Feuille isolante de l'électricité et utilisation de cette feuille La présente invention concerne une feuille isolante de l'électricité possédant une combi naison remarquable de propriétés électriques, physiques et chimiques.
La feuille objet de l'invention est caracté risée en ce qu'elle comprend une pellicule de téréphtalate de polyéthylène dont le rapport di- chroïque est voisin de l'unité et ayant approxi mativement la même ténacité, la même résis tance à la traction et le même module d'élasti cité en directions longitudinale et transversale,
et conservant un allongement de rupture d'au moins 50 '% de son allongement de rupture original quand elle est chauffée à 175o C pen dant 250 heures.
On peut préparer de telles pellicules de té- réphtalate de polyéthylène en étirant le poly mère fondu à travers une fente étroite et en tendant d'une manière continue la pellicule fraî chement étirée de manière à l'allonger de 2,5 à 3,25 fois sa longueur, à raison d'au moins 400 % par minute et à une température com- prise entre 80,1 C et 90o C ;
on chauffe ensuite la pellicule ainsi allongée longitudinalement à une température comprise entre 900 et 950 C et on la tend d'une manière continue dans le sens transversal, sensiblement jusqu'au même allongement, à raison d'au moins 400 % par minute et à une température allant de 950 C à 110 C, afin d'obtenir une pellicule équi- librée , c'est-à-dire une pellicule tendue sen siblement au même degré dans deux directions (longitudinale et transversale)
et possédant sen siblement les mêmes propriétés mécaniques dans la direction d'étirage et dans la direction transversale. D'autre part, une pellicule équili brée possède un rapport dichroïque voisin de l'unité. Ce rapport est le rapport entre les pou voirs absorbants, vis-à-vis des rayons infrarou ges, pour les vibrations de lumière polarisée respectivement parallèles et perpendiculaires à la direction d'étirage de la pellicule. Par exemple une pellicule tendue dans un seul sens (lon gueur triplée dans la direction longitudinale) possède un rapport dichroïque égal à environ 2,93.
Au contraire, une pellicule de téréphta- late de polyéthylène tendue dans deux direc tions (jusqu'à 3 fois la longueur primitive) et ayant été durcie à la chaleur sous la tension transversale, possède un rapport dichroïque de. 1,17 ; une telle pellicule est donc très voisine d'une pellicule parfaitement équilibrée. Dans la description de la présente invention, on ap pellera pellicule équilibrée une pellicule qui a été tendue et allongée sensiblement au même degré dans les deux directions, qui possède un rapport dichro'ique voisin de l'unité, et dont les propriétés physiques sont sensiblement les mê mes dans le sens longitudinal et dans le sens transversal.
Le tableau I suivant montre clairement l'amélioration remarquable que l'on obtient dans la plupart des propriétés physiques importantes en tendant une pellicule amorphe suivant deux axes.
EMI0002.0002
TABLEAU <SEP> I
<tb> <I>Pellicule <SEP> de <SEP> téréphtalate <SEP> de <SEP> polyéthylène</I>
<tb> <I>Tendue <SEP> Tendue <SEP> Tendue</I>
<tb> <I>Propriétés <SEP> biaxialement <SEP> ait <SEP> biaxialement <SEP> au <SEP> biaxialement <SEP> au <SEP> Non <SEP> tendue</I>
<tb> <I>coeff.3 <SEP> coeff.2,5 <SEP> coef<U>f.</U>2</I>
<tb> Epaisseur <SEP> (en <SEP> mm) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> 0,025 <SEP> 0,025 <SEP> 0,025 <SEP> 0,025
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> <B>là</B> <SEP> traction <SEP> kg/cm2 <SEP> 1.820 <SEP> 1.365 <SEP> 1.120 <SEP> 560
<tb> Allongement <SEP> de <SEP> rupture <SEP> en <SEP> 0/0 <SEP> . <SEP> 100 <SEP> 160 <SEP> 200 <SEP> 450'k
<tb> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> (kg/cm) <SEP> 75 <SEP> 63 <SEP> 46 <SEP> 1,5
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> déchirure <SEP> (g) <SEP> . <SEP> . <SEP> 22 <SEP> 16 <SEP> 26 <SEP> 35
<tb> Résistance <SEP> aux <SEP> flexions <SEP> répétées
<tb> (cycles) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 20.000 <SEP> - <SEP> - <SEP> 10.000
<tb> Perméabilité <SEP> à <SEP> la <SEP> vapeur <SEP> d'eau
<tb> (g/100 <SEP> m <SEP> 2 <SEP> heures) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 160 <SEP> - <SEP> - <SEP> 330
<tb> Module <SEP> de <SEP> tension <SEP> (kg/cm2) <SEP> .
<SEP> . <SEP> 35.000 <SEP> 32.550 <SEP> 32.900 <SEP> 21.000
<tb> Densité <SEP> (g/cm3) <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1,4 <SEP> - <SEP> - <SEP> 1;34
<tb> <I>Avec <SEP> une <SEP> vitesse <SEP> d'allongement <SEP> faible.</I> La constante diélectrique d'une pellicule de téréphtalate de polyéthylène (d'une épaisseur de 0,043 mm) non tendue (sensiblement amor phe) pour différentes fréquences, augmente con sidérablement aux températures voisines de 90o C. A ces températures, on note également une augmentation de la perte de puissance (augmentation du facteur de puissance).
La mesure des caractéristiqùes de vieillisse- ment à la chaleur d'une pellicule orientée de téréphtalate de polyéthylène montre que cette pellicule doit avoir été tendue dans les direc tions longitudinale et transversale jusqu'à une longueur égale à 2,5 fois et de préférence 3 fois sa longueur initiale (expériences exécutées avec une pellicule de 0,025 mm), pour que la diminution d'allongement avec la température reste dans les limites precritës. Par exemple, après avoir été soumise pendant 250 heures à la température de 1750 C,
une pellicule de té- réphtalate de polyéthylène tendue biaxialement jusqu'à deux fois sa longueur initiale a son al- longement qui tombe d'environ 83 %, tandis que l'allongement d'une pellicule tendue biaxia- lement jusqu'à 2,
5 fois sa longueur initiale di- minue de 50 % seulement, et qu'une pellicule analogue tendue biaxialement jusqu'à 3 fois la longueur initiale ne présente qu'une diminution d'allongement de 30'0/0. D'autre part, après avoir été soumise pendant 500 heures à la tem pérature de 175 C, des pellicules de poly ester tendues biaxialement jusqu'à 2 fois et jusqu'à 2,
5 fois la longueur initiale subissent respectivement une diminution d'allongement atteignant environ 98 % et 92 % ;
au contraire, la diminution d'allongement dans les mêmes conditions des pellicules tendues biaxialement jusqu'à 3 fois la longueur initiale n'atteint seu- lement que 50 % de l'allongement primitif. Les mesures effectuées pour obtenir ces chiffres eurent lieu à une température de 240 C et avec une humidité relative de 35 0/0.
Ces carac téristiques de vieillissement à la chaleur, en combinaison avec les propriétés physiques ini tiales (qui sont supérieures pour les pellicules de téréphtalate de polyéthylène tendues biaxia- lement jusqu'à 3 fois la longueur initiale comme l'indique le tableau I), montrent que les pellicules de téréphtalate de polyéthylène qui ont été tendues biaxialement jusqu'à 2,5 fois leur longueur initiale, et de préférence jusqu'à 3 fois, possèdent toutes les propriétés importantes exigées d'un bon diélectrique et conservent ces propriétés dans des conditions variables de température, d'humidité, etc.
En ce qui concerne l'amplitude maxima de l'orientation biaxiale nécessaire pour produire une pellicule présentant les qualités voulues il faut considérer que l'étirage de la pellicule de téréphtalate de polyéthylène doit être exécuté au-dessus de 80 à 85 C, à une vitesse supé rieure à 13 ou 18 m à la minute (entre 400 0/0 et 500 % à la minute). Or on a constaté qu'en tendant, dans ces conditions,
une pellicule dans la direction longitudinale jusqu'à une longueur supérieure à 3,25 fois sa longueur initiale, la pellicule se brisait quand on essayait de la ten dre à peu près au même degré dans la direc tion transversale, probablement par suite d'une cristallisation étendue.
Une feuille de téréphtalate de polyéthylène devant servir de diélectrique, doit être équili brée pour assurer la bonne tenue du diélectri que dans des conditions variées d'utilisation, au point de vue humidité, température, vibration, etc. Une pellicule non équilibrée, c'est-à-dire une pellicule ou feuille tendue à différents de grés dans le sens longitudinal et dans le sens transversal, ne donne pas satisfaction comme diélectrique dans la plupart des applications électriques générales, surtout quand la pellicule doit être soumise à des températures élevées.
Outre le fait que les propriétés mécaniques im portantes ne sont pas équivalentes dans les deux directions longitudinale et transversale, une feuille non équilibrée se contracte, après exposition à des températures supérieures à 85,, C, davantage, dans le sens du dernier al longement qu'elle a subi (par exemple dans le sens transversal quand elle a été allongée d'abord dans le sens longitudinal). Ce phéno mène provoque des tensions internes à l'inté rieur de la pellicule, et cés tensions internes accélèrent plus ou moins, suivant leur impor tance, la dégradation des propriétés générales électriques, mécaniques et chimiques de la pel licule.
Si l'amplitude du déséquilibrage est as sez grande, et/ou si la température d'utilisation est relativement élevée, le rétrécissement non équilibré de la feuille peut provoquer son cra- quelage ou sa déchirure. De plus, les vibrations se produisant pendant le fonctionnement d'un appareil électrique ont tendance à accélérer la déchirure ou le craquelage de la feuille dans de telles conditions.
Une pellicule de téréphtalate de polyéthy lène orientée biaxialement (pellicule équilibrée) se rétrécit après avoir été soumise à des tem pératures élevées. Le rétrécissement est sensi blement égal dans les deux directions et sa valeur dépend principalement de la tempéra ture de la pellicule, de la température à laquelle elle a été durcie par la chaleur, et de l'ampli tude de l'allongement qu'elle a subi. Le fac teur le plus important est probablement la tem pérature à laquelle la pellicule tendue a été durcie à la chaleur, c'est-à-dire maintenue sous tension à une température élevée pendant un court instant.
Une feuille ou pellicule équili brée, par exemple une pellicule tendue biaxia- lement jusqu'à 3 fois sa longueur initiale, se rétrécit rapidement quand elle est soumise à des températures élevées (au-dessus de 800 C), si elle n'a pas été durcie à la chaleur. La tem pérature de durcissement est généralement com mandée par la température la plus élevée à la quelle la pellicule doit être soumise en tant que diélectrique. Plus la température de dur cissement à la chaleur est élevée, moins le ré trécissement est important. En pratique, la tem pérature de durcissement est égale au moins à 150 C, et le durcissement est effectué couram ment à environ 200 C.
Dans le cas où la pel licule doit être utilisée dans un appareil élec trique devant fonctionner à des températures particulièrement élevées, on peut durcir la pel licule équilibrée et tendue à des températures atteignant 225 à 250e C, pendant des temps très courts, c'est-à-dire égaux ou inférieurs .à une minute.
Normalement, une pellicule de té- réphtalate de polyéthylène orientée biaxiale- ment (tendue dans les deux directions jusqu'à 3 fois la longueur initiale) se rétrécit d'environ 1 '/2 à 2 % à 1500 C. Pratiquement; ce rétré- cissement se produit en un temps relativement court après l'exposition à une température don née quelconque.
Dans un grand nombre d'ap plications électriques, cette particularité repré- sente un avantage extrêmement intéressant. Des bobines ou fils métalliques isolés par une telle pellicule peuvent recevoir un traitement calorifique après enveloppement, et l'isolement se rétrécit alors autour du conducteur en le serrant et en réalisant ainsi un isolement com pact sans aucun creux.
Les tableaux suivants représentent certai nes propriétés électriques des pellicules orien tées de téréphtalate de polyéthylène dans diffé rentes conditions de température et d'humidité. Le tableau II donne les valeurs de la résistance diélectrique à des températures variant de 0 à<B>1500</B> C, pour une fréquence de 60 cycles par seconde. Les voltages moyens, (mesurés sur la base de 10 échantillons) s'étalent entre des va leurs de 3150 et 4500 volts pour une épais seur de 0,025 mm et indiquent que cette pro priété est importante. La plupart des matières diélectriques actuellement en usage ont un vol tage de rupture compris entre 500 et 1000 volts pour une épaisseur de 0,025 mm.
EMI0004.0010
TABLEAU <SEP> II
<tb> <I>Résistance <SEP> diélectrique <SEP> d'une <SEP> pellicule <SEP> de <SEP> téréphtalate <SEP> de <SEP> polyéthylène* <SEP> dans <SEP> l'air</I>
<tb> <I>Température <SEP> Epaisseur <SEP> moyenne <SEP> volts</I>
<tb> <I>en <SEP> degrés <SEP> centigrades <SEP> Kilovolts <SEP> en <SEP> mm <SEP> pour <SEP> une <SEP> épaisseur</I>
<tb> <I>de <SEP> 0,025 <SEP> mm</I>
<tb> 0 <SEP> 8,7 <SEP> 0,05 <SEP> 4400
<tb> 25 <SEP> 9,9 <SEP> <SEP> 4500
<tb> 75 <SEP> 9,2 <SEP> <SEP> 4200
<tb> 100 <SEP> 8,7 <SEP> <SEP> 4300
<tb> 125 <SEP> 7,1 <SEP> <SEP> 3250
<tb> 150 <SEP> 6,
8 <SEP> <SEP> 3150
<tb> <I>-\ <SEP> Tendue <SEP> biaxialement <SEP> au <SEP> coefficient <SEP> 3 <SEP> et <SEP> durcie <SEP> à <SEP> 150p <SEP> C.</I> Le tableau III donne les mesures de la résistivité du volume pour les températures allant de 0o C à 1500 C.
Ces données confirment que le téréphtalate de polyéthylène orienté biaxialement est un excel lent diélectrique pour les applications à températures élevées.
Le tableau IV indique la résistivité de surface de la pellicule à<B>250</B> C, pour une humidité relative de 0 % et de 100 % et pour un courant continu de 500 volts.
EMI0004.0030
TABLEAU <SEP> III
<tb> <I>Résistivité <SEP> de <SEP> volume <SEP> d'une <SEP> pellicule' <SEP> de <SEP> téréphtalate <SEP> de
<SEP> polyéthylène</I>
<tb> <I>Température <SEP> en <SEP> degrés <SEP> Résistivité <SEP> de <SEP> volume</I>
<tb> <I>centigrades <SEP> (ohms/cm)</I>
<tb> 0 <SEP> - <SEP> 2,1 <SEP> X <SEP> 1015
<tb> 25 <SEP> 2,1 <SEP> X <SEP> 1015
<tb> 75 <SEP> 2,1 <SEP> X <SEP> 1015
<tb> 100 <SEP> 2,1 <SEP> X <SEP> 1015
<tb> 125 <SEP> 7,4 <SEP> X <SEP> 1014
<tb> 150 <SEP> 6,9 <SEP> X <SEP> 101s
<tb> <I>'k <SEP> Tendue <SEP> biaxialement <SEP> ait <SEP> coefficient <SEP> 3 <SEP> et <SEP> durcie <SEP> à <SEP> <B>1500</B> <SEP> C.</I>
EMI0005.0001
TABLEAU <SEP> IV
<tb> <I>Résistivité <SEP> de <SEP> surface <SEP> d'une <SEP> pellicule* <SEP> de <SEP> téréphtalate <SEP> de <SEP> polyéthylène <SEP> à <SEP> 250 <SEP> C</I>
<tb> <I>Humidité <SEP> relative <SEP> Résistivité <SEP> de <SEP> surface</I>
<tb> <I>(ohms)</I>
<tb> <B>00/0</B> <SEP> 1O12
<tb> .
<SEP> 100 <SEP> 0/0 <SEP> 4,8 <SEP> X <SEP> 1011
<tb> <I>Tendue <SEP> biaxialement <SEP> au <SEP> coefficient <SEP> 3 <SEP> et <SEP> durcie <SEP> à <SEP> <B>1500</B> <SEP> C.</I> Les fig. 1 et 2 montrent les variations du facteur de puissance en fonction du logarithme décimal de la fréquence exprimée en cycles/sec, pour des températures allant de - 500 C jus qu'à 1500 C inclus. Les valeurs indiquées ont été mesurées par le procédé. A.S.T.M.D. 150. Il est significatif de noter qu'à 250 C, 750 C et de nouveau à 1500 C, le facteur de puis sance est exceptionnellement faible, puisqu'il est inférieur à 0,5 0/0 à une fréquence de 60 cycles par seconde.
La fig. 3 montre les variations de la cons tante diélectrique en fonction du logarithme décimal de la fréquence exprimée en cycles/sec. La constante diélectrique augmente générale ment quand la température augmente elle- même et quand la fréquence diminue. Ainsi, la valeur minima mesurée était de 2,8à - 500 C et à une fréquence de 106 cycles, et la valeur maxima était d'environ 3,5 à 1250 C et à une fréquence de 102 cycles. En dessous de 900 C, la constante diélectrique varie lentement avec la température et la fréquence.
Dans certaines applications électriques, comme l'isolement de moteurs et de bobines de transformateur, on imprègne l'ensemble ou l'élément terminé avec un vernis isolant que l'on passe ensuite au four. Il s'ensuit que la ma tière diélectrique utilisée doit résister à l'atta que chimique par de tels vernis ou huiles iso lantes, spécialement aux températures élevées. En général, cette application d'une huile ou d'un vernis isolant a pour but de réaliser un isolement électrique supplémentaire et de lier fortement les parties constitutives en place de manière que l'ensemble puisse résister aux chocs mécaniques et aux vibrations.
Dans d'au tres applications électriques, par exemple dans les condensateurs et les transformateurs, on im merge l'appareil dans l'huile. La matière di électrique doit donc, d'une manière générale, ne pas être affectée par tous ces traitements, et la pellicule orientée de téréphtalate de poly éthylène est absolument remarquable sous ce rapport par comparaison avec les autres diélec triques.
En prenant des précautions simples au point de vue propreté, on peut préparer les pelli cules de téréphtalate de polyéthylène avec une épaisseur descendant jusqu'à une valeur com prise entre 0,0025 mm et 0,25 mm, en évitant sensiblement tous les défauts électriques de la pellicule.
Ces défïiuts électriques peuvent con sister en petites particules métalliques noyées dans la pellicule, en d'autres types de particules possédant une résistance diélectrique inférieure à celle de la pellicule, ou encore en orifices, tous ces défauts tendant à produire des courts- circuits. Par conséquent, l'obtention d'un di électrique mince et exempt de défauts électri ques obvie sensiblement à la nécessité d'utiliser plusieurs couches de diélectriques entre des feuilles métalliques dans un grand nombre de types de condensateurs.
Il en résulte une éco nomie dans l'espace occupé et dans le prix de revient. D'autre part, on peut réaliser une éco nomie considérable d'encombrement dans d'au tres types de condensateurs, en utilisant plu sieurs couches de téréphtalate de polyéthylène, très minces, dont l'épaisseur est comprise par exemple entre 0,0025 et 0,0063 mm. En gé néral, à égalité d'épaisseur, la pellicule de té- réphtalate de polyéthylène est à peu près 30 fois meilleure que les meilleures qualités de papier employées dans la fabrication des con densateurs.
En d'autres termes, le papier con- tient environ 30 fois plus de défauts électriques par unité de surface que la pellicule de té- réphtalate de polyéthylène.
On va donner ci-dessous un exemple pour illustrer les économies d'espace que l'on peut réaliser en utilisant une pellicule de téréphtalate de polyéthylène comme diélectrique, à la place de papier kraft dans les condensateurs.
Un condensateur de 1 microfarad compre nant des pellicules de téréphtalate de polyéthy lène et des feuilles d'aluminium fut fabriqué pour être utilisé à une température de 1500 C. Ce condensateur était composé de couches al ternées constituées par des feuilles d'aluminium de 0,0088 mm et des pellicules de téréphtalate de polyéthylène de 0,0127 mm d'épaisseur (on peut utiliser deux couches de 0,0063 mm au lieu d'une seule couche de 0,0127 mm). Après avoir été assemblées, les couches avaient été roulées de manière à former un condensateur cylindrique d'un diamètre de 10 mm et d'une longueur de 50,8 mm.
Ce condensateur pou vait être utilisé avec un courant continu de 600 volts et même supérieur à 600 volts. Pour établir une comparaison, du papier kraft imprégné d'une huile minérale fut utilisé comme matière diélectrique pour fabriquer un condensateur de 1 microfarad pouvant fonc tionner à environ 125,1 C. Ce papier était sé ché sous vide et imprégné sous vide.
Le con densateur était composé de couches alternées constituées par des feuilles d'aluminium de 0,0088 mm et par des feuilles de papier im prégné d'une épaisseur de o-,053 mm (les cou ches de papier imprégné d'une épaisseur de 0,053 mm étaient composées de plusieurs cou ches minces de papier, par exemple de 6 cou ches d'une épaisseur de 0,0088 mm chacune). Le condensateur ainsi obtenu, qui pouvait fonc tionner à 600 volts de courant continu et au- dessus, avait un diamètre de 34,79 mm et une longueur de 50,8 mm.
Si l'on compare ce con densateur à papier avec le condensateur sen siblement équivalent utilisant comme diélectri que une pellicule de téréphtalate de polyéthy lène, ce dernier condensateur pouvant être uti lisé à 1500 C, l'économie réalisée sur l'espace apparaît avec évidence. On peut citer un autre exemple. Un con densateur de 1 microfarad, utilisant comme di électrique du papier kraft imprégné d'une huile minérale, et étudié pour des températures at teignant 850 C et pour un voltage continu de 600 volts, fut également fabriqué.
Ce conden sateur était composé de couches alternées de tôle d'aluminium d'une épaisseur de 0,088 mm et de papier d'une épaisseur de 0,026 mm. Ces couches de papier se composaient elles-mêmes chacune de trois feuilles de papier de 0,0088 mm d'épaisseur. Le condensateur résultant, qui était fabriqué de la même manière que le con densateur à papier décrit ci-dessus, avait un diamètre de 17,78 mm et une longueur de 50,8 mm.
Ce condensateur, pouvant être utilisé à des températures ne dépassant guère 85 C et à un voltage continu ne dépassant pas en viron 600 volts, avait des dimensions supé rieures à celles du condensateur utilisant comme diélectrique le téréphtalate de polyéthylène, bien que ce dernier condensateur à pellicule de polyester fût capable de supporter des tem pératures allant jusqu'à 150 C et des voltages supérieurs à 600 volts.
La .pellicule équilibrée de téréphtalate de polyéthylène convient particulièrement bien Gommé diélectrique dans les applications sui vantes : isolément des enroulements dans les encoches de logement dans les moteurs élec triques, isolement de petites bobines sous forme de structure métallique feuilletée pour équipe ment téléphonique et radio, isolement primaire pour résistance de chauffage, ruban diélectrique sensible à la pression, isolant disposé entre des feuilles de mica, petits condensateurs, c'est-à- dire feuilles métalliques appliquées sur pellicu les ou revêtements métalliques sur pellicules, isolement de fils métalliques devant résister aux intempéries,
par exemple conducteurs envelop pés dans une pellicule de téréphtalate et re couverts d'asphalte, isolement de fils d'électro aimant, isolement primaire pour transforma teur, enveloppement de conduites immergées pour les isoler de la terre. D'autres utilisations particulières, dans diverses applications électri ques, apparaîtront avec évidence aux hommes de l'art. Ladite pellicule peut ne consister unique ment en le polymère ; elle peut renfermer des agents ramollissants ou plastifiants.
Elle peut aussi contenir des matières de remplissage, soit organiques, comme la sciure de bois, le papier, les matières fibreuses, etc., soit inorganiques comme le mica, l'amiante, le verre, etc.- Bien que le polyester ne brûle pas ou résiste à la combustion, on peut le combiner, si on le dé sire, avec différents produits retardant l'inflam- mation, tels que les produits halogénés de subs titution des hydrocarbures. Tous ces produits supplémentaires peuvent être incorporés dans la pellicule en les mélangeant avec le polymère fondu avant d'étirer la pellicule.