1. Introducción
EVA es la abreviatura de copolímero de acetato de etileno y vinilo, un polímero de poliolefina. Gracias a su baja temperatura de fusión, buena fluidez, polaridad y ausencia de halógenos, y a su compatibilidad con diversos polímeros y polvos minerales, presenta un equilibrio entre propiedades mecánicas, físicas, eléctricas y de procesabilidad. Su precio es asequible y la oferta en el mercado es suficiente, por lo que se utiliza como material aislante para cables, relleno y revestimiento. Además, puede transformarse en un material termoplástico o en un material termoestable reticulado.
El EVA tiene una amplia gama de usos; con retardantes de llama, se puede convertir en una barrera de combustible libre de halógenos o de baja emisión de humos; si se elige un alto contenido de VA como material base, también se puede convertir en un material resistente al aceite; si se elige un índice de fluidez moderado, al agregar de 2 a 3 veces la cantidad de carga de retardantes de llama del EVA se puede obtener un material de barrera de oxígeno (carga) más equilibrado en cuanto a rendimiento y precio del proceso de extrusión.
En este artículo, a partir de las propiedades estructurales del EVA, se introduce su aplicación en la industria del cable y las perspectivas de desarrollo.
2. Propiedades estructurales
Durante la síntesis, al modificar la relación del grado de polimerización n/m se puede obtener un contenido de VA del 5 al 90% en el EVA; al aumentar el grado total de polimerización se puede obtener un peso molecular de decenas de miles a cientos de miles en el EVA; un contenido de VA inferior al 40%, debido a la presencia de cristalización parcial, presenta una elasticidad deficiente y se conoce comúnmente como plástico EVA; cuando el contenido de VA es superior al 40%, se obtiene un elastómero similar al caucho, sin cristalización, que se conoce comúnmente como caucho EVM.
1.2 Propiedades
La cadena molecular del EVA es una estructura lineal saturada, por lo que presenta buena resistencia al envejecimiento térmico, a la intemperie y al ozono.
La cadena principal de la molécula de EVA no contiene enlaces dobles, anillos de benceno, grupos acilo, amino ni otros grupos que generan humo fácilmente al quemarse. Sus cadenas laterales tampoco contienen grupos metilo, fenilo, ciano ni otros que también generen humo fácilmente al quemarse. Además, la molécula en sí no contiene halógenos, por lo que resulta especialmente adecuada como base de combustible resistiva libre de halógenos y de baja emisión de humo.
El gran tamaño del grupo acetato de vinilo (VA) en la cadena lateral del EVA y su polaridad media hacen que inhiba la tendencia de la cadena principal de vinilo a cristalizar y se acople bien con cargas minerales, creando así las condiciones para combustibles de barrera de alto rendimiento. Esto es especialmente cierto para resinas de baja emisión de humos y libres de halógenos, ya que es necesario añadir retardantes de llama con un contenido superior al 50 % en volumen [p. ej., Al(OH)₃, Mg(OH)₂, etc.] para cumplir con los requisitos de las normas de resistencia al fuego para cables. El EVA con un contenido de VA de medio a alto se utiliza como base para producir combustibles retardantes de llama de baja emisión de humos y libres de halógenos con excelentes propiedades.
Dado que el grupo acetato de vinilo (VA) de la cadena lateral del EVA es polar, a mayor contenido de VA, mayor es la polaridad del polímero y mejor su resistencia al aceite. La resistencia al aceite requerida por la industria del cable se refiere principalmente a la capacidad de soportar aceites minerales no polares o débilmente polares. De acuerdo con el principio de compatibilidad similar, el EVA con alto contenido de VA se utiliza como material base para producir una barrera de combustible libre de halógenos y de baja emisión de humos, con buena resistencia al aceite.
Las moléculas de EVA en el rendimiento del átomo de H de la alfa-olefina son más activas, en el efecto de los radicales peróxido o la radiación de electrones de alta energía es fácil que se produzca una reacción de reticulación de H, convirtiéndose en plástico o caucho reticulado, lo que permite fabricar materiales especiales para cables y alambres que cumplen con los exigentes requisitos de rendimiento.
La adición del grupo acetato de vinilo reduce significativamente la temperatura de fusión del EVA, y el número de cadenas laterales cortas de VA aumenta su fluidez. Por lo tanto, su rendimiento en extrusión es muy superior al del polietileno de estructura molecular similar, convirtiéndose en el material base preferido para materiales de blindaje semiconductores y barreras de combustible halogenadas y libres de halógenos.
2 Ventajas del producto
2.1 Relación calidad-precio extremadamente alta
Las propiedades físicas y mecánicas del EVA, su resistencia al calor, a la intemperie, al ozono y sus propiedades eléctricas son excelentes. Seleccionando el grado adecuado, se puede fabricar material para cables con propiedades resistentes al calor, ignífugas, así como resistentes a aceites y disolventes.
El material termoplástico EVA se utiliza principalmente con un contenido de VA del 15% al 46% y un índice de fluidez de 0,5 a 4. EVA cuenta con numerosos fabricantes, muchas marcas y una amplia gama de opciones a precios moderados y con un suministro adecuado. Los usuarios solo necesitan acceder a la sección de EVA del sitio web para consultar la marca, las características, el precio y la ubicación de entrega de un vistazo, lo que les permite elegir con gran comodidad.
El EVA es un polímero de poliolefina. En cuanto a suavidad y rendimiento, es similar al polietileno (PE) y al cloruro de polivinilo (PVC) blando utilizado en cables. Sin embargo, una investigación más profunda revela que el EVA presenta una superioridad indiscutible sobre los dos materiales mencionados.
2. Excelente rendimiento de procesamiento
En las aplicaciones de cables, el EVA se utilizó inicialmente como material de blindaje interno y externo para cables de media y alta tensión, y posteriormente se extendió a barreras ignífugas libres de halógenos. Desde el punto de vista del procesamiento, estos dos tipos de materiales se consideran materiales de alta carga: el material de blindaje, debido a la necesidad de añadir una gran cantidad de negro de humo conductor, aumenta su viscosidad y reduce drásticamente su fluidez; el material ignífugo libre de halógenos, al requerir la adición de una gran cantidad de retardantes de llama libres de halógenos, también aumenta drásticamente su viscosidad y reduce drásticamente su fluidez. La solución consiste en encontrar un polímero que pueda admitir grandes dosis de carga, pero que a la vez tenga una baja viscosidad de fusión y buena fluidez. Por este motivo, el EVA es la opción preferida.
La viscosidad de la masa fundida del EVA disminuye rápidamente con la temperatura y la velocidad de cizallamiento del proceso de extrusión. El usuario solo necesita ajustar la temperatura de la extrusora y la velocidad del tornillo para obtener productos de alambre y cable con un excelente rendimiento. Numerosas aplicaciones nacionales e internacionales demuestran que, para materiales libres de halógenos, de baja emisión de humo y con alto contenido de carga, la elevada viscosidad y el bajo índice de fluidez hacen que la extrusión se realice exclusivamente con tornillos de baja relación de compresión (inferior a 1,3) para garantizar una buena calidad. Los materiales EVM a base de caucho con agentes vulcanizantes pueden extruirse tanto en extrusoras de caucho como en extrusoras de uso general. El proceso de vulcanización (reticulación) posterior puede llevarse a cabo mediante reticulación termoquímica (con peróxido) o mediante irradiación con acelerador de electrones.
2.3 Fácil de modificar y adaptar
Los cables están por todas partes, desde el cielo hasta la tierra, desde las montañas hasta el mar. Las necesidades de los usuarios de cables son variadas y singulares; si bien su estructura es similar, las diferencias en su rendimiento radican principalmente en los materiales de aislamiento y recubrimiento.
Hasta ahora, tanto a nivel nacional como internacional, el PVC blando sigue representando la gran mayoría de los materiales poliméricos utilizados en la industria del cable. Sin embargo, con la creciente concienciación sobre la protección del medio ambiente y el desarrollo sostenible.
Los materiales de PVC han sido objeto de grandes restricciones, y los científicos están haciendo todo lo posible para encontrar materiales alternativos al PVC, de los cuales el EVA es el más prometedor.
El EVA puede mezclarse con diversos polímeros, así como con una variedad de polvos minerales y aditivos de procesamiento compatibles. Los productos resultantes pueden transformarse en plásticos termoplásticos para cables de plástico o en caucho reticulado para cables de caucho. Los diseñadores de formulaciones pueden basarse en los requisitos del usuario (o en estándares), utilizando EVA como material base, para que el rendimiento del material cumpla con dichos requisitos.
3. Gama de aplicaciones de EVA
3.1 Se utiliza como material de blindaje semiconductor para cables de alta tensión.
Como es sabido, el material principal del blindaje es el negro de humo conductor. Añadir una gran cantidad de negro de humo a la base de plástico o caucho deteriora seriamente la fluidez del material de blindaje y la uniformidad del proceso de extrusión. Para prevenir descargas parciales en cables de alta tensión, los blindajes interno y externo deben ser delgados, brillantes y uniformes. En comparación con otros polímeros, el EVA facilita este proceso. Esto se debe a que el EVA se extruye con facilidad, tiene buena fluidez y no es propenso a la rotura por fusión. El material de blindaje se divide en dos categorías: el blindaje interno, que envuelve al conductor, y el blindaje externo, que envuelve al aislante. El blindaje interno suele ser termoplástico y a menudo se basa en EVA con un contenido de VA del 18 % al 28 %. El blindaje externo suele ser reticulado y desprendible, y a menudo se basa en EVA con un contenido de VA del 40 % al 46 %.
3.2 Combustibles termoplásticos y ignífugos reticulados
La poliolefina termoplástica ignífuga se utiliza ampliamente en la industria del cable, principalmente para cumplir con los requisitos de cables marinos, cables de energía y líneas de construcción de alta gama que requieren la presencia o ausencia de halógenos. Sus temperaturas de funcionamiento a largo plazo oscilan entre 70 y 90 °C.
En los cables de potencia de media y alta tensión de 10 kV o superior, que presentan requisitos de rendimiento eléctrico muy exigentes, las propiedades ignífugas se deben principalmente a la cubierta exterior. En algunos edificios o proyectos con requisitos medioambientales estrictos, se exige que los cables tengan baja emisión de humos, estén libres de halógenos y presenten baja toxicidad, o bien, baja emisión de humos y baja concentración de halógenos; por lo tanto, las poliolefinas termoplásticas ignífugas constituyen una solución viable.
Para ciertas aplicaciones especiales, se utiliza un cable especial con diámetro exterior reducido y resistencia a temperaturas de entre 105 y 150 °C. Está fabricado con un material de poliolefina ignífuga altamente reticulado, cuyo proceso de reticulación puede ser seleccionado por el fabricante según sus condiciones de producción. Puede emplearse tanto el método tradicional de reticulación con vapor a alta presión o baño de sales a alta temperatura, como también la reticulación por irradiación a temperatura ambiente con acelerador de electrones. Su temperatura de funcionamiento a largo plazo se divide en tres rangos: 105 °C, 125 °C y 150 °C. La planta de producción puede fabricarlo según los diferentes requisitos de los usuarios o las normas, con o sin barrera de combustible halogenada.
Es bien sabido que las poliolefinas son polímeros no polares o débilmente polares. Debido a su polaridad similar a la del aceite mineral, se considera que las poliolefinas son menos resistentes al aceite, según el principio de compatibilidad similar. Sin embargo, muchas normas de cableado, tanto nacionales como internacionales, estipulan que las resistencias reticuladas también deben tener buena resistencia a aceites, disolventes e incluso lodos de aceite, ácidos y álcalis. Esto supone un reto para los investigadores de materiales. Actualmente, tanto en China como en el extranjero, se han desarrollado estos exigentes materiales, cuyo material base es el EVA.
3.3 Material de barrera de oxígeno
Los cables multiconductores trenzados presentan numerosos espacios entre los conductores que deben rellenarse para garantizar una apariencia redondeada, si el relleno dentro de la cubierta exterior es una barrera de combustible libre de halógenos. Esta capa de relleno actúa como barrera contra las llamas (oxígeno) en caso de combustión del cable y, por lo tanto, se la conoce como «barrera de oxígeno» en el sector.
Los requisitos básicos para un material de barrera de oxígeno son: buenas propiedades de extrusión, buena resistencia a la llama sin halógenos (índice de oxígeno generalmente superior a 40) y bajo costo.
Esta barrera de oxígeno se ha utilizado ampliamente en la industria del cable durante más de una década y ha supuesto mejoras significativas en la resistencia al fuego de los cables. La barrera de oxígeno se puede utilizar tanto en cables ignífugos libres de halógenos como en cables ignífugos libres de halógenos (por ejemplo, de PVC). Numerosos estudios han demostrado que los cables con barrera de oxígeno tienen mayor probabilidad de superar las pruebas de combustión vertical individual y de haz de cables.
Desde el punto de vista de la formulación del material, este material de barrera de oxígeno es en realidad un “relleno ultra alto”, porque para cumplir con el bajo costo, es necesario utilizar un alto relleno, para lograr un alto índice de oxígeno también se debe agregar una alta proporción (2 a 3 veces) de Mg ( OH) 2 o Al ( OH) 3, y para una buena extrusión se debe elegir EVA como material base.
3.4 Material de revestimiento de PE modificado
Los materiales de revestimiento de polietileno son propensos a dos problemas: primero, a la rotura por fusión (efecto piel de tiburón) durante la extrusión; segundo, al agrietamiento por tensión ambiental. La solución más sencilla consiste en añadir una cierta proporción de EVA a la formulación. Se utiliza como EVA modificado, generalmente con bajo contenido de VA, y su índice de fluidez entre 1 y 2 es el adecuado.
4. Perspectivas de desarrollo
(1) El EVA se ha utilizado ampliamente en la industria del cable, con un crecimiento anual gradual y constante. Especialmente en la última década, debido a la importancia de la protección ambiental, la resistencia al combustible basada en EVA ha experimentado un rápido desarrollo y ha sustituido parcialmente a los materiales de cable basados en PVC. Su excelente relación costo-beneficio y su óptimo rendimiento en el proceso de extrusión hacen que sea difícil que otros materiales lo reemplacen.
(2) El consumo anual de resina EVA en la industria del cable ronda las 100.000 toneladas. Se utilizan resinas EVA de diversas variedades, con un contenido de VA que varía de bajo a alto. Dado que el tamaño de las empresas de granulación de materiales para cables no es grande, y cada empresa maneja anualmente solo unos pocos miles de toneladas de resina EVA, por lo que no atrae la atención de las grandes empresas del sector. Por ejemplo, para la mayor cantidad de material base ignífugo libre de halógenos, se suele optar por resinas EVA con una relación VA/MI de 28/2 a 3 (como la EVA 265# de DuPont, EE. UU.). Hasta la fecha, ningún fabricante nacional produce ni suministra este grado de especificación de EVA. Ni hablar de otras resinas EVA con un contenido de VA superior a 28 y un índice de fluidez inferior a 3.
(3) Las empresas extranjeras que producen EVA, al no tener competencia nacional, mantienen precios elevados desde hace tiempo, lo que ha frenado considerablemente la producción de cables en el país. Más del 50 % del contenido de VA en los cables de EVA de tipo caucho proviene de empresas extranjeras, cuyo precio es entre dos y tres veces mayor que el de marcas reconocidas. Estos precios elevados también afectan la disponibilidad de este tipo de cables de EVA de tipo caucho, por lo que la industria del cable insta a los fabricantes nacionales de EVA a aumentar la producción nacional. El incremento de la producción en la industria ha conllevado un mayor uso de resina EVA.
(4) Aprovechando la creciente conciencia ambiental en la era de la globalización, la industria del cable considera que el EVA es el mejor material base para la resistencia a combustibles respetuosos con el medio ambiente. El uso de EVA crece a un ritmo del 15 % anual y las perspectivas son muy prometedoras. La cantidad y la tasa de crecimiento de los materiales de blindaje y la producción de cables de potencia de media y alta tensión se sitúan entre el 8 % y el 10 %. La resistencia a combustibles de poliolefinas está creciendo rápidamente, manteniéndose en los últimos años entre el 15 % y el 20 %, y es probable que mantenga este ritmo de crecimiento en los próximos 5 a 10 años.
Fecha de publicación: 31 de julio de 2022