任少緯、黃冠燁 / 工研院材化所
高頻傳輸複合電纜隨5G高頻應用佈線密度大增，其被覆材料需求高拉力、高絕緣性、高耐候性及良好的柔韌性，因此耐候型交聯聚烯烴材料即成為開發重點。本文針對工研院材料與化工研究所開發之聚烯烴交聯改質系統進行介紹，以連續式接枝改質製程技術，透過螺桿組態設計與起始劑反應速率調控，進行聚烯改質材料交聯度調控及其物性精進，同時建立聚烯交聯度Gel Content分析方法，推進國內交聯聚烯烴電纜相關產品技術應用，以提升國內聚烯烴相關業者之技術競爭力，有助於聚烯烴產品往高值化應用發展。
【內文精選】
聚烯烴彈性體
聚烯烴材料是指由一種或幾種烯烴聚合或共聚製得的聚合物，是一類產量最大、應用最多的高分子材料，其中以PP、PE最為重要。由於原料豐富、價格低廉、綜合性能優良等特點，在現實生活中應用最為廣泛，其在汽車上應用也越來越重要，並有逐步擴大之趨勢。在2011年Polyolefin之全球年產量約1.47億噸，到2018年時已成長到1.7億噸/年。
聚烯烴彈性體(POE)是以Metallocene催化乙烯或丙烯與線性α-烯烴共聚製得，特點為具有窄的相對分子量分布和均勻的短支鏈分布，通常為乙烯–辛烯共聚物、乙烯–丁烯共聚物、乙烯–己烯共聚物等。其分子結構為均一的直鏈型，與EPDM非常類似，但其性能比EPDM更加優越。聚烯烴彈性體因短支鏈提供的柔韌性，使其易加工且於配方應用具有良好的分散性，於電線電纜、食品包材有廣泛的應用。
聚烯烴交聯反應
聚烯烴材料透過交聯反應建立網狀結構，提升聚烯烴材料耐熱、耐候性。然而，交聯反應使材料趨於熱固性，故如何同時兼顧材料之可加工性，即成為最受關注的開發重點。交聯聚烯烴製造手法主要分為輻射交聯、過氧化物交聯、紫外光交聯及矽烷交聯等四種。
4. 矽烷交聯法
矽烷交聯(Silane Crosslinking) 則藉由過氧化物在聚烯烴上引發自由基，將乙烯基三烷氧基矽烷以自由基加成反應接枝於聚烯烴上；而後於含水的環境，烷氧基水解形成矽醇；最終，在催化劑的幫助下，矽醇經過脫水反應並交聯形成Si-OSi，即交聯聚烯烴。在製程上無需昂貴設備投入，且矽烷接枝反應較過氧化物交聯容易控制，僅須在最後加工成型48小時後以熱水提高交聯程度。此方法因成本效益高、操作容易，廣泛應用於電線電纜、管材成型製程。矽烷交聯法又可分為一步法及兩步法。一步法起源於Monosil技術，將原料一次性進入專門設計的反應擠出機中，一步完成接枝和成型的工藝；然而此法需通過特製的精密計量系統，設備門檻較高。兩步法來源於道康寧公司的Sioplas技術，如圖二所示，步驟一是矽烷接枝聚烯烴粒料和催化母料的混煉擠出製備，步驟二是接枝聚烯烴粒料和催化聚烯烴母料一起擠出成型，製品在熱水或低壓蒸汽下進行交聯。
圖二、二步法Sioplas矽烷交聯製程示意圖
耐候複合電纜應用聚烯烴材料
1. 聚烯烴矽烷交聯改質系統
傳統製程中，交聯聚烯材料採用聚烯自由基反應製程，易發生交聯密度操控不易或裂解情形，導致材料產生高收縮、尺寸安定性不佳等問題。工研院材料與化工研究所開發聚烯交聯改質系統(圖三)，針對相關改質反應影響因素進行調控。主要透過連續式反應押出系統，導入特殊反應型多官能基交聯分子結構，並藉由螺桿組態模擬與設計，優化快速熔融反應改質製程，促進接枝效率，抑制裂解反應。同時輔以官能化交聯結構設計，探討不同官能結構對於接枝率、交聯度與交聯效率之影響。經由此技術改善傳統聚烯本質性能，提升於其他功能性材料之界面特性，賦予聚烯易加工性、界面相容性，並於電纜押出製程後進行濕氣交聯反應，藉以達到高拉力、耐熱、耐候及耐化等特性。
圖三、工研院材化所開發之聚烯烴矽烷交聯改質系統
2. 交聯催化配方相容技術
聚烯烴交聯配方通常包含以下組成：基礎樹脂、引發劑、抗氧化劑、交聯催化劑。其中對於交聯反應速率的影響，以交聯催化劑最為顯著。傳統濕氣交聯製程使用之催化劑以有機錫觸媒(如：DBTDL)最為常見，其優勢在於與疏水性高分子具有良好的相容性，可幫助分散效果；並且其極性基團可降低水解與縮合反應之活化能，幫助反應速率---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》429期，更多資料請見下方附檔。