Сшитый полиэтилен (XLPE, cross-linked polyethylene), т.е. имеющий поперечные связи в структуре, отличается более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичным полиэтиленом, при этом электрические характеристики у них одинаковые. Это обуславливает широкое распространение сшитого полиэтилена в качестве изоляции силовых кабелей.
Существуют два разных способа сшивания полиэтилена:
1. Радиационный метод, при котором ионизирующее излучение вызывает образование в материале макрорадикалов, при их взаимодействии друг с другом образуется «сшитая» структура.
2.При химическом методе активные макрорадикалы возникают в результате реакции молекул полиэтилена с неустойчивыми органическими соединениями. Различают пероксидное сшивание – взаимодействие в этом случае происходит с перекисями, либо силанольное – с силаносодержащими веществами.
В кабельной промышленности в основном используется химический метод сшивки.
Пероксидное сшивание.
При этой технологии на специальных наклонных или вертикальных линиях происходит непрерывное трёхслойное экструзионное наложение изоляции – полупроводящего экрана по жиле, собственно изоляции и полупроводящего экрана по изоляции – с последующей их сшивкой в вулканизационной трубе при температуре 250-3000С в среде инертного газа (азота). Азот при высокой температуре и давлении не окисляет и не приводит к деградации изоляции.
Пероксиды, в основном перекись дикумила, вводятся в полиэтилен перед процессом экструзии, либо непосредственно во время нее. В вулканизационной трубе, под действием тепла, в полиэтилене происходит распад перекиси с образованием двух радикалов:
Эти радикалы, взаимодействуют с молекулами полиэтилена, отрывая у них атом водорода, в результате чего образуется макрорадикал:
Образование поперечных связей (непосредственно «сшивка») происходит при взаимодействии соседних макрорадикалов:
При этом методе сшивания образуются побочные продукты деления, в основном ацетофенон и метил. Они либо испаряются со временем, либо удаляются при помощи дегазации в термокамере. Остающиеся после удаления побочных продуктов воздушные пустоты ухудшают электрические характеристики XLPE, но большинство пустот имеет размеры, которые не вызывают резкого снижения долговечности кабелей.
Силанольное сшивание.
При силанольной сшивке в полимерные цепочки полиэтилена вводятся химические соединения на основе силана, формирующие поперечные связи только под воздействием воды (пар или горячая вода). Технологический процесс разделен на две этапа – экструзии изоляции на обычной горизонтальной линии и ее последующего сшивания в водяной среде.
Рассмотрим процесс сшивки винилтриметоксисиланом:
Реакция проходит обычно в присутствии перекиси дикумила, что обеспечивает отрыв атома водорода от молекулы полиэтилена при температуре 160-1700С:
Далее в присутствии воды и катализатора протекает реакция гидролиза и сшивка:
Этот метод значительно дешевле по сравнению с пероксидной технологией.
Принципиальным отличием от пероксидного сшивания является наличие в получаемом сшитом полиэтилене продуктов деления реакции, которые образуют поперечные связи в материале. Кроме этого, сшивка в водной среде может приводить к последующему образованию водных триингов в изоляции. Являясь инородными, все эти включения будут приводить к ускоренному старению изоляции кабелей.
В настоящее время, основываясь на многолетних исследованиях и опыте эксплуатации, ведущие специалисты считают, что кабели на номинальное напряжение 10 кВ при четком соблюдении технологии силанольной сшивки не уступают кабелям с пероксидно-сшитой изоляцией. Но параллельно этому существует другое мнение, что при массовом производстве невозможно добиться стабильных параметров полиэтилена с силанольной сшивкой, поскольку производитель должен четко соблюдать время выдержки изоляции в водной среде, которое зависит от ее толщины, ни в коем случае не сокращая его, иначе это негативно скажется на электрических свойствах XLPE. И более надежной эксперты все же признают изоляцию из пероксидно-сшитого полиэтилена. С применением данной технологии производят кабели на напряжение 6-500 кВ.