[发明专利]硅烷交联方法

说明书

本发明涉及采用红外辐射手段用硅烷交联聚合物材料的方法。

已知可以采用各种添加剂来改变聚合物材料的性能。在某些情况下，聚合物材料性能的需要的改变，例如通过交联来改性聚乙烯和其它聚烯烃，要经过添加剂的热化学分解。这种添加剂的一个典型实例是化学交联剂，例如过氧化物。在这种情况下，在一步单独的混合工艺或在制造塑料制品的过程中加入交联剂，并在机械加工工艺后立即加热使交联剂分解。

已知聚合物例如聚乙烯，可以通过使用过氧化物引发剂、水解性硅烷化合物和缩合催化剂进行交联，如US 3,646,155和4,117,195中所指出的那样。所述方法可以通过如下步骤完成：向挤出机中进料；挤出聚乙烯、过氧化物如二枯基过氧化物、硅烷化合物如乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷和缩合催化剂如二月桂酸二丁基锡，产生一种接枝产品；然后在缩合条件下，在水或蒸汽的存在下，处理该接枝产品，得到交联产品。

交联电缆绝缘材料的一种众所周知的方法，是在硫化管中使用蒸汽或热辐射，使含过氧化物的材料交联。基于热辐射的硫化工艺，是在惰性气氛中于高压下，典型为在氮气氛中于6～10巴压力下进行的。

采用蒸汽进行交联的缺点在于，用作绝缘材料的聚合物材料在加工后，达到水的平衡，其水含量可高达2,000～3,000ppm。当绝缘材料在电场中时，绝缘材料的高水含量显著增加绝缘材料内所谓的水树的形成。

干法交联是基于一种加热管，其典型壁温为250～450℃。采用的温度如此之低，使得热辐射具有长波长，并且辐射仅加热绝缘材料的外表面。这降低了交联的速度，并且同时，高的局部温度可能因聚合物的热降解而破坏外表面。但是，形成水树的风险明显低于蒸汽交联。

交联也可以在熔盐中或采用用硅油润滑的长模头进行。这两种工艺的局限性在于，由于使用熔盐和硅油的最高温度有限，交联速度低。在这些工艺中，热传导是基于对流传导。

上述工艺需要昂贵的压力容器以控制高压。为避免由绝缘材料内过氧化物的气态分解产物产生的气泡的形成，需要过压。启动困难和终止困难，是过压工艺的缺点。还应该指出，在工艺中使用过压增加了安全隐患。

在硅烷交联工艺中，只有在挤出后，通过接枝到聚合物上的硅烷化合物的水解才发生固化。采用硅烷交联工艺所实现的最显著的优点是可以使用简单的挤出生产线在通常的大气压力下进行。该工艺的启动和终止也是相当简单的。

当目标是获得均匀的产品质量和采用经济而简单的工艺时，已知的方法经常是存在问题的。这类问题在连续工艺中是特别常见的。例如，当用于电缆和导体的绝缘材料采用连续交联工艺制备时，生产线长，结果可能得到因质量不均匀而不能使用的产品。在这种情况下，经济损失也可能较高。获得具有均匀质量的产品是非常重要的，特别是在制造用于电缆和导体的绝缘材料时。当采用连续工艺和长的生产线制造其它产品例如管子时，自然也是这种情况。

上述添加剂的化学分解，通常是通过将整个聚合物材料加热到所述添加剂足以发生分解的温度来实现的。在实践中，或者在生产线上于聚合物产品制造后立即进行加热，或者在一个单独的工艺步骤中进行加热。

在生产线上实现化学分解的一个典型实例是生产用于电缆或导体的交联绝缘材料。为实现该目的，已经开发出数种工艺，例如Monosil，Sioplas(US 3,646,155)和Dry silan(US 5,112,919)。在这些工艺中，一般在接枝阶段，于挤出机中，将整个聚合物材料加热到过氧化物足以分解的温度。

Sioplas工艺包括两步。在第一步，将聚合物、硅烷和过氧化物进料到挤出机中，混合并熔化成均匀的物质。在挤出机中，整个物质的温度升高到过氧化物的分解温度，结果得到接枝的物质，该接枝的物质被挤出成带状物并造粒。在第二步中，所述接枝物质和聚合物及缩合催化剂混合物进料到挤出机中，并由所述材料挤出制成一种产品。得到的产品在挤出后，在热水、蒸汽或湿空气中进行交联。

Monosil工艺包括在一个工艺步骤中将聚合物，硅烷，过氧化物和缩合催化剂进料到长的挤出机中并挤出产品。在挤出机的第一段，在混合步骤，温度足够低以防止过氧化物的过早分解和材料的接枝。挤出后，所述接枝产品如上述的Sioplas工艺那样进行交联。

Drysilan工艺相当于Monosil工艺，与Monosil工艺的差别仅在于，所述硅烷被吸收进多孔的载体材料中，使其比液体硅烷更容易混合进聚合物颗粒中。这也避免了在计量区由于被计量的材料与挤出机壁间的间歇摩擦所造成的生产速度的降低。