Résumé : Le principe de réticulation, la classification, la formulation, le processus et l'équipement du matériau isolant en polyéthylène réticulé au silane pour fils et câbles sont brièvement décrits, et certaines caractéristiques du matériau isolant en polyéthylène naturellement réticulé au silane dans l'application et l'utilisation ainsi que les facteurs affectant l'état de réticulation du matériau sont introduits.
Mots-clés : Réticulation au silane ; Réticulation naturelle ; Polyéthylène ; Isolation ; Fil et câble
Le polyéthylène réticulé au silane est aujourd'hui largement utilisé dans l'industrie des fils et câbles comme matériau isolant pour les câbles électriques basse tension. Ce matériau, utilisé pour la fabrication de fils et câbles réticulés, ainsi que la réticulation au peroxyde et par irradiation, présente, entre autres avantages, une simplicité d'utilisation, un faible coût global et d'autres avantages, ce qui en fait le matériau de référence pour les câbles réticulés basse tension avec isolation.
1. Principe de réticulation du matériau de câble réticulé au silane
La fabrication du polyéthylène réticulé au silane repose sur deux procédés principaux : le greffage et la réticulation. Lors du greffage, le polymère perd son atome d'hydrogène sur le carbone tertiaire sous l'action d'un initiateur libre et se pyrolyse en radicaux libres. Ces derniers réagissent avec le groupement –CH = CH2 du vinylsilane pour former un polymère greffé contenant un groupement ester trioxysilyle. Lors de la réticulation, le polymère greffé est d'abord hydrolysé en présence d'eau pour produire du silanol, puis le groupement –OH se condense avec le groupement Si-OH adjacent pour former la liaison Si-O-Si, réticulant ainsi les macromolécules du polymère.
2. Matériau de câble réticulé au silane et sa méthode de production de câble
Comme vous le savez, il existe des méthodes de production en deux étapes et en une étape pour les câbles réticulés au silane et leurs câbles. La différence entre la méthode en deux étapes et la méthode en une étape réside dans le lieu où le greffage du silane est réalisé : chez le fabricant pour la méthode en deux étapes, dans l'usine de fabrication pour la méthode en une étape. Le matériau isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes, qui détient la plus grande part de marché, est composé des matériaux dits A et B, le matériau A étant le polyéthylène greffé au silane et le matériau B le mélange-maître du catalyseur. L'âme isolante est ensuite réticulée à l'eau chaude ou à la vapeur.
Il existe un autre type d'isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes, où le matériau A est produit d'une manière différente, en introduisant du vinyl silane directement dans le polyéthylène pendant la synthèse pour obtenir du polyéthylène avec des chaînes ramifiées en silane.
La méthode en une étape se décline en deux types : le procédé traditionnel consiste à introduire diverses matières premières selon une formule précise et dosée à l'aide d'un système de dosage de précision spécifique dans une extrudeuse spécialement conçue pour réaliser le greffage et l'extrusion de l'âme isolante du câble. Ce procédé, sans granulation ni intervention de l'usine de fabrication de câbles, est réalisé par l'usine elle-même. Les équipements de production et la technologie de formulation de câbles réticulés au silane en une étape sont généralement importés et coûteux.
Un autre type d'isolant en polyéthylène réticulé au silane en une étape est produit par les fabricants de câbles. Toutes les matières premières sont mélangées selon une formule spécifique, conditionnées et commercialisées selon un rapport précis. Il n'y a pas de matériau A ni de matériau B. L'usine de câbles peut être directement installée dans l'extrudeuse pour réaliser simultanément le greffage et l'extrusion de l'âme isolante du câble. La particularité de cette méthode est qu'elle ne nécessite pas d'extrudeuses spéciales coûteuses, le greffage au silane pouvant être réalisé dans une extrudeuse PVC classique. De plus, la méthode en deux étapes élimine le besoin de mélanger les matériaux A et B avant l'extrusion.
3. Composition de la formulation
La formulation du matériau de câble en polyéthylène réticulé au silane est généralement composée d'une résine de matériau de base, d'un initiateur, d'un silane, d'un antioxydant, d'un inhibiteur de polymérisation, d'un catalyseur, etc.
(1) La résine de base est généralement une résine de polyéthylène basse densité (PEBD) avec un indice de fluidité (IM) de 2. Cependant, récemment, avec le développement de la technologie des résines synthétiques et la pression des coûts, le polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL) a également été utilisé, en tout ou en partie, comme résine de base pour ce matériau. Différentes résines ont souvent un impact significatif sur le greffage et la réticulation en raison de leurs différences de structure macromoléculaire interne. La formulation sera donc modifiée en utilisant différentes résines de base ou le même type de résine provenant de différents fabricants.
(2) L'initiateur couramment utilisé est le peroxyde de diisopropyle (DCP). Il est essentiel de bien cerner la quantité de produit à traiter : une quantité insuffisante peut entraîner un greffage au silane, tandis qu'une quantité excessive peut entraîner une réticulation du polyéthylène, ce qui réduit sa fluidité. La surface du noyau isolant extrudé est rugueuse et rend le système difficile à comprimer. La quantité d'initiateur ajoutée étant très faible et sensible, il est important de la répartir uniformément ; c'est pourquoi elle est généralement ajoutée avec le silane.
(3) Le silane est généralement utilisé comme silane vinylique insaturé, notamment le vinyltriméthoxysilane (A2171) et le vinyltriéthoxysilane (A2151). En raison de sa vitesse d'hydrolyse rapide, l'A2171 est donc davantage utilisé. De même, l'ajout de silane pose problème : les fabricants actuels de matériaux pour câbles s'efforcent d'atteindre sa limite inférieure afin de réduire les coûts, car le silane est importé, ce qui augmente son prix.
(4) L'antioxydant assure la stabilité du traitement du polyéthylène et prévient le vieillissement des câbles. Lors du greffage au silane, il inhibe la réaction de greffage. Il est donc important d'être prudent lors de l'ajout d'antioxydants, et de tenir compte de la quantité de DCP lors du choix. Lors d'un procédé de réticulation en deux étapes, la majeure partie de l'antioxydant peut être ajoutée au mélange-maître du catalyseur, ce qui réduit l'impact sur le greffage. Lors d'un procédé de réticulation en une étape, l'antioxydant est présent tout au long du greffage ; le choix de l'espèce et de la quantité est donc plus important. Les antioxydants couramment utilisés sont les 1010, 168, 330, etc.
(5) Un inhibiteur de polymérisation est ajouté afin d'inhiber certaines réactions secondaires du processus de greffage et de réticulation. Dans le processus de greffage, l'ajout d'un agent anti-réticulation peut réduire efficacement l'apparition de réticulation C2C, améliorant ainsi la fluidité du traitement. De plus, l'ajout d'un greffon dans les mêmes conditions sera précédé par l'hydrolyse du silane sur l'inhibiteur de polymérisation peut réduire l'hydrolyse du polyéthylène greffé, pour améliorer la stabilité à long terme du matériau greffé.
(6) Les catalyseurs sont souvent des dérivés organostanniques (sauf pour la réticulation naturelle), le plus courant étant le dilaurate de dibutylétain (DBDTL), généralement ajouté sous forme de mélange maître. Dans le procédé en deux étapes, le greffon (matériau A) et le mélange maître du catalyseur (matériau B) sont conditionnés séparément, et les matériaux A et B sont mélangés avant d'être ajoutés à l'extrudeuse afin d'éviter la pré-réticulation du matériau A. Dans le cas des isolants en polyéthylène réticulé au silane en une étape, le polyéthylène contenu dans l'emballage n'a pas encore été greffé ; il n'y a donc pas de problème de pré-réticulation et le catalyseur n'a donc pas besoin d'être conditionné séparément.
De plus, il existe sur le marché des silanes composés, qui sont une combinaison de silane, d'initiateur, d'antioxydant, de certains lubrifiants et d'agents anti-cuivre, et sont généralement utilisés dans les méthodes de réticulation du silane en une étape dans les usines de câbles.
Par conséquent, la formulation de l'isolant en polyéthylène réticulé au silane, dont la composition n'est pas considérée comme très complexe et est disponible dans les informations pertinentes, mais les formulations de production appropriées, sujettes à quelques ajustements afin de finaliser, ce qui nécessite une compréhension complète du rôle des composants dans la formulation et la loi de leur impact sur les performances et leur influence mutuelle.
Français Dans les nombreuses variétés de matériaux de câbles, le matériau de câble réticulé au silane (en deux étapes ou en une étape) est considéré comme la seule variété de processus chimiques se produisant dans l'extrusion, d'autres variétés telles que le matériau de câble en chlorure de polyvinyle (PVC) et le matériau de câble en polyéthylène (PE), le processus de granulation par extrusion est un processus de mélange physique, même si la réticulation chimique et la réticulation par irradiation du matériau de câble, que ce soit dans le processus de granulation par extrusion ou dans le système d'extrusion Câble, il n'y a pas de processus chimique qui se produit, donc, en comparaison, la production de matériau de câble réticulé au silane et l'extrusion d'isolation de câble, le contrôle du processus est plus important.
4. Procédé de production d'isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes
Le processus de production du matériau isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes A peut être brièvement représenté par la figure 1.
Figure 1 Procédé de production d'un matériau isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes A
Quelques points clés du processus de production d'isolant en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes :
(1) Séchage. La résine de polyéthylène contenant une faible quantité d'eau, lors de l'extrusion à haute température, l'eau réagit rapidement avec les groupes silyles pour former une réticulation, ce qui réduit la fluidité de la masse fondue et produit une pré-réticulation. Le matériau fini contient également de l'eau après refroidissement, ce qui peut également provoquer une pré-réticulation si elle n'est pas éliminée. Il doit également être séché. Afin de garantir la qualité du séchage, une unité de séchage en profondeur est utilisée.
(2) Dosage. La précision de la formulation du matériau étant primordiale, une balance à perte de poids importée est généralement utilisée. La résine de polyéthylène et l'antioxydant sont dosés et introduits par l'orifice d'alimentation de l'extrudeuse, tandis que le silane et l'initiateur sont injectés par une pompe à liquide dans le deuxième ou le troisième cylindre de l'extrudeuse.
(3) Greffage par extrusion. Le greffage du silane est réalisé dans l'extrudeuse. Les réglages de l'extrudeuse, notamment la température, la combinaison de vis, la vitesse de la vis et le débit d'alimentation, doivent respecter le principe selon lequel le matériau de la première section peut être entièrement fondu et mélangé uniformément, sans risque de décomposition prématurée du peroxyde. Le matériau parfaitement uniforme de la deuxième section doit être entièrement décomposé et le greffage terminé. Les températures typiques des sections d'extrudeuse (PEBD) sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1 Températures des zones d'extrusion à deux étapes
| Zone de travail | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 ① | Zone 4 | Zone 5 |
| Température P °C | 140 | 145 | 120 | 160 | 170 |
| Zone de travail | Zone 6 | Zone 7 | Zone 8 | Zone 9 | Mourir à la bouche |
| Température °C | 180 | 190 | 195 | 205 | 195 |
1. C'est là que le silane est ajouté.
La vitesse de la vis de l'extrudeuse détermine le temps de séjour et l'effet de mélange du matériau dans l'extrudeuse. Un temps de séjour court entraîne une décomposition incomplète du peroxyde ; un temps de séjour trop long entraîne une augmentation de la viscosité du matériau extrudé. En général, le temps de séjour moyen des granulés dans l'extrudeuse doit être contrôlé pour que la demi-vie de décomposition de l'initiateur soit de 5 à 10 fois supérieure. La vitesse d'alimentation a non seulement un impact sur le temps de séjour du matériau, mais aussi sur son mélange et son cisaillement. Le choix d'une vitesse d'alimentation appropriée est donc crucial.
(4) Emballage. Le matériau isolant réticulé au silane en deux étapes doit être emballé dans des sacs composites aluminium-plastique, à l'air libre, pour éliminer l'humidité.
5. Procédé de production de matériau isolant en polyéthylène réticulé au silane en une seule étape
Grâce à son procédé de greffage, l'isolant en polyéthylène réticulé au silane en une étape est utilisé lors de l'extrusion de l'âme isolante des câbles en usine. La température d'extrusion est donc nettement supérieure à celle de la méthode en deux étapes. Bien que la formule de l'isolant en polyéthylène réticulé au silane en une étape ait été pleinement prise en compte pour la dispersion rapide de l'initiateur et du silane, ainsi que pour le cisaillement du matériau, le greffage doit être garanti par la température. L'usine de production d'isolant en polyéthylène réticulé au silane en une étape a souligné à plusieurs reprises l'importance d'un choix judicieux de la température d'extrusion. La température d'extrusion généralement recommandée est indiquée dans le tableau 2.
Tableau 2 Température de l'extrudeuse en une étape de chaque zone (unité : ℃)
| Zone | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 | Zone 4 | Bride | Tête |
| Température | 160 | 190 | 200～210 | 220～230 | 230 | 230 |
C'est l'une des faiblesses du procédé de réticulation au silane en une seule étape, qui n'est généralement pas nécessaire lors de l'extrusion de câbles en deux étapes.
6. Équipement de production
L'équipement de production est un gage important de maîtrise du processus. La production de câbles réticulés au silane exige une très grande précision de contrôle ; le choix de l'équipement est donc particulièrement important.
Production de matériaux isolants en polyéthylène réticulé au silane en deux étapes. Un équipement de production de matériaux, actuellement plus répandu en Chine, utilise des extrudeuses bivis parallèles isotropes avec pesage sans poids importé. Ces équipements répondent aux exigences de précision du contrôle du processus, de choix de la longueur et du diamètre de l'extrudeuse bivis pour garantir le temps de séjour du matériau, et de choix du pesage sans poids importé pour garantir la précision des ingrédients. Bien entendu, de nombreux détails de l'équipement nécessitent une attention particulière.
Comme mentionné précédemment, les équipements de production de câbles réticulés au silane en une étape dans l'usine de câbles sont importés, coûteux, les fabricants d'équipements nationaux ne disposent pas d'équipements de production similaires, la raison en est le manque de coopération entre les fabricants d'équipements et les chercheurs en formules et en procédés.
7. Matériau isolant en polyéthylène réticulé naturel au silane
Le matériau isolant en polyéthylène réticulé naturel au silane, développé ces dernières années, peut être réticulé en conditions naturelles en quelques jours, sans immersion à la vapeur ni dans l'eau chaude. Comparé à la méthode traditionnelle de réticulation au silane, ce matériau permet de simplifier le processus de production des fabricants de câbles, réduisant ainsi les coûts et augmentant l'efficacité de la production. L'isolant en polyéthylène réticulé naturel au silane est de plus en plus reconnu et utilisé par les fabricants de câbles.
Ces dernières années, l'isolation en polyéthylène réticulé naturel au silane national a mûri et a été produite en grande quantité, avec certains avantages en termes de prix par rapport aux matériaux importés.
7. 1 Idées de formulation pour les isolants en polyéthylène réticulé naturellement au silane
Les isolants en polyéthylène réticulé naturel au silane sont fabriqués selon un procédé en deux étapes, avec la même formulation composée d'une résine de base, d'un initiateur, d'un silane, d'un antioxydant, d'un inhibiteur de polymérisation et d'un catalyseur. La formulation des isolants en polyéthylène réticulé naturel au silane repose sur l'augmentation du taux de greffage du silane du matériau A et le choix d'un catalyseur plus efficace que celui des isolants en polyéthylène réticulé à l'eau chaude. L'utilisation de matériaux A présentant un taux de greffage du silane plus élevé, associée à un catalyseur plus performant, permet à l'isolant en polyéthylène réticulé au silane de réticuler rapidement, même à basse température et en cas d'humidité insuffisante.
Les matériaux A pour les isolants en polyéthylène naturellement réticulé au silane importé sont synthétisés par copolymérisation, où la teneur en silane peut être contrôlée à un niveau élevé. Or, la production de matériaux A à taux de greffage élevé par greffage de silane est difficile. La résine de base, l'initiateur et le silane utilisés dans la formule doivent être variés et ajustés en termes de variété et d'ajout.
Le choix de la résine et l'ajustement de son dosage sont également cruciaux, car une augmentation du taux de greffage du silane entraîne inévitablement davantage de réactions secondaires de réticulation CC. Afin d'améliorer la fluidité de mise en œuvre et l'état de surface du matériau A en vue de l'extrusion ultérieure de câbles, une quantité appropriée d'inhibiteur de polymérisation est nécessaire pour inhiber efficacement la réticulation CC et la pré-réticulation préalable.
De plus, les catalyseurs jouent un rôle important dans l’augmentation du taux de réticulation et doivent être sélectionnés comme catalyseurs efficaces contenant des éléments sans métaux de transition.
7. 2 Temps de réticulation des isolants en polyéthylène réticulé naturellement au silane
Le temps nécessaire à la réticulation complète d'un isolant en polyéthylène réticulé naturel au silane à l'état naturel dépend de la température, de l'humidité et de l'épaisseur de la couche isolante. Plus la température et l'humidité sont élevées, plus la couche isolante est fine, plus le temps de réticulation est court, et inversement, plus il est long. La température et l'humidité variant d'une région à l'autre et d'une saison à l'autre, même au même endroit et au même moment, la température et l'humidité d'aujourd'hui et de demain seront différentes. Par conséquent, lors de l'utilisation du matériau, l'utilisateur doit déterminer le temps de réticulation en fonction de la température et de l'humidité locales, ainsi que des spécifications du câble et de l'épaisseur de la couche isolante.
Date de publication : 13 août 2022