صنعت سیم و کابل، شریان حیاتی زیرساختهای مدرن است. از کابلهای فشار قوی که برق شهرها را تأمین میکنند تا سیمهای ظریف مخابراتی، همگی به یک پوشش پلیمری نیاز دارند که نه تنها عایق الکتریسیته باشد، بلکه در برابر عوامل محیطی، حرارت و تنشهای مکانیکی نیز مقاومت کند. قلب تپنده این صنعت، دانش فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل است. در بازاری که نوسانات قیمت ارز و مواد اولیه پتروشیمی چالشهای بزرگی ایجاد کرده است، هنر یک مهندس پلیمر یا مدیر تولید این است که با حفظ کیفیت و استانداردهای ملی (ISIRI) و بینالمللی (IEC)، هزینههای تولید را مدیریت کند.
در این مقاله مرجع که توسط تیم فنی آروشا پودر پیشتاز صنعت تهیه شده است، ما به شکافتن اتمبهاتمِ یک کامپاند استاندارد میپردازیم. از انتخاب رزین PVC مناسب گرفته تا جادوی فیلرهای معدنی و افزودنیهای نوین. اگر به دنبال این هستید که بدانید چگونه میتوان فرمولاسیونی طراحی کرد که هم خواص دیالکتریک عالی داشته باشد و هم قیمت تمام شده آن رقابتی باشد، این مقاله نقشه راه شماست.
مبانی پایه در فرمولاسیون گرانول کابل (PVC Compounds)
کامپاند PVC یا پلی وینیل کلراید، پرمصرفترین پلیمر در صنعت سیم و کابل است. اما PVC خام به تنهایی پودری سفید، سخت و شکننده است که بدون اصلاحسازی، قابل استفاده در این صنعت نیست. فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل در واقع علم ترکیب این رزین با افزودنیهای مختلف برای رسیدن به ویژگیهای خاص است.
در ادبیات مهندسی پلیمر، واحد اندازهگیری اجزا بر اساس phr (Parts per Hundred Resin) بیان میشود. یعنی به ازای هر ۱۰۰ کیلوگرم رزین PVC، چه مقدار از سایر مواد باید اضافه شود.
۱. رزین PVC: ستون فقرات فرمولاسیون
برای سیم و کابل، معمولاً از رزین PVC سوسپانسیون (S-PVC) استفاده میشود. پارامتر کلیدی در انتخاب رزین، عدد “K-Value” است که نشاندهنده وزن مولکولی پلیمر است:
- K-65 تا K-68: برای عایقها (Insulation) استفاده میشود. این گریدها جذب نرمکننده (Plasticizer) خوبی دارند و خواص الکتریکی مناسبی ارائه میدهند.
- K-70: برای کابلهای انعطافپذیر و شرایطی که خواص مکانیکی بالاتری نیاز است (مانند کابل جوش) کاربرد دارد.
۲. نرمکنندهها (Plasticizers): انعطافپذیری
بدون نرمکننده، کابل شما مثل چوب خشک خواهد بود. روغن DOP (دیاکتیل فتالات) سنتیترین گزینه است، اما امروزه روغنهای DOTP (دیاکتیل ترفتالات) و DINP به دلیل مسائل زیستمحیطی و پایداری حرارتی بهتر، جایگزین شدهاند. میزان مصرف نرمکننده معمولاً بین ۳۰ تا ۶۰ phr متغیر است و مستقیماً بر سختی (Shore A) گرانول تأثیر میگذارد.
نقش حیاتی پرکنندهها (Fillers) در کاهش قیمت و بهبود خواص
این بخش مهمترین قسمت برای تولیدکنندگانی است که دغدغه مالی دارند. پرکنندهها موادی ارزانقیمت هستند که جایگزین بخشی از پلیمر گرانقیمت میشوند. اما اشتباه نکنید! در فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل، فیلر فقط “پرکننده” نیست؛ بلکه یک بهبود دهنده خواص است.
رایجترین و بهترین فیلر مورد استفاده در این صنعت، کربنات کلسیم است. اما نه هر نوع کربناتی. استفاده از کربنات کلسیم معدنی ساده (Uncoated) در سیم و کابل یک اشتباه استراتژیک است، زیرا این مواد آبدوست هستند و رطوبت را جذب میکنند. رطوبت در کابل یعنی ایجاد حباب در حین اکستروژن و افت شدید مقاومت عایقی.
راه حل چیست؟ استفاده از کربنات کلسیم کوتد.
در محصولات آروشا پودر پیشتاز صنعت، ذرات کربنات کلسیم با لایهای از اسید استئاریک پوشش داده میشوند. این پوشش باعث میشود ذرات آبگریز (Hydrophobic) شوند، به راحتی در روغن DOP پخش شوند و از جذب رطوبت جلوگیری کنند.
تأثیر مشبندی بر مقاومت الکتریکی
در فرمولاسیون کابل، اندازه ذرات (Particle Size) حیاتی است. برای عایقهای حساس، حتماً باید از مشهای بالای ۸۰۰ تا ۲۵۰۰ استفاده کرد. ذرات درشت باعث ایجاد ناهمگونی در سطح سیم شده و نقاط ضعفی ایجاد میکنند که در تست ولتاژ (High Voltage Test) باعث شکست عایق (Breakdown) میشوند.
“پژوهشهای نوین نشان میدهد که اصلاح سطح ذرات کربنات کلسیم با اسیدهای چرب، نه تنها پخشبندی را بهبود میبخشد، بلکه مقاومت حجمی (Volume Resistivity) کامپوزیت PVC را تا یک مرتبه بزرگی افزایش میدهد.” (S. J. Ahmadi et al., Iranian Polymer Journal)
استابلایزرها: محافظان حرارتی
PVC ذاتاً ناپایدار است و در دمای فرآیند اکستروژن (حدود ۱۶۰ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد) شروع به تخریب و آزادسازی گاز اسید کلریدریک (HCl) میکند. این گاز باعث خوردگی شدید سیلندر و مارپیچ و سیاه شدن گرانول میشود.
برای جلوگیری از این اتفاق، در فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل از پایدارکنندههای حرارتی (Heat Stabilizers) استفاده میشود:
- پایدارکنندههای سربی (Lead Based): سنتی، ارزان و دارای خواص الکتریکی عالی هستند اما به دلیل سمی بودن سرب، در بسیاری از استانداردها (مانند RoHS) ممنوع شدهاند.
- پایدارکنندههای کلسیم-زینک (Ca-Zn): نسل جدید و دوستدار محیط زیست. فرمولاسیون با این مواد کمی دشوارتر است اما آینده صنعت کابل به این سمت میرود.
تکنیکهای افزایش بارگیری فیلر (High Filler Loading)
یکی از سوالات متداول تولیدکنندگان این است: “چقدر میتوانم کربنات اضافه کنم؟”
پاسخ به کیفیت کربنات و فرمولاسیون شما بستگی دارد. در فرمولهای ارزان قیمت (مانند کامپاند فیلر یا بدینگ)، گاهی تا ۱۰۰ phr یا حتی بیشتر کربنات کلسیم استفاده میشود. اما برای اینکه گرانول پودر نشود و سطح صافی داشته باشد، باید نکات زیر را رعایت کنید:
- افزایش روانکنندهها (Lubricants): اسید استئاریک و واکسهای پلیاتیلنی باید به دقت تنظیم شوند تا اصطکاک داخلی کاهش یابد.
- استفاده از کمکفرآیندها (Processing Aids): افزودنیهای اکریلیکی که ذوب PVC را تسریع کرده و استحکام مذاب (Melt Strength) را بالا میبرند تا بتواند وزن بالای فیلر را تحمل کند.
- بررسی هزینه: همیشه باید تعادل را حفظ کنید. برای بررسی دقیق هزینهها و یافتن بهصرفهترین مواد اولیه، صفحه قیمت کربنات کلسیم کوتد را مشاهده کنید تا بتوانید آنالیز قیمت تمام شده دقیقی داشته باشید.
جدول مقایسه فرمولاسیونهای رایج سیم و کابل
در جدول زیر، سه نوع فرمولاسیون تیپیکال برای کاربردهای مختلف آورده شده است (اعداد بر حسب phr هستند):
| ماده اولیه | عایق استاندارد (Insulation) | روکش کابل (Sheathing) | بدینگ / فیلر (Bedding) |
|---|---|---|---|
| PVC (K-65/68) | 100 | 100 | 100 |
| نرمکننده (DOP/DOTP) | 40 – 50 | 50 – 60 | 60 – 80 |
| کربنات کلسیم کوتد | 20 – 40 | 40 – 70 | 100 – 150 |
| استابلایزر | 4 – 6 | 3 – 5 | 2 – 4 |
| اصلاح کننده ضربه | اختیاری | کم | — |
فرآیند اختلاط: راز همگنی گرانول
داشتن بهترین فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل بدون تجهیزات مناسب اختلاط (Mixing) بیفایده است. فرآیند معمولاً در دو مرحله انجام میشود:
- میکسر گرم (Hot Mixer): مواد در میکسر توربو با دور بالا مخلوط میشوند. اصطکاک ذرات دما را به حدود ۱۱۰ تا ۱۲۰ درجه میرساند. در این دما، تخلخل دانههای PVC باز شده و نرمکننده و افزودنیها به داخل آن نفوذ میکنند. نکته مهم این است که کربنات کلسیم باید زمانی اضافه شود که رزین کمی گرم شده و روغن را جذب کرده باشد تا از کلوخه شدن جلوگیری شود.
- میکسر سرد (Cold Mixer): مواد داغ بلافاصله وارد میکسر دور پایین با جداره خنککننده میشوند تا دمای آنها به حدود ۴۰ درجه برسد. این کار از چسبیدن گرانولها (Dry Blend) به هم جلوگیری میکند.
عیبیابی (Troubleshooting) در تولید گرانول و کابل
حتی با بهترین فرمولاسیون، مشکلات تولید ممکن است رخ دهند. در اینجا به شایعترین مشکلات و راهحلهای آنها میپردازیم:
۱. زبری سطح کابل (Rough Surface)
این مشکل میتواند ناشی از عدم پخت کافی مواد (Melt Fracture) یا رطوبت باشد.
راه حل: دمای دای (Die) را افزایش دهید. از خشک بودن کربنات کلسیم اطمینان حاصل کنید (استفاده از کربنات کوتد آروشا این مشکل را حل میکند). فشار پشت دای را با استفاده از توریهای مش ریزتر بالا ببرید.
۲. تخلخل و حباب در عایق (Porosity)
وجود حباب کشندهی خواص عایقی است و باعث مردودی در تست جرقه (Spark Test) میشود.
راه حل: دلیل اصلی رطوبت موجود در فیلر یا رزین است. استفاده از گازگیر در اکسترودر الزامی است. همچنین، تجزیه حرارتی استابلایزر نامرغوب میتواند گاز تولید کند.
۳. عدم قبولی در تست کشش (Elongation Fail)
اگر سیم هنگام کشش پاره میشود یا ازدیاد طول کمی دارد.
راه حل: میزان کربنات کلسیم نسبت به رزین زیاد است یا پخش آن مناسب نیست. میزان نرمکننده را افزایش دهید یا از اصلاحکنندههای ضربه استفاده کنید.
⚠️ هشدار بسیار مهم در خرید فیلر
برخی تأمینکنندگان نامعتبر، پودر کربنات کلسیم را با روغنهای صنعتی بیکیفیت یا پارافین به صورت دستی مخلوط کرده و به نام “کوتد” میفروشند. این “کوتینگ سرد” هیچ پیوند شیمیایی با سطح پودر ایجاد نمیکند و در حین فرآیند میکسر گرم، از روی پودر جدا شده و باعث دود کردن و تغییر رنگ گرانول میشود. همواره از کوتینگ واکنشی و صنعتی (مانند فرآیند آروشا پودر) اطمینان حاصل کنید.
استانداردها: خط قرمز تولید
رعایت استاندارد ملی ایران (ISIRI 607) و استانداردهای بینالمللی (IEC 60227) برای تولیدکنندگان سیم و کابل الزامی است.
فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل شما باید بتواند تستهای زیر را پاس کند:
- مقاومت عایقی (Insulation Resistance): مقاومت در برابر عبور جریان در دماهای مختلف.
- شوک حرارتی (Thermal Shock): عدم ترک خوردن عایق در اثر تغییر ناگهانی دما.
- کشش و ازدیاد طول قبل و بعد از پیرسازی (Aging): نمونهها در آون حرارت میبینند و سپس تست کشش تکرار میشود. افت خواص نباید زیاد باشد.
سوالات متداول (FAQ)
آیا میتوان از کربنات کلسیم معمولی در سیم و کابل استفاده کرد؟
فقط در لایههای پرکننده (Bedding) که خواص الکتریکی مهم نیست و آن هم با ریسک جذب رطوبت. برای عایق و روکش اصلی، استفاده از کربنات کوتد الزامی است.
چگونه میتوانم براقیت (Gloss) گرانول را افزایش دهم؟
استفاده از کربنات کلسیم کوتد میکرونیزه با مش بالا، تنظیم دقیق روانکنندههای خارجی و پولیش کردن قالب اکسترودر تأثیر زیادی بر براقیت دارد.
میزان مصرف بهینه استابلایزر چقدر است؟
بستگی به نوع استابلایزر (سربی یا کلسیم-زینک) و میزان پرکننده دارد. معمولاً بین ۳ تا ۵ phr است. مصرف کمتر باعث سوختن مواد و مصرف بیشتر باعث پدیده Plate-out (رسوب مواد سر قالب) میشود.
چرا تست مقاومت حجمی کابل من پاس نمیشود؟
مهمترین دلایل: رطوبت در مواد اولیه، استفاده از کربنات کلسیم با ناخالصی یونی بالا، یا عدم پخت کامل PVC در اکسترودر است.
جمعبندی و سخن پایانی
فرمولاسیون کامپاند سیم و کابل، ترکیبی از هنر و علم مهندسی است. رسیدن به نقطهای که در آن کیفیت، استاندارد و قیمت در تعادل باشند، نیازمند شناخت دقیق تکتک اجزای کامپاند است. همانطور که بررسی شد، انتخاب نوع و کیفیت فیلر (کربنات کلسیم) میتواند مرز بین یک محصول صادراتی باکیفیت و یک محصول ضایعاتی باشد. ما در آروشا پودر پیشتاز صنعت متعهد هستیم که با تأمین باکیفیتترین پودرهای میکرونیزه و کوتد شده با تکنولوژی روز دنیا، یار و همراه تولیدکنندگان صنعت سیم و کابل کشور باشیم. فرمولاسیون خود را با مواد اولیه مطمئن، بیمه کنید.
بهینهسازی فرمولاسیون خود را به ما بسپارید
برای دریافت مشاورهی فنی رایگان در زمینه فرمولاسیون سیم و کابل و سفارش نمونه تست کربنات کلسیم کوتد مخصوص عایق، همین حالا اقدام کنید.
