Применение полимерных материалов в кабельной промышленности

Первым электроизоляционным материалом была обыкновенная бумага — в 1795 году бумагой начали обматывать телеграфные провода. В 1894 г. появились силовые электрокабели с пропитанной маслом бумажной изоляцией. В середине XIX века (при прокладке подземных коммуникаций в Европе) с помощью гуттаперчи (натуральный каучук) научились защищать провода и кабели от воздействия влаги, и с освоением технологии вулканизации резиновая изоляция прочно и надолго вошла в кабельную индустрию. Лишь по окончании Второй мировой войны взамен резиновой изоляции начали применять термопласты — внедрение в кабельное производство в начале 1950-х годов полиэтиленовых композиций открыло дорогу для экструзионных полимерных изоляционных материалов.

Типовая конструкция большинства электрокабелей представляет собой металлический проводник (медь или алюминий), окруженный диэлектрическим слоем изоляции и защитной оболочкой. Главные требования к материалу изоляции — высокие диэлектрические свойства, а к внешней оболочке — стойкость к воздействиям агрессивных факторов окружающей среды. Наиболее важными и общепринятыми для оценки эксплуатационных свойств электрокабелей, рассчитанных на напряжение до 150 кВ, являются следующие параметры: удельное сопротивление изоляции, диэлектрическая постоянная, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность на пробой.

Электрическое сопротивление изоляционных материалов рассматривается как их внутреннее свойство, обусловленное, в первую очередь, химической структурой макромолекул. Чаще всего оценивают удельное объемное сопротивление изоляции (pv) при постоянном напряжении согласно ASTM D257. Для большинства полимерных материалов значения pv лежат в пределах 1010—1016 Ом-см.

Показатель диэлектрической постоянной для полимеров, являющийся мерой способности материала сохранять энергию в электрическом поле, существенно зависит от температуры и влажности окружающей среды и в нормальных условиях, как правило, соответствуют интервалу значений от 2 до 5 (ASTM D150).

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует способность материала к поляризации под действием внешнего электрического поля. Изоляционные материалы должны обладать как можно меньшим значением этого параметра при определенной частоте тока. Диэлектрическая прочность характеризует предельную стойкость изоляции на пробой, определяется химической природой полимера и зависит от примесей, измеряется в киловольтах на единицу толщины (мм) образца материала (ASTM D149). Среди наиболее важных свойств внешней (защитной) оболочки кабельных изделий следует отметить стойкость к действию огня, высоких температур и химических агентов. В настоящее время в качестве электрической изоляции и защитной оболочки проводов и кабелей разных марок применяют три класса полимеров: традиционные резины, классические термопласты (поливинилхлоридные пластикаты, полиолефины, фторопласты и др.) и термопластичные эластомеры (ТПЭ) (см. табл. 1).

Традиционные резины на основе натурального, изопренового и бутадиен-стирольных каучуков широко применялись и применяются для изоляции и оболочки проводов и кабелей, рассчитанных на напряжение до 25 кВ. В настоящее время кабельными заводами России выпускается более 200 различных марок кабелей и проводов с применением резин. Наиболее резиноемкими кабелями, выпускаемыми в России, являются гибкие силовые (шланговые) провода и кабели, судовые и шахтные кабели. Однако, с появлением полимерных материалов, состоящих из насыщенных углеводородных макромолекул и, следовательно, обладающих более высокой тепло-, озоно-, влагостойкостью и более стабильными электрическими параметрами, указанные эластомеры все чаще вытесняются полиолефинами и этиленпропиленовым каучуком. Следует упомянуть о бутил каучуке — популярном изоляционном компаунде для кабелей среднего напряжения в период 1940—1950 гг. Этилен-пропилен-диеновые каучуки (СКЭПТ), особенно новые марки, полученные на металлоценновых катализаторах — наиболее распространенные в мировой кабельной промышленности изоляционные эластомеры. Применяются с начала 1960-х годов в качестве конкурента сшитой политиленовой изоляции для силовых кабелей распределительных энергосистем напряжением до 35 кВ. Отличаются хорошей эластичностью, повышенной озоно- и атмосферостой-костью, но недостаточная термо-, влаго- и триингостойкость ограничивает их использование в кабелях выше 138 кВ.

Среди защитных (оболочковых) покрытий кабельных изделий необходимо отметить ряд полярных каучуков, отличающихся высокой химической стойкостью к действию нефтепродуктов и других агрессивных сред. Хлоропреновую, а позднее и нитрильную резины достаточно широко применяют с середины XX века в качестве оболочки телефонных, шахтных, нефтепогружных и др. электрокабелей. Однако уровень их потребления последние 10—15 лет не растет, поскольку они проигрывают по теплостойкости относительно более новым оболочковым компаундам на базе хлорированных и хлорсульфированных полиолефинов, а также кремний и фторсодержащих каучуков.

Таблица 1: Электроизоляционные свойства полимерных материалов

Материал	Уд. объемное электрическое сопротивление, ОМ*см	Электрическая прочность, кВ/мм	Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 КГц	Диэлектрическая проницаемость
Каучуки
Натуральный каучук	1015-1017	3-30	(2,3-3)*10-3	2,1-3,7
Изопреновый, бутадиен-стирольный	1015	20-28	0,9*10-3	2,1-2,7
Этилен-пропиленовый (диеновый)	1015-1017	35-42	(0,5-0,9)*10-3	3-3,5
Бутилкаучук	1017	16-24	(8-30)*10-3	2,4-2,6
Хлоропреновый	1011	6-24	30*10-3	9
Нитрильный	109-1010	10-25	5*10-3	3-5
Силоксановый	1014-1016	20-25	(1-50)*10-3	3-5
Термопласты
ПВХ-пластикаты	1011-1014	14-20	(50-90)*10-3	3-10
Полиэтилен	1015-1017	18-30	(0,1-0,3)*10-3	2,3
Сшитый полиэтилен	более 1015	25-98	0,3*10-3	2,3-2,4
Полипропилен и его сополимеры	1014-1015	25-30	(0,2-0,3)*10-3	2,3-2,4
Фторопласты: ПВДФ (Ф-2) ПТФЭ (Ф-4)	более 1014 более 1016	10-37 20-30	(10-20)*10-3 (0,2-0,3)*10-3	7,5-13 2,0
Термопластичные эластомеры
Олефиновые (Santoprene, ТЭП ПП 305К-М и др.)	1013-1015	25-40	(0,2-0,3)*10-3	2,3-2,4
Стирольные (Tefabloc и т.п.)	более 1014	20-30	(0,3-1,4)*10-3	2,4-2,5
Уретановые (Elastollan и др.)	более 1012	15-25	(40-90)*10-3	3-6
Сополиэфирные (Arnitel, Hнекуд и т.п.)	1011-1014	15-20	(40-80)*10-3	3-5
Виниловые (Tefanyl, ТПВЭ "Тамерлен", ТЭП-ПВХ и т.п.)	109-1011	15-20	(40-100)*10-3	3-5

Главными полимерными материалами для производства кабельной продукции в мире на сегодняшний день являются полиолефины. При этом в кабельной отрасли России и стран СНГ наиболее распространенными остаются ПВХ-пластикаты (более 60% от общего объема потребляемых полимеров), за ними следуют полиэтиленовые компаун¬ды (всего около 37%, в том числе: на базе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП или ПВД) — 21%, полиэтилена высокой плотности (ПЭВП или ПНД) — 9%, и сшиваемые композиции (7%)).

Полиолефиновая изоляция

Обладает весьма ценным комплексом свойств: исключительно высокие диэлектрические характеристики в широком интервале температур, химическая стойкость, значитель¬ная теплостойкость, прочность, небольшой удельный вес и т. д. Среди полиолефинов, применяемых в электротехнике, вне конкуренции — полиэтиленовые композиции, которые успешно вытеснили с рынка силовых и других кабелей многие традиционные каучуки и бумажно-пропитанную изоляцию. Около 10% выпускаемого в мире полиэтилена (=5 млн. тонн) — низкой и высокой плотности, а также линейных марок — расходуется на производство широкого ассортимента кабельных компаундов.

В то же время изоляции проводов и кабелей, выполненной из полиэтилена, присущи некоторые недостатки, главными из которых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления (125—130 0С), вплоть до потери формоустойчивости. Эти свойства объясняются линейным строением макромолекул полиэтилена. Следовательно, создание трехмерной структуры благодаря образованию поперечных связей между макроцепями полимера (т. е. сшивка) позволяет улучшить отдельные свойства материала. Основным преимуществом кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией (XLPE) является большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы. Допустимые токи нагрузки, в зависимости от условий прокладки, на 15—30% больше, чем у кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией. Применение сшиваемых материалов позволяет получить изоляцию с улучшенными эксплуатационными свойствами — длительно допустимая температура нагрева токопроводящих жил (ТПЖ) с термопластичной изоляцией повышается на 20 0С и составляет 90 0С. Кроме того, отмечается повышение температуры нагрева ТПЖ в аварийном режиме с 80 0С до 130 0С, а максимально допустимая температура при токах короткого замыкания повышается со 130 0С до 250 0С.

В зависимости от способа сшивки известны три различных вида сшитого полиэтилена: радиационно-, пероксидно-и силанольно-сшитые. Еще совсем недавно для изоляции, рассчитанной на напряжение до 400 кВ, наиболее распространенными считались пероксидно- и радиационно-сшитые полиэтилены. Однако в настоящее время приоритет в мировой кабельной технике отдается так называемому «силанольному процессу», т. е. сшивке, основанной на химической реакции между привитыми к макромолекулам полиэтилена силаносодержащими органофункциональными группами. Важно, что связь между макроцепями полимера через поперечные мостики Si-OSi более стабильна чем связь, образующаяся при пероксидном и радиационном сшивании, поскольку энергия (прочность) связи Si—О составляет 780Дж/моль по сравнению с энергией связи С-С (630 Дж/моль). Указанное предопределяет более высокие термостойкие свойства силанольно-сшитой полиэтиленовой изоляции.

Использование технологии силанольного сшивания приводит не только к повышению нагревостойкости, но и к улучшению физико-механических свойств изоляции (стойкости к растрескиванию и водному триингу), а также является более экологически чистым методом, требующим меньше капиталовложений по сравнению с известными пероксидным и радиационным методами. Силанольно-сшиваемые композиции полиэтилена имеют долгосрочную перспективу в производстве проводов и кабелей различного назначения — силовых кабелей низкого и среднего напряжений, самонесущих изолированных проводов, в том числе не распространяющих горение, судовых кабелей и др.

Согласно аналитическим данным, приводимым специалистами ОАО «ВНИИКП», в последние годы в России расширяется потребность в таких полиэтиленовых композициях как силанольно-сшиваемые, для получения пористой изоляции путем физического и химического вспенивания, для пероксидной сшивки, для получения безгалогенных композиций пониженной горючести.

Все из указанных направлений получили развитие у отечественных производителей полимерных компаундов, и уже в ближайшее время можно ожидать появления на рынке широкой гаммы новых изоляционных материалов.

Современный рынок кабельных изделий (в том числе на напряжение выше 500 кВ) требует высокоэффективных полимерных материалов с рабочим диапазоном тем¬ператур от -60 до +130 0С. Перспективными с этой точки зрения, несомненно, являются полипропиленовые компаунды на базе блоксополимера пропилена с этиленом (с содержанием звеньев последнего в макромолекуле от 7% до 15% моль). Блоксополимерные кабельные композиции (марки 02015-302КМ, 02015-301, 02МК и т. п.) превосходят полиэтиленовые по верхнему пределу температуры эксплуатации и стойкостью к растрескиванию. Они находят применение при изготовлении изоляции водо- и нефтепогружных, геофизических, сейсмических телеметрических кабелей, а также монтажных и установочных проводов раз¬личного профиля и назначения.

В целом, рынок полипропилена является сегодня наиболее динамично развивающимся рынком термопластов — мировое потребление ПП выросло с 1,2 млн. тонн в 1970 г. до 25 млн. тонн в 1999 г. и составит более 40 млн. тонн в 2008 г. Полимеры на основе пропилена (в том числе модифицированные и наполненные) сегодня являются базо¬выми универсальными материалами, прежде всего в автомобилестроении, а также электротехнической промышленности и строительной индустрии.

Кабельные ПВХ-пластикаты

Объем выпуска по РФ в последние годы составляет более 140 тыс. тонн — это основной изоляционный мате¬риал для кабелей, предназначенных для использования с напряжением до 6 кВ и в рабочем интервале температур от -40 0С до +100 0С. При больших напряжениях тока изоляция из ПВХ неэффективна из-за высоких значений тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.

Около 75% российского рынка кабельных ПВХ-пластикатов составляют разработанные более 30 лет назад пластикаты общепромышленного назначения для изоляции и оболочки проводов и кабелей — типа И40-13А, 0-40, ОМ-40, ИО45-12, а также негорючие марки НГП 40-32 и 30-32. В последнее время наиболее динамично развивается производство пластикатов пониженной горючести. Особо следует отметить разрабатываемую совместно ОАО «ВНИИКП» и фирмой «Проминвест-пластик» группу пластикатов пони¬женной пожароопасности: ППИ — для изоляции, ППО — для наружных оболочек и ППВ — для внутренних оболочек проводов и кабелей. Дело в том, что в последние 10— 15 лет вопрос замены ПВХ-пластикатов безгалогенсодер-жащими негорючими полимерами становится все более актуальным: ПВХ-материалы являются экологически небезопасными с точки зрения утилизации! Состоявшийся в 1998 г. в Стамбуле Конгресс Международной федера¬ции производителей кабелей, объединяющий более ста крупнейших кабельных компаний из 51 страны мира, кон¬статировал, что в целях защиты экологии кабельной про¬мышленности необходимо, значительно уменьшить применение ПВХ-материалов, а также исключить из серийных рецептур высокотоксичные соединения кадмия и свинца. В странах Евросоюза уже принят ряд законов, накладывающих ограничения на производство таких кабелей, в частности директива ЕС 2002/95, запрещающая использование опасных веществ в ПВХ-пластикатах.

Новые марки соответствуют современным требованиям по нераспространению горения и предназначены для кабелей с пониженным дымообразованием и низкой эмиссией хлористого водорода (типа «нг-LS» и «нг-FRLS»). Кроме того, в целях повышения качества кабельных изделий и доведения их до современных требований международных стандартов в России ведутся работы по созданию и освоению пластикатов с нетоксичными стабилизаторами (на основе соединений Ca-Zn). Сюда можно отнести совместную разработку ОАО «Владимирский химзавод» и ОАО «ВНИИКП» по производству ПВХ-пластикатов марки Элигран, не содержащих солей свинца.

ТПЭ (термопластичные эластомеры или термоэластопласты)

Мировой опыт производства и эксплуатации проводов и кабелей с использованием термопластичных эластомеров совсем невелик — зарубежные производители начали применять этот класс полимерных материалов около 30 лет назад. Первым примером использования ТПЭ считается замена материала оболочки геофизических кабелей — резины на базе хлоропрена — на термопластичный полиуретан. С 1980-х термопластичные эластомеры на основе полиуретанов, полиолефинов и сополиэфиров получили серийное применение в некоторых видах кабельной продукции. Относительно недорогие марки ТПЭ — динамически-вулканизованные (Сантопрены) и на основе блоксополимеров стирола (Тефаблоки) — в настоящее время достаточно широко используются в производстве автопроводов и телекоммуникационных кабелей, строительных, силовых и других марок (см. ниже) — взамен термореактивных резин (хлоропреновых, хлорсульфополиэтиленовых, этилен-пропилен-диеновых и др.) и ПВХ-пластикатов.

Самыми популярными среди кабельных марок ТПЭ являют¬ся, безусловно, Сантопрены. Фирма-производитель (AES) рекомендует их в качестве изоляции и оболочки разнообразных видов кабельной продукции, а именно:

для контрольно-измерительной техники — аудио/видео, мультикоаксиальные, ленточные, телекоммуникационные, волоконно-оптические, контрольные и другие,

в силовых — шахтные, сварочные, батарейные, нагревательные, для погружных насосов, систем безопасности, и транспортных — автопровода зажигания, для датчиков АБС-систем, локомотивных, вагонных и других кабелях.

Образцы кабельной продукции с использованием термо-эластопластов фирмы AES и рекомендации по применению электротехнических марок Сантопренов приведены в табл. 2. Появившиеся на мировом рынке более дорогостоящие виды ТПЭ, прежде всего сополиэфирные — марки Арнител, Хайтрел и др. — зарубежные производители рекомендуют в качестве оболочковых материалов для кабелей, применяющихся в сейсморазведке, нефтегазодобыче, подводных и подземных шлангокабелей, то есть там, где требуются повышенная механическая и химическая стойкости, низкая водопроницаемость и стойкость к гидролизу.

В целом же выпуск электрокабелей на базе термоэластопластов, по данным специалистов ОАО «ВНИИКП», пока не превышает 15% по отношению к аналогичным кабелям сприменением резин. Однако, в последнее время наблюдается повышенный интерес к ТПЭ, в том числе у российских производителей кабельной продукции. Это обусловлено, с одной стороны, простотой и высокой скоростью технологического процесса наложения ТПЭ на жилу, прекрасными эксплуатационными характеристиками компаундов, а также полной утилизируемостью при переработке. С другой стороны, большинство кабельных заводов не имеют техно¬логических линий непрерывной вулканизации, предпочитая оборудование для экструзии, а процесс приготовления резиновых смесей считается трудоемким и малоперспективным с точки зрения экологии.

Термопластичные эластомеры: история появления и современное состояние Считается, что первые упоминания о смешанных системах пластика с каучуком датируются 1944 г. — в работе R.A. Emmett описаны смеси бутадиен-нитрильного каучука с поливинилхлоридом. Однако, история возникновения нового класса полимерных материалов, сочетающих в себе свойства термопластов и сшитых эластомеров, началась в конце 1950-х годов с появления на рынке первых мароктер-мопластичного полиуретана и стирол-бутадиен-стирольных эластомеров. В 1959 г. фирма B.F. Goodrich выпустила первую коммерческую марку полиуретана Эстан (Estane). При¬мерно в это же время появился материал под маркой Кра-тон (Kraton) от компании Shell Chemical — термопластичный эластомер на основе блоксополимера стирола.

Динамически вулканизованные олефиновые ТПЭ были впервые описаны в при получении ударопрочной композиции на основе смеси полипропилена (ПП) и полиизобутилена, содержащей различные количества частично-сшитого эластомера. А первые сшитые смеси полипропилена с этилен-пропилен-диеновым каучуком (СКЭПТ) были получены M.Holzer с сотрудниками в 1966 г. Пионером же сре¬ди промышленных марок считается выпущенный в 1971 г. фирмой Uniroyal новый материал под маркой ТПР (TPR): вулканизованный ТПЭ, полученный по новой технологии — методом «динамической вулканизации» системы ПП+СКЭПТ. Только для олефиновых термоэластопластов существует этот простой и эффективный способ приготовления компаунда — путем интенсивного механического смешения кау¬чука с пластиками. В качестве термопластов используются гомо- или сополимеры этилена и пропилена, а для создания эластомерной фазы известно применение самых различных каучуков — натурального, изопренового, бутадиенового, бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного, бутилкаучука, этилен-пропиленовых, эпихлоргидриновых, пропиленоксидных, силоксановых, фторкаучуков и др. При этом за счет полной или частичной вулканизации каучуковой фазы с помощью различных вулканизующих си¬стем (серной, пероксидной, смоляной) появляется возможность осуществлять модифицирование физико-химических и эксплуатационных характеристик материалов. Это достигается благодаря образованию в процессе смешения в специальных смесителях или экструдерах и одновременной вулканизации характерной гетерофазной структуры, представляющей собой мелкодисперсную (субмикронную) вулканизованную фазу эластомера в непрерывной среде термопласта (рис. 1—3).

Таблица 2: Рекомендуемые для применения кабельные марки Сантопренов

Вид кабельной продукции	Марки ТЭП для изоляции	Марки ТЭП для оболочки	Ссылка на НТД
Гибкие, спиральные провода и кабели	San 261-87 и 451-87	San 251-87 и 251-80	UL 62 flexible wire, SEO, SEOW
Контрольно-измерительные провода и кабели	San 453-45	San 453-45	UL 1277, CSA jacket approval, ICEA 82-552
Подводные кабели	San 261-87	San 101-80	UL submersible pumps
AWM-кабели	San 451-87 и 453-45	San 451-87 и 453-45	UL AMWmisc
Автомобильные	San 251-92 и 453-45	-	SAE J1128, types GPT, РВЕ SAE J1127, type SGE

Примечания: в маркировке Сантопренов 1-я цифра указывает цвет (1 — черный, 2 — натуральный); 2-я цифра обозначает области применения (О — общего назначения, 1—9 — специальные марки, в т. ч. 5 — негорючие); 3-я цифра — твердость по Шору: по шкале А (1) и по шкале Д (3).

Таким образом, процесс получения ТПЭ данным методом состоит из двух стадий:

1) смешения эластомера и термопласта при температу¬рах на 20—30 0С выше температуры плавления пластика в высокоскоростном смесителе до образования расплава;
2) последующего введения вулканизующего агента и перемешивания до максимальной вязкости.

При вулканизации эластомера происходит увеличение вязкости расплава смеси до максимальных значений, и за счет больших деформаций сдвига мелкодисперсные частички резины размером 1—2 мкм равномерно распределяются в объеме термопласта (рис. 2). При этом существенно изменяются свойства материала — прежде всего, пропорционально степени сшивки возрастают упруго-деформационные свойства (прочность и относительное удлинение при разрыве), одновременно снижается до нуля предел текучести при растяжении полимера. По физико-механическим параметрам ТПЭ близки к вулканизатам соответствующих каучуков, но, в отличие от них, эти материалы способны перерабатываться на оборудовании для термопластов.

Во многом благодаря внедрению этой технологии в мире появились очень популярные сегодня материалы. В 1981 г. американской фирмой Monsanto на рынок был выпущен полностью сшитый термопластичный вулканизат марки Сантопрен (Santoprene). Интересно, что компания Monsanto была одной из многих в штате Огайо (г. Акрон), где занимались разработкой новых материалов и технологий для шинного производства. И хотя их работы не завершились разработкой новых шин, был обнаружен новый прогрессивный класс полимерных материалов с неограниченными возможностями применения. После изобрете¬ния Сантопрена и других марок термопластичных вулканизатов (Джеоласт (Geolast) и Вайрам (Vyram)) Monsanto была преобразована в компанию Advanced Elastomer Systems (AES), которая сегодня является подразделением крупнейшего нефтехимического концерна ExxonMobil Chemical и выпускает около 100 различных марок этих материалов общим объемом свыше 50 тыс. тонн в год. Основной областью потребления безоговорочно является автомобильная промышленность — по данным производителей Сантопрена, до 20% всех резинотехнических деталей современных легковых автомобилей может быть изготовлено из этого материала.

Рис. 1. Структура блок-сополимерных (а) и динамически вулканизованных (б) ТПЭ,
Рис. 2. Изменение морфологической структуры динамических вулканизатов в начале смешения (а) и по завершении процесса сшивки (б).

Очевидная простота и скорость переработки, плюс безотходность технологии сразу же сделали ТПЭ-материалы очень популярными: в последние годы наблюдается устойчивая тенденция к росту производства ТПЭ — ежегодный прирост составляет от 10 до 15%, и, по прогнозам, в 2008 году объем потребления этих материалов только в странах Западной и Центральной Европы достигнет 400—500 тыс. тонн. При этом наибольший спрос предсказывают блоксополимерным стирольным ТПЭ и «динамическим вулканизатам». Современные маркетологи, как правило, подразделяют разнообразную гамму ТПЭ на две большие группы (в зависимости от химического состава и способа получения) — блок-сополимерные («реакторные») и по¬лимерные смеси. К первой относят полиуретановые, полиамидные, сополимерные стирольные и полиэфирные ТПЭ, во вторую входят термопластичные олефиновые, динамически вулканизованные, виниловые и супер-ТПЭ. Полиуретановые, полиамидные и сополиэфирные часто выделяют в отдельную группу — «инженерные ТПЭ», подчеркивая их исключительные механические характеристики. Особый интерес представляют сополиэфирные материалы — в 1972 г. компания DuPont первой выпустила на рынок ТПЭ марки Хайтрел (Hytrel) — сополимер тетрабутилентереф-талата и полиалкиленэфира, обладающий более высокой тепло-, влаго-, химстойкостью и технологичностью, чем из¬вестные в то время термопластичные полиуретаны. Позже фирма Akzo (ныне DSM) разработала торговую марку Арнител (Arnitel), а фирма Ticona — Ритефлекс (Riteflex), получившие применение в жестких и мягких узлах ответственных деталей машиностроения в качестве защитных прокладок и стойких уплотнителей. В 1985 г. компания Eastman разработала первый «чисто сополиэфирный» ТПЭ марки Экдел (Ecdel), используемый для изготовления герметичных упа¬ковок медицинских препаратов (I.Y bags). В завершение следует упомянуть о самом молодом классе ТПЭ (на рынке с 2003 г.), так называемых «супердинамических вулканизатах» (super-TPE) — материалах, максимально приближенных по своим потребительским свойствам к самым лучшим термореактивным каучукам.

Сегодня за рубежом выпускается широкий спектр термо¬пластичных эластомерных материалов (известно всего около 50 видов ТПЭ — более 700 марок!), обладающих разнообразным комплексом важных эксплуатационных свойств. Несмотря на повышенный интерес к данному типу полимерных материалов, проявляемый в последние годы во всем мире, технология получения и выпуск различных видов ТПЭ в промышленном масштабе на предприятиях РФ только зарождается. Это связано с рядом причин. Во-первых, с особенностями технологии синтеза и необходимостью специального оборудования, а во-вторых, с низким уровнем развития отечественного рынка потребления этих материалов.

Производство ТПЭ в России

Сегодня на рынке отечественных ТПЭ следует отметить трех потенциальных производителей этого вида продукции:

1) ЗАО «Объединенная компания «Полипластик-Технопол» (г. Москва), предлагающая два типа термоэластопластов — сополиэфирные марки Hytrel (по лицензии фирмы DuPont) и олефиновые ТПЭ под маркировкой Армлен ПП ТЭП.

2) ЗАО «Кварт» (г. Казань) в 2004 г. запустил технологическую линию по производству олефиновых «динамических» вулканизатов марки «Квартопрен» для автомобилестроения и строй индустрии (суммарная мощность до 2 тыс. тонн).

3) ЗАО «Научно-производственная компания «Полимер-Компаунд» (г. Томск) с 2003 г. освоил технологию «динамической вулканизации» и производит олефиновые термоэластопласты марки Томполен ПП-305К-М для изоляции кабелей и проводов в количестве около 250 тонн в год.

Прогрессивная технология получения ТПЭ методом «дина¬мической вулканизации» впервые в промышленном масштабе была освоена в г. Уфе на базе ОАО «Уфаоргсинтез» в 1999 г., причем именно на примере электроизоляционных компаундов на основе смесей полипропилена и СКЭПТ. Разработанные совместно с ОАО «ВНИИКП» термопластичные эластомерные композиции прошли пробные испытания на предприятиях кабельной отрасли при изготовлении изоляции и оболочки различных изделий взамен традиционных резин и ПВХ-пластикатов, в частности:

п- ри выпуске установочных кабелей и проводов для подвижного ж/д состава и городского электротранспорта;
- для изоляции и оболочки силовых кабелей;
- при изоляции нефтяных и геофизических кабелей;
- при изготовлении изоляции высоковольтных автопроводов зажигания, спиральных проводов для медтехники, телефонных линейных шнуров, кабелей управления и сигнальных проводов.

Всего в течение 2000—2001 гг. на ОАО «Уфаоргсинтез» было выпущено около 40 тонн материала. По результатам технологических испытаний олефиновый термоэластопласт был рекомендован для промышленного внедрения в качестве изоляции установочных проводов и кабелей для электротранспорта. С 2003 г. уже в условиях ЗАО «НПК Полимер-Компаунд» (г.Томск) начат промышленный выпуск (до 250 тонн в год) кабельного термоэластопласта под маркой ТЭП ПП305К-М, предназначенного для изготовления изоляции установочных проводов и кабелей на напряжение 660—4000 В (марки ППСТВМ, ППСТВМ-1 и КПСТВМ). Согласно решению Департамента локомотивного хозяй¬ства РЖД, данные марки рекомендованы к применению для ремонта подвижного ж/д состава, городского электротранспорта и метрополитена взамен устаревших марок с изоляцией из резины.

Основные преимущества нового материала по сравнению с традиционной резиновой изоляцией:

- расширенный температурный диапазон эксплуатации и, как следствие, увеличение срока службы изделий с 12 до 20 лет;
- улучшение массогабаритных параметров кабеля за счет малого удельного веса полимерной изоляции и сокра¬щения сечения медной жилы;
- значительное, в 2—4 раза, сокращение технологического цикла производства кабеля за счет перехода от двухстадийного (вальцевание и вулканизация) процесса к экструзии в одну стадию.

Серийный выпуск новых марок кабельной продукции осу¬ществляется на ЗАО «Сибкабель» (г. Томск). На сегодняшний день реализовано более 45 тыс. км проводов и кабелей различных модификаций. Изделия унифицированы — вместо шести марок введены две, которые по своим эксплутационным характеристикам перекрывают весь диапазон ранее выпускаемых проводов и кабелей аналогичного назначения. Официальным дилером этой продукции является ЗАО «Научно-инвестиционный центр «Кабельные технологии» (г. Москва) — патентовладелец моделей конструкций данных проводов.

В качестве одного из направлений в разработке полимерных компаундов с повышенной стойкостью к агрессивным средам рассматриваются термопластичные эластомерные материалы на основе виниловых пластиков, которые используются за рубежом в различных отраслях промышленности, составляя конкуренцию резине, полиуретану и другим, более дорогим ТПЭ. В последние годы в рамках научно-исследовательских работ, проводимых совместно с производителями полимерных материалов (ЗАО НПК «Полимер-Компаунд», ЗАО «АМЕРиКо» (г. Уфа)), разработан новый полимерный компаунд на основе термопластичного винилового эластомера с повышенной стойкостью к нефтепродуктам (ТПВЭ Тамерлен и ТЭП-PVC 02-01К). Материал успешно прошел расширенные технологические испытания и рекомендован к применению в качестве защитной оболочки кабелей питания установок центробежных электронасосов в нефтедобывающей отрасли с температурой эксплуатации до +140 0С. На сегодняшний день около 500 км нефтепогружных кабелей с оболочкой из термопластичного винилового компаунда приняты в эксплуатацию подразделениями «ТНК-ВР», «Сибнефть» и «Роснефть» на нефтепромыслах Западной Сибири.

Таким образом, перспективы использования термопластичных эластомерных материалов в кабельных изделиях выглядят вполне реальными, причем это касается не только динамических вулканизатов, но и представителей других классов — стирольных, уретановых, полиэфирных.

Дальнейшее развитие научно-исследовательских разработок связано с получением новых марок отечественных ТПЭ, обладающих спектром улучшенных свойств и преимуществ — повышенной тепло-, масло-, бензостойкостью в сочетании с высокими диэлектрическими параметрами, него¬рючестью и технологичностью. Сегодня в России практически полностью отсутствует производство ТПЭ с повышенной стойкостью к действию агрессивных сред. Расширение областей применения термоэластопластов, а также дефи цит ряда агрессив-стойких каучуков, которые в РФ по тем или иным причинам не производятся в настоящее время – полихлоропрен, хлорсульфированный полиэтилен, акрилатные каучуки — предопределяют необходимость организации выпуска доступных полимерных компаундов на базе ТПЭ для кабельной и других отраслей промышленности.

Кандидат хим. наук Р. И. Аблеев, доктор тех. наук Р. Н. Гимаев ГОУ ВПО Башкирский государственный университет, г. Уфа
«Полиуретановые технологии», журнал, выпуск №4 (17) / 2008