Die chemische Essenz des Crosslinking: Was ist "Crosslinking"?
Vernetzung ist ein chemischer Prozess, bei dem Polyethylen (PE)-Polymerketten durch kovalente Bindungen - in der Regel Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C)-Bindungen - miteinander verbunden werden, um ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden. Lineares PE besteht aus unabhängigen Polymerketten, während vernetztes PE (XLPE) eine vernetzte Matrix bildet, die die thermische, mechanische und chemische Stabilität erhöht und damit für Anwendungen bei hohen Temperaturen und hohen Belastungen geeignet ist.
Vergleich von Vernetzungsprozessen: Chemische Vernetzung vs. Strahlenvernetzung
Bei der Herstellung von XLPE-Kabeln werden hauptsächlich zwei Vernetzungsverfahren eingesetzt: die chemische Vernetzung und die Strahlenvernetzung. Bei der chemischen Vernetzung werden Peroxide oder Silanverbindungen zugesetzt, die, wenn sie durch Wärme oder Feuchtigkeit aktiviert werden, die Bildung von Bindungen zwischen PE-Ketten einleiten. Bei der Strahlenvernetzung werden hochenergetische Elektronenstrahlen eingesetzt, um Bindungen aufzubrechen und reaktive Stellen für die Netzwerkbildung zu schaffen. Während chemische Verfahren einstellbare Vernetzungsraten ermöglichen und bei Mittel- und Hochspannungskabeln weit verbreitet sind, bietet die Bestrahlung eine sauberere Verarbeitung und eine bessere Gleichmäßigkeit, erfordert aber höhere Investitionen und ist eher bei Niederspannungsanwendungen üblich.
| Prozess | Methode | Vorteile | Benachteiligungen |
|---|---|---|---|
| Chemische Quervernetzung | Peroxid- oder Silanzusätze | Gut etabliert, skalierbar, abstimmbare Vernetzungsdichte | Erfordert Erhitzung und Nachhärtung, kann Nebenprodukte freisetzen |
| Vernetzung durch Bestrahlung | Elektronenstrahl | Keine Chemikalien, schnelle Verarbeitung, einheitliche Struktur | Hohe Ausrüstungskosten, beschränkt auf dünnere Kabelabschnitte |
Vergleich der Temperaturbeständigkeit nach Verfahren:
| XLPE-Typ | Kontinuierliche Betriebstemperatur (°C) | Kurzzeitige Überlast Temperatur (°C) |
|---|---|---|
| Peroxid-vernetztes XLPE | 90 | 130 |
| Silan-vernetztes XLPE | 85 | 120 |
| Bestrahlung Vernetztes XLPE | 105 | 150 |
Korrespondenz zwischen Vernetzungsgrad und Temperaturklasse
Der Vernetzungsgrad - in der Regel ausgedrückt als prozentualer Gelgehalt - ist ein Schlüsselfaktor für die thermische Belastbarkeit eines Materials. Eine höhere Vernetzungsdichte bedeutet eine stärkere molekulare Verflechtung und eine höhere Beständigkeit gegen Verformung unter Hitze. So wurden beispielsweise XLPE-Proben mit den Vernetzungsgraden 65%, 75% und 85% 168 Stunden lang bei 135 °C getestet. Die Beibehaltung der Restzugfestigkeit wurde bei 70%, 85% bzw. 92% gemessen. Die IEC 60502-1 empfiehlt einen Mindestgelgehalt von 75% für eine zuverlässige Leistung unter thermischer Belastung. Darüber hinaus verbessert eine höhere Vernetzung die Bruchdehnung und verringert die Geschwindigkeit der thermischen Alterung, was die Lebensdauer der Kabel in anspruchsvollen Umgebungen verlängert.
Irreführende Temperaturangaben: Langfristiger Betrieb vs. kurzfristige Überlastung
Temperaturangaben können missverstanden werden. So ist beispielsweise ein Kabel mit der UL-Einstufung 125°C für den Dauereinsatz bei 125°C ausgelegt, kann aber in kurzen Schüben bis zu 150°C vertragen. Eine längere Einwirkung von 150 °C würde jedoch den Abbau beschleunigen, die Flexibilität verringern und möglicherweise Risse in der Isolierung verursachen, was zu einem vorzeitigen Ausfall führen würde, wenn dies bei der Konstruktion oder Spezifikation nicht ordnungsgemäß berücksichtigt wird.
Bedeutung der Auswahl des Vernetzungsverfahrens auf der Grundlage der Anwendungsumgebung
Bei einem Windenergieprojekt in Nordchina verursachten Minustemperaturen eine thermische Kontraktion der Isolierschichten von Kabeln mit unzureichender Vernetzung. Die Schrumpfung zog die Isolierung vom Leiter weg, was schließlich zu einem dielektrischen Durchschlag und Kurzschlüssen führte. Dieses Versagen macht deutlich, wie wichtig es ist, die Vernetzungsmethode und den Vernetzungsgrad auf die für den Projektstandort spezifischen Umweltbedingungen und mechanischen Beanspruchungen abzustimmen.
Schlussfolgerung und Empfehlungen
Wählen Sie XLPE-Kabel mit einem Vernetzungsgrad von mindestens 75% und stimmen Sie die Vernetzungsmethode auf Ihre Anwendungsumgebung ab. Überprüfen Sie die Zertifizierungen und fordern Sie Daten über den Gelgehalt und das thermische Alterungsverhalten an.
