לחוטים ולכבלים המיוצרים בשיטת הצלבה של קרינה יש עמידות בחום, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני קורוזיה, חוזק מתיחה גבוה ועמידות ברזל. בהשוואה לשיטות עיבוד צולבות אחרות, יש להן ביצועי בידוד טובים יותר ולא יפגעו על ידי זרזים שאינם מגיבים, מה שיכול לשפר ביצועים חשמליים, עמידות להזדקנות תרמית ויציבות החומר. הצלבת קרינה היא תהליך ושיטת ייצור אידיאליים עבור חוטים גמישים שונים, כבלי ציוד חשמלי, חוטים וכבלים וכבלים עמידים בטמפרטורה- גבוהה ו-מעכבי בעירה.
חומר הבידוד של רוב הכבלים חייב לא רק להיות בעל התנגדות בידוד גבוהה, חוזק מתח או אובדן דיאלקטרי נמוך, אלא גם בעל תכונות פיזיקליות ומכאניות טובות, כגון חוזק מתיחה, עמידות בפני כיפוף, עמידות בפני רטט, עמידות בפני פיתול וכו'. חומרי הבידוד לכבלים צולבים מוקרנים כוללים בעיקר פוליוויניל כלוריד, פוליפרופילן{2} מוצלב, פוליפרופילן{2} גומי EPDM מוצלב-.
1, חומר בידוד המכיל הלוגן
(1) חומר בידוד פוליוויניל כלוריד (PVC).
חומר בידוד PVC הוא תערובת של חומרים פלסטיים, מייצבים, מעכבי בעירה, חומרי סיכה ותוספים נוספים המוספים לאבקת PVC לפי נוסחאות שונות. לאחר עשרות שנים של ייצור ושימוש, ייצור PVC, התאמת נוסחה וטכנולוגיית עיבוד הפכו בשלים מאוד עבור יישומים שונים ודרישות אופייניות של כבלים. עם ביצועי העיבוד המצוינים והעלות הנמוכה שלו, כבלים מבודדים PVC נמצאים בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים, ציוד מכני, תקשורת רשת, חיווט בניין ותחומים אחרים, ויש להם מאפייני ביצועים משמעותיים:
1. טכנולוגיית ייצור בוגרת, קלה ליצירה ולעיבוד. בהשוואה לסוגים אחרים של חומרי בידוד כבלים, זה לא רק בעל עלות נמוכה, אלא גם יכול לשלוט ביעילות על הבדלי צבע פני השטח, קהות אופטית, הדפסה, יעילות עיבוד, רכות וקשיות, הידבקות מוליכים, תכונות מכניות ופיזיות של החוט עצמו ותכונות חשמליות.
2. יש לו תכונות מעכב בעירה מצוינות, כך שחוטים מבודדים PVC יכולים לעמוד בקלות ברמות מעכב בעירה המצוינות בתקנים שונים.
3. במונחים של מתח מדורג, הוא משמש בדרך כלל לרמות מתח של 1000V AC ומטה.
ל-PVC יש גם כמה חסרונות מובנים המגבילים את השימוש בו, המתבטאים בעיקר ב:
בשל התכולה הגבוהה של כלור, תיפלט כמות גדולה של עשן סמיך במהלך הבעירה, העלול לגרום לחנק, להשפיע על הראות ולייצר כמה חומרים מסרטנים וגז HC1 המהווים איום רציני על הסביבה. עם התפתחות טכנולוגיית הייצור לחומרי בידוד נטולי עשן ונטולי הלוגן-, החלפה הדרגתית של בידוד PVC מסורתי הפכה למגמה בלתי נמנעת בפיתוח כבלים.
2. בידוד PVC רגיל בעל עמידות ירודה לחומצה ואלקלי, חום ושמן, וממיסים אורגניים. על פי העיקרון הכימי של מסיסות דומה, חוטי PVC מועדים לנזק ולסדקים בסביבה הספציפית.
בדרך כלל, הדבר מושג על ידי אופטימיזציה ושיפור של נוסחת החומר, קישור צולב- באמצעות הקרנה והפיכת PVC תרמופלסטי רגיל לפלסטיק תרמוסטטי בלתי מסיס, מה שהופך את המבנה המולקולרי שלו ליציב יותר ושיפור החוזק המכני של הבידוד שלו. ניתן להגדיל את טמפרטורת-המעגל הקצר בעד 250 מעלות.
כאשר מקרינים PVC, הוא יתפרק כאשר מינון הקרינה גבוה מדי. מולקולות PVC טהורות עוברות הצלבת קרינה, אך קשה להשיג חומרים יקרי ערך עקב דה-הידרוכלורינציה, תגובות שבירת קשר ושינוי צבע. הוספת חומרי רגישות עם מונומרים בלתי רוויים רב-תפקודיים יכולה להפחית את שבירת הקשר ושינוי הצבע של שרשראות מולקולריות של PVC, מה שתורם תרומה משמעותית ליצירת רשתות צולבות.
בנוכחות מונומרים רב תכליתיים כגון TMPTM ו- TMPTA, הביצועים של PVC שופרו מאוד לאחר הקרנה במינון נמוך מ-10kGy, והוא יכול לשמש כחומר בידוד ומגוון אביזרי צנרת (כגון הכנת כבל מעכב בעירה עם עמידות בחום של 105 מעלות). באותו מינון קרינה, תכולת הג'ל של המערכת עם גורם רגיש גבוה ב-5% ~ 10% מזו של המערכת ללא גורם רגיש; על מנת להשיג את אותה תכולת ג'ל, המערכת להוספת חומר רגישות דורשת מנת קרינה קטנה. תוספת של חומר רגיש יכולה להפחית את מינון הקרינה ביותר מ-50% תוך הגדלת תכולת הג'ל. הפחתת מינון הקרינה יכולה למנוע פגמים הנגרמים על ידי עליית טמפרטורת החומר כאשר המינון גבוה מדי. נכון לעכשיו, כיוון הפיתוח של חומרי בידוד PVC כולל בעיקר חומרי כבלי PVC מוצלבים, חומרי כבלים שקופים וחומרי כבלי PVC ללא עופרת{{10}.
(2) פלואורופלסטי
חומרי בידוד מסדרת פלואורופלסטיק נמצאים בשימוש נרחב בתחום הכבלים, בעלי ביצועים יוצאי דופן בהיבטים שונים כגון PTFE, ETFE, PVDF וכו'. ביניהם, PTFE יכול לעבוד בסביבה של 200 מעלות לאורך זמן. קל משקלו, עמידות בפני קורוזיה מעולה ותכונות מכניות, כמו גם תכונות דיאלקטריות יוצאות דופן ועמידות בפני שחיקה, הופכים אותו לשימוש נרחב בתחומי התעופה והחלל.
רוב הפלואורופלסטיקים, במיוחד PTFE, נחשבים בדרך כלל לחומרים מתכלים בקרינה. PTFE יכול לעבור פיצוח וליצור אבקת PTFE מיקרו בתנאים שונים. תחת קרינת ואקום או אטמוספרה אינרטית בטמפרטורה של 330 מעלות ~ 340 מעלות, שהיא גבוהה מנקודת ההיתוך של PTFE, ניתן להשיג הצלבה של PTFE. עמידות הקרינה ועמידות הבלאי של חומרי PTFE מוצלבים השתפרו מאוד, מה שמפצה במדויק על הפגמים של חומרי PTFE לא מוצלבים. עם זאת, בשל העובדה ש-PTFE יכול להצליב רק במצבו המותך, היישום של PTFE מוצלב בכבלים מוגבל.
בין שאר הזנים הפלואורופלסטיים, ל-ETFE ול-PVDF יש עמידות טובה לקרינה, אך טמפרטורת השימוש שלהם נמוכה מזו של PTFB. לאחר הצלבת קרינה, ניתן להעלות את טמפרטורת השימוש שלו. לאחר הצמדת אלומת אלקטרונים-, ניתן להעלות את רמת הטמפרטורה של חוטי ETFE מ-150 מעלות ל-200 מעלות, בעוד שמאפיינים מצוינים אחרים נשארים ללא שינוי. XL-חוטים מבודדים ETFE הם אחד משני סוגי החוטים הנפוצים ביותר כיום בתעופה.
XL-תיל מבודד ETFE עשוי מחומר בידוד ETFE מיוחד הניתן להצלבה, המופעל לתוך חוט ומצולב על ידי הקרנת קרן אלקטרונים. מולקולות ETFE מכילות יחידות מבניות אתילן, ולכן יש להן נטייה להצליב תחת הקרנה. עם זאת, מידת ההצלבה אינה מספקת, ויש להוסיף חומרי רגישות מיוחדים להצלבה כדי לקדם את ההצלבה. בנוסף, תהליך הצלבת קרינת ETFE מושפע מאווירת החמצן ודרגת ההצלבה אינה יציבה. שימוש בהצלבה קרינה באווירת גז אינרטי בטמפרטורות גבוהות יותר מועיל ליציבות של הצלבת חוט.
בהשוואה לכבלי PE ו-PVC נפוצים, לכבלים פלואורפלסטיים יש את היתרונות הבולטים הבאים:
1. עמידות בטמפרטורה גבוהה
לפלואורופלסטיק יש יציבות תרמית יוצאת דופן, וכבלים פלואורופלסטיים יכולים להסתגל לסביבות טמפרטורות גבוהות הנעות בין 150 מעלות ל-250 מעלות. במילים אחרות, באותם תנאי מוליך חתך-, כבלים פלואורפלסטיים יכולים להעביר זרמים מותרים גדולים יותר, ולשפר מאוד את טווח השימוש בסוג זה של חוט מבודד. בשל הביצועים הייחודיים שלו, כבלים פלואורפלסטיים יכולים לשמש עבור חיווט פנימי, חוטי עופרת וכו' במטוסים, ספינות, תנורים בטמפרטורה- גבוהה ובמכשירים אלקטרוניים.
2. עיכוב בעירה טוב
לפלואורופלסטיק יש אינדקס חמצן גבוה ובדרך כלל קשה לשרוף אותם, עם טווח קטן של פיזור להבה במהלך הבעירה. החוט העשוי ממנו מתאים לכלים ולמקומות עם דרישות מחמירות לעיכוב בעירה. לדוגמה, מקומות ציבוריים כגון רשתות מחשבים, רכבות תחתיות, כלי רכב, מטוסים וכו'. ברגע שמתרחשת שריפה, לאנשים יכול להיות פרק זמן מסוים להתפנות בבטחה ולספק עזרה ראשונה לצוות.
3. ביצועים חשמליים מעולים
בהשוואה ל-PE, לפלואורפלסטיקה יש קבוע דיאלקטרי נמוך יותר. לכן, בהשוואה לכבלים קואקסיאליים בעלי מבנים דומים, לכבלים פלואורופלסטיים יש פחות הנחתה והם מתאימים יותר להעברת אותות בתדר גבוה-. התדירות ההולכת וגוברת של שימוש בכבלים הפכה למגמה בימינו, ובשל עמידות הטמפרטורות הגבוהות של פלואורופלסטיק, הם משמשים בדרך כלל כחיווט פנימי לציוד תקשורת שידור, מגשרים בין מזיני שידור ומשדרים אלחוטיים וכבלי וידאו ואודיו. בנוסף, לכבלים פלואורפלסטיים חוזק דיאלקטרי טוב ועמידות בידודית, מה שהופך אותם למתאימים לשימוש ככבלים בקרה למכשירים חשובים.
4. תכונות מכניות וכימיות מצוינות
לפלואורופלסטיק יש אנרגיית קשר כימית גבוהה, יציבות גבוהה וכמעט ואינם מושפעים משינויי טמפרטורה. יש להם עמידות מעולה להזדקנות מזג האוויר וחוזק מכני; והוא אינו מושפע מחומצות שונות, בסיסים וממיסים אורגניים. לכן, הוא מתאים לסביבות עם שינויי אקלים משמעותיים ותכונות קורוזיביות, כגון פטרוכימיה, בתי זיקוק ובקרת מכשירי באר נפט.
5. תורם לריתוך ולחיבור חוטים
במכשירים אלקטרוניים, חיבורים רבים נעשים בשיטות ריתוך. בשל טמפרטורת ההיתוך הנמוכה של פלסטיק כללי, הם נוטים להימס בטמפרטורות גבוהות, הדורשות טכניקות ריתוך מיומנות. נקודות ריתוך מסוימות דורשות כמות מסוימת של זמן ריתוך, מה שהפך גם לסיבה מדוע כבלים פלואורפלסטיים פופולריים, כגון חיווט פנימי של ציוד תקשורת ומכשירים אלקטרוניים.
לפלואורופלסטיק יש גם כמה חסרונות המגבילים את השימוש בהם:
1. מחירי חומרי הגלם של הפלואורופלסטיקים יקרים, וכיום הייצור המקומי נשען בעיקר על יבוא (דאיקין מיפן ודופונט מארצות הברית). למרות שתעשיית ייצור הפלואורופלסטיים המקומית התפתחה במהירות בשנים האחרונות, זני הייצור הם בודדים יחסית, ולחומרים עדיין יש פער מסוים ביציבות התרמית ובתכונות מקיפות אחרות בהשוואה לחומרים מיובאים.
2. בהשוואה לחומרי בידוד אחרים, תהליך הייצור קשה יותר, יעילות הייצור נמוכה, ההדפסה קלה ליפול והצריכה גדולה, מה שהופך את עלות הייצור שלה ליותר גבוהה.
3. לפלסטיקים מסוג PTFE יש עמידות ירודה לקרינה. לדוגמה, בטמפרטורת החדר או בנוכחות אוויר, כאשר מנת הקרינה מגיעה למספר Mrad, קרינת אלומת אלקטרונים מאיץ יכולה לגרום לשבירה של שרשרת הפחמן הראשית של מולקולות PTFE, מה שמוביל לפיצוח של PTPE ופירוק מהיר של PTFE.
2, חומר בידוד ללא הלוגן-
(1) חומר בידוד מפוליאתילן (XLPE) ללא הלוגן-נטול עשן נמוך
פוליאתילן (PE) ואתילן ויניל אצטט (EVA) משמשים כמטריצה, ותוספים שונים כגון מעכבי בעירה ללא הלוגן, חומרי סיכה, נוגדי חמצון וכו' מתווספים באמצעות תרכובת גומי וגרגירה כדי לייצר חומר בידוד פוליאתילן. לאחר עיבוד הקרנה, פוליאתילן יכול להפוך ממבנה מולקולרי ליניארי למבנה בתפזורת תלת-ממדית. הופכים בו זמנית מתרמופלסטי לפלסטיק תרמוסטי בלתי מסיס. בהשוואה לפוליאתילן תרמופלסטי רגיל, לכבלים מבודדים XLPE יש את היתרונות הבאים:
1. שיפור עמידות בפני עיוות חום, שיפור בתכונות מכניות בטמפרטורות גבוהות ושיפור עמידות בפני פיצוח מתח סביבתי והזדקנות חום.
2. יציבות כימית משופרת ועמידות לממסים, זרימת קור מופחתת, ובעצם שמרה על הביצועים החשמליים המקוריים. טמפרטורת העבודה-לטווח הארוך יכולה להגיע ל-125 מעלות ו-150 מעלות. לאחר עיבוד-הצלבה, ניתן להעלות את טמפרטורת-המעגל הקצר של פוליאתילן ל-250 מעלות. עבור כבלים באותו עובי, כושר הנשיאה הנוכחי של פוליאתילן צלב{10} גדל באופן משמעותי.
לכבלים מבודדים XLPE יש תכונות מכניות, עמיד למים ועמידות בפני קרינה מצוינות, מה שהופך אותם לשימוש נרחב בתחומים שונים. לדוגמה, בתעשיות כגון קווי חיבור פנימיים לחשמל, מובילי מנוע, מובילי תאורה, קווי בקרת אות-מתח נמוך לרכב, חוטי קטר, כבלי רכבת תחתית, כבלים להגנת הסביבה, כבלים ימיים, כבלים בדרגה 1E עבור תחנות כוח גרעיניות, כבלי משאבה טבולה וכבלי הולכת חשמל.
נכון לעכשיו, כיוון הפיתוח של חומרי בידוד XLPE כולל בעיקר חומרי בידוד מוקרנים מפוליאתילן צולבים-, חומרי בידוד מוקרנים מפוליאתילן מוקרנים-מוצלבים, וחומרי פוליאולפין מעכבי בעירה-מוקרנים.
(2) חומר בידוד מפוליפרופילן מוצלב (XL-PP).
לפוליפרופילן (PP), כפלסטיק אוניברסלי, יש מאפיינים של משקל קל, מקורות חומר גלם בשפע, עלות-יעילות מעולה, עמידות בפני קורוזיה כימית מעולה, יציקה קלה וניתנות למיחזור. עם זאת, עקב פגמים כגון חוזק נמוך, עמידות בחום ירודה, עיוות התכווצות גדול, עמידות ירודה לזחילה, שבירות בטמפרטורה נמוכה ועמידות ירודה להזדקנות חום וחמצן, היישום של כבלים מוגבל מאוד. חוקרים התחייבו לשנות חומרי פוליפרופילן כדי לשפר את הביצועים המקיפים שלהם, והקרינה מצלבת פוליפרופילן שונה (XL-PP) התגברה ביעילות על בעיות אלו. ישנן תוצאות מחקר המצביעות על כך שחוטים מבודדים XL-PP יכולים לעמוד בדרישות הסטנדרטיות של בדיקת בעירה UL VW-1 וחוטי UL בדירוג 150 מעלות. יחד עם זאת, התכונות המכניות שלהם כגון חוזק מתיחה ובדיקת UL חיתוך בטמפרטורה מדורגת עדיפות על בידוד פוליפרופילן צולב.
החיסרון של שינוי הצלבה של קרינת פוליפרופילן הוא שקיימת תגובת פיצוח היוצרת קבוצות קצה בלתי רוויות ותגובה תחרותית בין מולקולות מגורות ורדיקלים חופשיים מולקולריים גדולים במהלך הצלבת קרינת PP. פיצוח שולט כאשר מינון הקרינה נמוך, והצלבה שולט כאשר המינון גדל. מחקרים מרובים הראו כי במהלך הצלבת קרינת PP, יעילות ההצלבה נמוכה מאוד עקב התרחשות בו-זמנית של השפלה והצלבה. היחס בין הפירוק לתגובת הצלבה של PP איזוטקטית לאחר הקרנה בקרני y- הוא 0.8. על מנת להשיג תגובת הצלבה יעילה של PP, יש להוסיף מאיצי צולבות לצורך הצלבת קרינה. יחד עם זאת, עובי ההצלבה האפקטיבי מוגבל על ידי יכולת חדירת אלומת האלקטרונים, והמטענים הנותרים במהלך ההקרנה מוקצפים עקב יצירת גז, מה שרק מקל על הצלבה של מוצרים דקים ומגביל את השימוש בהם בכבלים בעלי דופן עבות.
(3) חומר בידוד מקופולימר אתילן ויניל אצטט (XL-EVA)
עם הדרישה הגוברת לבטיחות כבלים, התפתחו במהירות כבלים מקושרים-ללא להבה-מעכבי בעירה-. בהשוואה לפוליאתילן, EVA מפחית את הגבישיות, משפר את הגמישות, עמידות הפגיעה, תאימות חומרי המילוי וביצועי איטום חום על ידי הכנסת מונומר ויניל אצטט לשרשרת המולקולרית שלו. באופן כללי, הביצועים של שרף EVA תלויים בעיקר בתכולת ויניל אצטט בשרשרת המולקולרית. בשל יחס ההרכב המתכוונן כדי לענות על צרכי יישום שונים, ככל שתכולת ויניל אצטט גבוהה יותר, כך השקיפות, הרכות והקשיחות שלו יהיו גבוהות יותר. לשרף EVA יש שילוב טוב של חומרי מילוי ויכולת הצלבה, ולכן נעשה בו יותר ויותר שימוש בכבלים-ללא להבה-מעכבי להבה-. בנוסף, שרף EVA משמש גם לייצור עטיפות עבור כמה כבלים מיוחדים. שרף EVA המשמש בחוטים וכבלים יש בדרך כלל תכולת ויניל אצטט של 12% עד 24%. ביישומי כבלים מעשיים, EVA מעורבב ומעובד לעתים קרובות עם PE, PVC, PP וכו' כדי להתאים את ביצועי שכבת הבידוד של הכבל. בחומר המעורב, רכיב ה-EVA יכול לקדם קישור צולב, מה שמשפר את ביצועי הכבל לאחר ההצלבה.
(4) חומר בידוד אתילן פרופילן דין (XL-EPDM)
XL-EPDM הוא קופולימר משולש של אתילן, פרופילן ודיאן לא מצומד, המתקבל באמצעות הצלבת קרינה. XL-חוט EPDM משלב את היתרונות של חוט מבודד פוליאולפין וחוט מבודד גומי רגיל:
1. רך, גמיש, אלסטי, לא דביק בטמפרטורות גבוהות, עמידות-להזדקנות ארוכת טווח ועמידות בתנאי מזג אוויר קשים (-60 מעלות ~125 מעלות).
2. עמידות לאוזון, עמידות בפני UV, עמידות בידוד חשמלי ועמידות בפני קורוזיה כימית.
3. ביצועי עמידות השמן והממסים דומים לאלו של בידוד גומי כלורופרן לשימוש כללי-. ניתן לייצר ולייצר אותו באמצעות ציוד רגיל לעיבוד שחול חם, תוך שימוש בצלב קרינה, שקל לעיבוד וחסכוני-.
XL-חוטים מבודדים EPDM נמצאים בשימוש נרחב בבידוד של כבלי חשמל וכבלים ימיים מתחת ל-35kV. כעת הם הוחלפו בחומר זה ויושמו בתחומים כגון מובילי מדחס קירור, רכב, מובילי מנוע עמיד למים, מובילי שנאים, כריית כבלים ניידים, קידוחים וציוד רפואי.
החסרונות העיקריים של כבל XL-EPDM הם:
1. עמידות לקויה ירודה.
2. הידבקות ירודה והדבקה עצמית, המשפיעה על העיבוד הבא.
(5) חומר בידוד גומי סיליקון
לגומי סיליקון יש גמישות, עמידות בפני אוזון, קורונה ולהבות וביצועי בידוד טובים. היישום העיקרי שלו בתעשיית החשמל הוא עבור חוטים וכבלים. חוטי וכבלים מגומי סיליקון מתאימים במיוחד לשימוש בטמפרטורה גבוהה ובסביבות קשות, ואורך החיים שלהם ארוך בהרבה מכבלים רגילים. כבלים מבודדים מגומי סיליקון אוניברסליים יכולים לשמש כיום במנועים בטמפרטורה- גבוהה, שנאים, גנרטורים, ציוד אלקטרוני וחשמלי, כבלי הצתה למנועי כלי תחבורה, כבלי חשמל ימיים ובקרה.
נכון לעכשיו, החוטים המבודדים מגומי סיליקון המשמשים בכבלים מוצלבים- מקושרים בדרך כלל-באמצעות אוויר חם אטמוספרי או קיטור בלחץ גבוה-. ישנם גם מחקרים על קישור צולב של קרינת אלומת אלקטרונים- של גומי סיליקון, אך עדיין לא נעשה בו שימוש נרחב בתעשיית הכבלים. עם התפתחות טכנולוגיית הצלבה קרינה בשנים האחרונות, העלות של הצלבת קרינה נמוכה יותר ויעילות ההצלבה גבוהה יותר; מנקודת מבט סביבתית, יש לו יתרונות שאין להם תחליף. לכן, היישום של טכנולוגיית הצלבת קרינה עבור חומרי בידוד מגומי סיליקון הוא הכיוון המחקרי להצלבת חוטי גומי סיליקון בעתיד.
