Resumen: Se describen brevemente el principio de reticulación, la clasificación, la formulación, el proceso y el equipo del material aislante de polietileno reticulado con silano para cables y alambres, y se presentan algunas características del material aislante de polietileno reticulado naturalmente con silano en su aplicación y uso, así como los factores que afectan la condición de reticulación del material.
Palabras clave: Reticulación con silano; Reticulación natural; Polietileno; Aislamiento; Cables y alambres
El polietileno reticulado con silano se utiliza ampliamente en la industria de cables como material aislante para cables de baja tensión. En comparación con los procesos de reticulación por peróxido e irradiación, este material, en la fabricación de cables reticulados, destaca por su sencillez, facilidad de operación y bajo coste, convirtiéndose en el material líder para cables reticulados de baja tensión con aislamiento.
1. Principio de reticulación del material del cable reticulado con silano
La fabricación de polietileno reticulado con silano implica dos procesos principales: el injerto y la reticulación. En el injerto, el polímero pierde su átomo de hidrógeno en el carbono terciario por acción de un iniciador libre y mediante pirólisis, generando radicales libres que reaccionan con el grupo –CH=CH₂ del vinilsilano para producir un polímero injertado con un grupo éster trioxisililo. En la reticulación, el polímero injertado se hidroliza en presencia de agua para producir silanol, y el grupo –OH se condensa con el grupo Si-OH adyacente para formar el enlace Si-O-Si, reticulando así las macromoléculas del polímero.
2. Material de cable reticulado con silano y su método de producción de cables
Como es sabido, existen métodos de producción de dos y una etapa para los cables reticulados con silano. La diferencia entre ambos radica en el lugar donde se realiza el proceso de injerto de silano: en el método de dos etapas, este se lleva a cabo en las instalaciones del fabricante del material del cable, mientras que en el método de una etapa se realiza en la planta de fabricación del cable. El material aislante de polietileno reticulado con silano de dos etapas, con la mayor cuota de mercado, se compone de los materiales A y B. El material A es el polietileno injertado con silano y el material B es el concentrado de catalizador. Posteriormente, el núcleo aislante se reticula en agua caliente o vapor.
Existe otro tipo de aislante de polietileno reticulado con silano en dos etapas, donde el material A se produce de una manera diferente, introduciendo vinilsilano directamente en el polietileno durante la síntesis para obtener polietileno con cadenas ramificadas de silano.
El método de un solo paso también presenta dos variantes. El proceso tradicional consiste en dosificar con precisión diversas materias primas, según una fórmula específica, mediante un sistema de dosificación de alta precisión. Estas materias primas se introducen en una extrusora especial diseñada específicamente para completar, en un solo paso, el injerto y la extrusión del núcleo aislante del cable. Este proceso no requiere granulación ni la participación de la planta de materiales del cable, pudiendo ser realizado por la propia fábrica de cables. La tecnología y los equipos para la producción de cables reticulados con silano en un solo paso se importan en su mayoría y resultan costosos.
Otro tipo de material aislante de polietileno reticulado con silano de un solo paso, producido por fabricantes de materiales para cables, consiste en la mezcla de todas las materias primas según una fórmula específica, en la proporción indicada y mediante un método especial. Este material se envasa y se comercializa sin necesidad de materiales A y B, lo que permite a las plantas de fabricación de cables realizar directamente el proceso de reticulación y extrusión del núcleo aislante del cable en la extrusora. La principal ventaja de este método radica en que no requiere extrusoras especiales costosas, ya que el proceso de reticulación con silano puede llevarse a cabo en una extrusora de PVC convencional. Además, este método de dos pasos elimina la necesidad de mezclar los materiales A y B antes de la extrusión.
3. Composición de la formulación
La formulación del material de cable de polietileno reticulado con silano generalmente se compone de resina de material base, iniciador, silano, antioxidante, inhibidor de polimerización, catalizador, etc.
(1) La resina base suele ser polietileno de baja densidad (LDPE) con un índice de fluidez (MI) de 2, pero recientemente, debido al desarrollo de la tecnología de resinas sintéticas y a la presión de los costos, también se ha utilizado, total o parcialmente, polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) como resina base para este material. Las diferencias en su estructura macromolecular interna suelen tener un impacto significativo en el injerto y la reticulación, por lo que la formulación se modifica al utilizar distintas resinas base o el mismo tipo de resina de diferentes fabricantes.
(2) El iniciador comúnmente utilizado es el peróxido de diisopropilo (DCP). La clave reside en controlar la cantidad: una cantidad insuficiente provoca un injerto de silano inadecuado; una cantidad excesiva causa la reticulación del polietileno, lo que reduce su fluidez y genera una superficie rugosa en el núcleo aislante extruido, dificultando su compresión. Dado que la cantidad de iniciador añadida es muy pequeña y delicada, es importante dispersarla uniformemente; por ello, generalmente se añade junto con el silano.
(3) Generalmente se utiliza silano vinílico insaturado, como el viniltrimetoxisilano (A2171) y el viniltrietoxisilano (A2151). Debido a la rápida hidrólisis del A2171, este es el preferido. Sin embargo, la adición de silano presenta dificultades, ya que los fabricantes de materiales para cables buscan reducir costos al utilizar cantidades mínimas, dado que el silano importado es más caro.
(4) El antioxidante garantiza la estabilidad del procesamiento del polietileno y la protección antienvejecimiento del cable. En el proceso de injerto de silano, el antioxidante inhibe la reacción de injerto, por lo que su adición debe realizarse con cuidado, considerando la cantidad de DCP para que coincida con la del proceso de injerto. En el proceso de reticulación en dos etapas, la mayor parte del antioxidante puede añadirse al lote maestro del catalizador, lo que reduce su impacto en el proceso de injerto. En el proceso de reticulación en una sola etapa, el antioxidante está presente durante todo el proceso de injerto, por lo que la elección de la especie y la cantidad es más importante. Algunos antioxidantes de uso común son 1010, 168 y 330, entre otros.
(5) Se añade un inhibidor de polimerización para inhibir algunas reacciones secundarias que ocurren durante el proceso de injerto y reticulación. En el proceso de injerto, la adición de un agente anti-reticulación puede reducir eficazmente la aparición de reticulación C2C, mejorando así la fluidez del proceso. Además, la adición de un injerto en las mismas condiciones, precedida por la hidrólisis del silano en el inhibidor de polimerización, puede reducir la hidrólisis del polietileno injertado, mejorando así la estabilidad a largo plazo del material injertado.
(6) Los catalizadores suelen ser derivados organoestánnicos (excepto en el caso de la reticulación natural), siendo el más común el dilaurato de dibutilestaño (DBDTL), que generalmente se añade en forma de concentrado. En el proceso de dos etapas, el material de injerto (material A) y el concentrado de catalizador (material B) se envasan por separado y se mezclan antes de añadirlos a la extrusora para evitar la reticulación previa del material A. En el caso de los aislamientos de polietileno reticulados con silano en una sola etapa, el polietileno envasado aún no se ha injertado, por lo que no existe problema de reticulación previa y, por lo tanto, no es necesario envasar el catalizador por separado.
Además, en el mercado existen silanos compuestos, que son una combinación de silano, iniciador, antioxidante, algunos lubricantes y agentes anti-cobre, y que generalmente se utilizan en métodos de reticulación de silano de un solo paso en las plantas de cables.
Por lo tanto, la formulación del aislamiento de polietileno reticulado con silano, cuya composición no se considera muy compleja y está disponible en la información pertinente, pero las formulaciones de producción adecuadas, sujetas a algunos ajustes para su finalización, requieren una comprensión completa del papel de los componentes en la formulación y la ley de su impacto en el rendimiento y su influencia mutua.
Entre las numerosas variedades de materiales para cables, el material reticulado con silano (ya sea en dos o una etapa) se considera la única variedad en la que ocurren procesos químicos durante la extrusión. Otras variedades, como el material de cable de cloruro de polivinilo (PVC) y el material de cable de polietileno (PE), se someten a un proceso de granulación por extrusión que es un proceso de mezcla física. Incluso en el caso del material de cable reticulado químicamente o por irradiación, no se produce ningún proceso químico durante la granulación por extrusión ni en el sistema de extrusión del cable. Por lo tanto, en comparación con la producción de material de cable reticulado con silano y la extrusión de aislamiento de cables, el control del proceso es más importante.
4. Proceso de producción de aislamiento de polietileno reticulado con silano en dos etapas
El proceso de producción del material aislante de polietileno reticulado con silano de dos pasos A se puede representar brevemente en la Figura 1.
Figura 1 Proceso de producción del material aislante de polietileno reticulado con silano en dos etapas A
Algunos puntos clave en el proceso de producción del aislamiento de polietileno reticulado con silano en dos etapas:
(1) Secado. Dado que la resina de polietileno contiene una pequeña cantidad de agua, al extruirse a altas temperaturas, el agua reacciona rápidamente con los grupos sililo, produciendo reticulación. Esto reduce la fluidez de la masa fundida y genera una reticulación incipiente. El material final también contiene agua tras el enfriamiento, la cual, si no se elimina, puede provocar reticulación incipiente y, por lo tanto, también debe secarse. Para garantizar un secado óptimo, se utiliza una unidad de secado profundo.
(2) Dosificación. Dado que la precisión de la formulación del material es importante, generalmente se utiliza una báscula de pesaje importada. La resina de polietileno y el antioxidante se miden y se introducen a través del puerto de alimentación de la extrusora, mientras que el silano y el iniciador se inyectan mediante una bomba de material líquido en el segundo o tercer cilindro de la extrusora.
(3) Injerto por extrusión. El proceso de injerto de silano se completa en la extrusora. Los parámetros de la extrusora, como la temperatura, la combinación de tornillos, la velocidad de los tornillos y la velocidad de alimentación, deben cumplir el principio de que el material en la primera sección de la extrusora se funda y mezcle completamente de manera uniforme, evitando así la descomposición prematura del peróxido. Asimismo, en la segunda sección de la extrusora, el material debe estar completamente descompuesto y el proceso de injerto debe completarse. Las temperaturas típicas de las secciones de la extrusora (LDPE) se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Temperaturas de las zonas de extrusión de dos etapas
| Zona de trabajo | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 ① | Zona 4 | Zona 5 |
| Temperatura P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Zona de trabajo | Zona 6 | Zona 7 | Zona 8 | Zona 9 | Mordida de boca |
| Temperatura °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
① es donde se agrega el silano.
La velocidad del tornillo de la extrusora determina el tiempo de residencia y la homogeneidad del material. Si el tiempo de residencia es corto, la descomposición del peróxido es incompleta; si es demasiado largo, aumenta la viscosidad del material extruido. En general, el tiempo de residencia promedio del gránulo en la extrusora debe controlarse entre 5 y 10 veces la vida media de descomposición del iniciador. La velocidad de alimentación influye no solo en el tiempo de residencia, sino también en la homogeneización y el cizallamiento del material; por lo tanto, elegir una velocidad de alimentación adecuada es crucial.
(4) Embalaje. El material aislante reticulado con silano de dos pasos debe envasarse en bolsas compuestas de aluminio y plástico en contacto directo con el aire para eliminar la humedad.
5. Proceso de producción de material aislante de polietileno reticulado con silano en un solo paso
Debido a su proceso de injerto, el material aislante de polietileno reticulado con silano de un solo paso se utiliza en la extrusión del núcleo aislante del cable en la fábrica, por lo que la temperatura de extrusión es significativamente mayor que en el método de dos pasos. Si bien la fórmula del aislamiento de polietileno reticulado con silano de un solo paso considera la rápida dispersión del iniciador y el silano, así como la resistencia al cizallamiento del material, el proceso de injerto depende en gran medida de la temperatura. Por ello, las plantas de producción de aislamiento de polietileno reticulado con silano de un solo paso han recalcado la importancia de elegir correctamente la temperatura de extrusión. La temperatura de extrusión recomendada se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2 Temperatura de extrusión de un solo paso de cada zona (unidad: ℃)
| Zona | Zona 1 | Zona 2 | Zona 3 | Zona 4 | Brida | Cabeza |
| Temperatura | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
Esta es una de las debilidades del proceso de polietileno reticulado con silano de un solo paso, que generalmente no es necesario cuando se extruyen cables en dos pasos.
6. Equipos de producción
El equipo de producción es una garantía importante para el control del proceso. La producción de cables reticulados con silano requiere un alto grado de precisión en el control del proceso, por lo que la elección del equipo de producción es especialmente importante.
La producción de material aislante de polietileno reticulado con silano en dos etapas requiere un equipo especializado. Actualmente, se utilizan principalmente extrusoras de doble tornillo paralelas isotrópicas de fabricación nacional con sistemas de pesaje sin peso importados. Estos dispositivos cumplen con los requisitos de precisión en el control del proceso. La selección de la longitud y el diámetro de la extrusora de doble tornillo garantiza el tiempo de residencia del material, mientras que la elección del sistema de pesaje sin peso importado asegura la precisión en la dosificación de los ingredientes. Por supuesto, existen muchos detalles del equipo que requieren una atención minuciosa.
Como se mencionó anteriormente, los equipos de producción de cables reticulados con silano de un solo paso en la planta de cables son importados, costosos y los fabricantes de equipos nacionales no cuentan con equipos de producción similares. La razón es la falta de cooperación entre los fabricantes de equipos y los investigadores de fórmulas y procesos.
7. Material aislante de polietileno reticulado natural con silano
El material aislante de polietileno reticulado naturalmente con silano, desarrollado en los últimos años, puede reticularse en condiciones naturales en pocos días, sin necesidad de vapor ni inmersión en agua caliente. En comparación con el método tradicional de reticulación con silano, este material permite a los fabricantes de cables reducir el proceso de producción, disminuyendo aún más los costos y aumentando la eficiencia. El aislamiento de polietileno reticulado naturalmente con silano es cada vez más reconocido y utilizado por los fabricantes de cables.
En los últimos años, el aislamiento nacional de polietileno reticulado natural con silano ha madurado y se produce en grandes cantidades, con ciertas ventajas de precio en comparación con los materiales importados.
7.1 Ideas de formulación para aislamientos de polietileno reticulado naturalmente con silano
Los aislamientos de polietileno reticulado natural con silano se producen mediante un proceso de dos etapas, con la misma formulación compuesta por resina base, iniciador, silano, antioxidante, inhibidor de polimerización y catalizador. La formulación de estos aislamientos se basa en aumentar la tasa de injerto de silano del material A y seleccionar un catalizador más eficiente que el utilizado en los aislamientos de polietileno reticulado con agua caliente. El uso de materiales A con una mayor tasa de injerto de silano, combinado con un catalizador más eficiente, permite que el aislamiento se reticule rápidamente incluso a bajas temperaturas y con poca humedad.
Los materiales A para aislantes de polietileno reticulado naturalmente con silano importado se sintetizan mediante copolimerización, donde el contenido de silano puede controlarse con precisión. En cambio, la producción de materiales A con altas tasas de injerto mediante injerto de silano resulta compleja. La resina base, el iniciador y el silano empleados en la formulación deben variarse y ajustarse en cuanto a su composición y adición.
La selección de la resina fotosensible y el ajuste de su dosificación son cruciales, ya que un aumento en la tasa de injerto del silano inevitablemente conlleva un mayor número de reacciones secundarias de reticulación CC. Para mejorar la fluidez del procesamiento y el estado superficial del material A para la posterior extrusión del cable, se requiere una cantidad adecuada de inhibidor de polimerización para inhibir eficazmente la reticulación CC y la reticulación previa.
Además, los catalizadores desempeñan un papel importante en el aumento de la velocidad de reticulación y deben seleccionarse como catalizadores eficientes que contengan elementos libres de metales de transición.
7.2 Tiempo de reticulación de aislamientos de polietileno reticulado naturalmente con silano
El tiempo necesario para completar la reticulación del aislamiento de polietileno reticulado natural con silano en su estado natural depende de la temperatura, la humedad y el espesor de la capa aislante. A mayor temperatura y humedad, y menor espesor de la capa aislante, menor será el tiempo de reticulación requerido, y viceversa. Dado que la temperatura y la humedad varían de una región a otra y de una estación a otra, incluso en el mismo lugar y a la misma hora, la temperatura y la humedad de hoy serán diferentes a las de mañana. Por lo tanto, durante el uso del material, el usuario debe determinar el tiempo de reticulación según la temperatura y la humedad locales predominantes, así como las especificaciones del cable y el espesor de la capa aislante.
Fecha de publicación: 13 de agosto de 2022