Nejdůležitější izolanty použivané v kabelové technice - 1. díl: Plasty

Izolanty tvoří nezanedbatelnou součást kabelu. Dnešní článek je pokračováním na téma kabelové techniky a navazuje na články o mědi a hliníku. Izolanty dělíme na plasty, elastomery a elektroizolační laky. Dnes se budeme zabývat první velkou skupinou a to plasty. Do této kategorie spadají dva druhy – polyvinylchlorid a polyetylén. Budou vysvětleny jejich základní vlastnosti a způsoby jejich výroby.

Polyvinylchlorid (PVC)

Samotné (čisté) PVC je makromolekulární látka vznikající polymerací vinylchloridu C2H3Cl. Jedná se o bílý prášek, který sám o sobě nemá vlastnosti potřebné pro výrobu fólií nebo souvislých izolací vodičů. Aby tuto vlastnost získal, musí být smíchán s dalšími látkami (většinou neběžnými chemickými sloučeninami), čímž vznikne měkčená PVC směs. Různým poměrem těchto doplňkových látek lze připravit celou paletu směsí PVC rozdílných fyzikálních a chemických vlastností. Jedná se např. o směsi odolnější vůči povětrnostním podmínkám, snášející vyšší či naopak nižší teploty, směsi tvrdší, měkčí ale také různě zbarvené.

Doplňkovými látkami jsou:

• Změkčovadla – snižují teplotu měknutí čistého PVC, usnadňují zpracovatelnost a ovlivňují měkkost a pružnost výsledného produktu. Běžně používanými látkami jsou estery aromatických kyselin.
• Stabilizátory – omezují degradaci PVC při vyšších teplotách, které se vyskytují již při jeho zpracování a také při působení UV záření. Při degradaci PVC se uvolňuje nežádoucí chlorovodík, který nejenže otravuje ovzduší, ale navíc přispívá sám k rozkladu látky.
• Plnidla – látky jako CaCO3 a žíhaný kaolín zlepšují zpracovatelnost směsi a snižují cenu výrobku.
• Barviva – jsou různé barevné koncentráty, pro světlé odstíny barev pak titanová běloba, jakož i saze, které stabilizují směs vůči UV záření.

Zpracování PVC směsi

Na vstupu jsou jednotlivé složky směsi ve formě prášku; konečným produktem je PVC granulát. Prášková směs je promíchána ve fluidních rychlomíchačích při zvýšené teplotě, načež je potrubím přiváděna na vstup do granulátoru (plastifikátoru).

Plastifikátor je šnekový vytlačovací stroj opatřený vytlačovací hlavou se zabudovanou deskou s mnoha malými otvory. V dutině tohoto stroje se směs při teplotě cca 150 °C otáčením šneku promíchává, hněte, želatinuje a v plastickém stavu se posouvá k vytlačovací hlavě. Průchodem děrovanou deskou s velkým počtem otvorů vznikají tyčinky, které ovšem nezískají velkou délku, protože jsou odřezávány rotačními noži kroužícími těsně u výstupní strany desky. Tak vznikají PVC granule.

Polyetylén (PE)

Makromolekulární látka PE vzniká polymerací etylénu C2H4. Třemi základními a přitom rozdílnými způsoby výroby je získáván polyetylén vysokotlaký, středotlaký a nízkotlaký. Vysokotlaký PE (nejstarší typ) má přibližně lineární a jen málo rozvětvené makromolekuly, zato nízkotlaký je ve značné míře krystalický, středotlaký je kompromisem. Z rozdílné struktury plynou rozdílné vlastnosti látky včetně její hustoty.

Současná rozvinutá výroba plastů nabízí několik skupin polyetylénu, přičemž kritériem tohoto rozdělení je právě hustota látky. Tak se setkáváme s produkty označenými HDPE (Hight Density – vysokohustotní), LDPE (Low Density – nízkohustotní) a také s nejmladším typem MDPE (Midle Density – středněhustotní), jakož i s dalšími podskupinami těchto typů. Výhodami polyetylénu je nízká cena i dobrá zpracovatelnost, nevýhodami jsou nízká teplotní odolnost a hořlavost.

V kabelové technice se polyetylén používá pro izolování vodivých jader i pro výrobu kabelových plášťů. Oproti PVC vystupuje v chemicky „čisté“ podobě, neuvažujeme-li chemicky nevázané přídavky, jako jsou například saze, zvyšující jeho odolnost vůči UV záření.

Síťovaný polyetylén

Vnitřní struktura běžného PE je tvořena lineárními makromolekulami, které jsou podle způsobu výroby někdy jen velmi málo, jindy naopak dosti, rozvětvené. Vždy jde ovšem o látku zachovávající si charakteristické rysy plastu. Tento charakter a tím také užitné vlastnosti PE lze proměnit, jestliže se lineární makromolekuly propojí příčnými můstky a vznikne prostorově zesíťovaná struktura.

Tím se z plastu stane elastomer. Tohoto provázání lze dosáhnout ozařováním nebo chemicky, což je technicky výhodnější. Na lineární makromolekulu se naroubuje reaktivní chemická sloučenina, která je schopná při vhodných podmínkách vytvořit požadované příčné vazby mezi molekulami. K tomuto procesu se používají silany a vzniklý produkt je tedy silanově síťovaný PE.

Základní podmínkou síťování je přítomnost vody. Protože proces probíhá již zásluhou vzdušné vlhkosti, je třeba hmotu skladovat jen v suchých místnostech a nepříliš dlouho. Aby zesíťování proběhlo rychle a v přesně daném čase, přidává se katalyzátor až v okamžiku zpracování hmoty ve vytlačovacím stroji.

Proces síťování probíhá v parní atmosféře při teplotě 80 až 90 °C, nebo i ve vodní lázni. Po zesítění se mění struktura polymeru a tím i jeho mechanické vlastnosti. Materiál přestává být termoplastický a získává větší odolnost proti deformaci při zvýšené teplotě.

Napěněný polyetylén

Během několika málo posledních let došlo k razantnímu nárůstu kmitočtu v souvislosti s přenosem signálu sdělovacími kabely. To vyvolalo tlak na změnu dříve vyhovujících přenosových prostředků.

Máme-li na mysli metalická vedení, je to tlak především na dielektrikum použité pro izolaci vodivého jádra. Jde hlavně o snížení jeho relativní permitivity. PVC s εr = 3,5 (při 20 °C a kmitočtu 50 Hz) muselo v četných případech ustoupit elektricky nepolárnímu PE s εr = 2,3. Ale ani tato změna u vysokofrekvenčních přenosů, realizovaných pomocí koaxiálních kabelů a datových kabelů, nestačí.

Rázným krokem jak snížit εr a tím kapacitu mezi vodiči je přeměnit látku (PE) ze stavu homogenního do stavu heterogenního. Jinak řečeno vytvořit dvousložkovou soustavu PE-plyn. Tím εr poklesne (zásluhou přítomného plynu) na cca 1,5. Pěnová hmota nemá ovšem dostatečnou mechanickou tuhost a může také přijmout velké množství vlhkosti.

Tyto nedostatky se odstraňují tím, že se PE pěna uzavře na vnitřním povrchu (na styku s vodivým jádrem) a na vnějším povrchu do tuhé PE kůry.

Tak vzniká izolace SFS (Skin-Foam-Skin), která má význam hlavně u tenkých vodičů datových kabelů, vyrobených z kroucené dvojlinky (Twisted pair). Výroba je realizována výtlačnými šnekovými lisy s kombinovanou výtlačnou hlavou, přičemž průběh výroby musí být u důležitých technologických parametrů automatizovaně řízen. Plynem, který vytváří napěnění hmoty, je většinou dusík.

Podstata výroby izolace z plastů

Vychází se ze základní vlastnosti plastů – tvarovatelnosti za tepla. Působí-li teplo a mechanické namáhání, přejde látka do plastického stavu a je snadné ji tvarovat. V kabelovém průmyslu jde většinou o vytvoření souvislé trubky kolem vodivého jádra nebo kabelové duše. Po získání žádaného tvaru se hmota ochladí, čímž přejde zpět do stavu tuhého.

Zdroj úvodní fotografie: Chatama