Elektrisches ein- oder mehradriges Kabel Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein- oder mehradrige Kabel mit einem oder mehreren, einzeln mit einem Überzug umgebenen Leitern und einer äusseren Schutzhülle, die sich für niedere, mittlere oder hohe Stromstärken und für niedere oder hohe Spannungen, welche in hochaggressiven Medien in Kontakt mit oder in Anwesenheit von sauren, basischen oder oxydierenden Stoffen und/oder bei relativ hohen Temperaturen ver wendet werden :sollen, eignen.
Bekanntlich besteht ein elektrisches Kabel gewöhn lich aus einem oder mehreren elektrischen Leitern (im allgemeinen aus. Kupfer), die mit einer Isolationsschicht bedeckt sind und miteinander unter einem Schutzüber zug vereinigt sind, der gegenüber mechanischen Bean spruchungen widerstandsfähig ist und der die Isolation zwischen den Leitern gegen die äussere Atmosphäre und gegen den Kontakt mit chemisch aggressiven Substan zen, die seine elektromechanischen Eigenschaften schä digen könnten, schützen soll.
Der Schutzüberzug und die Isolationsschicht der Leiter müssen beide hohe Flexibilität und hohe Zug festigkeit aufweisen, müssen leicht auszupressen sein und müssen ausserdem widerstandsfähig gegenüber ho hen Temperaturen und dem Angriff der Substanzen, die am Verlegungsort des Kabels anwesend sind, sein. Dies trifft zu bei den Leitungen für die Spulen von stehenden oder rotierenden Maschinen, die in aggres siven Medien oder bei hohen Temperaturen arbeiten, oder bei den Kabeln für die Elektrifizierung von Berg werken, chemischen Anlagen usw.
Ausserdem müssen alle Kabel, welche unterirdisch oder in unterirdischen Leitungen verlegt werden sollen, zusätzlich aussen durch einen Bleimantel geschützt sein.
Die bisher für die Kabel und Leiter der obigen Art verwendeten Materialien waren vulkanisierter Natur kautschuk bis Guttapercha und synthetische Kautschuk arten bis Äthylen- oder Isobutenpolymere.
Obwohl diese Substanzen verschiedene Vorteile für bestimmte Anwendungsgebiete aufweisen (beispielsweise Polyäthylen im Falle von Unterwasserkabeln für Nach- richtenzwecke), können sie für allgemeine Zwecke im grossen Massstab nicht angewendet werden, da sie wohl in einigen Fällen sehr gute mechanische Eigenschaften besitzen, in anderen Fällen aber nicht den gewünschten Grad an thermischer und chemischer Widerstandsfähig keit besitzen und daher nicht die gewünschte Dauerhaf tigkeit aufweisen,
wenn sie in besonders aggressiven Medien oder bei hohen Temperaturen verwendet werden.
Es wurden: zahlreiche Versuche gemacht, um diese Nachteile auszuschalten; so wurden verschiedene Mi schungen der vorerwähnten Materialien versucht oder es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um jeweils die Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Agentien oder die Alterung in der Hitze zu verbessern.
Es ist aber klar, dass die Mischverfahren und bzw. oder die verschiedenen Behandlungen lange und teure Ver fahren bedingen, welche nicht immer das Problem vom technischen und bzw. oder vom ökonomischen Gesichts punkt aus betrachtet lösen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun die Anwendung von neuen Substanzen und Mischungen, welche gleichzeitig sehr gute Eigenschaften an elektri scher, mechanischer, thermischer und chemischer Wider standsfähigkeit zeigen. Es wurde gefunden, dass wesent liche Vorteile bei der Herstellung von zweiadrigen, drei adrigen oder noch mehradrigen elektrischen Kabeln und bei der Isolation von Leitern oder von Doppelleitern für jede Spannung und Stromstärke erhalten werden können, welche in hochaggressiven Medien oder in Kontakt mit sauren, basischen oder oxydierenden Stoffen und bzw.
oder bei hohen Temperaturen verwendet werden sollen, wenn der die Leiter umgebende Überzug und die äussere Schutzhülle in der Hauptsache aus einem Vulkanisat eines gesättigten, amorphen, 10 bis 80 Gew. % Äthylen gebunden enthaltenden Copolymeren von Äthylen mit einem a-Olefin bestehen.
Die Copolymeren von Äthylen mit a-Olefinen, ins besondere von Äthylen mit Propylen und bzw. oder Buten sind in verschiedenen Patentschriften der Anmel- derin beschrieben;
sie werden hergestellt durch Copoly- merisation (in einem organischen Lösungsmittel) unter niedrigem Druck und in Anwesenheit eines Katalysators, welcher als Reaktionsprodukt einer im organischen Lö sungsmittel löslichen Verbindung eines übergangs- metalls der IV., V. oder VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente mit einer Alkylmetallverbindung eines Metalls der 1I. oder III. Gruppe des Periodischen Systems erhalten wird.
Die besonders geeigneten Copolymeren von Äthy len mit Propylen werden vorzugsweise erhalten, indem man die Monomeren in völliger Abwesenheit von Lö- sungsmitteln bei einer Temperatur zwischen +30 und -100 C unter solchen Bedingungen umsetzt, dass die Monomermischung im Polymerisationsautoklaven in flüs sigem Zustand vorliegt, und zwar in Anwesenheit eines Katalysators auf Basis von Alkylderivaten von Metal len der I.,
1I. oder III. Gruppe und von flüssigen Ver bindungen von übergangsmetallen der IV., V. oder VI. Gruppe des Periodischen Systems.
Aus den so erhaltenen Copolymeren, die 10-80 Athylen enthalten, können vulkanisierte Elastomere her gestellt werden; diese lassen sich insbesondere durch Vulkanisation mit ungesättigten organischen Verbindun gen herstellen, die im Molekül eine oder mehrere funk tionelle Gruppen :saurer Natur aufweisen, und zwar in Anwesenheit von Radikalinitiatoren und vorzugsweise mit Zusatz von basisch polyfunktionellen Substanzuni, wie Metalloxyden, zur Vulkanisationsmischung.
Elastomere der vorerwähnten Olefincopolymeren können hergestellt werden durch Erhitzen des Copoly- mers auf 180 bis 300 C mit 1-15 % Schwefel oder einer schwefelabgebenden Substanz, bis: eine homogene schwammige Masse erhalten wird, worauf diese Masse allein oder in Mischung mit natürlichen oder syntheti schen Kautschukarten gemischt wird;
oder es. wird vor gezogen, das Copolymer mit 0,5-10% eines Radikalini tiators, als welcher insbesondere eine organische Perver- bindung aus der Gruppe der Alkyl-, Aryl- und Acyl- peroxyde und Perester in Frage kommt, sowie 0,1-3 Schwefel und wenn gewünscht einer Chinonverbindung zu mischen, worauf die Mischung auf Temperaturen zwischen 140 und l60 C erhitzt wird.
Die in Frage kommenden gesättigten Copolymeren und die daraus erhaltenen vulkanisierten Elastomeren, die erfindungsgemäss für die Kabel verwendet werden sollen, sind auf diesem Gebiet völlig neue Produkte, welche sich von den traditionellen Copolymeren und Elastomeren sowohl in ihren strukturellen als auch in ihren physikochemischen Eigenschaften unterscheiden. Es ist daher durchaus überraschend, dass gefunden wurde, dass sie :sich vorteilhaft sowohl zur Herstellung der Iso lationsschicht der Leiter als auch zur Herstellung der äusseren Schutzhülle eignen.
Die wesentlichen Vorteile, welche sich aus der erfin dungsgemässen Anwendung ergeben, sind folgende: a) Die als Basis der Mischungen verwendeten Copo- lymeren besitzen sehr gute elektrische Eigenschaften und einen sehr niedrigen Aschengehalt (frei von hygrosko pischer Asche).
b) Die Mischungen auf Basis von Äthylen-Propylen- oder Äthylen -Buten-Copolymeren werden durch Be rührung mit Kupfer nicht zerstört und machen das Ver- zinnen des Leiters unnötig.
c) Die vulkanisierten Mischungen sind ausserordent lich widerstandsfähig gegenüber Hitze, Säuren und Oxy dationsmitteln einschliesslich Ozon. Infolgedessen können derartige Kabel unter den schwierigsten Bedingungen sogar ohne Schutz durch einen Bleimantel verwendet werden.
d) Die Mischungen auf Basis Äthylen-Propylen- und Äthylen-Buten-Copolymeren können mit den gleichen Apparaturen hergestellt werden wie sie für die traditio nellen Kautschukarten in der Kabelindustrie bereits ver wendet werden. Die Bearbeitung, das Auspressen und die Vulkanisation werden nach den üblichen Verfahren durchgeführt und es können daher extrudierte, in Auto klaven vulkanisierte Kabel oder Bleimantelkabel ohne irgendwelche Änderung der vorhandenen Apparaturen hergestellt werden.
Die verschiedenen Einzelheiten und weitere Vor teile der Erfindung werden im folgenden Beispiel gezeigt, ohne dass diese jedoch hierauf beschränkt werden soll.
e) Die elektrische Eigenschaften des Copolymers und der Isolationsmischung sind sehr gut.
EMI0002.0078
Eigenschaften <SEP> des <SEP> Äthylen-Propylen-Copolymers.
<tb> (C<B>2---</B>C3) <SEP> bei <SEP> 22 <SEP> C
<tb> Dielektrizitätskonstante <SEP> 1,8
<tb> Verlustfaktor <SEP> 0,0015
<tb> Dielektrizitätsfestigkeit <SEP> (Stärke) <SEP> 28 <SEP> kV/mm
<tb> Volumfestigkeit <SEP> 2 <SEP> X <SEP> 101s
<tb> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Äthylen-Propylen-Isolations mischung <SEP> bei <SEP> 22 <SEP> C
<tb> Dielektrizitätskonstante <SEP> 2,4
<tb> Verlustfaktor <SEP> 0,03
<tb> Dielektrizitätsfestigkeit <SEP> (Stärke) <SEP> 26 <SEP> kV/mm
<tb> Volumfestigkeit <SEP> 2 <SEP> X <SEP> 1014
<tb> Eigenschaften <SEP> des <SEP> Äthylen-Buten-Copolymers
<tb> (C2---C4)
<SEP> bei <SEP> 22 <SEP> C
<tb> Dielektrizitätskonstante <SEP> 2,2
<tb> Verlustfaktor <SEP> 0,0018
<tb> Dielektrizitätsfestigkeit <SEP> (Stärke) <SEP> 27,5 <SEP> kV/mm
<tb> Volumfestigkeit <SEP> 1,5 <SEP> X <SEP> 1016
<tb> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Äthylen-Buten-Isolationsmischung
<tb> bei <SEP> 22 <SEP> C
<tb> Dielektrizitätskonstante <SEP> 2,4
<tb> Verlustfaktor <SEP> 0,035
<tb> Dielektrizitätsfestigkeit <SEP> (Stärke) <SEP> 26 <SEP> kV/mm
<tb> Volumfestigkeit <SEP> 2 <SEP> X <SEP> 1014 <I>Beispiel 1</I> Mit folgenden Mischungen wurden dreiadrige Kabel (3 X 16 mm) hergestellt: Isolationsmischung für die einzelnen Leiter:
EMI0002.0080
Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C2C3 <SEP> C2C4</B>
<tb> Gew: <SEP> Teile <SEP> Gew: <SEP> Teile
<tb> Copolymer <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> wasserfreies
<tb> Aluminiumoxyd <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Mg0 <SEP> 2
<tb> Pb0 <SEP> 2
<tb> tert. <SEP> Butylperoxyd tetrachlorid <SEP> 4 <SEP> 4
<tb> Schwefel <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 Jede Mischung hatte folgende mechanische Eigen schaften:
EMI0003.0001
Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C<U>2</U>C<U>3</U> <SEP> C<U>2</U>C<U>4</U></B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 75 <SEP> kg/cm2 <SEP> 70 <SEP> kg/em2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>350%</B> <SEP> 350%
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> 300 <SEP> % <SEP> 37 <SEP> kg/cm2 <SEP> 33 <SEP> kg/cm2
<tb> Mischung <SEP> für <SEP> die <SEP> äussere <SEP> Hülle:
<tb> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C2C3 <SEP> C2C4</B>
<tb> Gew: <SEP> Teile <SEP> Gew:
<SEP> Teile
<tb> Copolymer <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Russ <SEP> 70 <SEP> 70
<tb> Mg0 <SEP> 2
<tb> Pb0 <SEP> 2
<tb> tert. <SEP> Butyl-peroxyd tetrachlorid <SEP> 4 <SEP> 4
<tb> Schwefel <SEP> <B><I>0,5 <SEP> 0,5</I></B>
<tb> Jede <SEP> Mischung <SEP> hat <SEP> die <SEP> folgenden <SEP> Eigenschaften:
<tb> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C2C<U>3</U> <SEP> C<U>2</U>C<U>4</U></B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 175 <SEP> kg/cm2 <SEP> 160 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>390%</B> <SEP> 360
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> 300 <SEP> % <SEP> 98 <SEP> kg/cm2 <SEP> 90 <SEP> kg/cm2 In diesen Mischungen wurden absichtlich keine Sta bilisatoren gegen dass. Altern verwendet, um die Wider standseigenschaften des Copolymers zu zeigen. Die Alte rungsschutzmittel verbessern diese Eigenschaften.
Die Leiter wurden mit der ersten Mischung mittels eines Extruders bei ungefähr 100 C mit einer Geschwin digkeit von 25 m/min bedeckt, worauf das Copolymer in einem Rohr, in welchem direkt Wasserdampf unter einem Druck von 15 atm. eingeblasen wurde, vulkani siert wurde. Die Leiter haben eine Isolationsschicht mit einer Dicke von 1 mm.
Die drei wie oben beschrieben hergestellten Leiter, welche wie üblich überzogen worden waren, wurden dann mit der Mischung für die Schutzhülle überzogen, und zwar auf ähnliche Art wie oben beschrieben, wie dies auch gewöhnlich in der Industrie für elektrische Kabel durchgeführt wird.
Die so erhaltenen Kabel wurden auf die Gleichmä ssigkeit der Isolationsschicht kontrolliert und sie wurden einer Prüfspannung von 4000 V zwischen den Leitern und zwischen dem Kabel und der Masse unterworfen. Vier Kabelstücke wurden folgendem Alterungsversuch ausgesetzt: 1) Ein Muster von jeder Copolymermischung wurde (unter Schutz der Kupferenden) 30 Tage lang in kalte 68 % ige Salpetersäure eingetaucht. Nach dieser Behand lung zeigten die Muster keine Spur einer Schädigung. Das. Kabel widerstand einer Prüfspannung von 4000 V zwischen den Leitern und zwischen dem Kabel und der Erde.
Die Schutzhülle und die Isolationsschicht der ein zelnen Leiter wurden von den Leitern entfernt und dila- tometrischen Versuchen unterworfen, wobei folgende Ergebnisse erhalten wurden:
EMI0003.0023
Äussere <SEP> Hülle <SEP> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C<U>2</U>C<U>3</U> <SEP> C<U>2</U>C<U>4</U></B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 98 <SEP> kg/cm2 <SEP> 86 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B><I>500%</I></B> <SEP> 450%
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> 300 <SEP> % <SEP> 75 <SEP> kg/cm2 <SEP> 70 <SEP> kg/cm2
<tb> Isolationsüberzug <SEP> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C2C<U>3</U> <SEP> C<U>2C4</U></B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 58 <SEP> kg/cm2 <SEP> 54 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>620%</B> <SEP> 600
<tb>
Modul <SEP> bei <SEP> 300 <SEP> % <SEP> 28 <SEP> kg/cm2 <SEP> 26 <SEP> kg/em2 2) Ein Stück jedes Kabels. wurde 30 Tage lang in kalte 98 % ige Schwefelsäure eingetaucht; hierauf wider stand es einem Versuch, bei welchem eine Prüfspannung von 4000 V einerseits zwischen je zwei Leitern und anderseits zwischen Kabel und Erde angelegt wurde.
Die mechanischen Eigenschaften der vom Kabel entfernten Hüllen waren wie folgt:
EMI0003.0034
Äussere <SEP> Hülle <SEP> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>02C3 <SEP> C2C4</B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 85 <SEP> kg/cm2 <SEP> 75 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>560%</B> <SEP> 520
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> <B>300%</B> <SEP> 68 <SEP> kg/em2 <SEP> 58 <SEP> kg/cm2
<tb> Isolationsüberzug <SEP> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C<U>2</U>C<U>3</U> <SEP> C<U>2</U>C<U>4</U></B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 48 <SEP> kg/cm2 <SEP> 45 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>600%</B> <SEP> 620
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> 300 <SEP> % <SEP> 26 <SEP> kg/cm2 <SEP> 23 <SEP> kg/cm2 3)
Jedesi Kabel wurde 8 Tage lang in einen Trocken schrank mit Luftzuführung bei 120 C gebracht. Nach dieser Behandlung erschien die äussere Oberfläche der Hülle etwas klebrig, zeigte aber trotzdem eine sehr gute Konsistenz. Jedes Kabel widerstand. der Prüfspannung von 4000 V zwischen je zwei Leitern und zwischen den Leitern und Erde.
Die Schutzhülle und der Isolations überzug wurden mechanisch geprüft und gaben folgende Ergebnisse:
EMI0003.0046
Äussere <SEP> Hülle <SEP> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> <B>C2C3 <SEP> C2C4</B>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 50 <SEP> kg/cm2 <SEP> 42 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>650%</B> <SEP> 630
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> <B>300%</B> <SEP> 28 <SEP> kg/cm2 <SEP> 21 <SEP> kg/cm2
<tb> Mischung <SEP> aus <SEP> Mischung <SEP> aus
<tb> Isolationsüberzug <SEP> C<U>2</U>0<U>3</U> <SEP> C2C4
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 48 <SEP> kg/cm2 <SEP> 40 <SEP> kg/cm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> <B>600%</B> <SEP> 580
<tb> Modul <SEP> bei <SEP> 300% <SEP> 18 <SEP> kg/cm2 <SEP> 15 <SEP> kg/cm2 In obiger Beschreibung wurde insbesondere auf Kabel und Leiter hingewiesen,
es ist jedoch offensicht lich, dass die in Frage kommenden Elastomeren in ver schiedenen besonderen Fällen auch für die Isolation und den Schutz von anderen elektrischen Teilen verwen- det werden können, wie z. B. Spulen, Spiralen, Wider ständen, Transformatorenwicklungen, Schaltern usw.
Ausserdem soll darauf hingewiesen werden, dass sich wohl das angegebene Beispiel auf Elastomere bezieht, die mittels Peroxyden vulkanisiert wurden, dass dieses jedoch keineswegs das einzige der verschiedenen für Copolymere von Athylen mit a-Olefinen möglichen Vul- kanisationsverfahren ist.
Ausserdem soll darauf hingewiesen werden, dass das, was für Äthylen-Propylen-Copolymere gesagt wurde, ebenso für die anderen Copolymeren von Äthylen mit a-Olefinen gilt, insbesondere von Äthylen mit Propylen und bzw. oder Buten.