ; цифры на кривых—значения гель-фракции, %Рис. 7.1. Зависимость толщины изоляции А от температуры Т при воздействии продавливающей нагрузки;1—3—соответственно ПЭНП, ПЭВП н ЭТФЭ; цифры на кривых—значения гель-фракции, %Действительно, даже кратковременный случайный нагрев
Рис. 7.1. Зависимость толщины изоляции А от температуры Т при воздействии продавливающей нагрузки;
1—3—соответственно ПЭНП, ПЭВП н ЭТФЭ; цифры на кривых—значения гель-фракции, %
Рис. 7.1. Зависимость толщины изоляции А от температуры Т при воздействии продавливающей нагрузки;
1—3—соответственно ПЭНП, ПЭВП н ЭТФЭ; цифры на кривых—значения гель-фракции, %
изоляции выше температуры плавления, например из-за ко・ роткого замыкания или прикосновения горячего паяльника, приводит к выходу кабельного изделия из строя.
На рис. 7.1На рис. 7.1приведены термомеханические кривые, пока-
На рис. 7.1
На рис. 7.1
зывающие существенное преимущество сшитых материалов, которые сохраняют способность сопротивляться продавливающей нагрузке даже при температуре, превышающей температуру плавления, в то время как несшитая изоляция при этом продавливается [9]. Кроме того, при применении специальных термостабилизаторов обеспечивается увеличение длительно допустимой рабочей температуры. Рассмотренные выше положительные качества сшитых полимеров объясняются возникновением трехмерной структуры благодаря образованию поперечных связей между макромолекулами по следующей
схеме:
—сн2—ск2—сн2—сн2——сн2—сн —сн2^сн —
一 II +2%
—CH2 —CH2—CHZ—сн2—. —сн2—СН —CHZ—CH —
Поскольку макромолекулы полимеров довольно стабильны и не могут реагировать друг с другом, для проведения реакции сшивания необходимо активировать их тем или иным способом. К настоящему времени созданы и нашли промышленное применение несколько технических способов перевода макромолекул в реакционноспособное состояние, условно разделяемых 一 на химические и физические. Для осуществления реакции сшивания нужно либо создать в молекулах полимера реакционноспособные центры, взаимодействие которых приводит к химической реакции между отдельными макромолекулами с образованием поперечных связей, либо ввести в исходные макромолекулы такие реакционноспособные (функциональные) группы, которые в определенных условиях способны взаимодействовать между собой и образовывать поперечные связи.
В кабельной технике реализованы три способа сшивания: химическая реакция между макрорадикалами, образующимися вследствие взаимодействия молекул полимера с продуктами распада термически неустойчивых органических пероксидов (йероксидное сшивание); химическая реакция между привитыми к макромолекулам силаносодержащими органофункциональными группами (силанольное сшивание); рекомбинация макрорадикалов, возникающих в полимере в результате воздействия ионизирующего излучения. Каждый из этих способов в сравнении с другими имеет свои преимущества и недостатки, а конкретные технологические приемы их реализации рассмотрены в последующих параграфах.
Рассмотрим некоторые общие закономерности сшивания. Независимо от способа сшивания в полимере образуется трехмерная структура, и он теряет способность течь при превышении температуры плавления. Сшивание происходит преимущественно по аморфным областям, хотя вид связей и их количество, а следовательно, и густота образующейся сетки зависят от способа сшивания.
Независимо от применяемых способов необходимо контролировать степень сшивания как основной результат технологического процесса. Вообще говоря, существует много различных косвенных способов определения степени сшивания, основанных
Рис. 72 Зависимость гель-фракции Т от поглощенной дозы Д для ПВДФ:7 —кайнар-451; 2——кайнар-301; 3——фто- ропласт-2М (в ацетоне); 4——кайнар-881; 5—фторопласт・2М (в днметилформамиде)Рис. 72 Зависимость гель-фракции Т от поглощенной дозы Д для ПВДФ:7 —кайнар-451; 2——кайнар-301; 3——фто- ропласт-2М (в ацетоне); 4——кайнар-881; 5—фторопласт・2М (в днметилформамиде)на изменении различных свойств полимера при образовании пространственной структуры. Одним из наиболее широко используемых методов контроля является определение содержания гель-фракции, т. е. нерастворимой части, поскольку по мере сшивания полимера утрачивается его способность растворяться. Исследуемые образцы выдерживают заданное время при определенной температуре в жидкости, растворяющей исходный несшитый материал, и вычисляют количество нераст- ворившейся части. Разумеется, жидкость не должна вступать в химическое взаимодействие с полимером. Для полиэтилена растворение проводят в кипящем ксилоле или толуоле в течение времени до 24 ч, для ПВДФ используют ацетон (12—24 ч), Для ПВХ-пластиката — тетрагидрофуран.
Рис. 72 Зависимость гель-фракции Т от поглощенной дозы Д для ПВДФ:
7 —кайнар-451; 2——кайнар-301; 3——фто- ропласт-2М (в ацетоне); 4——кайнар-881; 5—фторопласт・2М (в днметилформамиде)
Рис. 72 Зависимость гель-фракции Т от поглощенной дозы Д для ПВДФ:
7 —кайнар-451; 2——кайнар-301; 3——фто- ропласт-2М (в ацетоне); 4——кайнар-881; 5—фторопласт・2М (в днметилформамиде)
На рис、7.2 приведены зависимости гель-фракции Г от поглощенной дозы Д для различных модификаций ПВДФ в виде 1g Г— А — В/Д, где А и В—-постоянные для данного материала и условий экстрагирования. Видно, что даже полимеры с одинаковым химическим строением имеют неодинаковые зависимости гель-фракций; кроме того, сравнение ^висимостей 3 и 5 показывает сильное влияние на гель- Фракцию условий экстрагирования. Такой способ контроля степени сшивания не годится для нерастворимых полимеров, Например для фторполимеров, он занимает много времени 理 не в полной мере характеризует свойства готового изделия.
Широкое распространение получил способ, основанный На изменении механических характеристик при температуре,
Превышающей температуру плавления.
№ 540 и 811-2-1 предусмотрено следующее испытание сшитого полиэтилена на тепловую деформацию: образец длиной 75 мм,
шириной 4 мм и толщиной 0,8——2 мм помещают в термостат при +200° С, подвешивают к нему груз, чтобы нагрузка 2. Удлинение образца через 15 мин не 175%, а после снятия груза 15%.
составляла 20 Н/см должно превышать
7.2.
Технологический из композиций ПЭ,
，С
юо\-
10 г
7；℃
Рис. 7.3. Зависимость периода полураспада г пероксида дику- мила от температуры Т
170190
Стандартами МЗК
ПЕРОКСИДНОЕ СШИВАНИЕ
процесс изготовления сшитой изоляции содержащих пероксиды, осуществляют на ЛКНВ, совмещающих процесс наложения изоляции и процесс сшивания (вулканизации) [44]. По этой причине такой полиэтилен иногда называют вулканизующимся, а про. цесс сшивания—вулканизацией. На стадии изготовления композиции (а иногда в процессе экструдирования I .изоляции) в ПЭ вводят пероксид дикумила, период полураспада которого в зависимости от температуры показан на рис. 7.3; за время, равное трем периодам полураспада, j происходит разложение 87,5% вве-:
денного количества пероксида ди- ку мила, т. е. при + 200° С это составляет примерно 35 с. При сшивании идут следующие реакции: во-первых, под воздействием теплоты происходит распад пероксида с образованием двух радикалов:
RO —RO^2RO：
Здесь Л есть
СНз
СН3
Затем идет отщепление атома водорода от молекулы с образованием макрорадикала и кумилалкоголя:
ПЭ
RO+—СН2-СН2-СН2— -Он—СН2 — +ROH. 240
рекомбинация двух макрорадикалов приводит к образованию поперечной связи:
Z—СН?—CM "-CHj—■
—с/—сн —恥―
—СНХ—сн —с/—
Кроме этих полезных реакций следует рассмотреть и побочные реакции. Образовавшийся на второй стадии кумилалкоголь ROH при определенных условиях может выделять воду и образовывать а-метилстирол:
СН3
С -— сн^ + н^о ,
СН3
а образующийся на первой стадии радикал RO* может превращаться в ацетофенон с выделением метилового радикала:
Метиловый радикал, отщепляя водород в основной цепи, образует реакционноспособный макрорадикал и метан как побочный продукт. Таким образом, наличие в изоляции а-метилстирола будет ухудшать диэлектрические параметры i tg&, а вода и метан будут способствовать образованию в ней ! микропустот. Следует также отметить, что на процесс сшивания заметное влияние оказывает структура основной цепи, так как способность • атома водорода отщепляться от главной Цепи зависит от его положения в ней, а наличие полярных групп в основной цепи ведет*к захвату радикалов и уменьшает способность полимера к сшиванию.
Хотя при повышении температуры химические реакции. Ускоряются, что вызывает желание ускорить процесс вул・ Канизации увеличением температуры, к этому надо подходить °сторожно и применять это надо только после тщательных ^следований свойств готового продукта. Связано это с тем, 'то имеются данные исследований, свидетельствующие о сниже- Н"н эффективности сшивания при высоких температурах 16 3125241
(рис. 7.4), что объясняется хн、 мическими реакциями, веду, щими к уничтожению при этих температурах макрорадикалов. Кроме того, с увеличу нием температуры увеличивается концентрация а-метилсти^ рола и воды в изоляции.
Многочисленными исследованиями показано, что в полимерной изоляции содержат^ ся микропустоты. Обычно их размер не превышает 6— 7 мкм при среднем размере около 2 мкм и не зависит от
Рис. 7.4. Влияние температуры (℃) способа сшивания, в то время и длительности сшивания т на от- как количество их определя- носительное УД^ние при растяже- ется способом сшивания. Кро- ме того, встречаются и пустоты размером более 10—30 мкм, количество которых возрастает как с увеличением давления, так и с увеличением длительности вулканизации. Таким образом, несмотря на неоднозначные результаты исследования влияния этих пустот на образование триингов и срок службы кабелей, это явление нельзя не учитывать при разработке технологии. В табл. 7,1 | приведены ориентировочные данные количества микропустот и влаги в изоляции, изготовленной по различным технологиям.
В целом же кабели со сшитой изоляцией характеризуются । гораздо более высокой надежностью, чем кабели с термопластичной изоляцией; например, анализ отказов силовых кабелей на напряжение 5—30 кВ в США и ФРГ, которые в числе первых стали применять кабели с изоляцией из сшитого ПЭ, показывает, что интенсивность отказов кабелей〔 со сшитой изоляцией примерно в 5——10 раз ниже, чем интенсивность отказов кабелей с термопластичной изоляцией.
Кабельная линия непрерывной вулканизации для переработ： ки ПЭ, содержащего пероксид, включает экструдер с длиной червяка от 12 до 20 его диаметра и камеру вулканизации. Температура расплава в экструдере определяется типом применяемого пероксида, и при использовании пероксида дикумила во избежание преждевременной вулканизации в экструдере не должна превышать 130一135° С.
Существует несколько разновидностей конструктивных исполнений вулканизационной камеры, определяющих особенность технологии вулканизации. Самые первые агрегаты, имек>шие । и в настоящее время наибольшее распространение, осуществляют вулканизацию в среде перегретого пара высокого давления-〔
Таблица 7.L Количество мякропустот и влаги в сшитов полямервой изолящи
Количество
Максималь-
Максимальное
Технология сшивания
микропустот
ный размер
содержание
в 1 мм3
пустот, мкм
влаги, млн 1
Паровая вулканизация
50 104
30
[000—2000
Газовая вулканизация
6 104
15
Не менее
н водяное охлаждение
200
разовая вулканизация и газовое
ю4
15
50—100
охлаждение
Вулканизация в кремнийорганиче-
ю4
10
50—100
скон жидкости
Сшивание через полифункциональ-
ю4
15
50—200
ные группы
Термопластичная изоляция
ю4
15
30—80
Кабель с экструдированным покрытием через специальный телескопический затвор вводится в вулканизационную камеру, представляющую собой трубу с теплоизоляцией диаметром 100—200 мм. Давление пара в трубе достигает 2 МПа, что соответствует его температуре 213° С Охлаждение производят в воде, длина вулканизационной трубы равна 100 м, а общая длина ЛКНВ, расположенной горизонтально, составляет 70—150 м. При диаметре кабеля более 6 мм из-за его провисания и касания изоляции о стенку трубы, что может привести к повреждению изоляции, применяют так называехЛые наклонные ЛКНВ с трубой вулканизации в форме свободно висящей цепи или вертикальные агрегаты, располагаемые в башне высотой от 30 до 80 м.
Недостатками парового способа вулканизации являются большая длина агрегата, относительно низкая скорость вулканизации и образование микрополостей в изоляции, заполненных влагой из-за диффузии в расплавленный полиэтилен водяных паров, которая происходит особенно интенсивно при высоком давлении.
Этих недостатков нет у относительно новых, так называемых «беспаровых» процессов вулканизации. Вулканизацию проводят в среде инертного газа (обычно азота) под давлением, препятствующего окислению ПЭ; требуемая температура создается благодаря поглощению кабелем инфракрасного излуче- ния стенок трубы, нагреваемой в результате пропускания по ней электрического тока до 350—450° С, при этом температура поверхности кабеля составляет 250—300° С. Длина участка нагрева составляет 15 м, а охлаждения ——около 50 м; для охлаждения используют либо также газовую среду, либо воду.
Обычно участок нагрева состоит из нескольких зон, на- феваемых отдельно друг от друга тзком в несколько тысяч 記 пер от трансформатора с вторичным напряжением не более 12 В. При интенсификации нагрева производительность возрастает по сравнению с паровой вулканизацией на 30——70%, " 243
сокращается длина агрегата и уменьшаются количество и раз. мер микропустот в изоляции. При длине трубы 100 м скорость изолирования жилы сечением 150 мм2 достигает 60 м/миц, при этом производительность экструдера равна 270 кг/ч* длительность вулканизации—25 с, а охлаждения — 70 c.'
Другим видом беспаровой технологии является вулканизация в среде жидкого теплоносителя, в качестве которого используют либо кремнийорганическую жидкость, либо эвтек^ тическую смесь водорастворимых неорганических солей (53% нитрата калия, 7% нитрата натрия и 40% нитрита натрия). Эта смесь плавится при 142—150° С и может быть даже нагрета до 540° С. Вулканизацию проводят при 150—250° С и давлении около 2 МПа. Преимуществом этого способа является то, что кабель как бы плавает в теплоносителе, и вероятность повреждения его о стенку уменьшается.
Модификацией этого способа является вулканизация в трубе длиной 12——15 м, являющейся продолжением матрицы: в зазор размером 0,2——0,1 мм между стенкой трубы и изоляцией кабеля под давлением 0,4—0,6 МПа нагнетают кремнийор- ганичесиую жидкость или расплавленную смесь солей, которая выполняет роль смазки и теплоносителя, передавая теплоту от стенок трубы, нагреваемых до 270^-350° С.
Ускорить процесс сшивания благодаря интенсификации нагрева изоляции можно путем предварительного нагрева жилы примерно до +200° С.
Еще одной разновидностью процесса является применение гранул ПЭ, не содержащих пероксид; последний в жидком виде при помощи специальной дозирующей системы подается в цилиндр экструдера непосредственно в процессе наложения изоляции. Преимущества способа—снижение затрат на материалы и облегчение пуска и остановки экструдера, так как при этом пероксид в него можно не подавать, а недостатками являются увеличение стоимости оборудования и взрывоопасности.
СШИВАНИЕ ЧЕРЕЗ ПРИВИТЫЕ ОРГАНОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕГРУППЫ
Сущность процесса заключается в следующем. К макромолекулам ПЭ прививают органофункциональные группы, в качестве которых применяют органофункциональные силаны：
о —сн3
винилтриметоксисилансн2=сн —si —о—сн,,
0 иСН3
о—CH2—CH3•
винилтриэтоксисилан снг=сн —Si—о—сн2—сн3;
о —сн2—сн3
винилтрис (Р*метоксиэтокси) силан
О —_CHj—СН2—0 —CHj
. I
О —СН2——СН2—-0 ^~CHj
Эти вещества выбирают потому, что группы, показанные слева от Si, при определенных условиях могут легко присоединяться к макромолекуле ПЭ, а группы, показанные справа, легко подвергаются гидролизу. Прививку органофункциональных групп осуществляют обычно в присутствии небольшого количества пероксида дикумила при 160—170° С по реакции
сн2осн3сн2 ' осн3
II пероксид II
СНг + СН2=СН —Si—0CMj —*СН2—СН2—СН2 —5i — ОСН,・
СРхосн3сн2ОС%
В присутствии воды происходит гидролиз привитых макромолекул по органофункциональным группам и последующее сшивание, 叮。ускоряется присутствием катализатора (дилауратидибутилолово):
II
СН2ОСН3СНгОСНз
IIII
2СН—СНг—СН2—51 —0СН3+2Нг0 —*2СН—СН2—СН2 —5i —ОН <«>2СНэ0Н―►
IIII
CHZосн3сн2осн3 .
СН2ОСНз ОСНЭCHz
IIII
f СН —СН2—СН2—Si—О—Si—СНг—СН2—СН +2СН30Н +Н2о .
IIII
СН20СН3 0СН3сн2
Таким образом, на образование одной поперечной связи израсходована одаа молекула Н2О, при этом образовались две молекулы СНзОН. Следует отметить, что связь Si——О—Si очень стабильна, так как энергия связи составляет 780 Дж/моль что заметно выше, чем у связи С——С (630 Дж/моль), образующейся при пероксидаом и радаационном сшивании. Заметим также, что поскольку у каждого атома Si имеется по три реакционноспособных группы, то в каждом узле ошибки может быть соединено до шести макромолекул ПЭ, что отражается на механических свойствах (при пероксидаом и радаационном сшивании соединяются только по две макромолекулы).
Для протекания реакции сшивания требуется обеспечить поступление молекул воды к полифункциональным группам, что осуществляется благодаря диффузии воды в ПЭ, поэтому скорость реакции сшивания будет зависеть как от коэффициента даффузии, так и от геометрических размеров кабеля (прежде всего, от толщины изоляции). На рис. 7.5 показано изменение гель-фракции ' ПЭНП от времени сшивания в различных условиях (различный коэффициент диффузии), а на рис. 7.6 дана зависимость длительности сшивания в воде при +100° С ПЭНП от толщины изоляции [45]. Ориентировочно длительность сшивания 厶 ч, можно определить по формуле
(7.1)(7.1)_ A2
(7.1)
(7.1)
где А—толщина изоляции, м; W—относительная влажность, %; к——постоянная диффузия, которая для ПЭНП при температурах 95, 90, 75 и 20° С соответственно равна 1,2; 1,0; 0,8 и 0,1 10~4.
Рис. 7.5. Зависимость гель-фракции Г в привитом ПЭ (толщина 2 мм) от длительности контакта с влагой:1 — вода при 80° С; 2——то же при 60° С; 3 ——воздух при отиосительиой влажности 90%, 40° С; 4 —— нормальные атмосферные условия, 20° СРис. 7.5. Зависимость гель-фракции Г в привитом ПЭ (толщина 2 мм) от длительности контакта с влагой:1 — вода при 80° С; 2——то же при 60° С; 3 ——воздух при отиосительиой влажности 90%, 40° С; 4 —— нормальные атмосферные условия, 20° СРис. 7.6. Зависимость длительности сшивания т от толщины изоляции АРис. 7.6. Зависимость длительности сшивания т от толщины изоляции А
Рис. 7.5. Зависимость гель-фракции Г в привитом ПЭ (толщина 2 мм) от длительности контакта с влагой:
1 — вода при 80° С; 2——то же при 60° С; 3 ——воздух при отиосительиой влажности 90%, 40° С; 4 —— нормальные атмосферные условия, 20° С
Рис. 7.5. Зависимость гель-фракции Г в привитом ПЭ (толщина 2 мм) от длительности контакта с влагой:
1 — вода при 80° С; 2——то же при 60° С; 3 ——воздух при отиосительиой влажности 90%, 40° С; 4 —— нормальные атмосферные условия, 20° С
Рис. 7.6. Зависимость длительности сшивания т от толщины изоляции А
Рис. 7.6. Зависимость длительности сшивания т от толщины изоляции А
Готовая композиция, содержащая как привитой полиэтилен, так и катализатор сшивания, как видно из рис. 7.5 (кривая 4), не подлежит хранению свыше нескольких часов, так как даже влаги, имеющейся в воздухе и в ПЭ, достаточно для протекания реакции сшивания. Поэтому разработано несколько специальных технологических схем, позволяющих реализовать этот способ на практике.
По первому способу на первой стадии приготовляют привитой ПЭ и концентрат катализатора сшивания и антиоксиданта с полиэтиленом; обычно эта стадия выполняется на химическом заводе. Оба компонента хранят отдельно и смешивают только, перед экструзией; на следующей стадии производят смешение двух компонентов в соотношении 95:5, экструдируют и сшивают изоляцию. Этот способ, впервые предложенный фирмой Dow Corning под названием Sioplas Е (патент США № 3.646.155 от 29.02.1972), называют двухстадийным процессом; схема его представлена на рис. 7.7. Привитой ПЭ нужно хранить упакован-
^с. 7.7. Схема двухстадийного процесса изготовления изоляции из сшитого полиэтилена (метод Sioplas Е)
Рис. 7.8. Схема одностадийного процесса изготовления изоляции из сшитого полиэтилена (метод MonoSil)
ным в тару, защищающую его от воздействия влаги, срок хранения 0,5—1 год; после смешения с концентратом катализатора срок хранения составляет не более нескольких часов. Экструзия изоляции и оболочки производится на обычных экструдерах с использованием таких же инструмента и режимов, как и для термопластичного ПЭ.
Существует и другая технологическая схема, где смешение всех компонентов совмещают с экструзией. Этот одностадийный процесс, предложенный впервые фирмами Maillefer и BICC (патент США № 4.117.195 от 26.09.1978) и названный процессом Monosil, имеет ряд преимуществ перед двухстадийным, но требует специального экструдера.
Одаостадииный процесс идет по схеме, приведенной на рис. 7.8. Все инградиенты подаются непосредственно в бункер экструдера; последующие операции производятся так же, как и в двухстадийном процессе. Преимуществом одностадийного процесса по сравнению с двухстадийным являются меньшая стоимость материалов (поскольку не учитываются амортизационные отчисления от смесительного и экструзионного оборудования для приготовления компонентов композиции), возможность длительного хранения материалов и применения композиций, содержащих гигроскопичные добавки (сажу, мел и т. п.).
Для повышения эффективности процессов можно применять составы, представляющие собой готовые смеси добавок. Так, фирма Union Carlide (США) выпускает смеси, состоящие и3 винилтриметоксисалана с пероксидом (силокс-7, 13 и 22) дая прививки ПЭ в двухстадийном процессе, с катализатором сшивания (силкат-17) и с катализатором и пероксидом (силкат-W для одаостадийного процесса.
Существуют варианты рассмотренных выше двух основных процессов. Так, фирма Kabelmetal при схеме двухстадийного процесса смешение силана с ПЭ, а также катализатора и антиоксиданта с ПЭ проводит в скоростных смесителях при воздействии температуры без последующего экстрударования и гранулирования (патент США 4.289.860 от 15.09.1981). Прививка происходит как в одаостадийном процессе в экструдере для наложения изоляции обычной конструкции.
Для сшивания необходимо очень небольшое количество влаги, по крайней мере гораздо меньшее, чем сорбируется ПЭ изоляцией в процессе паровой вулканизации. Но поскольку скорость сшивания лимитируется диффузией, то длительность процесса существенно зависит от толщины изоляции и температуры. Так как сшиванию подвергают еще термопластичную изоляцию, то температура не должна приводить к деформации изоляции и не должна превышать 90—100° С. Хотя в принципе возможно сшивание даже путем выдержки в нормальных атмосферных условиях, его обычно проводят, погружая барабаны с проводом в бак с горячей водой либо в камеры, заполненные водяным паром.
Поскольку, как указывалось выше, густота образующейся сетки обычно больше, чем при пероксидном или радиационном сшивании, то механические свойства изоляции будут лучше при одинаковом содержании гель-фракции.
Так, относительное удлинение при 150° С и нагрузке 20 Н/см2 (2,05 кгс/см2) составляет, %:
Гель-фракция,
ПЭ, сшитый
ПЭ, сшитый через поли
%
пероксидом
функциональные группы
60
Более 200
100
65
170
70
70
130
50
75
90
30
80
70
20
85
50
90
30
—
Аналогичные результаты получаются и при воздействии продавливающих нагрузок.
Технология сшивания полиэтилена через полифункциональные группы нашла применение для изготовления проводов и кабелей различного назначения——прежде всего, монтажных и установочных проводов с относительно тонкой изоляцией, а также силовых кабелей низкого и среднего (до 30——35 кВ) напряжения. Поскольку испытания показали преимущество изоляции, изготовленной по зтому способу сшивания, перед пероксидным сшиванием по стойкости к электрическому старению, то начаты исследования возможности создания кабелей на более высокое напряжение. Кроме того, ПЭ, сшивающийся через полифункциональные
группы, оказался наиболее перспективным материалом для изготовления безгалогенных кабелей, не распространяющих горе, ние, так как многие добавки разрушаются при воздействии высоких температур вулканизации и ионизирующего излучения.
РАДИАЦИОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ
При воздействии ионизирующего излучения на полимеры протекают различные физико-химические процессы, практически полезным из которых является процесс сшивания макромолекул, реализуемый благодаря рекомбинации свободаых радикалов, возникающих при разрыве связей С——Н. Уравнение химической реакции приведено в § 7.1. Одновременно с этой полезной реакцией под воздействием излучений, к сожалению, неизбежно протекает и вредный процесс деструкции, обусловленный разрывом валентных связей в главной цепи макромолекулы или в боковых ответвлениях, а также процесс изменения ненасыщен- ности, т. е. образование и трансформация двойных углеродуглеродных связей.
Соотношение скоростей этих полезных и вредных процессов, зависящее как ют строения макромолекулы материала, так и от условий облучения, определяет возможность осуществления радиационного сшивания. Например,- ПЭ при умеренных дозах, как правило, сшивается, а поливинилхлорид преимущественно дест・ руктируется. у
Фторполим^ры на воздействие ионизирующих излучений реагируют по-разному: перфторированные полимеры (ПТФЭ, ФЭП, ПФА) преимущественно подвержены деструкции, а водородсодержащие (ЭТФЭ, ПВДФ) преимущественно сшиваются с образованием пространственной сетки. Протекание рассмотренных реакций сопровождается образованием значительного количества продуктов деструкции и выделением газа из полимера. Поскольку количество образующихся радиационных дефектов пропори онально поглощенной дозе, то, уменьшая необходимую ДО? сшивания дозу, можно сместить баланс рассмотренных реакции в пользу сшивания. Так, вводя специальные добавки (сенсибилизаторы) в ПВХ-пластикаты, можно подвергать их сшиванию при малых поглощенных дозах без чрезмерной деструкции; при повышенных температурах ускоряется процесс сшивания ФЭП, который начинает преобладать над деструкцией, и т. Д* Следует подчеркнуть, что для реализации каждого элементарного акта реакции сшивания макрорадикалов необходимо их 艺 разование в непсюредственной близости друг от друга. Поскольку это условие, разумеется, реализуется не всегда, то и п鳴 завершения процесса радиационного модафицирования в изоЖ1^ остаются реакционноспособные центры, способные в дальне吗覺 либо из-за миграции валентности, либо из-за подвижной 250 ' »
фрагментов макромолекул увеличить степень сшивания, что часто Практически наблюдают после воздействия повышенной температуры.
Хотя для радиационного модифицирования полимеров могут быть использованы различные источники излучений, в кабельной промышленности нашли применение, главным образом, ускорители электронов и очень ограниченно источники у-излучения [45].
Преимущество у-излучения заключается в большей по сравнению с электронами проникающей способности, что позволяет проводить обработку крупногабаритных изделий; в качестве источника в этом случае применяют изотоп Со60 (период полураспада 5,3 года), испускающего два у-кванта с энергиями 1,33 и 1,7 МэВ.
Недостатком изотопных источников у-излучения является небольшая мощность поглощенной дозы (не более 5——10 кГр/ч), что приводит к большой длительности процесса облучения для набора необходимой поглощенной дозы (десятки и сотни часов) и к необходимости принятия мер по предотвращению окисления полимера в процессе облучения путем облучения в вакууме или в среде инертного газа. Поэтому наибольшее распространение в качестве источников излучения в кабельной промышленности получили ускорители электронов с мощностью в пучке от 20 до 150 кВт.
Основными технологическими параметрами, определяющими производительность и качество (степень и равномерность) сшивания, являются поглощенная доза излучения, необходимая для радиационного модафицирования и выражаемая в греях, радах или джоулях на килограмм, энергия электронов 瓦 обычно выражаемая в джоулях или электрон-вольтах и определяющая глубину проникновения электронов в материал X, I——ток пучка электронов, 「——гель-фракция (или другой параметр), определяющий степень сшивания, и степень неравномерности поглощенной дозы А尸.
Доза, необходимая для радиационного модифицирования (технологическая доза), зависящая как от свойств материала, так И от вида и уровня технических требований, предъявляемых к готовому изделию, обычно определяется на стадии исследований материала и разработки изделия. Например, в табл. 7.2 приведены Данные зависимости некоторых эксплуатационных свойств фто- Ропласта-2М от поглощенной дозы излучения; из этих данных бедует, что для снижения усадки в 3 раза достаточно поглощений дозы 0,05 МГр (5 Мрад), для ликвидации текучести—0,1 需р (10 Мрад), для снижения деформации в 2 раза—0,3 МГр ；0 Мрад), а дая обеспечения относительного удлинения при ^рыве на уровне не менее 100% поглощенная доза не должна Ревышать 0,2 МГр (20 Мрад). Поэтому выбор технологической ；03bl облучения всегда является результатом компромисса между Различными свойствами.
Таблица 7.2. Зависимость эксплуатационных свойь» фторопласта-2М поглощеииой дозы облучения
Поглощенная доза, МГр
Усадка изоляции, мм
ИТР, г/10 мин
Деформация при продавливании, %
Относительное удлинение при разрыве, %
0
1,6
3,4
100
38。二
0,02
0,8
370 编
0,03
1,45
0,3
3551
0,05
0,45
0,1
310 Я
0,07
0,36
0,02
260 Л
0,10
0,01
200
0,20
105 電
0,30
—
—
52
0,50
—
—
Технологические дозы излучения, необходимые для сшива^ ния различных материалов, МГр, ориентировочно составляют:
ПЭНПтерморадиационностойкий 1,0
ПЭНПкабельный 0,25—0,50
ПЭНПс добавками,ускоряющими сшивание ...0,1——0,20
ПВХ-пластикат 0,03—0,1
ПВДФ 0,05—0,15
ЭТФЭ :……….0,1—0,3
При выборе технологической дозы следует учитывать, что с ее увеличением резко ускоряется расход антиоксиданта (стабилизатор), а также разрушение некоторых нерадиационностойких добавок, вводимых в композицию для придания специфических свойств. По этой причине в композиции для радиационного модифицирования обычно вводят повышенное количество антиоксидантов. Кроме того, как указывалось в комментарии к рис. 7.2, даже полимеры с одинаковым химическим строением сшиваются по-разному, особенно если в состав композиций входят ингредиенты, оказывающие сенсибилизирующее воздействие. Поэтому технологическую дозу выбирают, исходя из особенностей модифицируемого материала, конструкции и требований к проводу и с учетом вида излучения и способа облучения.
Энергию электронов, необходимую для облучения, выбирают, исходя из вида излучения, геометрии провода и плотности материала изоляции. При облучении, например, у-квантами с использованием в качестве источника изотопов Со60 глубина проникновения практически всегда существенно превышает поперечные размеры кабельного изделия; поэтому его геометрия значения не имеет. Сложнее обстоит дело при облучении электронами, так как поглощенная доза резко зависит °т глубины проникновения электронов, а предельная глубина проникновения соизмерима с толщиной изоляции и обрати пропорциональна плотности материала. Для вещества с едини4' 252 d
Энергия МэВЭнергия МэВ
Энергия МэВ
Энергия МэВ
облучения поглощенная доза рас-々”"『 Д по толщине материала 丿尸 А (цифры на кривых—энергия из-
пределяется по толщине нерав-лучения, МэВ)：
НОМерНО. ЕСЛИ за меру неод-одностороннее облучение;
нородности принять* величинудвухстороннее облучение
^D^^-Dmin 100%"max + DmE
как рекомендовано в следующие значениякак рекомендовано в следующие значения[46], то она будет иметь примерно
как рекомендовано в следующие значения
как рекомендовано в следующие значения
Неравномервость, %：
ПРН односторовнемпри двухстороннем
облученииоблучении
100100
10038
76,517,1
29,016,9
Для снижения неравномерности распределения поглощенной ддзы можно увеличивать энергию электронов, но при этом чем выше энергия, тем большая часть электронов
будет проникать через материал без поглощения, т. е. будет снижаться степень использования энергии излучения. Таким образом, выбор энергии электронов будет являться комп* ромиссом между допустимой степенью неоднородности рас- пределения поглощенной дозы по глубине и энергозатратами. Распределение полей поглощенных доз с учетом экранирующего действия жилы еще более сложно и неоднородно (рис. 7.10). Как следует из_рисунка, одностороннее облучение не позволяет получить однородного сшивания (направление пучка электронов показано стрелками). Благодаря многостороннему облучению удается повысить однородность,. однако при этом хотя и со- кращается объем необлученного материала (/), но появляются участки облучения дважды (2) или даже трижды (3)——при четырехстороннем облучении. Из рисунка следует, что рост диаметра жилы увеличивает неоднородность. Идеальным случаем было бы применение радиально направленного пучка электронов, но технически это реализовать довольно сложно.
Сочетание графоаналитического анализа с экспериментальными данными позволяет сделать следующие выводы. Неод- нородность распределения поглощенных доз в изоляции круглого кабеля выше, чем в плоской пластине, и в лучшем случае достигает 35——40%; она снижается при уменьшении толщины изоляции и диаметра жилы, увеличении тока пучка и энергии электронов. Большей равномерности удается достичь
Рис. 7.Т0. Распределение поглощенных доз в изоляции провода при разны способах облучения
при многостороннем облучении. При этом объем изоляции, получивший дозу в пределах ±20% оптимальной, составляет 70—80%; объем недооблученного материала составляет 15— 20%, а переоблученного 3—10%. Значение энергии электронов рекомендуется выбирать таким, чтобы длина пробега была примерно в 2 раза выше, чем толщина изоляции.
Расчет скорости облучения ведут следующим образом. Зная" технологическую дозу, т. е. количество энергии, необходимой для сшивания единицы массы материала, получаем, что для сшивания изоляции 1 м провода требуется Dm энергии, где т ——масса 1 м провода; при линейной скорости и полезная мощность составит Dmv. Учитывая, что полезную мощность можно записать как Eg, где Е—энергия электронов; /—ток в пучке; г| ——коэффициент использования энергии излучения, получаем Dmv = EIx\. Далее, учитывая, что m — ii{R2 — г1)р, где* R и г ——наружный и внутренний радиусы изоляции, а р—— плотность материала изоляции, и что толщина изоляции А = К — г, окончательно получаем
Коэффициент использования энергии г| учитывает, что часть электронов проходит мимо провода из-за неполного перекрытия площади пучка облучаемым изделием, часть электронов поглощается в токопроводящей жиле, часть проходит изоляцию без поглощения; коэффициент rj зависит также от технологических факторов и изменяется от 35 до 95%.
Следует также учитывать, что выходящий из ускорителя пучок электронов часть пути до облучаемого провода проходит по воздуху; на этом пути происходит рассеивание пучка с уменьшением энергии и изменением распределения интенсивности, в результате чего максимальная поглощенная доза (в центре выпускного окна) уменьшается пропорционально расстоянию.
При выборе режима облучения нужно помнить, что поглощение энергии полимером связано с выделением в нем значительного количества теплоты. Из-за низкой теплопроводности полимера это приводит к его разогреву на 3—6° С на каждый поглощенный мегарад, что ограничивает значение максимально возможной дозы, поглощаемой за один проход. Поэтому дозу устанавливают дробными, небольшими порциями, чередуя облучение с охлаждением. Этот же эффект следует учитывать и при переходных режимах, так как снижение скорости при неизменных параметрах ускорителя ведет не только к переоблучению, но и к превышению температуры Изоляции и ее повреждению.
Таблица 7.3. Основные параметры ускорителей, приемлемых в кабельной технике
Показатель
Зарубежные ускорители
Отечественные ускорители
ЭЛВ-1
ЭЛВ-2
ИЛУ-6 ，
Энергия электронов, Дж (МэВ)
(1,6 —6,4)х х 10~13
(0,8-1,1) х х 10*13
'(1,3-2,4)х
(0,8-3,2) х
(1—4)
(0,5-0,7)
(0,8-1,5)
@5-2,0)，
Мощность и
20—150
20
20
20
пучке, кВт Максимальный
20—100
40
25
40
ток пучка, мА Размеры вы-
пускного окна, мм:
980
длина
980
* 980
ширина
—
75
■*Д5
75
Как показано выше, при облучении образуется значительное количество водорода и других газообразных продуктов радиолиза, которые, не успевая диффундировать в окружающую среду, могут накапливаться в полимере и образовывать микропустоты. Это также ограничивает мощность поглощенной дозы и особенно критично для толстостенной изоляции.
Основные параметры ускорителей, применяемых для радиационного модифицирования кабельных изделий, приведены в табл. 7.3.
Описание конкретных установок, применяемых для радиационного модифицирования изоляции проводов и кабелей, и конкретные технологические режимы даны в § 9.4.
Глава восьмая
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КАБЕЛЕЙ
И ПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС И РЕЗИН
РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ВУЛКАНИЗАЦИИ / ПЛАСТМАССОВЫХ ИЛИ РЕЗИНОВЫХ ПОКРЫТИЙ
Общие положения. Расчет технологических режимов вулканизации, как правило, сводится к определению скорости движения изолированной токопроводящей жилы или заготовки кабеля в ЛКНВ. Для выполнения расчета необходимо нме^ конструкцию изготовляемого кабельного изделия или полу»； риката (геометрические размеры по элементам, типы примени
емых материалов), знать технические характеристики используемой ЛКНВ (производительность экструдера, длина вулканизационной камеры, температурные режимы, диапазоны линейных скоростей), теплофизические и технологические характеристики применяемых пластмасс и резин.
Полученная при расчете скорость вулканизации должна обеспечить полное завершение процесса вулканизации, т. е. вулканизируемый слой пластмассы или резины должен прежде всего прогреться до температуры вулканизации, а затем подвергнуться воздействию этой температуры в вулканизационной камере в течение времени, достаточного для протекания и завершения сшивания линейных цепей вулканизуемого материала. Таким образом, необходимо рассмотреть изменение температурного поля кабельного изделия в зависимости от времени пребывания в вулканизационной камере. Способы решения такой задачи приведены в [47——49].
Для расчета температурного поля в полимерном покрытии можно воспользоваться общим уравнением нагрева однородного бесконечного цилиндра:
尹双小)ia双小)раз(/) ) 力 2 г дг а Ы ' *
В этом выражении Э(г, /)—разность температуры в рассматриваемой точке полимерного покрытия и окружающей среды； t — время; г—радиус жилы или кабеля; а—коэффициент температуропроводности изолированной жилы или кабеля: а = Х/су. где 九——коэффициент теплопроводности изолированной жилы или кабеля; с——коэффициент теплоемкости изолированной жилы или кабеля; у ——плотность* изолированной жилы или кабеля.
В дальнейшем для упрощения вместо понятия изолированной жилы или кабеля введем понятие изделия.
Для решения этого уравнения необходимо задать следующие граничные условия: а) начальное распределение температуры в теле; б) условия теплообмена на поверхности тела и окружающей среды. При этом значение коэффициента а принимается постоянным, а также считается, что в слое полимерного материала источники тепловыделения отсутствуют.
Граничные условия можно задавать несколькими способами, но в рассматриваемом случае для решения уравнения следует воспользо в аться так называемыми граничными условиями третьего рода [50], при которых задаются температура окру- бающей среды Т} и коэффициент теплоотдачи а:
訴厂「J d • (8・2)
Здесь d——диаметр изделия, а 9=Т* — Т『, где Tw——температура! на поверхности изделия.
Граничное условие третьего рода, по существу, показывает, что количество теплоты, подводимой из внутренней части изделия к его поверхности, эквивалентно количеству теплоты, отводимой с поверхности изделия в окружающую среду.
Начальные условия могут быть сформулированы следующим образом: при / = 0 Э(г) = Э0? где 瓦一температура окружающей среды.
Решение уравнений (8.1) и (8.2) может быть осуществлено двумя способами: упрощенным, когда кабель рассматривается как сплошной однородный цилиндр, теплофизические характеристики которого соответствуют теплофизическим характеристикам вулканизуемого материала; более точным, при котором учитывается наличие металлической жилы внутрь рассматриваемого цилиндра, а также принимается во внимание зависимость теплоемкости вулканизуемого материала от тем
пературы. .
Упрощенный способ расчета технологических режимов иа ЛКНВ. Упрощенный способ решения (8.1) и последующегЛ определения скорости вулканизации [47, 48] дает близкиЛ к практике результаты, если сечение жилы невелико и 損 сравнению с сечением изоляционных и шланговых покрытий, подвергаемых вулканизации, а также для случаев наложения вулканизации оболочек на многожильные кабели не слишком больших сечений.
Аналитическое решение уравнений в зтом случае возможно^ при следующих допущениях. Как уже упоминалось, теплофиЦ зические характеристики кабеля принимаются равными теп! лофизическим характеристикам вулканизуемого материал Л Оценка погрешностей, полученных в результате этого допущеЗ ния, показывает, что они для массово выпускаемых кабелей находятся в пределах 10%. Действительно, теплоемкость единицы длины кабеля С можно рассчитать как
e =p《口fП十 p^c^F薫, (83)
где рп, g и 冗——соответственно плотность, удельная теплоемкость и сечение покрытия; рж, с* и &^~—соответственно плотность, удельная теплоемкость и сечение токопроводящей жилы.
Теплоемкость единицы, длины цилиндра, замещающего кабель,
Ь = РпСп(冗+ &)• (84)
Соотношение C/C'Wl для большинства серийно выпускаемых кабелей и проводов, особенно для кабелей и проводов с резиновой изоляцией или шлангом малых и средних сечений.
Кроме того, при проведении расчета упрощенным способом не учитывается зависимость теплоемкости от температуры. Исходя из того, что скорость движения изделия в вулканизационной камере постоянна, можно считать температурное поле в сечении кабеля, движущегося со скоростью и и находящегося на расстоянии от начала вулканизационной камеры, таким же, как если бы кабель был неподвижным и нагревался в вулканизационной камере в течение времени t = x/v (предельное значение х равно длине вулканизационной камеры). Допускается также, что начальная температура изделия по сечению постоянна, а теплоотвод вдоль поверхности изделия отсутствует (т. е. длина вулканизационной камеры много больше диаметра изделия). Далее, теплоотдача на поверхности изделия в вулканизационной камере очень интенсивна; поэтому принимается, что поверхность обрабатываемого изделия при входе в вулканизационную камеру мгновенно приобретает температуру окружающей среды. Считаем также, что температура в вулканизационной камере постоянна по длине и не изменяется во времени.
Решение (8.1) может быть получено следующим образом. Исходное уравнение представляется в форме произведения двух функций, одна из которых зависит только от времени t, а другая——только от радиуса изделия г:、
9(г, t) = W惻).(8.5)
После ряда преобразований можно получить
Э(г, t) = Ae~an2tJQ(wr),(8.6)
где Л——произвольная постоянная; п——некоторая постоянная, определяемая из граничных условий; Jo ——функция Бесселя нулевого порядка первого рода.
Величина п = м[R, где т ——корень характеристического уравнения, a R ——наружный радиус изделия.
Так как имеется бесчисленное множество корней характеристического уравнения (川工，加？，…，mJ, удовлетворяющих граничным условиям, то можно представить (8.6) в следующем виде:.
9(力)=£/低)J。(也/e-m；Fo.(8.7)
В (8.7) wij ——корни характеристического уравнения, a Fo —— критерий Фурье.,
Критерий Фурье, или критерий тепловой гомохронности, Характеризует связь между скоростью изменения температур” h°f。поля, физическими характеристиками и размерами тела:
Fo = a〃G,(8.8)
17*259
где /——линейный размер (в нашем случае /=К); а——коэф- фициент температуропроводности вулканизуемого покрытия. Постоянные коэффициенты Л, (т^ определяются по заданному распределению температур в изделии [при Т=0 Э(г) = ЭнаЧ5 где 9нан—начальная температура кабеля].
Окончательное решение (8.1) в критериальном виде может быть представлено следующим образом:
(8.9)(8.9)@忆),2L(叫w勾Eq
(8.9)
(8.9)
а£ ^» 卩弘 п)+北(m)]
Здесь Jj——функция Бесселя первого порядка первого рода; 0(r, f)——разность между температурой внутренней поверхности вулканизуемого полимерного покрытия 9в и температурой окружающей вулканизационной среды в момент времени t [0 (г, е) = 9в —В。]； ©о ——разность между начальной температурой кабеля 9нач и температурой окружающей вулканизационной среды В。，т. е. 0о = Энач —Эо.
В рассматриваемом случае под г понимается внутренний радиус вулканизуемого полимерного покрытия, а под R — наружный радиус.
Выбор температуры вулканизации зависит от типа вул- j канизуемого материала. Так, при вулканизации резиновых j смесей чаще всего используется насыщенный водяной пар при J температуре 200—210° С и давление 1,6—2 МПа. Вулканизация полиэтилена проводится в среде инертного газа一азота при 340—350° С и давлении 1,1 —1,3 МПа или в жидких теплоносителях (силиконовые жидкости, глицерин, этиленгликоль и т. д.).
Начальная температура кабеля ориентировочно рассчитыва-, ется как полусумма температуры в головке экструдера и тем-' пературы цеха. Это справедливо, если отсутствует предвари- I тельный подогрев жилы. При наличии такого подогрева ! необходимо вместо температуры цеха, которая составляет 20—30° С, брать температуру, до которой предварительно подогрет кабель (90—100° С).
Известно, что корни характеристического уравнения 人 можно найти из уравнения
(8.Ю)(8.Ю)Jo (^)
(8.Ю)
(8.Ю)
Ji(n?) Bi
где Bi ——критерий Био.
Критерий Био, или критерий краевого подобия, характеризует связь между полем температур в твердом теле и условиями теплоотдачи на его поверхности:
Bina//』(8.U)
рис. 8.L Графическое решение характеристического уравнения:
%他)=也
где /=R; a——коэффициент теплоотдачи; Кпокр——коэффициент теплопроводности вулканизуемого покрытия.
尸 g/Bi;尸 g/Bi;2 — зависимость2 — зависимостьУУJo的)J1㈣Jo的)J1㈣.Проекции точек пересече.Проекции точек пересечеУравнение (8.10) можно решать графически (рис. 8.1), На рис. 8.1 введены следующие обозначения: 1—зависимость
尸 g/Bi;
尸 g/Bi;
2 — зависимость
2 — зависимость
У
У
Jo的)
J1㈣
Jo的)
J1㈣
.Проекции точек пересече
.Проекции точек пересече
ния зависимостей У и 2 на ось абсцисс и определяют значения искомых корней характеристического уравнения т2, 加3,
Если теплоотдача с поверхности изделия достаточно велика, то зависимость y = /Wj/Bi сливается с осью абсцисс и пересекает график функции y=：g叫 в точках, где Jo(w£)=0. Следователь-
•Мт) '
(8.12)(8.12)но, если а и Bi достаточно велики, в частности Bi» 1, то уравнение нагрева внутренней поверхности вулканизуемого цилиндрического покрытия упрощается:
(8.12)
(8.12)
仇 w mJ (叫
Как правило, для получения необходимой точности расчетов достаточно использовать первые четыре корня характеристического уравнения (2,405; 5,520; 8,654; 11,792).
Уравнение (8.9), относящееся к общему случаю нагрева изделия, когда нагрев изделия происходит не очень интенсивно н теплоотдача с поверхности изделия не очень велика, может
261
Рис. 8.2. Зависимость между температурами в цилиндрическом изделии и критериями Bi и Fo:
а—на наружной поверхности цилиндрического изделия; 6—do оси цилиндрического изделия
быть решено графически. Соотношения между температурами в цилиндрическом изделии и критериями Bi и Fo для этого случая показаны на рис. 8.2.
При вулканизации в паровой среде нагрев поверхности изделия может происходить в условиях частичной конденсации пара на поверхности, что улучшает теплоотдачу. В любом случае для выполнения расчета необходимо определить значение коэффициента теплоотдачи а. Это требуется и для решения вопроса о том, каким расчетным выражением ——(8.9) или (8.12)——следует пользоваться, и для определения критерия Bi в соответствии с (8.11).
Известно, что критерий Нуссельта
Nu = a//X(8.13)
представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и характеризует связь между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока. В качестве о предел яющего размера для каналов круглой формы принимается диаметр канала, т. е. в нашем случае
Nu=ad/入 и a = Nu 九/d.(8.14)
(8.15)(8.15)Значения теплопроводности X, как и других теплофизических параметров вулканизационной среды, определяются при средней температуре этой среды /т:
(8.15)
(8.15)
где 8110Kp. Ср—средняя температура вулканизуемого покрытия, приближенно определяемая как Опокр. ср = (SHa4 + 9К0Н)/2 (в качест- ве 9нач используется температура головки экструдера 9「, & в качестве Экон ——температура, до которой нагревается изделие в вулканизационной среде); Tf = % температура вулканизационной (окружающей) среды.
Таким образом, необходимо определить критерий Nu, после чего, зная 九 я & можно определить и величину а.
Критерий Нуссельта определяется на основе уравнений подобия. Теория подобия основывается на том принципе, что решение физических задач, в частности, в области теории теплообмена не должно зависеть от серийного выбора системы мер. Уравнения процесса, представленные в безразмерном виде, одни и те же для различных систем мер [51, 52]. Упрощенный смысл теории подобия в области теплообмена можно выразить следующим образом: процессы теплообмена подобны, если соответствующие критерии подобия для них равны или лежат в каких-то определенных пределах. В этом случае закономерности тепловых процессов, установленные экспериментально для одного смоделированного процесса, можно распространить на другие, подобные ему процессы.
Уравнения подобия представляют собой зависимости критерия Нуссельта от тех или иных определяющих критериев, которые характеризуют рассматриваемый процесс. В общем виде эти уравнения могут ‘ быть представлены следующим образом:
Nu=/(Re, Pr, Gr), (8.16)
гДе Re——критерий Рейнольдса, или режима течения; Рг—-критерий Прандтля, или подобия температурных и скоростных процессов; Gr ——критерия Грассгофа, или мера отношения сил Молекулярного трения и тяжести в потоке.
Критерий Рейнольдса характеризует гидродинамический ре- *нм потока и является мерой отношения в последнем сил Терции и молекулярного трения:
Re-v//v. (8.17)
В (8.17) г——скорость течения; v——коэффициент кинематичес- к°* вязкости; /——определяющий размер《/=d).
Критерий Прандтля является мерой подобия температурных и скоростных полей в потоке:'
Pr = v/〃.(8.18)
Критерий Грасгофа характеризует взаимодействие молекулярного трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока:
Gr = ^₽AT.(8.瞰
где g——ускорение свободного падения; /——определяющий раз^ мер (/=(/); В——коэффициент объемного расширения; АТ——температурный напор, или разность температур.
Уравнения подобия для определения Nu различны для различных режимов движения жидкости или газа. Рассмотрим три основных режима такого движения: турбулентный, ламинарный и переходный.
Турбулентный режим. Это такой режим, при котором отдельные частицы жидкости или газа при установившемся усредненном течении двигаются по случайным траекториям. При этом поток имеет нестационарный характер с развитым вихревым движением и активным перемешиванием жидкости или газа, увеличивающим интенсивность теплоотдачи. Для турбулентного режима значение Re находится в пределах 10s—5-Ю6.
Для турбулентного режима движения газов значение критерия определяется следующим образом:
Nu/ = 0,023 Pr?，4 Re?，8 (1,27-0,27Эпов/Эо)(8.20)
при 0,5<ЭПОВ/Э0<1;
Nu/ = 0,023 Pr%4Re；‘8 (9пов/Э0)-°'55(8.21)
при 1,0<ЭПОВ/Эо<3,5.
В выражениях (8.20) и (8.21) 9П0В и Эо —средние температуры, К, поверхности вулканизуемого кабельного изделия и потока газа, продольно омывающего кабельное изделие. Тепло физические характеристики газа относятся к температуре Тт. 。
Для турбулентного режима неметаллических жидкостей могут быть использованы следующие выражения:
Nu/=0,023 Pry Re戸件(80)
при Эпов>&0；при Эпов>&0；Nu『=0,023 Pry-4Re?'8Nu『=0,023 Pry-4Re?'8(8.23)(8.23)при ЭПОВ<Э0-при ЭПОВ<Э0-
при Эпов>&0；
при Эпов>&0；
Nu『=0,023 Pry-4Re?'8
Nu『=0,023 Pry-4Re?'8
(8.23)
(8.23)
при ЭПОВ<Э0-
при ЭПОВ<Э0-
Здесь Ргп——значение критерия Прандтля при температуре поверхности вулканизуемого изделия.
В (8.22) и (8.23) отношение Рг7/Ргп отражает направление теплового потока. При нагревании интенсивность теплоотдачи несколько повышается по сравнению с охлаждением. Поэтому при нагревании Prz/Prn> 1, а при охлаждении Ргг/Ргп<2.
Ламинарный режим, Это такой режим, при котором частицы жидкости или газа при установившемся течении следуют по плавным и устойчивым траекториям, а возникающие в потоке случайные нерегулярности течения не развиваются, а самопроизвольно затухают. Фактически частицы жидкости или газа движутся вдоль линий тока и не перемешиваются с соседними слоями. При ламинарном потоке значение Re <2300. С точки зрения теплоотдачи ламинарный режим гораздо менее интенсивен, чем турбулентный.
Для ламинарного режима
Nu/N0,17Re?'33Pr?'43Gr?'i(^y25. (8.24)
Переходный режим. Этот режим характеризуется тем, что значения критерия Re находятся в пределах 2300——10 000. Критерий Нуссельта может быть определен следующим образом: ^
Nu尸左 оРг?，4з(*)325(8.25)
Значения коэффициента kQ находятся в следующей зависимости от Rey：
統
Re,
統
2300
3,6
5000
16,5
2500
4,9
6000
20
3000
4,5
7000
24
3500
10
8000
27
4000
12,2
9000
30
Таким образом, определив в зависимости от режима Движения жидкости или газа по одной из формул (8.20)——(8.25) значение критерия Нуссельта, можно в соответствии с (8.14) вычислить значение коэффициента теплоотдачи. *
Следует учитывать, что в изогнутых трубах, применяемых в наклонных ЛКНВ, теплоотдача выше, чем в прямых участках. вУлканизационной трубы. Причиной этого является поперечная Циркуляция, вызывающая дополнительную турбулизацию пото- 農.Поэтому теплоотдача увеличивается, и рассчитанный по. формулам для прямолинейного канала коэффициент теплоот-
265
внутри вулканизационной трубы.внутри вулканизационной трубы.Рис, 8.3. Зависимость температуры на .наружной и внутренней поверхностях резинового шланга при его вулканизации от времениРис, 8.3. Зависимость температуры на .наружной и внутренней поверхностях резинового шланга при его вулканизации от времени8.4. Зависимость /=/(т), построенная по данным пис. 8.38.4. Зависимость /=/(т), построенная по данным пис. 8.3
внутри вулканизационной трубы.
внутри вулканизационной трубы.
Рис, 8.3. Зависимость температуры на .наружной и внутренней поверхностях резинового шланга при его вулканизации от времени
Рис, 8.3. Зависимость температуры на .наружной и внутренней поверхностях резинового шланга при его вулканизации от времени
8.4. Зависимость /=/(т), построенная по данным пис. 8.3
8.4. Зависимость /=/(т), построенная по данным пис. 8.3
дачи необходимо умножить на поправочньй коэффициент еЛэ1 определяемый как" |
£r=1 + 1,88成/&,(8.26)
где d^ — диаметр канала; RK — радиус кривизны канала по оси.
Если вулканизация протекает в условиях конденсации влаги на поверхности вулканизуемого изделия, например при ву”、 канизации в среде насыщенного пара, то теплоотдача возрастает, и коэффициент теплоотдачи можно рассчитать следующим образом:
―^ (8.27) Kp.cpJ
где ¥□——плотность пара; Хп ——коэффициент теплопроводности пара на линии насыщения; гп——скрытая теплота парообразования; 卩ц ——вязкость пара; S^.n—температура насыщенного пара; Эпокр ср—средняя температура поверхности вулканизуемого изделия.
В качестве температуры кабельного изделия на выходе может быть принята температура вулканизующей среды с последующим уточнением по результатам определения фактического изменения температуры изделия в процессе движения
Далее с использованием (8.9) или (8.12) в зависимости от интенсивности теплоотдачи определяется зависимость температуры нагрева внутреннего слоя 9В от времени нагрева / в вулканизационной камере . Такая зависимость для резинового шланга толщиной 5 мм при внутреннем дааметре 40 мм показана на рис. 8.3. Необхо； димость определения этой зависимости применительно к температуре внутреннего слоя понятна, так как внутренние слои прогреваются значительно медленнее, чем наружные. Технологический режим вулканизации Д°л" жен быть выбран таким, чтобы внутренние слои по-
димерного покрытия были вулканизованы полностью, а наружные не были перевулкани- зованы, так как они большее время находятся в условиях повышенной температуры и вулканизационной среды. Поэтому степень вулканизации в любой точке покрытия должна быть такова, чтобы физико-механические характеристики вулканизированного материала удовлетворяли предъявляемым техническим требованиям.
Для оценки степени вулканизации различных слоев покрытия необходимо определить эффекты вулканизации для этих слоев и сравнить с допустимыми значениями, вычисляемыми для эталонного
образца применяемого полимерного материала, что делается, как правило, в лабораторных условиях.
Известно, что степень вулканизации количественно характеризуется эффектом вулканизации:
t
Е=〃в 力，(8.28)
где А—интенсивность вулканизации.
Если рассматривать эталонный образец, для которого значение интенсивности вулканизации равно 1, то допустимые эффекты вулканизации для эталонного образца будут составлять:
，О
tEmaL / 力=/•О
Эффекты вулканизации внешних и внутренних слоев можно Рассчитывать графоаналитически, для чего перестраивается зависимость температуры слоя от времени /=/(/) (рис. 8.4).
267
Площадь, ограниченная кривой /=/(/), на том или ином участке будет численно равна эффекту вулканизации данного слоя. Площадь фигуры ОВГВ равна эффекту вулканизации внутренней поверхности, а площадь фигуры ОО ГАХ А ——эффекту вулканизации внешней поверхности.
Следует учитывать, что покрытие подвергается дополнительной вулканизации в охлаждающей трубе, так как в течение некоторого времени температура внутренних слоев еще достаточна для протекания процесса вулканизации. Эф. фекты вулканизации внутреннего и внешнего слоев покрытия должны быть не менее Emin и не больше Етах. Если это условие не соблюдается, необходимо изменить условия вул： канизации, в частности время нахождения кабеля в вулканизационной трубе, и вновь повторить расчет. Чем ближе эффект вулканизации внутреннего слоя к tmin и эффект вулканизации наружного слоя к tmax, тем ближе время вулканизации /в к оптимальному.
Зная время вулканизации и длину вулканизационной камеры 厶 можно определить скорость движения и вулканизуемого изделия:
v = L/tB. (8.29)
Способ расчета технологических режимов ЛКНВ с учетом теплоемкости токопроводящей жилы. При этом способе расчета принимается во внимание теплоемкость металлической жилы. Температура по всему сечению жилы практически одинакова, так как ее температуропроводность исключительно велика.
На границе полимерного покрытия и жилы при г — г0, где г0 радиус токопроводящей жилы, имеем [49]
с*^ = 2т。喈+Р*, . (830) ot or
где Рж——тепло, которое выделяется в жиле и идет на нагрев жилы и на теплопередачу в окружающую среду; X—теплопроводность полимерного покрытия.
Приведем (8.1), (8.2) и (8.30) к безразмерным координатам:
х—r/R и Fo = at/R2.х—r/R и Fo = at/R2.(83)(83)
х—r/R и Fo = at/R2.
х—r/R и Fo = at/R2.
(83)
(83)
Тогда имеем
级9 1務_ asдх2^х дх ' dFo'
Соответственно на границе r — rQ
х—х, к — г q /7?,
268，
а при отсутствии источников тепла в жиле
(8.32)(8.32)(8.33)(8.33)„ as asкЛ/-—=—,8 Fo dx
(8.32)
(8.32)
(8.33)
(8.33)
где М—постоянная.
На границе r = R, х=1
一^=（9-吼）8丄
Уравнение (8.31) может быть решено аналитически (если теплоемкость полимерного материала практически не зависит от температуры), а также с помощью ЭВМ.
Рассмотрим аналитическое решение задачи. Если начальная температура полимерного покрытия &нач по всему сечению покрытия одинакова, то в соответствии с [49] это решение в общем виде выглядит следующим образом:
А Зкач = (Эо- Энач)Г 1 - f Bi [NJ。仅-LY皿Д 广貫十
dp
+(7厘一7*.3)2 二82处寸+"Y。("口07"。,(8.34)i=1-修不阳-AT/).
(8.3$)(8.3$)•где цк —корни характеристического уравнения LF—NH=Q или
(8.3$)
(8.3$)
n仅)一尸(m，
при этом вводим обозначения
н=/«;
A=MxnJ0(xn)-J1(xn);
ЛГ=Мхц¥0(хц)-¥1(хц);
GBiYomfYi (砒
^=BiJo(M)-gJi(H)；
/ ж.нан一начальная температура жилы; Jo, Jb Yo, У1 ——цилиндрические функции Бесселя соответственно нулевого и первого порядков, первого и второго рода.
Если радиус жилы мал по сравнению с радиусом изделия по полимерному покрытию (х<0.5), то для расчета можно использовать, формулы, полученные для сплошного цилиндра.
Если теплоотдача достаточно велика (Bi» 1), что харак терно, например, для нагревания изделия в среде насыщенног( пара или охлаждения водой, то с учетом наличия токо проводящей жилы уравнение (8.35) примет следующий вид：
так как、
F-BiY0(M), a a=BiJ°(D
при этом (8.34) для расчета температуры может быть прео( разовано следующим образом:
9Tl=(%-%>) 1-Z-竺业包一中。 +
L[ЬУ0(ц) —^Yo(ц)]м=|lt」
dp..
+(T..s=7з) g Y。(2%小")一(用y丛世4 e-^Fo(8.37)
Продифференцировав выражения в знаменателях слагаемых формулы (8.37), можно привести ее к следующеглу виду:
9一队=他-9易6伊0)+(7期一乙山)尸伊。)，(8.38)
где G(Fo) и F(Fo)——некоторые функции от критерия Fo. Графический метод решения уравнения (8.35) и определение корней 卩欠 приведены в [49].
Если радиус жилы по сравнению с радиусом вулканизуемого покрытия достаточно велик (х>0,5), то при большом значении Bi процесс нагревания протекает значительно быстрее. В этом случае, особенно при к, близких к 1, можно с успехом использовать для приближенных расчетов метод сосредоточенных теплоемкостей. С увеличением значений критерия Bi точность этого метода снижается, однако он незаменим для случая, когда теплоемкость вулканизуемого материала заметно зависит от температуры.
Метод такого расчета изложен в [49]. Прежде всего, предполагается, что вся теплоемкость изоляции сосредоточена на окружности, радиус которой равен среднегеометрическому радаусу изоляции『叩=丿7?力・ Тогда можно составить схему замещения тепловых процессов, показанную на рис. 8.5. Эта схема составляет по аналогии с электрической цепью, в которой электрические сопротивления заменены тепловыми S, источники
Рис. 8.5. Схема замещения тепловых процессов при нестационарном режиме нагреваРис. 8.5. Схема замещения тепловых процессов при нестационарном режиме нагрева
Рис. 8.5. Схема замещения тепловых процессов при нестационарном режиме нагрева
Рис. 8.5. Схема замещения тепловых процессов при нестационарном режиме нагрева
тока——источниками тепловыделения Р и электрические емкости —теплоемкостями элементов конструкции кабельного изделия V.
Затем для каждого элемента конструкции составляется свое дифференциальное уравнение теплового баланса:
" = e屮一2丁，(839)
где 5П—тепловое сопротивление покрытия; Сж —полная теплоемкость жилы g =e3);,
6塞=9« —§о； 0п = 9п —По-
к среднему радиусутеплота, выделяемая (в единицу времени) к среднему радиусук среднему радиусутеплота, выделяемая (в единицу времени) к среднему радиусуследует учитывать, что 9П относится покрытия.
к среднему радиусу
теплота, выделяемая (в единицу времени) к среднему радиусу
к среднему радиусу
теплота, выделяемая (в единицу времени) к среднему радиусу
У равнение (8.39) показывает, что в жиле, расходуется на нагрев жилы и теплоту, поступающую от жилы покрытия.
Аналогично для полимерного покрытия можно записать
(8.40)
'2
где Рп——количество теплоты, выделяющейся в покрытии в единицу времени; Сп——полная теплоемкость покрытия (Сп = с^). Так как Рж и Рп равны 0, то, решая совместно уравнения (8.39) и (8.40), получаем
У《［(1+2 电+—
(8.41)
где
1
а+2%п+2& +
+
СП+2СЛ
1сжс£
e +2e 鸟土^ жхп+25о
“2 =
СП + 2СЖ^
25“
-4СПСЖ—— 5n+ S。
(8.42)
8.2. СПОСОБЫ РАСЧЕТА ОХЛАЖДЕНИЯ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙПОСЛЕ ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ИЛИ ВУЛКАНИЗАЦИИ ПОКРЫТИЯ
8.2.1. Расчет режима охлаждения кабельных изделий с тонкослойным покрытием. Если охлаждаемое покрытие тонкослойное, как, например, при изолировании жил городских телефонных кабелей, то перепадом температуры по толщине изоляции можно пренебречь. В этом случае расчет производится на основе уравнения теплового баланса количества теплоты, поступившей с кабельным изделием, и теплоты, отводимой в окружающую изделие охлаждающую среду.
С кабельным изделием в охлаждающую ванну поступает количество теплоты Q】，которое рассчитывается как
So—тепловое сопротивление окружающей среды ( 50— тАг
Sn—тепловое сопротивление покрытия ( 5П= — In—); стп- \ 2я rj
удельное тепловое сопротивление покрытия, равное 1/1п； индекс;
«нач» обозначает начальную температуру..
Если выражение (8.41) для 0Ж подставить в (8.39), то$ получим
2i = c©-%4
где Ск — теплоемкость кабельного изделия на единицу Вг ——температура изделия при входе в охлаждающую 90ХЛ ——температура, до которой охлаждается изделие.
сk = еTШT + e2m2+ …+ 备mn，i=l,…，%
(8.44)
длины;ванну;
(8.45)
где f= 1, 2, 3, ..., п — число элементов конструкции кабельного изделия (жила, изоляция жил, заполнение и т. д.); т15 т2, ..., w„—массы элементов конструкции кабельного изделия; %, с2, ..., сп ——удельные теплоемкости элементов конструкции кабельного изделия.
Величина т рассчитывается как
% =
十一厂
~ 丄)e* H*q 一 8mH吧、ot” нач 2+2 cs 丿
5+ 2：喂衿戸 J、 /
т = ryF.
(8.46)
Здесь F—площадь поперечного сечения элемента конструкции
Таким образом, по
(8.42) мо>
по среднему радиусу покрыта? изделия может быть рассчитана выражения:
io определить температуру Температура поверхности из ниже приведенного
кабельного изделия; и——скорость движения охлаждающую ванну; у ——плотность материала струкции кабельного изделия.
За величину 9r принимается температура рудера, т. е. считается, что поверхность изделия ждающую ванну с той температурой, какую в головке экструдера; Эохл составляет обычно
При охлаждении кабельное изделие отдает теплоту
изделия через
элемента кон-
головки экст- входит в охла- имеет расплав 40—50° С.
с поверхности
2so
Sn+2so
(8.43)
Аналитическое решение уравнений (8..41——8.43) довольно сложно. Поэтому наиболее эффективно использовать для』х решения ЭВМ, применяя, например, метод решения “ лических уравнений, приведенный в [53].
парабо-
272
22 = 6冗4/(隔一瓦),
(8.47)
где d—диаметр изделия по покрытию; /—длина охлаждающей ванны; а ——коэффициент теплоотдачи; Эср—средняя температура охлаждаемого изделия.
При определении Эср принимается, что температура изделия по длине охлаждающей ванны меняется линейно от Вг до 3°х“，тогда '
18 3125
Scp=(3r + SgJ/2・
(8.48)
273,
Очевидно, что Qi=Q2^ т. е.
(C1KY1 + С2尸2丫2 + …+ cnF„y^ и (& - 9°хл) = and/ (% - 阮).(8.49) Следовательно, если задана скорость движения кабельного изделия через охлаждающую ванну, то длину ванны можно определить следующим образом:
температуре. В принципе эти параметры изменяются, так как в процессе охлаждения Температура пдкрытия изменяется от & до Sow Приближенно тепло физ ические параметры определяются при
，^покр.ср = (^г + ^охл)/2,
а теплофизические параметры среды—при
/" 一仗 1尸 1Y1 + e2ь2Y2+ …+ C!r^/Y>i)D(9r - Soxji)
-а 冗 d®cp-9c)
= (3покр.ср + 3о) = (Зг + §охл)
(8.50)
2
2
+з©・
Если охлаждающая ванна, как и при наложении полиэтиленового покрытия, состоит из нескольких секций с различной температурой охлаждающей воды, то длина каждой секции в соответствии с (8.50) рассчитывается отдельно, а полученные значения длин секций /ь /2 и т. д. суммируются.
Наоборот, если длина ванны известна, то скорость определи-,
2) Зная теплофизические параметры покрытия и охлаждающей среды, можно определить критерии Re, Pr, Gr.
Затем с помощью уравнений подобия, выбираемых в за-
висимости от режима течения, определяемого критерием Рейнольдса, вычисляется критерий Нуссельта … коэффициент теплоотдачи а.
Nu = ad/九 и далее
ется так:
3) По коэффициенту теплоотдачи критерий Био:
а рассчитывается
gd/(3cp — 3o)
(c]尸]¥1 +e2尸2y2 + …+ %居г) (3r - ^охл)
(8.51)
Следует отметить, что на практике скорость движения кабель* В ного изделия, как правило, лимитируется производительностью Н экструдера для данного типа экструзионной линии.9
8.2.2. Расчет режима охлаждения кабельных изделий с учетом * изменения температуры по толщине покрытия. Этот расчет делают в том случае, если перепадом температуры по толщине изоляции пренебречь нельзя. Расчет проводится на основе теории нестациона рной теплопроводности с исп о льз ова нием графических зависимостей безразмерных температур от критериев Fo и Bi, приведенных на рис. 8.2 [48]. Основное допущение при проведении этого ориентировочного расчета заключается в том? что охлаждаемое изделие рассматривается как однородаый цилиндр, хотя в связи с наличием токопроводящей жилы изменяется характер теплоотвода.
При проведении расчета определяется длина охлаждающей ванны, так как, как уже указывалось, скорость движения охлаждаемого кабельного изделия v определяется, как правило, производительностью экструдера. В этом случае обычно задаются начальная температура полимерного покрытия 9нач, принимаемая равной температуре головки экструдера 9Г, и температура охлаждающей среды 90. Кроме того, известны диаметр провода D и толщина полимерного покрытия А- Расчет осуществляется в следующей последовательности.
1) ©пределяются теплофизические параметры, характеризующие материал покрытия (Хпокр, спокр, упокр, апокр) и охлаждающую среду (X, V, с, у, р). Параметры среды определяются при
， ее температуре Эо, а параметры покрытия ——при ее средней
274&
Bi = a/?/Xn0Kp.
4) Затем рассчитываются значения безразмерных температур по графическим зависимостям, приведенным на рис. 8.2. На поверхности изделия в конце охлаждающей ванны
Зохл —瓦
®О 9Г-9О '
(8.52)
Если задать допустимую температуру на оси изделия, то в конце рхлаждающей ванны
®ос 一 ®охл. ос — §0
©О * — 3。'
(8.53)
где Эохл>ос—температура, до которой нужно охладить изделие по оси полимерного слоя.
5) Так как 0ПОВ/0О и 0ОС/0О являются функциями от критериев Био и Фурье, то по их графическим зависимостям, приведенным на рис. 8.2, определяем критерий Фурье, а по критерию Фурье вычисляем время движения изделия в охлаждающей ванне £
t = PoR2/anOKp.
(8.54)
6) Последний этап ——определение длины охлаждающей ванны как /=м Следовательно, можем определить, достаточна ли при рассматриваемых условиях длина ванны для охлаждения как поверхности кабельного изделия, так и любого его элемента, в частности расп о л оженного по оси цилиндрического изделия.
При расчете охлаждения кабельного изделия на ЛКНВ можно пользоваться вышеприведенной методикой, однако необходимо учитывать, что изделие входит в охлаждающую камеру с температурой полимерного покрытия, различающейся по сечению. Поэтому, как правило, делается допущение, что температура охлаждаемого слоя при входе в охлаждающую камеру постоянна и равна полусумме температур внешней Sbhi и внутренней поверхностей &вт шланга:
9皿=(队皿+Q)/2. (8.55)
Если построить зависимость температуры внешней и внутренней поверхностей вулканизуемого охлаждаемого покрытия от времени, то можно количественно оценить степень дополнительной вулканизации этого покрытия при охлаждении. Учитывая эту дополнительную степень вулканизации при охлаждении, можно увеличить линейную скорость движения изделия через вулканизационную камеру.
Глава девятая
НЕТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ И ОБОЛОЧЕК
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНОЙ ПЛАСТМАССОВОЙИЗОЛЯЦИИ
Ленточная полимерная изоляция кабелей и проводов изготовляется методом обмотки токопроводящей жилы. Как правило, такой метод используется, если не пре дета в л яется возможным наложить пластмассовую изоляцию методом экструзии. В частности, методом обмотки приходится изолировать проводники лентами из политетрафторэтилена (фторопласта-4) или полиимидно-фторопластовыми лентами. Для изолирования используются вертикальные обмоточные машины с центральными обмотчиками или горизонтальные обмоточные машины с полутангенциальными обмотчиками.
Принцип действия всех этих машин одинаков. Проволока или токопроводящая жила от датчика направляется через протиры (иногда через правильные приспособления) в устройства (обмотчики), где происходит наложение изоляции методом обмотки с последующим приемом изготовленной продукции или полуфабриката - на барабаны (катушки). Более подробно принципы действия и конструкции обмоточных машин изложены в [4].
Обмотка ориентированными и неориентированными лентами из фторопласта-4, изготовленными методом строжки цилиндрических полимерных заготовок, производится с перекрытием. 276 I
оиьиадоано^ gHwsyduin ^оино«о&^ «омов I ^ -НХНЬНОН9О —— Е 一я§ 第 «rt32£IMS—^ ^мз^йм YWHJ «кмн ПНИГПЕПOHhoIowgo1EW8X°」.6 0£
«ЛН2ЙЬО17
В отличие от «строганых» лент так называемые «давленые» ленты фторопласта-4, изготовляемые методом раскатки на валках корделя, полученного в свою очередь из смеси фторо^ пласта-4 с вазелиновым маслом, накладываются не только с перекрытием, но и встык. При обмотке строганой неориенти^ рованной или давленой пленкой к обмоточному оборудованию предъявляются очень жесткие требования, так как механическая прочность их невысока, а способность удлиняться из-за растягивающих усилйй значительно больше, чем у ориентированных пленок из фторопласта-4 или пленок из других полимерных материалов. Поэтому обмоточные машины для полимерной ленточной изоляции снабжаются специальными устройствами для регулирования и поддержания в заданных пределах ограниченного по значению натяжения, исключающими вытяги-
。массовой изоляции:
I—отдающее устройство; 2—протир； 3—обмотчик; 4—поворотное колесо; 5 — генератор； 6—индуктор； 7—рукоятка управления индуктором; 8—пень; 9 —ванна; /0—калибр 1】—тяговое устройство; 12——приемное устройство； 13—пульт управления
вание или обрыв пленки. Так, на двухходовой обмоточной машине типа ГИМ-ЗА (рис. 9.1), предназначенной для обмотки неориентированными строгаными или давлеными пленками из фторопласта-4 при частоте вращения обмотчиков до 500 об/мин, натяжение ленты регулируется в пределах от 1 до 15 Н(0,1——1,54 кг) с точностью поддержания заданного значения ±10%. '
Для того чтобы из лент фторопласта-4 или полиимидно- фторопластовых лент получить монолитную изоляцию, после обмотки производится тепловая обработка, обеспечивающая необходимую степень герметизации и заключающаяся в нагреве изоляции до 380400° С. Спекание изоляции производится путем нагрева либо в электропечах в атмосфере воздуха или азота (провода малых диаметров), либо с помощью высокочастотного нагрева (провода средних и больших диаметров).
При высокочастотном «нагреве теплота выделяется в токопроводящей жиле, что создает более благоприятные условия для спекания ленточной изоляции [4]. На рис. 9.2 показан агрегат для наложения пленочной изоляции на проводе с последующей высокочастотной запечкой. Рабочая частота генератора 67 кГц, сечение токопроводящих жил——до 60 мм2, линейная скорость ——до 8 м/мин.
ТЕХНОЛОГИЯ НАЛОЖЕНИЯ РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ МЕТОДОМХОЛОДНОГО ОПРЕССОВАНИЯ
Метод холодного опрессования основан на свойстве невул- канизированных резиновых лент соединяться между собой под давлением при нормальной температуре. Наложение изоляции таким методом производится на продольно-покрывательных прессах, которые выполняются многоходовыми (число ходов от 6 до 24, чаще всего 6-12). Схема шестиходового пресса для холодного опрессования показана на рис. 9.3 Г54]. Опрессование может быть двухшовным и одношовным. При двухшовном опрессовании две параллельные резиновые ленты проходят под и над жилой между двумя вращающимися вальцами, на поверхности которых имеются канавки по профилю жилы. При одношовном опрессовании перед каждой парой вальцов устанавливаются направляющие калибры, обеспечивающие охват жилы резиновой лентой перед попаданием ее краев в вальцы. Заданная толщина изоляции обеспечивается путем последовательного наложения нескольких слоев ленты, число которых может составлять от 2 до 20. При одношовном опрессовании при наложении нескольких слоев ленты образующийся шов каждый раз смещается на 180°.
После каждой пары вальцов имеются дисковые ножи, разделяющие опрессованные жилы между собой.
Рис. 9.3. Схема шестиходового пресса 1—отдающее устройство; 2—счетчик длины жилы; 3 — гребенка； 4—диски с кружкамй! с установочным винтом; 8——отборочные ролики; 9 ——направляющий калибр для лентм 13 — приемное устройство]
Для обеспечения монолитности изоляции слои резиньл накладываются с некоторым обжатием 九 значение которого! определяется какI
〃 = d+23-0K，(9.11
где d——диаметр токопроводящей жилы или заготовки кабеля после наложения предыдущего слоя изоляции; 8 ——толщина! резиновой ленты; DK—диаметр канавки вальцов.|
Значение обжатия увеличивается от первой пары вальцов! к последующим, при двухшовном опрессовании一приблизите-! льно на 0,1 мм в каждой паре. При одношовном опрессовании| вытяжки ленты не происходит, поэтому значение обжатия должно быть значительно больше (0,7—1,4 мм).I
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ИЗ ПТФЭ I
В данном параграфе рассмотрены способы изготовления изоляции из порошка и суспензий ПТФЭ [9]. Поскольку! ПТФЭ при температуре даже выше температуры плавления не переходит в вязкотекучее состояние, то для его переработки непригодны методы, обычно применяемые для термопластич-1 ных материалов. Поэтому изготовление изоляции производят! по специальной технологии путем экструзии пасты по следу-1 ющей схеме: просев порошка, введение смазки, смешение! порошка со смазкой, созревание смеси, предварительное фо-| рм®ва®не заготовки, изолирование кабельного изделия на! плу^^фном прессе, удаление смазки и спекание изоляции. I
Просев осуществляют через сито с отверстиями размером около! 2 мм для отделения скомковавшихся частиц, способных вызвать! дефекты в изоляции. Из-за высокой способности электризоваться и притягивать частицы пыли из воздуха как просев порошка, там и все последующие технологические операции следует проводить! в специальных помещениях повышенной чистоты.I
2801
牙勿"勿％/ 〃" 〃勿勿"’勿勿勿勿/^力1友;牙勿"勿％/ 〃" 〃勿勿"’勿勿勿勿/^力1友;для холодного опрессования:резиновых лент; 5—стойка с вальцами; 6—дисковые ножи; 7—верхняя часть стойки резины; 10 ——станина пресса； 11—тяговое устройство; 12—талькирующее устройство; 14—электродвигательдля холодного опрессования:резиновых лент; 5—стойка с вальцами; 6—дисковые ножи; 7—верхняя часть стойки резины; 10 ——станина пресса； 11—тяговое устройство; 12—талькирующее устройство; 14—электродвигатель
牙勿"勿％/ 〃" 〃勿勿"’勿勿勿勿/^力1友;
牙勿"勿％/ 〃" 〃勿勿"’勿勿勿勿/^力1友;
для холодного опрессования:
резиновых лент; 5—стойка с вальцами; 6—дисковые ножи; 7—верхняя часть стойки резины; 10 ——станина пресса； 11—тяговое устройство; 12—талькирующее устройство; 14—электродвигатель
для холодного опрессования:
резиновых лент; 5—стойка с вальцами; 6—дисковые ножи; 7—верхняя часть стойки резины; 10 ——станина пресса； 11—тяговое устройство; 12—талькирующее устройство; 14—электродвигатель
В качестве смазки применяют легколетучий бензин марки БР-1. Компоненты должны быть строго дозированы, так как нарушение дозировки не позволяет получить качественную изоляцию. Дозировка бензина зависит от коэффициента сжатия и имеет следующие значения:
Коэффициент Количество сжатия бензина в смеси, %Коэффициент Количество сжатия бензина в смеси, %Коэффициент Количество сжатиябензина в смеси,,%Коэффициент Количество сжатиябензина в смеси,,%
Коэффициент Количество сжатия бензина в смеси, %
Коэффициент Количество сжатия бензина в смеси, %
Коэффициент Количество сжатиябензина в смеси,
,%
Коэффициент Количество сжатиябензина в смеси,
,%
о ООО 2 5 1о ООО 2 5 18 А9 ^ж^8 А9 ^ж^
о ООО 2 5 1
о ООО 2 5 1
8 А
9 ^ж^
8 А
9 ^ж^
Смещение производят в герметичном сосуде вместимостью 4 л на 1 кг смеси. После заливки бензина сосуд слегка встряхивают и вращают на роликовых валках со скоростью около 0,25 с-1 в течение 15—20 мин. Увеличение частоты вращения недопустимо, так как может привести к ориентации частиц материала. Затем для созревания пасты сосуд выдерживают в неподвижном состоянии 12——25 ч при температуре 23—25。С.
Готовую пасту подвергают предварительному формованию для увеличения насыпной плотности, при этом объем заготовки становится примерно в 3 раза меньше, чем объем загружаемой пасты. Предварительное формование проводят в цилиндре специального плунжерного пресса. В зависимости от диаметра цилиндра давление предварительного формования составляет 0,7—3,5 МПа, скорость движения плунжера — примерно 0,0002 м/с. Уплотненная заготовка обретает формоустойчи- вость, и ее переносят для хранения в герметичную емкость.
Последующие технологические операции — изолирование, удаление смазки и спекание ——производят на плунжерных прессах за одну операцию. Заготовку загружают в цилиндр плунжерного, пресса. При движении плунжера осуществляется 281
Рис. 9.4. Схема головкиРис. 9.4. Схема головкиплунжерного пресса:плунжерного пресса:У—цилиндр; 2—матрица; 3—дорн с трубкой; 4—до-У—цилиндр; 2—матрица; 3—дорн с трубкой; 4—до-рнодержатель; 5 — плунжеррнодержатель; 5 — плунжервыдавливание пасты в головку (рис. 9.4),I где и происходит формирование изо-1 ляции на жиле. Процесс изолирования является периодическим, а длина отрезка! провода, получаемого из одной заготов-1 ки, тем больше, чем больше объем! заготовки. Отношение сечения заготовки к сечению изоляции называют коэф-| фициентом сжатия, с увеличением ко-| торого возрастает производительность! процесса. Различные сорта порошка ПТФЭ допускают коэффициент сжатия не более 1000—2000. Превышение предельно допустимого коэффициента сжа^ тия приводит к вытеснению бензина из пасты, что ведет к нарушению стабиль-
Рис. 9.4. Схема головки
Рис. 9.4. Схема головки
плунжерного пресса:
плунжерного пресса:
У—цилиндр; 2—матрица; 3—дорн с трубкой; 4—до-
У—цилиндр; 2—матрица; 3—дорн с трубкой; 4—до-
рнодержатель; 5 — плунжер
рнодержатель; 5 — плунжер
ности процесса.ности процесса.Экспериментально установлен опти^
ности процесса.
ности процесса.
мальный угол входа в матрицу, равный примерно 20°. Для толщины изоляции
0,18——0,45 мм применяют диаметр матрицы, превышающий наружный диаметр готового провода на 0,1——0,2 мм. Длина цилиндрической части больше диаметра матрицы в 6—10 раз.
Меньшая длина цилиндрической части не позволяет получить гладкую поверхность изоляции, а большая из-за увеличения
ориентации приводит к возникновению в изоляции продольных трещин. Концентричность изоляции обеспечивается путем са- моцентровки потоком материала тонкостенной направляющей трубки, которой заканчивается дорн; оптимальное расстояние от конца трубки до входа в цилиндрическую часть матрицы устанавливается экспериментально и обычно составляет 8—— 15 мм.
После выхода из головки провод поступает в печь сушки, где при 120—300℃ происходит испарение бензина. Превышение температуры может приводить к закипанию бензина в изоляции, приводящему к ее растрескиванию. Чрезмерная скорость не позволяет удалить бензин из изоляции, что ведет к возникновению дефектов при последующей операции спекания. Для спекания изоляцию прогревают до 370——400° С, для чего температуру печи поднимают до 400——450℃. Скорость процесса обычно составляет 5——20 м/мин. При правильно установленном температурно-скоростном режиме получают однородную прозрачную изоляцию без поверхностных трещин.
Суспензии на основе ПТФЭ наносят методом окунания с последующей сушкой и термообработкой полученного слоя. Поэтому основными частями установок являются ванна для пропитки, печь сушки и запечки; конструктивное исполнение
установки зависит от конкретной технологической операции: изолирование жилы, пропитка стеклонитей, стеклоленты или оплетки кабельного изделия, а также нанесение электропроводящих слоев поверх изоляции. Обычно нанесение суспензии производят за несколько проходов, получая покрытие нужной толщины. В ряде случаев для увеличения толщины изоляции жилы, наносимой за один проход, используют метод электрофоретического осаждения.
Пропитку стеклопрядей осуществляют суспензией с оптимальной концентрацией 33——37% (плотность 1230—— 1270 кг/м3); для стеклооплетки применяют большую концентрацию (плотность 1360——1370 кг/м3); для нанесения электропроводящих слоев используют суспензию 20——30%-ной концентрации (плотность 1120—1210 кг/м3). В процессе работы следует поддерживать концентрацию суспензии в заданных пределах, так как при испарении воды возможна коагуляция. После выхода из ванны излишки суспензии удаляют в отжимном устройстве. Сушку осуществляют в нечи при 220—— 300℃, а термообработку — при 320—500℃. Скорость нанесения суспензии ПТФЭ составляет от 1 до 7 м/мин.
ТЕХНОЛОГИЯ РАДИАЦИОННОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯПОЛИМЕРНОЙ изоляции
Радиационное модифицирование полимерных покрытий позволяет существенно улучшить характеристики кабельных изделий (см. гл. VIII). Обязательным элементом радиационного модифицирования является облучение покрытий с использованием различных ионизирующих излучений. При взаимодействие быстродвижущихся заряженных частиц с веществом происходит перевод электронов вещества на возбужденные уровни соответствующих атомов и молекул. В результате облучения происходит сшивание линейных молекул облученного вещества, которые приобретают принципиально новые свойства, сохраняющиеся в процессе эксплуатации при условии введения в рецептуры полимерных веществ соответствующих добавок.
Существуют различные источники ионизирующих излучений: ядерные реакторы, изотопные источники, ускорители различных типов. В промышленности получила применение технология радиационного модифицирования на изотопных источниках и на ускорителях заряженных частиц.
Использование изотопных источников основано на воздействии на покрытие у-излучения, возникающего после радиоактивного распада возбужденного ядра. В качестве источников у-излучения обычно используются препараты из Со60 или отработавшие тепловыделяющие элементы (твэлы) из реакторов с большим потоком нейтронов. Изотопные источники 283
Рис. 9.5. Конструкция электронного ускорителя типа ЭЛВ:/ — котел; 2— первичная обмотка; 3, 4, 25 — выпрямительные секции; 5 — ускорительная трубка; 6вакуумные насосы; 7—раструб; 8-~высоковольтный электрод: 9 ——блок управления инжектором; 10—-/2——магнитопроводы; 13—一автотрансформаюр; 14一一катушка питания; /5—электропровод; /б - ввод; /7, 18 — отклоняющие электромагниты; /9—пучок; 20--выпускное окно; 27 —удлинитель; 22—сопло; 25—переходник; 24—вал управления; 26— экраны секций вторичной обмотки; 27—предохранительные разрядники; 28 ——делитель сопротивления; 29——магнитные линзы; 30——радиационные экраны； 31 — электроды ускорительной грубки; 32 ——шаровая опора трубки; 33 -уплотнение трубки； 34—радиационная защита; 35—радиатор охлаждения; 36——вентиляторРис. 9.5. Конструкция электронного ускорителя типа ЭЛВ:/ — котел; 2— первичная обмотка; 3, 4, 25 — выпрямительные секции; 5 — ускорительная трубка; 6вакуумные насосы; 7—раструб; 8-~высоковольтный электрод: 9 ——блок управления инжектором; 10—-/2——магнитопроводы; 13—一автотрансформаюр; 14一一катушка питания; /5—электропровод; /б - ввод; /7, 18 — отклоняющие электромагниты; /9—пучок; 20--выпускное окно; 27 —удлинитель; 22—сопло; 25—переходник; 24—вал управления; 26— экраны секций вторичной обмотки; 27—предохранительные разрядники; 28 ——делитель сопротивления; 29——магнитные линзы; 30——радиационные экраны； 31 — электроды ускорительной грубки; 32 ——шаровая опора трубки; 33 -уплотнение трубки； 34—радиационная защита; 35—радиатор охлаждения; 36——вентилятор
Рис. 9.5. Конструкция электронного ускорителя типа ЭЛВ:
/ — котел; 2— первичная обмотка; 3, 4, 25 — выпрямительные секции; 5 — ускорительная трубка; 6вакуумные насосы; 7—раструб; 8-~высоковольтный электрод: 9 ——блок управления инжектором; 10—-/2——магнитопроводы; 13—一автотрансформаюр; 14一一катушка питания; /5—электропровод; /б - ввод; /7, 18 — отклоняющие электромагниты; /9—пучок; 20--выпускное окно; 27 —удлинитель; 22—сопло; 25—переходник; 24—вал управления; 26— экраны секций вторичной обмотки; 27—предохранительные разрядники; 28 ——делитель сопротивления; 29——магнитные линзы; 30——радиационные экраны； 31 — электроды ускорительной грубки; 32 ——шаровая опора трубки; 33 -уплотнение трубки； 34—радиационная защита; 35—радиатор охлаждения; 36——вентилятор
Рис. 9.5. Конструкция электронного ускорителя типа ЭЛВ:
/ — котел; 2— первичная обмотка; 3, 4, 25 — выпрямительные секции; 5 — ускорительная трубка; 6вакуумные насосы; 7—раструб; 8-~высоковольтный электрод: 9 ——блок управления инжектором; 10—-/2——магнитопроводы; 13—一автотрансформаюр; 14一一катушка питания; /5—электропровод; /б - ввод; /7, 18 — отклоняющие электромагниты; /9—пучок; 20--выпускное окно; 27 —удлинитель; 22—сопло; 25—переходник; 24—вал управления; 26— экраны секций вторичной обмотки; 27—предохранительные разрядники; 28 ——делитель сопротивления; 29——магнитные линзы; 30——радиационные экраны； 31 — электроды ускорительной грубки; 32 ——шаровая опора трубки; 33 -уплотнение трубки； 34—радиационная защита; 35—радиатор охлаждения; 36——вентилятор
обеспечивают возможность получения равномерного поля nb-'W глощенных доз в большом объеме гомогенного материала, 1 возможность облучения объектов сложной конфигурации с при- И емлемой неравномерностью на поглощенной дозе, относитель-斗 ную простоту ведения процесса, высокую надежность [55]. Однако при использовании изотопных источников трудно получить высокую мощность дозы в достаточно большом объеме, необходимо периодически восполнять естественную убыль активности у-источника вследствие радиоактивного распада. Самое главное, в этом случае существует радиационная
опасность, даже если источник не используется, и возможность радиоактивных загрязнений.
Поэтому в кабельной технике получила широкое распространение технология радиационного модифицирования с использованием электронных ускорителей. Использование электронных ускорителей обеспечивает получение высоких мощности дозы и коэффициента использования излучения, относительную простоту регулирования параметров поля излучения. Самое главное, что электронным ускорителям присуща высокая безопасность. При использовании существующих ускорителей в облучаемых материалах практически не образуются радиоактивные элементы, и поэтому радиа ционная защита необходима только в период работы ускорителя.
Основой установок радиационного модифицирования кабельной изоляции являются электронные ускорители. В кабельной технике, как правило, используются ускорители типа ЭЛВ, представляющие собой ускорители прямого действия, работающие в непрерывном режиме. Принцип действия электронных ускорителей типа ЭЛВ основан на использовании генератора ускоряющего напряжения, в качестве которого используется повышающий трансформатор без железного сердечника с секционированной вторичной обмоткой [56]. Переменное напряжение каждой секции преобразуется в постоянное по схеме с удвоением напряжения. Обмотки этого трансформатора расположены коаксиально. Внутри обмоток и колонны из выпрямительных секций установлена вакуумированная ускорительная трубка. Фокусировка выпускаемого электронного луча осуществляется с помощью магнитного поля. Для повышения электрической прочности генератор и ускорительная трубка помещаются в котел, заполненный элегазом под давлением. Ток в трубке регулируется путем изменения напряжения на питающем электроде инжектора.
Конструкция ускорителя типа ЭЛВ показана на рис. 9.5 [56]. Первичная обмотка повышающего трансформатора состоит из двух частей, каждая из которых выполнена конической. В качестве проводника используется медная трубка, по которой циркулирует охлаждающая вода. Выпрямительные 284
Рис* 9.6. Схемы выпускных устройств:阴
о—линейная развертка: 1一электромагниты поперечной Вх и продольной 鸟 разверток; ? 3—фольга выпускного окна； 4—облучаемое изделие; 6—квазикольцевая развертка: £ 1—переключающий магнит; 2—развертывающее устройство; 5——поворотный магнит; 欺 4—фольга; 5—облучаемое изделие
секции находятся друг над другом и образуют вертикальную колонку. Сверху находится вертикальный электрод с блоком управления инжектором. Рабочий магнитный поток замыкается магнитопроводами. Ускорительная трубка имеет раструб, расположенный в нижней части котла. Выпускное устройство состоит из двух электромагнитов для регулировки электронного пучка. Энергия электронного пучка ускорителей типа ЭЛВ, используемых в отечественной кабельной промышленности, равна 0,4—1,5 МэВ при мощности 20 кВт. Ускорители предназначены для эксплуатации в непрерывном режиме , работы.
Зона облучения зависит от применяемых типов развертки электронного пучка. Обычно используют два типа устройств такого рода: линейную развертку и квазикольцевую развертку [57]. Такие развертки показаны на рис. 9.6. Линейная развертка распределяет пучок равномерно по всей площади титановой фольги, которая охлаждается воздухом и через которую пучок электронов выпускается в воздушную среду к облучаемому изделию. Линейная развертка с успехом используется при производстве проводов малых диаметров. Квазикольцевая развертка обеспечивает трехстороннее облучение изделий и no J зволяет обрабатывать кабельные изделия больших диаметров. Выпущенный за пределы фольги пучок электронов формируют ! при помощи электромагнитных систем (рис. 9.7).'
При облучении изделий, транспортируемых через зону облучения в несколько ветвей, используется электромагнитная система зеркального типа. В этой системе электроны пучка, 286'‘
Phq. 9.7. Схемы Электромагнитных систем:
а—зеркального типа; 6—для облучения изделий большого диаметра; 7—выходное ошо ускорителя; 2—облучаемое изделие; 3—электромагнитная система
не попавшие непосредственно на поверхность движущегося кабельного изделия, возвращаются в зону облучения магнитным полем с равномерным распределением излучения по поверхности. При облучении кабельных изделий большого диаметра электромагнитная система равномерно распределяет поток электронов по поверхности изделия. Технические данные ускорителей типа ЭЛВ, применяемых в кабельной промышленности, приведены в табл. 9.1.
В настоящее время на кабельных заводах начинают использовать импульсные высокочастотные электронные ускори- тели типа ИЛУ с местной защитой. Источником ускоряющего напряжения служит вакуумный тороидальный резонатор, возбуждаемый генератором на промышленной генераторной лампе. Максимальная энергия ускорителя типа ИЛУ-8 равна 0,7 МэВ. Выбор тороидальной формы резонатора позволит обеспечить малые потери в резонаторе и более полно использовать ускоряющее напряжение.
Конструктивно высокочастотная система, включающая генератор и резонатор вместе с системой инжекции электронов (электронной пушкой), представляют собой единую конструкцию, показанную на рис. 9.8 [58, 59]. Резонатор выполняется из двух изолированных половин, которые частично входят одна в другую и боковые поверхности которых образуют емкость. Между боковыми стенками верхней и нижней половин резонатора устанавливается определенный зазор. Размер этого зазора выбирается таким, чтобы максимальная напряженность электрического поля в этом цилиндрическом конденсаторе не превышала напряженности поля в основном ускоряющем зазоре. Нижняя половина резонатора изолирована от корпуса, и на нее через реактор подается напряжение смещения 5——10 кВ для подавления высокочастотного резонансного разряда и отсоса электронов из ускоряющего зазора.
Таблица 9.1. Технические данные злектрсншых ускорителейтипов ЗЛв-1 и ЭЛВ-2
Показатель
элв-1
элв-2
Энергия частиц, МэВ
Средняя мощность пучка, *Вт
КПД, %■
Потребляемая мощность, кВт Давление элегаза, МПа (атм)
0,4—1Q
20
77
26
0,49 (5)
0,8—1,5
20
75
27
1,07 (11)
выполняемый
Катод электронной пушки, лантана, помещается непоч^едственно в зазор
на его верхней половине, объединена с ускоряющим
Электронная пушка,
зазором и
ронной пушки:
7——анод； 2—управляющая сетка; 3 — электрод; 4—катод; 5 — коническая спираль; 6 — магнитная линза для корректировки поперечного размера пучка /
из гексаборида и располагается или инжектор,
образует триод,
состоящий
Рис. 9.9. Схема устройства элект
иа катода и управляющей сетки (рис. 9.9). Роль анода выполняет электрод ускоряющего зазора, другой его электрод соединен с сеткой. Вся система располагается в стальном вакуумном баке.
Технологическая линия для радиационного модифицирования изоляции кабельных изделий с использованием электронного ускорителя показана на рис. 9.10. Она состоит из приемного и отдающего устройств, системы направляющих роликов для транспортирования изделия через технологические отверстия в радиационной биологической защите и многороликовой системы (или системы другого типа) для транспортирования изделия в зоне облучения. Несмотря на применяемые электромагнитные системы развертки электронного луча, позволяющие повысить равномерность облучения поверхности изделия, следует учитывать, что даже заправка изделия при транспортировании изделия в зоне облучения «восьмеркой»,
Рис. 9.8. Конструкция электронного ускорителя типа ИЛУ:
/—стальной вакуумный бак; 2— тороидальный резонатор; 3—реактор; 4 ——магнитораз-рядный насос; 5——инжектор электронов； 6 ——выпускное устройство； 7——контрольнаяпетля для опенки амплитуды напряжения на ускоряющем зазоре; 8——лампа автогене-ратора; 9— индуктивная петля для связи анодного контура генератора с резонатором；/О——конденсатор настройки анодного контура; 11 ——емкость для обратной связи в ав-тогенераторе; 72—катодный шлейф настройки коэффициента обратной связи в автоге-нераторе
Рис. 9.10. Схема технологической линии для радиационной обработки гибких протяженных изделий с помощью электронного ускорителя:
/ ——ускоритель; 2 - электромагнитная система; 3——биологическая защита; 4—блоки роликов; 5 — направляющие ролики; 6—технологические отверстия в защите; 7—обрабатываемое кабельное изделие; 8 — приемно-отдающие блоки; 9—пульт управления
19 3125289
|ЦЩ1|ЦЩ1т. е. двустороннее облучение, не исключает неравномерности поля поглощенных доз.
|ЦЩ1
|ЦЩ1
Рис. 9.11. Схема облучения электронным потоком поперечного сечеиия проводаРис. 9.11. Схема облучения электронным потоком поперечного сечеиия проводаДействительно, из анализа рис. 9.11 следует, что в разных местах изделия электронный поток проходит через покрытие различной толщины: от минимальной толщины, равной (D-d)/2, до макси- мальной, равной /(D? —”), где D—наружный диаметр кабельного изделия, a d——диаметр токопроводящей жилы.
Рис. 9.11. Схема облучения электронным потоком поперечного сечеиия провода
Рис. 9.11. Схема облучения электронным потоком поперечного сечеиия провода
Существуют технологические устройства для транспортирования изделий в зоне обручения, обеспечивающие укладку изделий в ряд, виток к витку. При транспортировке изделие непрерывно вращается
вокруг своей оси, что обеспечивает равномерность облучения и увеличивает линейную скорость движения изделия. Одао- временно сокращается время заправки, исключаются растягивающие усилия, характерные для многороликовой системы, что особенно важно для миниатюрных проводов.
Дальнейшее повышение эффективности использования технологического оборудования может быть достигнуто путем создания автоматической системы управления технологическим процессом (АСУТП) на базе современных ЭВМ. Один из возможных вариантов АСУТП состоит из четырех этапов [57].
Первый этап представляет собой автоматизацию управления работой ускорителя, второй ——введение управления скоростью перемотки изделий, третий ——введение в память ЭВМ программы вычисления оптимальных значений регулирующих параметров, четвертый—выделение параметров обратной связи. Как конечный результат можно рассматривать полностью автоматизированный комплекс на базе АСУТП с ЭВМ для управления складскими и погрузочно-разгрузочными работами,^ представляющий собой замкнутый технологический процесс без участия обслуживающего персонала.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ (ПЛОСКИХ) ПРОВОДОВ
К ленточным, или плоским, проводам и кабелям относятся кабельные изделия с поперечным сечением прямоугольной или близкой к ним формы, имеющие одну или несколько жил,
расположенных параллельно или' в несколько слоев, и легкую пластмассовую оболочку, обмотку или оплетку из волокнистых материалов [60]. Существует несколько методов изготовления ленточных проводов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Один из первых методов, который использовался для производства ленточных проводов и сохранил свое значение и в настоящее время ——изготовление ленточных проводов методом экструдирования. Он используется для наложения изоляции и (или) оболочки из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката, при этом для изготовления ленточных проводов обычно используются экструзионные линии с диаметром червяка 60——120 мм, которые имеют специализированные узлы: отдающее и приемное устройства, головку, технологический инструмент.
Отдающее устройство многокатушечного типа представляет собой раму, на которой может быть размещено до 60 отдающих катушек с проволокой. Специальное тормозное устройство позволяет автономно регулировать натяжение каждой проволоки. Сборка проволок перед экструдером в одной плоскости производится С помощью двух или более розеток. Дорн и матрица совмещаются в едином блоке, трудоемкость которых очень велика. Дорновая часть инструмента имеет отверстия для токопроводящих жил, расстояние между которыми должно иметь исключительно малые допуски, связанные с высокой точностью шага укладки проводников в ленточный провод.
Рис. 9.12. Схема экструзионной линии для изготовления леиточиых проводов: / — отдающее устройство рамного типа; 2——катушки с проволокой; 3 ——проволока; 4— розетка; 5—экструдер； 6 —головка экструдера; 7—загрузочная воронка; 5—выдвигающаяся приставка к охлаждающей ваине; 9 — охлаждающая ванна； 10—теплообменник для охлаждения воды： 11 ——сушильное устройство； 12——тяговое устройство； 13 ——приемное устройство кассетного типа
19*291
Рис. 9.13. Технологическая линия для изготовления ленточных I /——отдающее устройство; 2——зкструдер с двухщелевой головкой; 3 ——охлаждающая I на пробой; 5—-тяговое]Рис. 9.13. Технологическая линия для изготовления ленточных I /——отдающее устройство; 2——зкструдер с двухщелевой головкой; 3 ——охлаждающая I на пробой; 5—-тяговое]
Рис. 9.13. Технологическая линия для изготовления ленточных I /——отдающее устройство; 2——зкструдер с двухщелевой головкой; 3 ——охлаждающая I на пробой; 5—-тяговое]
Рис. 9.13. Технологическая линия для изготовления ленточных I /——отдающее устройство; 2——зкструдер с двухщелевой головкой; 3 ——охлаждающая I на пробой; 5—-тяговое]
Выходные отверстия матрицы соответствуют форме про-1 филя изготовляемого ленточного провода. Приемное устрой-1 ство ——кассетного типа с регулировкой натяжения изготовля-1 емого провода при приеме. Схема экструзионной линии для! изготовления ленточных проводов показана на рис. 9.12. I
Преимущества изготовления ленточных проводов экстру-1 дированием те же. что и у процесса экструзии вообще! в кабельной технике: непрерывность и, как следствие, большие! строительные длины проводов, высокая производительность,! возможность автоматизации. Недостатки метода —— исключи-1 тельная сложность изготовления технологического инструмента, сложность заправки, трудности, связанные с учетом неравномерности усадки материала по ширине провода. Необходимо также учитывать, что методом экструдирования получить часто требуемую толщину изоляции менее 0,1 мм практически невозможно.
Более прогрессивным является изготовление ленточных проводов методом экструдирования с последующим каланд- рованием. Метод заключается в экструдировании двух лент расплава полимера с двух сторон плоскости, которую образуют параллельно уложенные токопроводящие жилы. Затем эти ленты каландруются совместно с жилами профилированными, валками, которые и определяют профиль изоляции ленточного провода. Экструдирование с калапдрованием осуществляется на стандартном экструзионном оборудовании, отдельные узлы которого имеют специальную конструкцию. Так, головка экструдера——двухщелевая, что позволяет экструдировать две ленты полимерного материала. Узел каландрования с двумя профильными валками устанавливается на подвижной в трех плоскостях платформе.
На рис. 9.13 представлена схема получения ленточных проводов методом экструдирования, совмещенного с каланд- рованием. Отдающее устройство имеет индивидуальные гор- мозные устройства на каждую катушку, а также датчики обрыва жил со световой сигнализацией. Экструзионная голов- 292/
проводов методом экструзии, совмещенной с калаидроваиием； ванна; 4 — платформа с механизмом резки, отбора кромок, маркировки и испытание устройство; 6——приемное устройство•，
ка ——двухкамерная, для перехода с одной ширины экструдируй емых лент на другую предусмотрена замена губок вместо всей полукамеры. В каждой полукамере предусмотрены регуляторы потоков расплава полимера.
Узел каландрования представляет собой два профилированных валка с пневмоприводом, обеспечивающим их смыкание и размыкание. Валки выполнены полыми с возможностью протекания теплоносителя с обеспечением поддержания заданной температуры. Узел резки обеспечивает обрезку кромок и при необходимости разделение ленточного провода по перемычке вдоль жил. Линия обеспечивает одновременное изготовление проводов минимум двух типоразмеров. Линия имеет узел маркировки, наносящий краску на край провода, и устройство для испытания напряжением с маркировкой дефектных мест. Приемное устройство — кассетного типа. Me- тод экструдирования, совмещенного с каландрованием, повышает точность шага укладки токопроводящих жил, обеспечи* вает изготовление экранированных ленточных проводов и устойчивость процесса.
Метод контактно-тепловой сварки основан на разогреве термопластичного электроизоляционного материала до вяз- котекучего состояния с одновременным его сдавливанием и последующим склеиванием вокруг токопроводящих жил. На границе соединяемых поверхностей протекает взаимная диффузия молекул соединяемых материалов. Такой метод используется при изготовлении ленточных проводов с изоляцией из дублированных полиимидно-фторопластовых, полиэтилен- лавсановых и других пленок.
Схема установки для изготовления ленточных проводов методом контактно-тепловой сварки показана на рис. 9.14. Узел сварки представляет собой одну или несколько пар валков, один из которых металлический и имеет встроенный нагреватель. Остальные валки имеют эластичное покрьгше, например из кремнийорганической резины. Металлический валок предназначен для разогрева склеиваемой пленки, а валки
Рис. 9.14. Схема установки для изготовления ленточных проводов методом контактно-тепловой сварки:
/—отдающее устройство; 2——плющильное устройство (для леиточиых проводов с жилами прямоугольного сечения); 3^компенсатор; 4 ——отдающее устройство для пленок; 5 —— направляющие для токопроводящих жил; 6 ——узел коитактио-тепловой сварки; 7—— устройство для продольной резки провода; 8——приемное устройство кассетного типа;
9 — коитрольио-измерительиая аппаратура
с полимерным покрытием обеспечивают их равномерное обжатие. Узел продольной резки представляет собой каретку со сменными ножами. Таким образом, можно разрезать ленточный провод в продольном направлении на несколько проводов с заданным количеством жил. Следовательно, обес- петевается возможность многоручьевого изготовления проводов. К недостаткам способа контактно-тепловой сварки можно отнести невысокие производительность и точность укладки жил.
Широкое распространение получила также технология изготовления ленточных проводов методом склеивания отдельный изолированных проводников в ленту. Схема установки такогс типа показана на рис. 9.15. Изолированные проводники с отдающего устройства поступают в ванну с клеящей композицией
Рис. 9.15, Схема установки для изготовления ленточных проводов методол! склеивания:
7——отдающее устройство; 2——изолированные проводники; 3——розетка; 4——прямильное устройство; 5 — ванна; 6 ——клеящая композипия; 7——уплотняющий ролнк;、8——сушильный барабан；夕——поворотный ролик; 10—тяговое устройство； 11——приемное устройство кассетвого типа
с использованием в качестве растворителя тетрагидрофурана. После нанесения клея на поверхность изоляции проводники сдавливаются с помощью уплотняющего ролика и поступают на сушильный барабан. Приемное устройство кассетного типа имеет отдельный электропривод с регулируемым тяговым усилием. С использованием метода склеивания обычно изготовляются ленточные провода с поливинилхлоридной изоляцией, хотя можно, безусловно, изготовлять провода с любым типом изоляции, поддающейся склеиванию. К недостаткам метода следует отнести наличие в производстве токсичных растворителей и невысокую точность шага укладки изолированных жил.
Ограниченное применение находит также метод изготовления тканых и плетеных ленточных проводов, заключающийся в переплетении изолированных проводников, расположенных в виде основы параллельно в одной плоскости, тонкими высокопрочными нитями из различных натуральных или полимерных материалов.
Глава десятая
ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Основные положения техники безопасности и охраны окружающей среды регламентируются соответствующими законодательными актами, государственными стандартами, а также нормами и правилами, утверждаемыми органами государственного надзора. Они направлены на создание безопасных условий труда и оптимальной экологической ситуации. На- основе требований этих основополагающих документов разрабатываются как разделы «Требования безопасности» в стандартах на конкретные объекты, содержащие опасные и вредные производственные факторы, так и отраслевые и подотраслевые стандарты и инструкции по технике безопасности предприятий. Для обеспечения безопасных условий труда следует соблюдать предельно допустимый уровень производственных факторов, т. е. уровень, при котором работа установленной продолжительности не приводит к травмам, заболеваниям или отклонению в состоянии здоровья.
Рассмотрим вредные и опасные производственные факторы при производстве проводов и кабелей с резиновой и пластмассовой изоляцией. Вредным называют производственный фактор, воздействие которого на работающего может привести к снижению работоспособности или заболеванию; при высоком уровне или большой продолжительности воздействия вредный фактор может стать опасным и привести к травме или другому резкому ухудшению здоровья. Опасные и вредные производственные
факторы при производстве проводов и кабелей с пластмассовой^ и резиновой изоляцией можно классифицировать в соответствии I с [64] следующим образом.
Физические факторы создаются наличием подвижных частей оборудования (приемно-отдающие и тяговые устройства) и ne-1 ремещающимся кабелем или заготовкой, повышенной запыленностью (резиноделательные отделения) и загазованностью воздуха (выделение вредных веществ из перерабатываемого материала), повышенной температуры поверхностей оборудования и материала (головки экструдера, трубы вулканизации, печи термообработки), повышенного электрического напряжения (ап- параты сухого испытания); повышенного уровня ионизирующих излучений (при радиационном модифицировании); в ряде случаев может возникать повышенный уровень шума и вибраций, повышенная температура и влажность воздуха и уровень его ионизации, а также недостаточная освещенность рабочей зоны.
Химически вредные и опасные производственные факторы обусловлены наличием и выделением различных химических вредных веществ, которые могут оказывать токсическое, раздражающее и прочее воздействие на организм человека. Эти вещества могут проникать в организм человека через органы дыхания, кожные и слизистые оболочки, а также через желудочно-кишечный тракт. Ввиду ограниченного объема рассмотрим из всей совокупности вредных факторов только наиболее специфичные для переработки резин и пластмасс — химические факторы.
В принципе токсичные газообразные продукты могут выделяться из полимеров и при нормальных температурах хранения и эксплуатации, например из-за десорбции легколетучих компонентов, остатков мономеров и т. д. При переработке из-за термомеханических воздействий, во-первых, облегчается десорбция летучих компонентов, а во-вторых, увеличивается их количество благодаря возможной деструкции. Поэтому для выбора эффективной системы защиты необходимо иметь данные как о качественном, так и о количественном составе выделяющихся при переработке газообразных продуктов. Важно также учитывать кинетику их выделения в зависимости от интенсивности и длительности термических воздействий.
Количество вредных веществ в воздухе рабочей зоны определяется концентрацией и не должно превышать значений предельно допустимых концентраций (ПДК) [65]. Если длительность работы в контакте с вредными веществами меньше рабочей смены, то значение ПДК иногда может быть повышено, например ПДК оксида углерода составляет при длительности работы не более 1; 0,5 и 0,25 ч соответственно 50, 100 и 200 мг/м3. При наличии в воздухе одновременно нескольких
вредных веществ однонаправленного действия с концентрацией Ci* С2,..., Сл должно соблюдаться соотношение
пдк1+пдк；+，"+пдкЛ1' (101)
При отсутствии кислорода ПЭ за время переработки практически не выделяет в заметных количествах вредных газов при температурах до 290° С [66]. При больших температурах, особенно выше 350° С, наблюдается деструкция, усиливающаяся с увеличением длительности воздействия, с образованием летучих продуктов. Полная деструкция происходит при 450—470° С. Такое повышение температуры возможно при неисправности системы регулирования температуры экструдера, что может привести к «взрыву», т. е. к резкому выбросу из экструдера смеси из газообразных и жидких продуктов разложения. При воздействии кислорода или воздуха окислительная деструкция заметна при более низких температурах (начиная с 250° С). Таким образом, при нормальных режимах переработки количество выделяющихся из ПЭ продуктов незначительно; при увеличении температуры наблюдается выделение следующих веществ (в скобках даны значения ПДК, мг/м3): непредельные углеводороды (50), альдегиды, оксид углерода (20), формальдегид (0,5), ацетальдегид (5), органические кислоты (5). В экстремальных условиях при температурах выше 400° С могут выделяться водород, ацетон (200), насыщенные и ненасыщенные углеводороды Ci——С2з и др. На состав газовыделений существенное влияние оказывает рецептурный состав композиций; в этом случае наблюдается выделение акролеина (0,2), хлорорганических и других продуктов. Из вспенивающегося ПЭ могут выделяться аммиак (20), ацетон (200), бром (0,5) и др. Температуры воспламенения равны 300——3 50° С, а самовоспламенения ——около 400° С.
При нормальных режимах переработки композиций на основе ПВХ выделения невелики и в основном обусловлены легколетучими продуктами. Выделения увеличиваются при возрастании степени термомеханического воздействия, а состав выделяющихся продуктов зависит как от рецептуры и технологии получения ПВХ, так и от глубины протекающих физико-химических процессов, при этом можно обнаружить выделение следующих продуктов (мг/м3): хлористый винил (30), бензол (5), толуол (50), ксилол (50), стирол (5), нафталин (20), дихлорэтан (10), ■ трихлорэтилен (10), дибутилфталат (0,5), тетрахлорэтилен (10), 2-этилгексеноль (3), хлористый водород (5), хлор (1), дифенилолпропан (5), оксид углерода (20), диоксид углерода, уксусная кислота (5), углеводороды С7——С20, фталевый ангидрид (1), ацетальдегид (5), фенол (0,3), пары пластификаторов, соединения свинца (0,01).
До температуры около 300° С основной реакцией является дегидрохлорирование и основными летучими продуктами являются пары пластификатора и НС1. Температура воспламене- । ния составляет 300——500° С, а самовоспламенения—400——■ 750° С; пластикат не является пожаровзрывоопасным продуктом. Вдыхание вредных газообразных продуктов вызывает раздражение верхних дыхательных путей, головную боль, а в ряде случаев тошноту и сердцебиение. Наиболее сильные отравления вызываются соединениями свинца, обладающими , кумулятивным действием.
Большинство фторполимеров при нормальной температуре химически устойчивы и физиологически инертны, благодаря1 чему они находят широкое применение как в пищевой | промышленности, так и в медицине, в том числе для изготовления органов, трансплантируемых в организм [67 ].
Исследования показали, что в водных вытяжках после многомесячного контакта с фторполимерами содержание ионов фтора не превышает 0,03 мг/л, что в 500 раз ниже значения ПДК. Однако известны случаи выделения вредных газообразных продуктов даже при хранении их в нормальных складских условиях, что может привести к их накоплению при длительном хранении некоторых фторполимеров в герметичной таре.
Нагревание фторполимеров до температур переработки приводит к увеличению количества выделяющихся вредных1 газообразных продуктов, часть из которых являются весьма ； токсичными. К наиболее опасным продуктам относится перфторизобутилен (ПДК равна 0,1 мг/м3, класс опасности 1), количество которого быстро возрастает с увеличением тем〕 пературы. Выделяется также гексафторпропилен (ПДК = 5) и мономеры, которые, окисляясь на воздухе, образуют фтор- фосген. Гидролиз последнего приводит к образованию фтористого водорода (ПДК —0,5)- Кроме того, в выделяющихся продуктах наблюдаются тетрафторэтилен, октафторциклобутан, октафторизобутилен, диоксид углерода. При переработке сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом наряд) с фтористым водородом и тетрафторэтиленом обнаруживают^ трифторпропилен и др. При термодеструкции ПТФЭ могуг образовываться также аэрозоли, состоящие из мельчайши; пылевидных частиц фторопласта размером порядка 0,1 мкк (ПДК равна 10 мг/м').
Таким образом, при переработке фторорганических поли меров могут быть образованы сложные многокомпонентны^ парогазоаэрозольные смеси, некоторые составляющие которых】 вступая в реакцию с кислородом и влагой воздуха, образуют вторичные продукты. Некоторые образующиеся соединения, особенно перфторизобутилен, фторфосген, фтористм访 водород, относятся к чрезвычайно токсичным и высокотокси ч ным( 298
Количество образующихся продуктов возрастает с повышением температуры и длительности работы; газовыделение фторполимеров при различных температурах составляет:
МатериалТемпера-Г азовыделение, % за 1 ч
тура, ℃
Фторопласт-4 3700,004—0,008
4000,03—0,08
4250,15
Фторопласт-4МБ 3000,05—0,15
Фторопласт-40 2750,2—1,2
Фторопласт-2 2750,3—1,0
Фторопласт-2М 2750,2—6,5
Указанные выше токсичные продукты могут вызвать как острые, так и хронические отравления. Первые симптомы легкого отравления проявляются через несколько часов после поражения в виде так называемой фторопластовой лихорадки: сухость в горле, недомогание, слабость, высокая температура, одышка, повышенное потоотделение, у особо чувствительных лиц наблюдается покраснение кожи. Эти симптомы обычно исчезают через 1—2 сут.
Повторные отравления приводят к развитию утомляемости, снижению уровня глобулйнов и повышению лейкоцитов в крови, длительное воздействие высоких концентраций может вызвать отек легких. Систематические отравления, а также тяжелое отравление приводят к изменениям печени, почек, органов пищеварения и сердечно-сосудистой системы. Следует отметить, что отравления в подавляющем большинстве случаев наблюдаются только при грубых нарушениях техники безопасности: неисправной или неработающей местной или общей вентиляции, чрезмерных перегревах оборудования, курении в местах переработки, пожарах.
Для обеспечения безопасных условий работы производственные помещения оборудуют общей приточно-вытяжной вентиляцией, а оборудование — местными отсосами для удаления газообразных продуктов (над головкой экструдера, у загрузочного бункера и т. д.). Производительность местных отсосов зависит от вида, массы и температуры перерабатываемого материала. Например, для переработки тефзела фирма Du Pont рекомендует следующие условия:
Температура Производитель, переработки, ℃ ность вентиляции, л/с на 1 кг пластмассы
3005,5
3204,2
Температура Произво дитель- переработки, ℃ ность вентиляции, л/с на 1 кг пластмассы
340220
350550
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоруссов Ь. И., Саакян А. Е., Яковлева А. И. Электрические кабели, провода и шнуры： Справочник / Под ред. Н. И. Белоруссова. М.: Энергия, 1987.
Кранихфельд Л. И., Рязанов И. Б. Теория, расчет и конструирование кабелей и проводов. М.: Высшая школа, 1972.
Бабицкий О： Ш., Лехтмаи Л. Я. Технология скрутки кабелей. М.: Энергия, 1978.
Производство кабелей и проводов / Под ред. Н. И. Белоруссова и И. Б. Пешкова. М.: Энергоиздат, 1981.
Тагер А. А. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1978.
Каргян В. А., Слонимский Г. Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия, 1967.
Боев М. А., Брагинский Р. П. Методика определения долговечности и сохраняемости кабелей и проводов // Электротех. пром-сть. Общеотраслевые вопросы. 1982. № 10 (521). С. 10—12.
Бортников В. Г. Основы технологии переработки пластических масс. Л.: Химия, 1983.
Дикермаи Д. Н., Кунегин В. С. Провода и кабели- с фторопластовой изоляцией. М.: Энергоатомиздат, 1982.
Снитетическнй каучук / Под ред. И. В. Гармонова. Л.: Химия, 1983.
Гармонов И. В. Развитие исследований в СССР по созданию промышленного производства ifuc-1,4 полиизопрена // Каучук и резина. 1973. № 5. С. 6-15.
Догадкнн В. А. Химия эластомеров. М.: Химия, 1972.
Когаи Л. М., Кроль В. А. Химическая модификация полимеров диенов: Тем. обзор. М.： ЦНИИТЭнефтехим, 1976 (Промышленность синтетического каучука).
Когаи Л. М., Кроль В. А. Химическая модификация диеновых полимеров на стадии их получения // Журнал Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева! 1981. № 3. С. 272—280.I
Ковтунепко Л. В., Моисеев В. В., Каткнна Н. К., Малюгина А. Л.1 Нестерова С. И. Современное состояние и перспекгивы развития производства растворных бутадиен-стирольных каучуков: Тем. обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим] 1980. 56 с. (Промышленность сишстического каучука).I
Rubber statistical Bulletin / IRSG. 1986. № 7. P. 40.I
Говорова О. А., Фролов A. E., Сорокин Г\ А. Свойства резин на осном этиленпропиленовых каучуков: Тем. обзор. М_: ЦНИИТЭнефтехим, 1986. 62 с.
Dutral- Ethylene-propylene elastomers. Techn. Inform. Брошюра фирмы Montedison, Italy. 1985. 16 c.
Свойства резин из терполимеров этилена с пропиленом, различающихся типом третьего мономера / Н. И. Троицкая, Л. А. Коршунова, В. Ф. Евстратов, В. И. Гусева // Промышленность синтетического каучука. 1972. № 2. С. 11- 14.
Гибкий трехжильный экскаваторный кабель с резиновой изоляцией на напряжение 35 кВ. Теория, материалы, конструирование и технология производства кабельных изделий / П. М. Глупушкин, А. Г. Ершова, В. А. Калинин,
С. Цехмистро // Сб. науч, трудов ВНИИКП. М.: Энергия, 1975. Вып. 18. С. 97—104.
Захаров Н. Д. Хлоропреновые' каучуки и резины на их основе. М.: Химия, 1978.
Термоэластопласты / Под ред. В. В. Моисеева. М.: Химия, 1985.
Коран А. И., Пател Р. П. Последние разработки в области термоэла- стопластов // В кн: Последние достижения в области технологии резины и латекса. Препринты стендовых докладов. Международная конференция по каучуку и резине. Киев, 1978. Препринт Сзо.
Глупушкии П. М., Саакяи А. Е., Щербаков Д. П. Кабельные резины. М.— Л.: Энергия, 1966.
Андрашииков Б. И. Механизация и автоматизация процессов приготовления резиновых смесей. М.: Химия, 1975.
Кошелев Ф. Ф., Кориев А. Е., Букаиов А. М. Общая технология резины. М.: Химия, 1978.
Уральский М. Л., Горелик Р. А., Буканов А. М. Контроль и регулирование технологических свойств резиновых смесей. М.: Химия, 1983.
Вослрокнутов Е. Г., Новиков М. И., Новиков В. И., Прозоровская Н. В, Переработка каучуков и резиновых смесей. М.: Химия, 1980.
Freakly Р. К. Rubber processing and production organization. New York, London: Plenum Press. 1985. Vol. XV. 455 c.
Dizon E. S., Papazian L. A. The processing of Filler-Reinforced Rubber. Rubb. / Chem. and Technol. 1977. Vol. 50, № 4. P. 765—779.■
Кузьмянскнй А. С,, Кавуя С, M., Кирпичев В. П. Физико-химические основы получения, переработки и применения эластомеров. М.: Химия, 1976.
Приборы для определения технологических свойств материалов // В кн.: Последние достижения в области технологии резины и латекса. Препринты докладов. Международная конференция по каучуку и резине. Киев, 1978. Препринт С27.
Губер Ф. Б., Тамаркин В. Ф., Кршиталь И. В. Прогнозирование свойств резиновых смесей при их изготовлении // В кн.: Прогнозирование свойств резин и резино технических изделий: Сб. науч, трудов НИИРП. М.: ЦНИ- ИТЭнефтехим, 1978. № 4 (11). С. 54—70.
Whitaker Р. Parameters affecting Mixing in an Internal Mixer // Kautschuk und Gutnmi, Kunststoffe. 1981. Bd 34. № 4. S. 295—300.
Рыбаков И. Ф., Шепелев И. М. Автоматизация производства кабелей, проводов и кабельных резин. М.： Машиностроение, 1977.' .
Элвуд X. Новейшие достижения и перспективы в приготовлении резиновых смесей, технологии их переработки и оборудовании // В кн.: Материалы и технология резинового производства. Препринты докладов. Международная конференция по каучуку и резине. Москва, 1984. Препринт С31.
Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. М.: Химия, 1965.-
Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Л.: Госхимиздат, 1962.
Торнер Р. В. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1977.
Лгабекяи Л. Г., Датуряя Б. М., Казанчаи Г. П. Снижение материалоемкости и повышение надежности кабельных изделий при использовании многослойной изоляции // Электротехн. пром-сть. Сер. Кабельная техника. 1982. № 10 (211). С. 12—14.
Разработка и применение новых выводных проводов с многослойной изоляцией класса нагревостойкости В и пути повышения эффективности их производства / Г. П. Казанчян, К. Г. Оганесян, Б. М. Датурян и др. // Докл. VU Всесоюз. науч.-техн. конф., г. Владимир, 1985 г. Владимир: ВНЙИТИЭМ, 1985.
Пути повышения ресурса кабельных изделий с двухслойной поливинилхлоридной изоляцией / Р. М. Адамян, Р. П. Брагинский, Г. П. Казанчян, И. Б. Пешков // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. совещания «Разработка,
исследования и эксплуатационные испытания изоляции кабельных изделий», г. Ереван, ноябрь 1986 г. М.: Информэлектро, 1986.
А. с. 1319085 AI СССР. Экструзионная головка / А. С. Адамян, д Н. Р. Арутюнян, Р. С. Восканян и др. // Открытия. Изобретения. 1987. № 23.
I 44. Кабели и провода для ядерных энергетических устано-; вок / Д. Н. Дикерман, Г. И. Мещанов, А. А. Поляков, Э. Э. Финкель // Под ред. Э. Э. Финкеля. М.: Энергоатомиздат, 1983.
Финкель Э. Э., Брагинский Р. П. Нагревостойкие провода и кабели с радиационно-модифицированной изоляцией. М.: Энергия, 1975.
Финкель Э. Э., Карпов В. Л., Берлянд С. М. Технология радиационного модифицирования полимеров / Радиационно-химическая технология. Вып. 15, М.: Энергоатомиздат, 1983.
Чудаков П. И. Графоаналитический метод расчета времени вулканизации шланговых оболочек кабелей на АНВ // Кабельная техника. 1959. № 3 (10). С. 38—44.
Ларина Э. Т., Рязанов И. Б., Холодный С. Д. Расчет технологических режимов и проектирование оборудования для производства кабелей и проводов, ч. 1 м.: МЭИ, 1976.
Голодный С. Д. Пособие по курсовому проектированию для специализации кабельной техники. М.: МЭИ, 1977.
Михеев М. А. Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.卜
Теплотехнический справочник. Т. 2.—2-е изд., перераб. М.: Энергия, г 1976.；
Лыков А. В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1972.1 卜
Ботииа М. А. Лекции по вычислительной математике для студентов : старших курсов. М.: МЭИ, 1971.!
Производство электрических проводов и кабелей с резиновой и пласт-： массовой изоляцией / И. Д. Троицкий, Л. С. Лахман, О. Ш. Бабицкий, j Н. Ш. Берии. М.: Высшая школа, 1972.
Финкель Э. Э-, Лещенко С. С., Брагинский Р, П. Радиационная химия 材 кабельная техника. М.: Атомиздат, 1968.
Сдвоенные ускорители типа ЭЛВ / А. И. Грищенко, Б. М. Корабель-' ■ ников, Г. С. Крайнов и др. // ИЯФ СО АН СССР, препринт ИЯФ 79-54. 12 с.
Технологическое оборудование для производства кабельных изделий с облученной изоляцией / Г. И. Мещанов, Е. И. Миронов, А. М. Пазомов и др. // Сб. док л. Международной конференции «Новые технологические процессы, перспективное оборудование и комплексная автоматизация кабельного оборудования», ноябрь 1987, г. Ереван. М.: Информэлектро, 1987.
Ускорители Института ядерной физики СО АН СССР для промышленных радиационно-технологических процессов // ИЯФ СО АН СССР, препринт ИЯФ 79-29, 20 с.
Ускоритель ИЛУ-6. Институт ядерной физики СО АН СССР. Новосибирск: 1985. 30 с.
Ларин Ю. Т., Плетнева И. М. Ленточные провода. М.: Энергоиздат, 1982.
Городецкий С. С., Лакериик Р. М. Испытание кабелей и проводов. М.: Энергия, 1971.
Пешков И. Б., Каменский М. К. Окнестойкие и не распространяющие горение кабели и провода // Электротехнические материалы, электрические конденсаторы, провода и кабели. М・：ВИНИТИ, 1987.
Надежность кабелей и проводов для радиоэлектронной аппарату-, ры / Под ред. Л. И. Кранихфельда и И. Б. Пешкова. М.: Энергоиздат, 1982.
ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы.匕
ГОСТ 12.1.005-76. Воздух рабочей зоны. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные i вещества.
、66. ГОСТ 12.3.030-83. Переработка пластических масс. Требования безопас
ности.
Токсикология и санитарная химия полимеризационных пластмасс // Сб. науч, трудов ОНПО «Пластополимер», 1984. •(
302Ц
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава первая. Основные типы кабельных изделий с применением пластмасс и резин
Классификация кабелей и проводов с применением пластмасс и резин
Конструктивные элементы кабельных изделий с применением пластмасс и резин. Особенности конструкций токопроводящих жил
Оборудование для скрутки токопроводящих жил
Глава вторая. Пластмассы, применяемые в кабельном производстве
Современные представления о структуре полимеров
Композиции на основе полиэтилена
Поливинилхлоридные пластикаты
фторопласты
Полиамиды
Пленочные материалы :
3
5
5
8
а в а л г
丄23456789
третья. Ингредиенты резиновых смесей и кабелькые резины
Натуральные каучуки
Синтетические каучуки общего назначения
Синтетические каучуки специального назначения
Синтетические каучуки повышенной нагревостойкости
Ингредиенты резиновых смесей
Классификация и назначение кабельных резин
Физико-механические свойства кабельных резин
Электроизоляционные характеристики кабельных резин Морозостойкость кабельных резин :…
Стойкость к воздействию пламени, маслостойкость и бен- зиностойкость кабельных резин
Стойкость кабельных резин к старению
15
15
19
29
39
43
46
50
50
53
63
68
76
84
89
91
91
93
94
Г：л а в а
четвертая. Технология изготовления кабельных резиновых
98
Подготовка исходных материалов ； 100
Смешение резиновых смесей 105
Характеристики резиносмесителей 106
Режимы изготовления смесей 109
Дополнительная обработкаи хранение резиновыхсмесей112
Поточно-автоматизированнаялиниядля изготовлениясмесей113
Г п а в а пятая. Технология изготовлении изоляции и оболочки из пластмасс методом экструзии 118
5.1. Основные требования к технологическому процессу и парамет
ры технологического режима ； 118
303
2 34567892 34567895.11.5.11.Основные сведения о реологических свойствах расплавов полимеров 122
2 3456789
2 3456789
5.11.
5.11.
Принцип действия и расчет производительности экструдера 132
Классификация экструдеров и их конструктивные особенности 144
Особенности технологии наложения многослойных покрытий 151
Экструзионные агрегаты и поточные кабельные линии 159
Выбор и расчет технологического инструмента 171
Выбор и расчет температурных и скоростных режимов 177
Некоторые особенности изготовления изоляции и оболочки 190
Особенности переработки термопластичных фторполимеров и полиамидов 194
Особенности переработки вспенивающихся композиций 198
Глава шестая. Наложение резииовов изолиции и оболочек 205
Способы наложения резиновой изоляции и оболочек 205
Вулканизации резин 211
Устройство и принцип работы кабельных линий непрерывной вулканизации 219
Технология наложения резиновой изоляции и оболочки 227
Технология изготовления кабелей и проводов с изоляцией и оболочками из кремнийорганической резины 231
Глава седьмая. Изготовление сшнтон нластмассовон изолиции ....237
Физико-химические основы сшивания полимеров 237
Пероксидное сшивание 240
Сшивание через привитые органофункциональные группы …..244
Радиационное модифицирование 250
Глава восьмая. Расчет технологических режимов нагревании и охлаждении в нроизводстве кабелей и нроиодов с нримеиеиием пластмасс и резни 256
Расчет технологических режимов вулканизации пластмассовых или резиновых покрытий 256
Способы расчета охлаждения кабельных изделий после экст- рудирования или вулканизации покрытия 273
Глава девятая. Нетрадиционные способы изготовлении полимерной изолиции и оболочек 276
Технология изготовления ленточной пластмассовой изоляции 276
Технология наложения резиновой изоляции методом холодного о прессования 279
Технология изготовления изоляции из ПТФЭ 280
Технология радиационного модифицирования полимерной изоляции 283
Технология изготовления ленточных (плоских) проводов 290
Глава десятая. Основы техники безопасности и охраны окружающей среды ； 295
Список литературы :…300
2”т(*+1) ~'^7^
ББК 31.23
Г 83「，
УДК 621.315.2И.002.2
Рецензенты Ф. Д. Демиковский.臥 В* Баландин
Григорьян А. Г. и др.
Г 83 Производство кабелей и проводов с применением пластмасс и резин/А. Г. Григорьян, Д. Н. Дикерман, “ И. Б. Пешков; Под ред. И. Б. Пешкова.— М.: Энергоатом- издат, 1992.— 304 с.: ил.
ISBN 5-283-00661-I
Даны классификация и основные свойства кабелей и проводов с применением пластмасс и резин, рассмотрена технология изготовления кабелей и проводов этих типов. Освещены характеристики н конструкции технологического оборудования, методы опенки качества продукции, основы техники безопасности и противопожарной техники.
Для инженерно-технических работников кабельных заводов. НИИ и КБ. а также специалистов, занимающихся эксплуатацией кабелей и проводов.
Г, 2202(М000Ыв8 g…匸="，…
Г48-91ооК 31.23
051(01卜92
Производственно-практическое издание
Григорьян Александр Григорьевич
Дикерман Далий Натанович Пешков Изяслав Борисович ч
ПРОИЗВОДСТВО КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВС ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАСТМАСС И РЕЗИН
Зав. редакцией М. 〃. Сокоаова
'Редактор Г. Н. Платова
Художественньге редакторы В. А. Гозак-Хозак. Т. Н. Хромова
“Технический редактор Л С. Соловьева
Корректор Г. .4. Полонская
ИБ№1610
Сдано в набор 30.07.91. Подписано в печать 20.12.91. Формат 40乂88'/16 Бумага офсетная № 2, Гарнитура литературная Печать офсетная Усл, печ. л. 18.62 Усл. кр.-отт. 18.86 Уч.-изд.
л. 20,77 Тираж 1000 лез. Заказ 726, СО58
Энергоатомизцат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Отпечатано в Московской типографии № 9 НПО ^Всесоюзная книжная палата''Министерства печати и информации Российской Федерации
109 03 3, Москва, Волочаевская ул., 40.
ISBN 5-28 3-00661-1© Авторы. 1992