BE1026867A1 - Matériau multicouche de protection de câble pour hautes températures - Google Patents

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BE1026867A1 BE20185891A BE201805891A BE1026867A1 BE 1026867 A1 BE1026867 A1 BE 1026867A1 BE 20185891 A BE20185891 A BE 20185891A BE 201805891 A BE201805891 A BE 201805891A BE 1026867 A1 BE1026867 A1 BE 1026867A1
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Abstract

La présente demande concerne le domaine des câbles électriques résistant au feu et en particulier un matériau isolant multicouche comprenant au moins une couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à une couche de renfort mécanique. De préférence, le matériau ne comprend pas de couche de mica. Un procédé de fabrication de ce matériau est également concerné ainsi qu’un câble électrique comprenant un fil conducteur métallique enveloppé dans le matériau multicouche de l’invention.

Description

Matériau multicouche de protection de câble pour hautes températures
La présente demande concerne le domaine des câbles électriques résistant au feu.
Les normes de construction, dans le bâtiment, les installations pétrolières ou l’aéronautique imposent que les câbles électriques puissent résister pendant un certain temps, à un incendie. Pour la construction d’immeuble, la norme est généralement fixée à une résistance de 1000 V pendant trois heures dans la flamme à 950 °C.
Cette norme a été fixée en prenant en compte le matériau le plus résistant connu à ce jour, c’est-à-dire le mica. En effet, des rubans de mica sont fabriqués à partir d’une couche de papier-mica appliquée sur une couche de fibre de verre, par exemple une soie de verre, à laquelle elle est solidarisée à l’aide d’une colle, par exemple une colle silicone. Un tel ruban est ensuite généralement appliqué, en spirale, autour d’un câble conducteur, par exemple en cuivre.
Ces rubans de mica posent cependant un certain nombre de problèmes. Tout d’abord, ils ne sont pas suffisamment résistants à la chaleur des flammes par fuel, qui peuvent atteindre à 1100 °C, par exemple pour des applications pétrolières ou aéronautiques. Au-delà de 950°C, le mica fond et perd sa structure et ses propriétés d’isolant électrique. Des gaines très épaisses incorporant des couches d’air sont proposées pour pallier ce problème, mais elles ont des structures complexes et couteuses à mettre en œuvre.
Ensuite, le processus de fabrication du ruban à base de mica est délicat. En effet, il se fait par un renforcement du papier de mica avec une colle et l’ajout d’un support de type soie de verre ou de
PET. Trop peu de colle conduit à une mauvaise adhérence du mica et à la formation de poussière, de paillettes et de fils de verre alors que trop de colle conduit à un ruban collant qui ne peut plus être déroulé et utilisé car les couches collent ensemble. Ces ennuis sont fréquents et perturbent la fabrication du câble.
De plus, le mica adhère fortement au conducteur électrique, en particulier au cuivre et, lors du placement du câble par
BE2018/5891 l’électricien, il doit s’assurer que tout le mica a bien retiré, et éventuellement gratter la partie dénudée du conducteur, afin d’assurer la connexion électrique. C’est une vraie problématique pour les fabricants de câbles.
Des rubans incorporant une couche polymérique, comprenant du carbonate de calcium, combinée à une couche de mica sont décrits dans WO2012/062363, dans lesquels la couche polymérique a pour fonction de remplacer le support mécanique tel que la soie de verre ou la fibre de verre, et non à apporter une isolation électrique. Néanmoins, ces rubans ne sont pas assez résistants mécaniquement pour procéder à leur application sur les conducteurs en cuivre. En particulier, la couche polymérique est trop élastique et n’est pas suffisamment résistante à l’élongation. Lors de l’application sur le câble, le ruban devant être maintenu à une certaine tension se déchire.
La demanderesse a donc jugé nécessaire de proposer un ruban d’isolation de câbles électriques résistant à de très hautes températures, simple et peu couteux à produire.
Solution de l’invention
La présente invention propose, afin de pallier à l’ensemble des problèmes sus développés, un matériau isolant multicouche comprenant :
- au moins une couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à
- une couche de renfort mécanique.
De préférence, le matériau ne comprend pas de couche de mica.
Le matériau de l’invention est avantageusement utilisé pour fabriquer un ruban. Le ruban peut être utilisé pour recouvrir des câbles conducteurs métalliques afin de maintenir l’isolation électrique à de très hautes températures causées, par exemple, par des flammes.
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Le terme ruban est relatif à une découpe particulière du matériau multicouche de l’invention en un film de grande longueur et de faible largeur, comme les rubans couramment utilisés pour recouvrir des câbles. Ces rubans sont généralement présentés sous forme de galettes ou de navettes.
Bien que le mica soit le standard de l’isolation électrique des câbles résistants au feu depuis des décennies, à tel point que la norme de résistance (3h, 1000V, 950°C) a été édictée en fonction des propriétés de ce matériau, la demanderesse a osé s’en affranchir pour proposer un produit encore plus performant.
En effet, la demanderesse a observé, avec surprise, que le carbonate de calcium présente une rigidité diélectrique excellente à 950 °C et un pouvoir isolant plus de deux fois supérieur à celui du mica pur, à épaisseur équivalente...
Dans les faits, le carbonate de calcium se décompose aux alentours de 900°C, ce qui pourrait altérer les propriétés isolantes de la couche formée de carbonate de calcium, d’autant que le produit de décomposition, l’oxyde de calcium, occupe un volume inférieur. Cependant, la demanderesse a remarqué que l’oxyde de calcium (CaO), ou chaux vive, ainsi formé, prend en quelque sorte, le relais du carbonate de calcium lorsque de très hautes températures sont atteintes pour assurer l’isolation électrique et la protection contre les flammes. De même, bien qu’une perte de volume s’opère lors de la décomposition du carbonate de calcium en oxyde de calcium, due à la libération de dioxyde de carbone, la structure de la couche est maintenue.
De son côté, le carbonate de magnésium se décompose vers 350 °C pour former de l’oxyde de magnésium (MgO), qui est un matériau solide réfractaire résistant à des températures supérieures à 2800 °C. L’oxyde de magnésium formé peut de même prendre le relais du carbonate de magnésium lorsque de très hautes températures sont
BE2018/5891 atteintes pour assurer l’isolation thermique et la protection contre les flammes.
Le carbonate de calcium peut être utilisé, ou le carbonate de magnésium ou un mélange des deux. On parlera ci-dessous de carbonate minéral pour désigner ces trois possibilités.
La couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium présente l’avantage supplémentaire de ne pas coller au matériau des câbles comme le cuivre. Ainsi, lors de la réalisation des connexions électriques par un électricien, ce dernier n’a pas besoin de gratter les parties dénudées à connecter. L’électricien n’est pas non plus en contact avec des poussières de mica.
Le ruban obtenu possède une légère élasticité combinée à une résistance mécanique et se prête ainsi particulièrement bien à la fabrication de câbles torsadés/twistés, et peut être appliqué directement au cours de l’étape de torsadage/twistage, mais également dans les procédés traditionnels d’enrubannage avec des machines verticales ou horizontales.
La couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, ou couche polymérique de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium, s’entend comme une couche de carbonate de calcium et/ou de magnésium, concassé à une granulométrie de préférence entre 3 et 5 μm, maintenue en forme à l’aide d’un polymère ou résine organique, comme par exemple du papier de pierre ou papier-pierre (couramment appelé stonepaper), qui est un type de film commercial composé de 80 % de carbonate de calcium concassé (pierre) et 20 % de résine plastique, en particulier du PHED (polyéthylène haute densité). D’autres ratios carbonate de calcium/résine peuvent être envisagés, le carbonate minéral restant toujours le composant majoritaire et représentant de préférence plus de 75% en masse de la couche, de même que d’autres résines, comme par exemple du polypropylène ou d’autres résines permettant l’incorporation de charge minérale importante
BE2018/5891 tout en pouvant encore être extrudés. Le papier-pierre n’est à ce jour pas connu pour des applications de résistance thermique ou au feu, mais est couramment utilisé comme couche d’étanchéité sur des étiquettes, des documents en papier, etc...
Le papier-pierre commercialement disponible a typiquement une épaisseur de 40 à 200 μm et une constante diélectrique de 40 KV/mm à 25°C.
La couche de renfort mécanique est une couche permettant de limiter l’élongation du matériau dans une quelconque direction du plan du matériau, en particulier aux températures de manipulation du matériau, pour assurer une fabrication et une pose faciles du ruban. Cette couche peut par exemple être en fibres de verre, comme une soie de verre ou un mat de verre, ou dans un matériau non-tissé fabriqué avec une fibre compatible avec la couche de carbonate de calcium/polymère, de préférence une fibre synthétique.
La couche polymérique ayant une tenue thermique limitée, il est important que la couche de renfort mécanique et la colle aient ensemble une meilleure tenue thermique.
Par « solidarisée à », il faut comprendre que les deux couches sont appliquées en contact direct. La couche polymérique de carbonate minéral peut être solidarisée à la couche de renfort mécanique à l’aide d’une colle, par exemple de type époxyde ou silicone, la colle ne constituant ici pas une couche. La colle et le support garantissent la stabilité dimensionnelle du carbonate minéral lors de la montée en température qui conduit, au-delà d’une certaine valeur (450°C), à une destruction de la matrice organique du polymérique de carbonate.
Le matériau de l’invention peut avantageusement comprendre une seconde couche polymérique de carbonate minéral, identique à ou différente de la première, solidarisée à l’autre face de la couche de renfort mécanique. Cela présente l’avantage d’éviter que la face de la couche de renfort mécanique non recouverte soit collante. Cela permet également d’augmenter la capacité d’isolation électrique et thermique du matériau.
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L’invention concerne également un procédé de fabrication du matériau multicouche de l’invention, selon lequel :
- on encolle au moins une face de la couche de renfort mécanique et
- on lamine un film polymérique de carbonate de calcium sur la face encollée de la couche de renfort mécanique.
Selon le type de colle utilisé, et en particulier si on utilise une colle silicone ou époxyde, il peut être nécessaire de soumettre la couche de renfort mécanique encollée à la chaleur avant la lamination.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description suivante de plusieurs mises en œuvre de l’invention, en référence au dessin en annexe, sur lequel :
- la figure 1 est une vue en coupe d’un matériau selon l’invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe d’un autre matériau selon l’invention ;
- la figure 3 illustre le procédé de fabrication d’un matériau selon l’invention et
- la figure 4 illustre une variante du procédé de la figure 3.
En référence à la figure 1, un matériau multicouche 1 comprend une couche 2 constituée de carbonate de calcium dans un polymère, ici par exemple du papier-pierre, solidarisée à une couche 3 de renfort mécanique, ici par exemple une soie de verre ou tissu en fibre de verre (mat de verre). De la colle silicone (non représentée) permet ici de solidariser les deux couches. La colle silicone ne constitue pas une couche distincte et est naturellement absorbée entre les fibres de verre qui forment de multiples interstices.
En référence à la figure 2, un autre matériau multicouche 21 selon l’invention comprend deux couches 22 et 24, constituées de carbonate de calcium dans un polymère, ici par exemple du papierpierre, solidarisées chacune à une face d’une couche 23 de renfort
BE2018/5891 mécanique, ici par exemple une soie de verre ou tissu en fibre de verre. De la colle silicone (non représentée) permet ici de solidariser les deux couches carbonates à la couche de renfort mécanique.
Les matériaux 1 et 21 ne comprennent donc pas de couche de mica, l’idée étant de s’affranchir totalement du mica pour en éviter les inconvénients de manipulation tout en en améliorant les performances électriques du ruban à très haute température.
Les matériaux multicouches selon l’invention ont de préférence une épaisseur inférieure à 180 μm, et de préférence inférieure à 150 μm lorsqu’il n’y a qu’une couche polymère de carbonate de calcium et/ou magnésium.
Pour certaines applications spécifiques, il est toutefois envisageable que le matériau comprenne plus de couches et ait une épaisseur supérieure à 180 μm.
La couche de renfort mécanique a de préférence une épaisseur inférieure à 50 μm, et de préférence encore inférieure à 40 μm. Selon le matériau utilisé, fibres de verres, matériau non-tissé à fibres polymériques, ..., le grammage peut varier.
Une couche polymère de carbonate de calcium et/ou minéral a une épaisseur de préférence supérieure à 40 μm (soit 40 g/m2) et inférieure à 160 μm.
Il n’est pas exclu que la couche polymérique comprenant du carbonate de calcium comprennent d’autres éléments, en quantité plus restreinte et de préférence moins de 10% en poids, conférant au produit des caractéristiques supplémentaires. Par exemple, des substances colorantes pour pouvoir différencier les câbles, ou voire même du mica ou d’autres substances minérales.
En ce qui concerne la couche de renfort mécanique, il est intéressant qu’elle soit constituée de matériaux qui, durant une dégradation à haute température, ne génère pas de substances chimiquement réactives avec les produits de dégradation de la matrice polymère de la couche de carbonate de calcium.
BE2018/5891 Avantageusement, la résine ou polymère utilisé dans la couche polymérique de carbonate de calcium pourrait être de la même nature que le polymère utilisé pour les fibres constituant la couche de renfort mécanique.
Un procédé de fabrication des matériaux de l’invention va maintenant être décrit, en référence à la figure 3 pour un matériau comprenant une seule couche polymère de carbonate minéral et en référence à la figure 4 pour un matériau comprenant deux couches de carbonate minéral.
En référence à la figure 3, les matières premières nécessaires à la fabrication du matériau multicouche 31 sont une couche de renfort mécanique 33, ici conditionnée sous forme d’un rouleau, un film polymérique de carbonate de calcium 32, conditionné ici aussi sous forme d’un rouleau et de la colle 34, par exemple de la colle silicone, relativement liquide.
Dans une première étape A, on encolle une face de la couche de renfort mécanique 33 avec la colle silicone 34, en continu, au fur et à mesure que la couche de renfort 33 se déroule. Ici par exemple, un rouleau d’enduction 35, baignant dans un bac de colle 34 permet de transférer la colle sur la face inférieure de la couche de renfort 33. Le système représenté ici est basique avec un rouleau, mais il est envisageable d’utiliser tout autre système adéquat, permettant notamment de maitriser parfaitement la quantité de colle appliquée. Par exemple, un système à plusieurs rouleaux peut être utilisé, avec ou sans lame ou un dispositif de spray ou projection.
Dans l’étape suivante B, la couche de renfort mécanique encollée avec une résine silicone est ici soumise à la chaleur dans un four pouvant atteindre 200 °C pour catalyser la réaction de silicone et permettre d’obtenir un matériau collant (tack). La couche encollée traverse le four de façon à être soumise à la chaleur pendant moins d’une minute. Le temps de résidence de la couche dans le four et la température de celui-ci peuvent varier selon la nature des
BE2018/5891 matériaux de la couche de renfort, de la colle et du taux de catalyse. Par exemple pour une soie de verre encollée avec une colle silicone, un bon résultat est obtenu en maintenant la couche encollée à 160 °C pendant 30 secondes.
A la sortie du four, la température de la couche encollée est ramenée à environ 15-20°C.
D’autres types de colle peuvent être appliquées, qui n’ont pas besoin de traitement thermique pour développer des propriétés collantes. Pour certaines colles, aucun traitement n’est nécessaire, pour d’autres il pourrait y avoir besoin d’un traitement aux UV par exemple.
Dans l’étape C, on lamine un film polymérique de carbonate de calcium 32, de préférence sur la face encollée de la couche de renfort mécanique pour que l’adhésion soit optimale.
Le film polymérique de carbonate de calcium 32 est déroulé progressivement à la même vitesse que la couche de renfort mécanique encollée, afin de s’y superposer sans former de plis.
Le film polymérique de carbonate de calcium 32 ne pouvant pas supporter la chaleur du four, il est important d’avoir refroidi la couche de renfort mécanique encollée avant de l’y appliquer.
Après lamination, dans une étape D, le matériau bi-couche obtenu peut être enroulé pour former un rouleau 31.
Le rouleau obtenu peut être lui-même découpé en tronçons, de façon à obtenir des rubans enroulés, à la façon de rubans d’adhésif par exemple.
La couche de renfort mécanique étant généralement poreuse, il peut en résulter que la face non couverte par la couche polymérique de carbonate de calcium soit également collante, et ce faisant pose des problèmes pour être déroulée, par exemple lorsqu’elle est conditionnée sous forme de ruban.
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Ce problème peut néanmoins être contourné ou mis à profit en laminant une deuxième couche polymérique de carbonate de calcium sur la deuxième surface de la couche de renfort.
La deuxième couche 36 peut être identique ou différente en composition et/ou en épaisseur par rapport à la première couche polymérique de carbonate de calcium. Elle peut, comme illustré sur la figure 4, être appliquée simultanément à la première couche sur la chaine de production du matériau multicouche, ou être appliquée en amont ou en aval de la chaine.
Le matériau multicouche formé peut faire jusqu’à 1200 mètres de long et être enroulé autour d’un axe.
Le rouleau peut ensuite être découpé en fines galettes, d’épaisseur déterminée convenant à l’utilisation désirée. Par exemple, pour application sur des câbles, des rouleaux de ruban de largeur allant de quelques millimètres à quelques centimètres sont généralement préparés.
Le ruban en matériau multicouche peut être utilisé comme un ruban classique à base de mica pour recouvrir des câbles conducteurs métalliques. On peut envisager de recouvrir un seul câble et que le ruban soit directement en contact avec le métal. Typiquement, le ruban est enroulé en hélice autour du câble de façon à le recouvrir entièrement.
Alternativement, on peut envisager de recouvrir plusieurs câbles en même temps, dans une opération dite de twistage. Ces opérations sont bien connues de l’homme du métier.
Le ruban de l’invention étant particulièrement résistant, et présentant une légère élasticité, son utilisation est plus aisée que celles des rubans de mica classiques.
Le matériau de l’invention a été décrit comme « comprenant » une couche polymérique (2 ; 22 ; 32) comprenant du carbonate de calcium, solidarisée à une couche de renfort mécanique (3 ; 23 ;
33), mais il peut également être constitué de ces deux couches.
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De même, le matériau 41 comprenant une seconde couche polymérique comprenant du carbonate de calcium solidarisée à l’autre face de la couche de renfort mécanique peut être constitué de deux couches polymériques solidarisées chacune à une face d’une couche de renfort mécanique.
Le carbonate de calcium décrit dans les exemples ci-dessus peut être remplacé par ou combiné à du carbonate de magnésium.
La demanderesse ne souhaite cependant pas limiter sa demande à deux couches ou trois couches ; il peut en effet s’avérer intéressant de superposer plusieurs couches polymériques de carbonate de calcium, d’ajouter une couche protectrice sur la face de la couche de renfort mécanique non couverte pour pouvoir l’enrouler sans avoir de problème lors du déroulage, de déposer un film supplémentaire sur le produit fini pour lui conférer un motif, une couleur ou autre, ou encore d’ajouter une ou plusieurs autres couches de renfort mécanique, par exemple pour des applications autres que pour des câbles, comme par exemple pour un revêtement aéronautique ou des matériaux plus épais qui pourraient être désirés et fabriqués à partir d’une superposition de couches de renfort mécanique et de couches polymériques comprenant du carbonate de calcium.

Claims (15)

  1. Revendications
    1. Matériau isolant (1 ; 21 ; 31 ; 41) multicouche comprenant :
    - au moins une couche polymérique (2 ; 22 ; 32) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à
    - une couche de renfort mécanique (3 ; 23 ; 33).
  2. 2. Matériau multicouche selon la revendication 1, dans lequel la couche polymérique (2 ; 22) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium est un film de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium en poudre dans une matrice en polymère ou en résine.
  3. 3. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la couche polymérique (2 ; 22) comprenant du carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium comprend plus de 50% en poids de carbonate concassé.
  4. 4. Matériau multicouche selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de renfort mécanique (3 ; 23 ; 33) est une couche fibreuse permettant de limiter l’élongation du matériau dans une quelconque direction du plan du matériau.
  5. 5. Matériau multicouche selon la revendication 1 à 4 dans lequel la couche fibreuse est constituée de fibres de verre ou de fibres textiles non-tissées.
  6. 6. Matériau selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche polymérique de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium est solidarisée à la couche de renfort mécanique à l’aide d’une colle (34).
  7. 7. Matériau selon la revendication 6, dans lequel la colle (34) est à base de silicone.
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  8. 8. Matériau selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant une seconde couche polymérique (24) comprenant du de carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium solidarisée à l’autre face de la couche de renfort mécanique (23).
  9. 9. Matériau selon l’une des revendications 1 à 8 ne comprenant pas de couche de mica.
  10. 10. Procédé de fabrication du matériau multicouche (31 ; 41) selon l’une des revendications 1 à 8, selon lequel :
    - on encolle (A) au moins une face de la couche de renfort mécanique (33) et
    - on lamine (C) un film polymérique (32) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium sur la face encollée de la couche de renfort mécanique.
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, selon lequel on soumet (B) la couche de renfort mécanique (33) encollée à la chaleur avant la lamination.
  12. 12. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, selon lequel on enroule (D) le matériau multicouche (31 ; 41) autour d’un cylindre pour former un rouleau.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, selon lequel on découpe le rouleau pour former des rubans.
  14. 14. Câble électrique comprenant un fil conducteur métallique enveloppé dans un matériau multicouche (1 ; 21) comprenant :
    - une couche polymérique isolante (2 ; 22) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à
    - une couche de renfort mécanique (3 ; 23), ledit matériau ne comprenant pas de couche de mica.
  15. 15. Câble électrique selon la revendication 14, dans lequel la couche isolante comprenant du carbonate de calcium et/ou du 14 BE2018/5891 carbonate de magnésium comprend plus de 50% en poids de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium.
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