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La présente invention est relative à la fabrication d'un produit non métallique électroconducteur qui cons- titue une liaison résistante avec du polyéthylène normale- ment solide. On a rencontré des difficultés pour fabri- quer un produit de ce genre qui conserve son adhérence pendant les variations de températures se produisant au cours de la mise en service d'un câble, et qui ait une résistance mécanique raisonnablement élevée lors d'un allongement maximum tout en étant facile à traiter.
Dans la demande de brevet français déposée ce même jour par la demanderesse pour Perfectionnements à des
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produits électroconducteurs non métalliques"' on a décrit un produit qui satisfait à toutes les exigences, produit qui comprend un mélange traité de 35-77% de polyéthylène normalement solide, de 5-45% de polyisobutylène et de 10-23% d'un noir de carbone conducteur.
Dans la demande de brevet précitée, la demanderesse a mentionné que lorsqu'on traite ce produit par moulage ou par compres- sion pour le transformer en feuilles, il possède le pouvoir électroconducteur nécessaire et qu'il possède également ce pouvoir quand on le traite par extrudage, à condition d'exécuter celui-ci à faible vitesse et à. température élevée dans une machine ayant un rapport de compression élevé. Toutefois, la demanderesse a constaté que si on transforme le produit en feuilles sur des cy- lindres ou que si on l'extrude d'une manière autre que celle qui est décrite ci-dessus, la conductivité élec- trique peut être très faible.
Par exemple, on a noté des résistivités comprises entre quelques centaines d'ohms/cm et 1012 ohms/cm avec la même composition mais dans des conditions d'extrudage différentes.
La demanderesse a cependant constaté qu'en chauffant la composition précitée à une température de 180 C ou plus, après son extrudage ou sa transformation en feuilles sur des cylindres ou après l'avoir soumise à un autre traitement, qui a pour effet de lui donner une résistivité électrique élevée, on obtient une diminution remarquable de cette dernière propriété qui est, dans certains cas, d'environ 100 millions de fois moins grande. La diminu- tion de résistivité ainsi obtenue n'est pas annihilée par une courbure très importante du produit à la tempé- rature ambiante, ni par un chauffage à 110 C avec ou sans
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courbure simultanée et elle semble être permanente en l'absence d'un traitement ultérieur sur des cylindres ou d'un traitement ultérieur d'extrudage.
La demanderesse préfère exécuter le traitement thermique à des températures comprises entre 180 et 220 C, mais cette dernière température peut quelquefois être dépassée quand on utilise certains des polyéthylènes à densité élevée comme ingrédients.
La durée du traitement thermique dépend naturellement du temps demandé pour chauffer le produit jusqu'à une température comprise dans la gamme mentionnée et pour que le produit revienne à la température ambiante, mais le temps pendant lequel il faut le maintenir à une tempé- rature de 180 C ou au-dessus est extrêmement court. La durée du traitement thermique dépend du procédé.de chauf- fage et, dans certains cas, de la masse de la matière soumise au traitement. Lorsque la composition à traiter est sous forme d'une pellicule ou d'une couche mince, un traitement thermique de quelques secondes suffit.
On peut chauffer la composition jusqu'à la tempéra- exigée ture/de 180 C ou plus de diverses façons, certaines convenant mieux à des compositions sous une forme et les autres à des compositions sous d'autres formes. Lorsque la composition est sous forme d'une pellicule ou d'une feuille mince ou sous forme d'une couche mince, on peut la chauffer par rayonnement ou, dans un ou plusieurs cas, par mise en contact de ses deux faces avec un élément métallique chauffé, par exemple avec des plateaux métal- liques chauffés, ou bien en les faisant passer sur un ou plusieurs cylindres chauffés ou bien, encore, dans le cas où la composition est sous la forme d'une couche
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appliquée sur un noyau métallique, par exemple sur un con- ducteur électrique, on peut la chauffer en chauffant le conducteur localement par chauffage par induction ou,
lorsque le noyau est une tigé ou un conducteur de faible longueur, en le chauffant sur sa longueur entière par chauf- fage par résistance. Lorsqu'il faut traiter conformément à l'invention des couches ou des masses relativement épaisses de la composition, on peut utiliser le chauffage diélectrique ou une combinaison de chauffage diélectrique avec un certain autre mode de chauffage. Lorsqu'on fait appel à un chauffage diélectrique, il peut être accompagné, précédé ou suivi d'un chauffage par conduction, d'un chauf- fage par résistance de la matière elle-même ou d'un chauf- fage par induction de celle-ci.
La présente invention est particulièrement appli- 'câble à la fabrication de câbles électriques haute ten- sion isolés avec du polyéthylène. On a constaté qu'il sergit avantageux, dans de tels câbles, de placer une couche de matière conductrice non métallique entre le conducteur et la couche de diélectrique, pour éliminer sensiblement les décharges électriques dues à l'ionisation gazeuse, mais on a éprouvé des difficultés pour produire une matière de ce genre' qui s'unisse parfaitement au diélectrique et @ continue à adhérer pendant les variations de température rencontrées au cours de la mise en service du câble, qui ait une résistance à la traction suffisante lors d'un allongement maximum et qui puisse être traitée facilement.
La demanderesse a constaté que la composition précitée, quand elle est traitée thermiquement conformément à la présente invention, possède toutes les caractéristiques qu'on demande à une matière appliquée à un conducteur élec-
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trique pour constituer un écran entre le conducteur et le diélectrique constitué par le polyéthylène, savoir une résistance à la traction élevée et un taux élevé d'allonge- ment avant rupture, un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui du polyéthylène, une bonne'adhérence au polyéthylène, une grande aptitude au traitement et une conductivité électrique appropriée.
En conséquence, la présente invention se rapporte également à un conducteur électrique isolé avec du polyé- thylène dans lequel, entre le conducteur et le diélectrique, .est placée une couche du produit non métallique et conduc- teur précité comprenant un mélange de 35-77% de polyéthy- lène normalement solide, de 5-45% de polyisobutyléne et de 10-23% d'un noir de carbone conducteur, qui a été traité thermiquement à une température de 180 C ou plus et de préférence, à une température comprise entre 180 et 200 C.
Le diélectrique à base de polyéthylène peut contenir une synthétique faible quantité d'une matière thermoplastique/compatible, par exemple de polyisobutylène, qui améliore son aptitude au traitement et ses propriétés physiques sans modifier sensiblement ses propriétés électriques.
En ce qui concerne les conducteurs de grand dia- mètre, la demanderesse peut constituer la couche condue- . trice qui les recouvre en enroulant sur le conducteur une ou plusieurs bandes de ladite composition qui ont été traitées thermiquement avant ou après leur application au conducteur. Dans d'autres cas, la demanderesse préfère extruder la composition sur le conducteur et traiter ther- miquement la couche extrudée in situ sur le conducteur.
Lorsque le traitement thermique de la couche enroulée ou extrudée est effectué, la demanderesse préfère chauffer
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la couche à 'la température requise en faisant passer le conducteur recouvert par une bobine d'induction recevant du courant haute fréquence. De cette manière, le chauffage du conducteur et de la couche de la composition polyéthylène- polyisobutylène contenant du carbone est local et rapide.
La composition devient très molle, mais elle ne fond pas..
Ce ramollissement ne soulève pas de difficulté, étant donné qu'il est local et temporaire. Il n'y a donc aucun danger de décentralisation du conducteur.dans la couche comme cela serait le cas si la longueur entière du conducteur était chauffée en une seule fois, par exemple par chauffage par résistance électrique ou sur un tambour ou autre support dans une chambre de chauffage.
On donne les caractéristiques qui Vont-suivre à titre d'exemple pour montrer la réduction remarquable de la résistivité obtenue en appliquant l'invention à des tronçons de 0,132 cm de.conducteur toronné recouverts chacun d'une couche extrudée d'une composition polyéthylène- polyisobutylène chargée de noir de carbone. La résistivi- té aussi bien dans le sens longitudinal que dans le sens radial est mesurée avant et après que le conducteur recou- vert a été chauffé par induction par passage continu de celui-ci à une vitesse linéaire de 1,5 cm/seconde dans une bobine de chauffage par induction refroidie par l'eau et d'une longueur de 15 cm, comportant huit spires et recevant un courant d'environ 2 kw à une fréquence de 400 Kc/seconde.
La température superficielle de la couche est dans chaque cas d'environ 220 C. Les résultats sont mentionnés sur le tableau ci-après
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La composition préférée est celle qui est désignée par X.5. (P.i.b. signifiant polyisobutylène).
Dans le procédé préféré de fabrication d'un con- ducteur électrique isolé avec du polyéthylène conforme à la présente invention, l'une de ces compositions est tout d'abord extrudée sur le conducteur dans un appareil d'ex- trudage à vis ayant un rapport de compression élevé, par exemple un rapport de compression de 4:1. On fait ensuite passer le conducteur recouvert à travers la bobine de tra- vail d'un appareil de chauffage par induction et à sa sor- tie de la bobine, il est examiné par une cellule sensible aux rayons infra-rouges. Le signal engendré par la cellule est amplifié et comparé à la source de référence, et on utilise la différence de tension ainsi obtenue pour actionner un servo-moteur commandant le dispositif de ré-
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glage de la puissance de l'appareil de chauffage par in- duction.
De cette manière, l'énergie envoyée à la bobine de travail est réglée automatiquement en vue du maintien d'une température finale du recouvrement du conducteur comprise entre 180 et 220 C. Comme mentionné ci-dessus, la bobine fonctionne à une fréquence élevée de plusieurs kilocycles/seconde. On applique ultérieurement une couche de diélectrique formée par du polyéthylène au conducteur recouvert.
Quand le conducteur est un conducteur en cuivre toronné de 0,132 cm, la couche conductrice peut avoir, par exemple, une épaisseur de 0,07 cm. L'épaisseur de la couche diélectrique varie en fonction de la tension à appliquer au conducteur.
Au lieu de chauffer la couche conductrice avant l'application de la couche de diélectrique, l'application de la chaleur peut être exécutée pendant l'application du diélectrique ou être retardée après l'application de celui- ci. Elle peut alors servir également à souder la couche conductrice à la couche de diélectrique.
On peut également appliquer une couche de la compo- sition à l'extérieur de la couche de diélectrique, auquel cas les deux couches conductrices peuvent être traitées thermiquement de façon simultanée, ou bien on peut traiter thermiquement la couche conductrice interne avant l'appli- cation de la couche de diélectrique et traiter thermique- ment la couche conductrice extérieure au cours d'une phase distincte du procédé, après so@ application à la couche de diélectrique.
Le polyéthylène utilisé pour constituer la couche de diélectrique ou bien le polyéthylène utilisé comme ingrédient de la composition conductrice, ou bien ces deux
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polyéthylènes, peuvent être constitués par l'un des polyé- thylènes de densité élevée actuellement disponibles, par exemple ceux qui sont fabriqués par le procédé sous pres- sion élevée ou par le procédé sous basse pression.
Le terne "polyéthylène" utilisé dans la présente description désigne les polymères obtenus par des procédés normalisés, avec ou sans une faible proportion, atteignant jusqu'à 1%, de produits anti-oxydants et de produits pro- tecteurs similaires.
R É S U M É
La présente invention concerne un procédé pour diminuer la résistivité électrique d'une composition formée d'un mélange de 35-77% d'un polyéthylène normalement solide, de 5-45% de polyisobutylène et de 10-23% d'un noir de car- bone conducteur, lorsque le mélange a été traité d'une manière telle qu'il possède une résistivité élevée. Le procédé comprend le chauffage de la composition jusqu'à
180 C ou plus, de préférence à une température comprise entre 180 et 220 C.
L'invention couvre des conducteurs électriques isolés avec du polyéthylène dans lesquels on a prévu, entre" le conducteur et le diélectrique, une couche de la compo- sition précitée qui a été traitée thermiquement à 180 C ou plus, de préférence à 180-220 C, pour diminuer sa résis- tivité.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to the manufacture of an electrically conductive non-metallic product which forms a strong bond with normally strong polyethylene. Difficulties have been encountered in making such a product which retains its adhesion during the temperature variations occurring during service of a cable, and which has a reasonably high mechanical strength during elongation. maximum while being easy to process.
In the French patent application filed this same day by the applicant for Improvements to
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non-metallic electrically conductive products "A product has been described which satisfies all the requirements which product comprises a treated mixture of 35-77% normally solid polyethylene, 5-45% polyisobutylene and 10-23% of a conductive carbon black.
In the aforementioned patent application, the Applicant mentioned that when this product is treated by molding or by compression in order to transform it into sheets, it has the necessary electroconductive power and that it also has this power when it is processed by. extrusion, provided that it is carried out at low speed and at. high temperature in a machine with a high compression ratio. However, the Applicant has found that if the product is formed into sheets on rollers or if it is extruded in a manner other than that described above, the electrical conductivity can be very low.
For example, resistivities of between a few hundred ohms / cm and 1012 ohms / cm have been noted with the same composition but under different extrusion conditions.
The Applicant has however found that by heating the aforementioned composition to a temperature of 180 ° C. or more, after its extrusion or its transformation into sheets on rolls or after having subjected it to another treatment, which has the effect of giving it high electrical resistivity, there is a remarkable reduction in this latter property which is, in some cases, about 100 million times less. The decrease in resistivity thus obtained is not annihilated by a very large curvature of the product at ambient temperature, nor by heating to 110 C with or without.
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simultaneous curvature and it appears to be permanent in the absence of further processing on rolls or subsequent extrusion processing.
Applicants prefer to carry out the heat treatment at temperatures between 180 and 220 C, but this latter temperature can sometimes be exceeded when some of the high density polyethylenes are used as ingredients.
The duration of the heat treatment naturally depends on the time required to heat the product to a temperature within the mentioned range and for the product to return to room temperature, but the time during which it must be maintained at a temperature of 180 C or above is extremely short. The duration of the heat treatment depends on the heating process and, in some cases, the mass of the material being treated. When the composition to be treated is in the form of a film or a thin layer, a heat treatment of a few seconds is sufficient.
The composition can be heated to the required temperature / of 180 ° C or higher in a variety of ways, some more suited to compositions in one form and others to compositions in other forms. When the composition is in the form of a film or a thin sheet or in the form of a thin layer, it can be heated by radiation or, in one or more cases, by bringing its two faces into contact with an element. heated metal, for example with heated metal trays, or by passing them over one or more heated rolls or, alternatively, in the case where the composition is in the form of a layer
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applied to a metal core, for example on an electric conductor, it can be heated by heating the conductor locally by induction heating or,
when the core is a rod or a short conductor, by heating it over its entire length by resistance heating. When relatively thick layers or masses of the composition are to be treated in accordance with the invention, dielectric heating or a combination of dielectric heating with some other mode of heating can be used. When dielectric heating is used, it may be accompanied, preceded or followed by conduction heating, resistance heating of the material itself or induction heating of the material itself. -this.
The present invention is particularly applicable to the cable manufacture of high voltage electrical cables insulated with polyethylene. It has been found that it is advantageous, in such cables, to place a layer of non-metallic conductive material between the conductor and the dielectric layer, in order to substantially eliminate the electric discharges due to gas ionization, but it has been experienced difficulties in producing such a material which perfectly bonds to the dielectric and continues to adhere during temperature variations encountered during service of the cable, which has sufficient tensile strength upon elongation maximum and that can be easily processed.
The Applicant has found that the aforementioned composition, when it is heat treated in accordance with the present invention, possesses all the characteristics which are required of a material applied to an electrical conductor.
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tric to form a screen between the conductor and the dielectric consisting of polyethylene, namely a high tensile strength and a high rate of elongation before rupture, a thermal expansion coefficient compatible with that of polyethylene, good adhesion to polyethylene, high processability and suitable electrical conductivity.
Accordingly, the present invention also relates to an electrical conductor insulated with polyethylene in which, between the conductor and the dielectric, is placed a layer of the aforesaid non-metallic and conductive product comprising a mixture of 35-77. % of normally solid polyethylene, 5-45% polyisobutylene and 10-23% of a conductive carbon black, which has been heat-treated at a temperature of 180 ° C or more and preferably at a temperature of between 180 and 200 C.
The polyethylene-based dielectric may contain a synthetic small amount of a thermoplastic / compatible material, eg, polyisobutylene, which improves its processability and physical properties without substantially changing its electrical properties.
With regard to large-diameter conductors, the Applicant can constitute the conductive layer. trice which covers them by winding on the conductor one or more strips of said composition which have been heat treated before or after their application to the conductor. In other cases, the Applicant prefers to extrude the composition onto the conductor and heat treat the extruded layer in situ on the conductor.
When the heat treatment of the wound or extruded layer is carried out, the applicant prefers to heat
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the layer at the required temperature by passing the conductor covered by an induction coil receiving high frequency current. In this way, the heating of the conductor and of the layer of the polyethylene-polyisobutylene composition containing carbon is local and rapid.
The composition becomes very soft, but it does not melt.
This softening does not raise any difficulty, since it is local and temporary. There is therefore no danger of decentralization of the conductor in the layer as would be the case if the entire length of the conductor were heated at one time, for example by electric resistance heating or on a drum or other support in a heating chamber.
The characteristics which will follow are given by way of example to show the remarkable reduction in resistivity obtained by applying the invention to sections of 0.132 cm of stranded conductor each covered with an extruded layer of a polyethylene composition. polyisobutylene loaded with carbon black. The resistivity in both longitudinal and radial directions is measured before and after the covered conductor has been inductively heated by continuously passing it at a linear speed of 1.5 cm / second through a water-cooled induction heating coil with a length of 15 cm, comprising eight turns and receiving a current of about 2 kw at a frequency of 400 Kc / second.
The surface temperature of the layer is in each case about 220 C. The results are given in the table below.
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The preferred composition is that which is designated by X.5. (P.i.b. meaning polyisobutylene).
In the preferred method of making an electrical conductor insulated with polyethylene according to the present invention, one of these compositions is first extruded onto the conductor in a screw extrusion apparatus having a screw extrusion apparatus. high compression ratio, for example 4: 1 compression ratio. The coated conductor is then passed through the work coil of an induction heater and as it exits the coil is examined by an infrared sensitive cell. The signal generated by the cell is amplified and compared to the reference source, and the voltage difference thus obtained is used to actuate a servo motor controlling the feedback device.
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control of the power of the heater by induction.
In this way, the energy sent to the work coil is automatically regulated with a view to maintaining a final temperature of the conductor covering between 180 and 220 C. As mentioned above, the coil operates at a high frequency of several kilocycles / second. A dielectric layer formed by polyethylene is subsequently applied to the covered conductor.
When the conductor is a 0.132 cm stranded copper conductor, the conductive layer may have, for example, a thickness of 0.07 cm. The thickness of the dielectric layer varies as a function of the voltage to be applied to the conductor.
Instead of heating the conductive layer before the application of the dielectric layer, the application of heat can be performed during the application of the dielectric or be delayed after application of the dielectric. It can then also be used to solder the conductive layer to the dielectric layer.
A layer of the composition can also be applied on the outside of the dielectric layer, in which case the two conductive layers can be heat treated simultaneously, or the inner conductive layer can be heat treated prior to application. cation of the dielectric layer and heat treating the outer conductive layer in a separate phase of the process, after application to the dielectric layer.
The polyethylene used to constitute the dielectric layer or the polyethylene used as an ingredient of the conductive composition, or both of these
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polyethylenes, may be any of the high density polyethylenes currently available, for example those made by the high pressure process or by the low pressure process.
The term "polyethylene" used in the present description denotes polymers obtained by standard methods, with or without a small proportion, up to 1%, of antioxidant products and similar protective products.
ABSTRACT
The present invention relates to a process for decreasing the electrical resistivity of a composition formed from a mixture of 35-77% of a normally solid polyethylene, 5-45% of polyisobutylene and 10-23% of a carbon black. conductive carbon, when the mixture has been treated in such a way that it has a high resistivity. The method comprises heating the composition to
180 C or higher, preferably at a temperature between 180 and 220 C.
The invention covers electrical conductors insulated with polyethylene in which there is provided, between the conductor and the dielectric, a layer of the aforementioned composition which has been heat treated at 180 ° C. or more, preferably at 180-220. C, to decrease its resistivity.
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