Реализация проекта разработки и запуска в промышленное производство проводящей матрицы для саморегулирующихся кабелей. Этапы и сложности

На базе ОКБ «Гамма» организован полный цикл промышленного производства проводящих пластмасс и саморегулирующихся нагревательных кабелей. 

О существовании саморегулирующихся нагревательных кабелей известно с 70-х годов прошлого века. Существенным преимуществом этого вида нагревательных кабелей является их способность изменять мощность при увеличении температуры без использования дополнительной регулирующей аппаратуры. Эта особенность позволила саморегулирующимся кабелям получить широкое распространение и найти применение в различных областях человеческой деятельности от бытового применения до использования в ответственных промышленных объектах.

Несмотря на широкое распространение в мире и наличие производств таких кабелей во многих странах (США, Великобритания, Швейцария, Франция, Южная Корея, Китай) в России не существовало технологии изготовления саморегулирующихся нагревательных кабелей. Все кабели в той или иной степени производились за рубежом. В Россию завозились либо уже готовые изделия, либо полуфабрикаты, которые доводились до готового кабеля. Полного цикла производства саморегулирующихся нагревательных кабелей не существовало, несмотря на значительную потребность отечественного рынка в подобной продукции.

Целью работы явилась разработка технологии полного цикла изготовления проводящей матрицы для саморегулирующихся нагревательных кабелей и запуск ее промышленного производства.

Технология должна была включать:

• изготовление токопроводящей медной жилы с никелевым или оловянным покрытием; 
• изготовление электропроводящего полимерного компаунда; 
• изготовление нагревательного элемента (матрицы), состоящего из токопроводящих жил и полимерного компаунда; 
• изготовление кабелей с различной рабочей температурой; 
• испытательную базу (методики и оборудование), позволяющую производить полномасштабные испытания кабеля на соответствие требованиям национальных и международных стандартов, а также непрерывно контролировать качество кабеля в процессе всех стадий его производства; 
• систему идентификации продукции.

Для осуществления поставленной цели задача была разбита на три подзадачи:

1. Разработка электропроводящих полимерных материалов для нагревательной матрицы;
2. Создание изделий (нагревательной матрицы, нагревательного кабеля);
3. Создание испытательного комплекса для изучения свойств материалов, испытаний полуфабрикатов в процессе производства, испытаний готовых изделий.

Производство полимерного компаунда является первой стадией всей технологии. Разработка электропроводящего полимерного компаунда своими силами была обусловлена как отсутствием на рынке готовых материалов с необходимыми для нас свойствами, так и другими особенностями процесса. К таким особенностям можно отнести:

• необходимость иметь в наличии компаунды на различной полимерной основе; 
• потребность в большом количестве опытных партий компаундов различного состава и произведенных в широком диапазоне технологических режимов; 
• отсутствием в РФ организаций, специализирующихся на подобных разработках для сторонних клиентов.
  

Полимерный компаунд для нагревательного элемента (матрицы) должен удовлетворять следующим требованиям:

• Иметь выраженную зависимость электрического сопротивления от температуры, причем величина сопротивления должна меняться определенным образом в температурном диапазоне, характерном для условий эксплуатации кабеля; 
• Иметь достаточную стойкость к воздействию температуры для предотвращения теплового старения при эксплуатации; 
• Иметь возможность перерабатываться методом экструзии с удовлетворительной производительностью.

При разработке электропроводящего компаунда (рис. 1) были решены следующие задачи:

1. Подобрано, закуплено и запущено оборудование для производства электропроводящего компаунда — экструзионная линия с двухшнековым экструдером (рис. 2), узлами гранулирования, классификации гранул, сушки гранул и окончательной подготовки материала;
2. Изучено влияние полимерной основы электропроводящих наполнителей на электрическую проводимость компаунда и ее зависимость от температуры. На рис. 3 приведена типовая зависимость для производимого компаунда. Показано, что требуемые свойства достигаются в узком диапазоне концентрации электропроводящего наполнителя, что приводит к необходимости особенно тщательно соблюдать режимы изготовления компаунда и производить постоянный контроль его свойств;
3. Подобраны технологические режимы изготовления компаундов, в частности:
   • конфигурация шнеков для достижения определенной степени диспергирования наполнителей;
   • температурные и скоростные режимы изготовления компаунда для достижения необходимого уровня проводимости при минимально возможном содержании наполнителей;
4. Создана испытательная база для изучения свойств полимерного компаунда — разработаны методики испытаний, закуплено оборудование. Разработанные методики подбора наполнителей и режимов производства компаунда будут использоваться в дальнейшем для оптимизации его рецептуры и разработки новых компаундов.

Отработка технологии производства электропроводящего компаунда происходила параллельно с разработкой технологии изготовления саморегулирующейся нагревательной матрицы и кабеля на ее основе.

Конструкция саморегулирующегося кабеля известна. Некоторые требования к свойствам саморегулирующейся матрицы нам были известны, так как компания длительное время выпускала кабели с использованием полуфабрикатов от сторонних производителей. Однако, не было сведений о технологии изготовления матрицы, а сама задача производства подобного кабеля, несмотря на то, что имеет много общего с традиционными кабельными процессами, все же в значительной степени оригинальна.

Задачи, стоявшие при разработке изделий из электропроводящего компаунда и успешно решенные в ходе работ:

1. Выбор оборудования для изготовления нагревательного элемента (матрицы);
2. Разработка технологического режима изготовления саморегулирующегося кабеля, которая обеспечивает:
   • требуемые свойства нагревательной матрицы, в первую очередь электрическое сопротивление, качество контактов между жилами и проводящим компаундом, удельную мощность;
   • стабильность свойств нагревательной матрицы по длине при непрерывном изготовлении;
   • сохранение свойств нагревательной матрицы при прохождении всех технологических операций;
   • надежность кабеля при длительной эксплуатации.
3. Разработка методов испытаний для непрерывного контроля качества кабеля в процессе всех стадий его производства.

В ходе работ была обнаружена очень высокая чувствительность свойств нагревательной матрицы к технологическим параметрам. Это еще сильнее осложнило разработку технологии, т.к. было необходимо устранить влияние случайных факторов на результат и определить влияние контролируемых параметров на конечный результат. Для примера можно сказать, что изменение концентрации проводящих наполнителей в компаунде на 0,2 % приводит к изменению сопротивления в два раза и изменению мощности на 25-30 %.

Вообще же на свойства нагревательной матрицы влияют температура расплава, температура жилы, величина натяжения жил, чистота жилы, условия охлаждения заготовки, наличие деформации нагревательной матрицы в ходе производства и др.

При разработке технологии было изучено и учтено влияние всех указанных параметров на свойства проводящей матрицы и нагревательного кабеля на ее основе.

Такая чувствительность вынудила организовать усиленный контроль за свойствами полуфабрикатов, получаемых на каждой стадии производства, и обусловила особые требования к экструзионной линии для производства матрицы и кабеля.

Некоторые виды саморегулирующегося кабеля требуют сшивки для обеспечения их надежности при эксплуатации, что гарантирует сохранение работоспособности кабеля при температурах, близких к температуре плавления полимерной основы компаунда. Были изучены особенности поведения нагревательной матрицы при различных степенях сшивки. О степени сшивки судили по измерениям содержания гель-фракции в облученном компаунде. На основании результатов испытаний был подобран режим облучения нагревательной матрицы.

Разрабатываемая технология потребовала, во-первых, специфических испытаний, во-вторых, большого объема этих испытаний. На момент начала работ в ГК ССТ, при наличии современного испытательного центра, отсутствовал испытательный комплекс, который удовлетворял бы требованиям по испытанию материалов, полуфабрикатов и изделий для настоящей технологии. Параллельно с работами по разработке технологии развивалась и испытательная база.

Для испытания полуфабрикатов (электропроводящего компаунда, проволоки, нагревательного элемента) и готового нагревательного кабеля организована лаборатория, оснащенная оборудованием ведущих зарубежных и отечественных компаний. Стенды для испытания нагревательного кабеля разработаны и изготовлены силами ГК «ССТ» в соответствии с методиками испытаний, описанными в отечественных и международных стандартах.

В результате работ:

1. Разработан и оптимизирован состав электропроводящего полимерного компаунда для производства саморегулирующегося нагревательного кабеля. Подобрано, закуплено и запущено в работу оборудование для изготовления компаунда силами ГК «ССТ». Изучено влияние технологических параметров при производстве компаунда на его электрическую проводимость. Освоен технологический процесс массового производства электропроводящего полимерного компаунда.
2. Изучено влияние технологических параметров при экструзии саморегулирующегося нагревательного элемента (матрицы). На основании результатов работ определена конфигурация экструзионной линии, позволяющей производить нагревательную матрицу. Закуплены и запущены в работу экструзионные линии. Освоен технологический процесс массового производства нагревательной матрицы.
3. Создана экспериментальная база для изучения свойств электропроводящего полимерного компаунда и нагревательного саморегулирующегося кабеля. Разработаны критерии оценки качества саморегулирующегося нагревательного кабеля. Закуплено и произведено силами ГК «ССТ» лабораторное оборудование, которое позволяет производить полномасштабные испытания кабеля на соответствие требованиям национальных и международных стандартов (ГОСТ Р МЭК 60079-30-1-2011, ГОСТ Р МЭК 60800-2012, CSA C22.2 N130-03 и др.).
4. Организован порядок непрерывного контроля качества кабеля и полуфабрикатов на всех стадиях их изготовления.