Обычная резина и ПВХ все чаще уступают место более современному — силикону. Изделия из него более долговечны и устойчивы к действию высоких температур. Начал применяться силикон и в кабельной промышленности, хотя его внедрение происходит крайне медленно. Разбираемся, что тому причина — только лишь высокая (пока) стоимость или же у нового материала объективно есть недостатки?
Известные эластичные вещества, как правило, являются органическими, т. е. углеводородами или их производными. Связано это с уникальной способностью пары CH-CH образовывать полимеры — длинные молекулы, представляющие собой цепочки из мономерных звеньев. Недостатком обычных полимеров является в первую очередь их разрушение под действием высоких температур, что связано с особенностями углерода.
В то же время, близким по свойству к углероду химическим элементом является кремний. Например, его валентность также равна четырём. Соответственно, возможен синтез эластичных полимеров, где вместо углерода частично применяется кремний. Получившийся материал называется силиконовой или кремнийорганической резиной. Распространено сокращенное наименование этого материала «силикон», которое мы будем использовать далее. Хотя, строго говоря, понятие силиконов является более общим. Силиконы бывают не только в виде эластомеров, но и в виде жидкостей, гелей и смол.
Кремний образует прочную связь с кислородом, которая не распадается при очень высоких температурах (несколько сотен градусов Цельсия). Соответственно, основу кремнийорганической резины составляет длинная цепочка … – Si – O – Si – … В ней к атомам кремния прикреплены органические группы. Помимо большей температурной устойчивости, цепочки из атомов кремния и кислорода, как правило, более долговечны, чем из углерода и водорода.
Производство силикона
Сырьем для производства силикона является метилхлорсилан. Его изготавливают посредством химической реакции кварцевого песка и хлористого метанола. Далее сырье передается на другие заводы, где в результате его переработки получается так называемый HCR-силикон. Он представляет собой вязкую субстанцию, которая поставляется, в свою очередь, на заводы, где выпускаются изделия из силикона, в том числе и на предприятия кабельной промышленности. Форма силиконовым изделиям придается в процессе вулканизации, которая осуществляется посредством нагрева.
Производство метилхлорсилана считается очень вредным для экологии. Поэтому оно сосредоточено в странах, где высокий уровень развития технологий позволяет принять соответствующие меры безопасности (США, Германия), либо там, где нормы по вредным выбросам не очень строгие (Китай). Причем в Китае с 2017 г. ведется серьезная работа по улучшению экологии, что привело к закрытию нескольких заводов по выпуску метилхлорсилана. Дело дошло до того, что Китай начал импортировать его из Германии. Естественно, это вызвало резкий рост цен на данное соединение на мировом рынке.
По состоянию на январь 2022 г. в России нет собственного производства метилхлорсилана. Раньше это вещество производилось на заводе «Силан» в Данкове Липецкой области, существовавшем еще с советских времен. Но старое, изношенное оборудование не позволяло заводу конкурировать с зарубежными производителями метилхлорсилана, даже после резкого скачка цен на мировом рынке. По данным газеты «Коммерсант», в 2020 г. завод «Силан» был закрыт.
В 2014 г. был заложен новый завод по выпуску метилхлорсилана в Казани. Но в процессе строительства выяснилось, что расходы на возведение будут вдвое больше запланированных, что ставило под вопрос окупаемость проекта. В итоге стройка была заморожена, ее перспективы до сих пор не ясны.
Поскольку метилхлорсилан — особо опасное химическое вещество в жидкой форме, для его транспортировки следует принимать специальные меры безопасности. В результате российским предприятиям проще ввозить сразу готовый HCR-силикон. Поэтому собственного производства этого вещества в нашей стране сейчас также практически нет.
При равных электрических параметрах провода и кабели в силиконовой изоляции дороже проводов и кабелей в изоляции из ПВХ в 4-7 раз.
Все перечисленные факторы делают силикон весьма дорогостоящим материалом, особенно в нашей стране. Причем цены на него нестабильны, зависят как от конъюнктуры на мировых рынках, так и от курса национальной валюты. Данное обстоятельство затрудняет планирование прибыльности бизнеса в долгосрочной перспективе.
Преимущества силикона в кабельной промышленности
Главное преимущество силиконовой изоляции — в ее высокой температурной стойкости. Провода и кабели, покрытые силиконом, можно без существенных последствий для их целостности нагревать примерно до +200 °С (конкретное предельное значение зависит от типа кабеля). Именно поэтому провода и кабели с изоляцией, а также внешней оболочкой из силикона применяют в условиях высоких температур, невзирая на значительную цену. Для особо ответственных применений поверх изоляции провода наносят оплетку из огнестойкой ткани.
Температура возгорания силикона превышает +600 °С против +325 °С у резины и 500 °С у ПВХ. Под действием открытого огня силикон сгорает, но при этом на проводе образуется корка из оксида кремния, которая затрудняет дальнейшее распространение огня. Эта корка обладает отличными диэлектрическими свойствами, что предотвращает возникновение короткого замыкания.
Впрочем, даже если к кабелю не предъявляются требования по огнестойкости, применение силикона значительно повышает надежность его работы. Если произошла авария, вызвавшая перегрузки, изоляция из других полимерных материалов из-за нагрева будет деградировать, в итоге сокращается ресурс использования кабеля. Например, необратимая деградация ПВХ возникает уже при +80 °С. Силикон в этом случае не меняет свои механические и электрические свойства.
По электрической прочности силикон не имеет существенных преимуществ по сравнению с другими распространенными материалами для изоляции. Сорта силикона, применяемые в изоляции, имеют электрическую прочность 22 кВ/мм, резины — 24 кВ/мм, а ПВХ — от 20 до 30 кВ/мм.
При изготовлении изоляции проводов из ПВХ приходится искать разумный компромисс между гибкостью и значением сопротивления изоляции. ПВХ — изначально твердый материал, гибкость ему придает пластификатор. Но чем больше пластификатора, тем ниже удельное сопротивление. Поэтому там, где нужна гибкость в сочетании с высоким сопротивлением, используется изоляция из резины или силикона.
Недостатком обычной резины является ее недолговечность. Срок службы такого кабеля, работающего под открытым небом, — не более 6 лет. Ускоряет старение резины ультрафиолетовое излучение, содержащееся в солнечном свете. Силиконовая изоляция прослужит 15-25 лет. Кстати, для применения на улице немаловажно, что силикон выдерживает морозы до -30 °C (а специальные морозостойкие сорта — до -60 °C).
Для большинства агрессивных химических соединений силиконовая оболочка кабеля демонстрирует лучшую устойчивость к воздействию по сравнению с резиной и ПВХ. Поэтому кабели с такой оболочкой предпочтительны для использования на химических предприятиях, а также на объектах, где применяется антибактериальная обработка.
Есть ли недостатки?
С точки зрения физических свойств у силиконовой изоляции только один существенный недостаток — относительно низкая стойкость к разрезанию. По данному параметру силикон значительно уступает ПВХ. Это обстоятельство требует определенной культуры монтажа кабеля. Рядом с ним не должно быть никаких элементов электрооборудования с острыми краями. На самом деле это требование распространяется и на кабели из других материалов, но, как бывает нередко, им пренебрегают. С ПВХ может «прокатить», а вот силиконовая изоляция будет нарушена. Прочность изоляции может быть увеличена с помощью оплетки из прочной ткани, но это дополнительно повышает и так немалую стоимость. Вообще, отличие механических свойств силикона от ПВХ потребует от монтажников получения нового опыта работы с кабелем, что также является проблемой.
Экономика пока ограничивает ассортимент кабельной продукции с применением силикона. Так, рабочее напряжение кабелей с силиконовой изоляцией не превышает 20 кВ просто потому, что делать кабели для магистральных линий невыгодно. Отдельные провода выпускаются на напряжение до 25 кВ. В основном речь идет о кабелях на напряжение до 600 В, т. к. они наиболее востребованы в промышленности. У силовых кабелей с силиконовой изоляцией диаметр жил обычно лежит в пределах от 0,75 до 2,5 мм, опять-таки, наиболее распространенные значения.
Не выпускаются пока и такие кабели с алюминиевыми жилами. Логика простая — силикон используется для большей гибкости, поэтому его есть смысл использовать только с медью. По той же причине делают провода и кабели в силиконе только с многопроволочными жилами, что требует их оконцовки.
Выводы
В настоящее время провода и кабели с силиконовой изоляцией уже широко применяются там, где им альтернативы нет, — на промышленных предприятиях, в саунах и бойлерных. Все большее распространение такие провода находят в автомобилях — там оказываются важными их устойчивость к перепадам температуры, воздействию бензина и масла.
Но дальнейшее расширение использования силикона в кабелях будет зависеть от внедрения новых, более экологичных способов производства метилхлорсилана. Если такие производства не будут требовать больших вложений для соблюдения экологических норм, можно расширить производство. Тогда цены на метилхлорсилан упадут и станут более предсказуемыми, что, в свою очередь, сделает более выгодным делом применение силикона. В нашей стране цены на силикон во многом будут зависеть и от того, удастся ли наладить выпуск сырья для его производства.
Снижение цен на силикон сделает выгодным применение проводов и кабелей с соответствующей изоляцией там, где могут возникать значительные перегрузки по току, а также большие перепады температур, например, в системах альтернативной генерации. Небольшое увеличение стоимости кабеля (на 15-25 %, а не в разы, как сейчас) будет полностью окупаться большей долговечностью. Но, к сожалению, пока цены на силикон в мире только растут — до 30 % за прошлый год. Поэтому пока его применение в обычной проводке откладывается на неопределенный срок.
