Brevet additionnel subordonné au brevet principal No. 442 454
Conducteur électrique composite et procédé pour sa fabrication
La présente invention a pour objet un conducteur électrique composite et un procédé pour la fabrication de ce conducteur. Elle concerne plus particulièrement les conducteurs électriques utilisant des métaux alcalins comme noyau conducteur.
Dans le brevet principal No. 442 454 est décrit un procédé pour fabriquer des conducteurs électriques isoles, dans lesquels un noyau conducteur en métal alcalin est isolé avec une résine thermoplastique inerte vis-à-vis du métal alcalin. Ces conducteurs isolés permettent de résoudre de nombreux problèmes posés par les conducteurs isolés et d'éviter les inconvénients de ces derniers, par exemple la nécessité de tordre le noyau, la nécessité de protéger le noyau, et l'incapacité à résister à une dégradation. En outre, les nouveaux conducteurs présentent de nombreuses propriétés inattendues comme une grande flexibilité, des propriétés d'allongement et de récupération, et d'excellentes valeurs d'extinction de l'effet couronne. La sécurité dans la fabrication, I'installation et l'usage sont surprenantes en regard de la réactivité du noyau conducteur.
Toutefois, comme l'isolation thermoplastique doit être insérée dans les métaux alcalins fondus, on se trouve limité à une classe particulière de polymères inertes. Il existe certains polymères et compositions polymériques qui réagissent avec les métaux alcalins fondus et ne peuvent par conséquent pas être utilisés, bien qu'étant par ailleurs favorables comme matériaux isolants. Ces polymères et ces compositions comprennent les polymères de fluoréthylène, les polymères de chlorure de vinyle, les polymères de l'acide acrylique, les compositions de caoutchouc naturelles et synthétiques contenant des agents de vulcanisation, aussi bien que les compositions polymériques thermoplastiques contenant des agents de réticulation réactifs. La réactivité de ces polymères et matières polymériques empêche de les utiliser dans les conducteurs en métaux alcalins.
Le conducteur électrique composite objet de la présente invention, selon la revendication I du brevet principal est caractérisé en ce que ladite enveloppe tubulaire contiguë en matière polymère isolante souple comprend une gaine interne, contiguë au métal du noyau, d'une couche d'un polymère d'hydrocarbure définique présentant une perméabilité à la vapeur d'eau inférieure à 186 mg/24h/cm2 et une gaine externe d'une couche d'une composition polymérique isolante réactive vis-à-vis du métal du noyau, ces gaines interne et externe étant unies à leur interface et formant un isolant composite unitaire autour du noyau.
Le procédé de fabrication de ce conducteur, est caractérisé en ce qu'on extrude simultanément deux tubes concentriques fondus en contact continu intime, la gaine interne étant formée d'un polymère d'hydrocarbure oléfinique inerte vis-à-vis du métal alcalin, on remplit simultanément le tube interne du métal alcalin fondu, et on refroidit le tube composite rempli, et en ce qu'on forme la gaine tubulaire interne avec un polymère d'hydrocarbure oléfinique présentant une perméabilité à la vapeur d'eau inférieure à 186 mg/24h/ cm2 et on forme la gaine tubulaire externe avec une composition polymère-isolante réactive vis-à-vis du métal alcalin, la gaine externe étant extrudée avec une épaisseur de paroi supérieure à celle de la gaine interne.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du conducteur objet de l'invention et illustre, également à titre d'exemple, une mise en oeuvre du procédé pour sa fabrication.
La fig. 1 est une coupe de cette forme d'exécution, et
la fig. 2 est une vue d'une installation utilisée pour cette mise en oeuvre.
Le conducteur composite qui va être décrit présente les mêmes propriétés avantageuses que le conducteur décrit dans le brevet principal, notamment: le conducteur alcalin peut être aussi souple que la matière isolante elle-meme, il peut être manié et installé sans danger, et il peut être produit avec un prix de revient inférieur à celui des conducteurs composites utilisant des métaux conventionnels tels que le cuivre et l'aluminium. En outre, le conducteur qui va être décrit permet d'utiliser des compositions polymériques thermoplastiques qui sont réactives vis-à-vis du métal alcalin conducteur, permettant ainsi l'emploi d'une large classe de matériaux interdits jusqu'ici.
Les polymères inertes qui sont employés dans ce conducteur comme couche isolante sont les polymères d'hydrocarbures oléfines et présentent une inertie vis-à-vis du métal alcalin et une perméabilité à l'eau inférieure à 186 mg et de préférence à 31 mg par 24 h par cm2 de surface et par millimètre d'épaisseur. Ces polymères inertes présentent par exemple les propriétés suivantes: résistance à la traction d'au moins 56 kg/cm2 et de préférence au moins 140 kg/cm2, et module de flexion inférieur à 14 000 kg/cm2 et de préférence inférieur à 3500 kg/cm2.
Dans les applications à haute tension, les polymères peuvent en plus présenter une résistance diélectrique supérieure à 18 000 volts/mm et de préférence supérieure à 20 000 volts/mm, un facteur de dissipation inférieure à 0,001-60 hertz et de préférence inférieur à 0,0003-60 hertz, et une constante diélectrique inférieure à 3,0 et de préférence inférieure à 2,5.
Les polymères qui présentent les propriétés indiquées ci-dessus et qui sont par conséquent utilisables dans le cas envisagé ici sont produits, pour autant que cela est connu, seulement par la polymérisation d'un ou plusieurs hydrocarbures mono-oléfiniques contenant de 2-6 atomes de carbone. Parmi ces polymères et copolymères on peut citer les polyéthylènes de densité faible, moyenne ou élevée, ainsi que les copolymères de polypropylène, de polybutène et d'éthylène-hexène, notamment. Ces copolymères peuvent contenir plus de 50 O/o d'éthylène et de propylène ou de butène polymérisés. Ils peuvent cependant contenir moins de 50 O/o d'autres monomères d'hydrocarbures copolymérisés tels que le pentène et l'hexène, par exemple. Il est évident que des mélanges d'au moins 2 de ces polymères et copolymères peuvent être employés.
Les meilleurs résultats à ce jour ont été obtenus avec un polyéthylène présentant les propriétés indiquées plus haut et une densité d'environ 0,91-0,96. Des copolymères particulièrement avantageux sont ceux d'éthylène tels que les copolymères éthylène-propylène et éthylènenéohexène.
Il est évident que les polymères d'hydrocarbures utilisés peuvent contenir des additifs pour modifier leurs propriétés sans détruire pratiquement leurs propriétés d'inertie et de protection. Par exemple, on peut mélanger des matières polymériques polaires, telles que des copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle ou d'éthylène et d'acrylate d'éthyle, avec les polymères d'hydrocarbures cités précédemment pour améliorer leur flexibilité à basse température, leur résistance aux chocs, leur résistance au fendillement sous des efforts, etc. La plupart de ces matières sont ajoutées en quantités allant jusqu'à 4 O/o en poids du polymère d'hydrocarbure, bien qu'on puisse employer des quantités de ces additifs allant jusqu'à 35 O/o du poids du polymère d'hydrocarbure avec de bons résultats.
L'expérience a montré que lorsque la quantité de ces additifs augmente progressivement au-delà de 15 O/o en poids, les additifs tendent à détériorer proportionnellement les propriétés avantageuses du conducteur électrique composite obtenu. D'autres additifs tels que des pigments, des stabilisateurs ou des anti-oxydants peuvent être incorporés aussi par mélange dans les polymères d'hydrocarbures cités sans affecter défavorablement leurs propriétés d'isolation ni les caractéristiques électriques du conducteur. En général, les quantités de ces derniers additifs incorporés dans le polymère d'hydrocarbure sont les quantités utilisées habituellement dans leur usage courant. Il faut noter cependant que ces additifs sont de préférence non-réactifs vis-à-vis du métal alcalin et n'altèrent pas la perméabilité du polymère.
Bien que la résine protectrice puisse être appliquée sous toute épaisseur appropriée pour assurer la protection, vis-à-vis du noyau réactif en métal alcalin, de l'isolation réactive, on a trouvé qu'il est avantageux de former un revêtement d'une épaisseur d'au moins 0,13 mm et de préférence d'au moins 0,4 mm. L'épaisseur maximum du revêtement est déterminée par la dimension du conducteur, l'épaisseur de l'isolant, les propriétés désirées pour le conducteur et l'installation disponible. En général, le revêtement présente une épaisseur inférieure à 1,8 mm.
Les matériaux qui peuvent être utilisés pour former l'isolant principal sont des matières isolantes thermoplastiques polymériques réactives vis-à-vis des métaux alcalins fondus. Parmi ces matériaux on peut citer les polymères contenant des groupes fonctionnels réactifs tels que des groupes habiles halogènes, carboxyles ou hydroxyles par exemple, comme le polyfluoréthylène, l'acide et le chlorure poly-acrylique, etc. On peut également utiliser comme compositions polymériques thermoplastiques réactives des compositions qui sont formées principalement de polymères usuellement nonréactifs ou inertes par rapport aux métaux alcalins, mais qui sont devenues réactives vis-à-vis du métal alcalin, totalement ou partiellement grâce aux additifs ajoutés aux compositions et qui sont réactifs ou qui modifient les compositions de façon qu'elles deviennent réactives.
La nature de ces additifs dépend dans une certaine mesure de la base polymérique utilisée.
Par exemple, on utilise des agents de vulcanisation contenant du soufre réactif dans les compositions de caoutchouc vulcanisables, des plastifiants réactifs dans les compositions polymériques rigides du type vinyle, et des agents de réticulation tels que des peroxydes dans les compositions polymériques oléfiniques.
Les compositions réactives qui peuvent être utilisées comme isolant dans le conducteur composite qui va être décrit sont les compositions thermoplastiques vulcanisables et comprennent les compositions à base de caoutchouc naturel aussi bien que les caoutchoucs synthétiques tels que le styrène-butadiène, les terpolymères éthylène/propylène/diène, les polymères du chloroprène, etc.
Les compositions polymériques réactives comprennent les compositions polymériques oléfiniques thermoplastiques et réactives, capables de réticulation, contenant des agents de réticulation. Ces compositions polymères oléfiniques sont basées de préférence sur les polymères oléfiniques produits par polymérisation de monomères oléfiniques contenant 2 ou 3 atomes de carbone. Parmi ces polymères oléfiniques on peut citer les polymères d'éthylène, comme les homopolymères d'éthylène tels que le polyéthylène de faible densité, et les copolymères d'éthylène tels que le copolymère d'éthylène et d'acétate de vinyle, le copolymère d'éthylène-propylène, le copolymère d'éthylène-butène, le copolymère d'éthylène-néo-hexène, ainsi que le polymère de propylène.
Parmi les agents de réticulation utilisés dans ces compositions réactives vis-à-vis du métal alcalin on compte les peroxydes inorganiques et organiques comme le peroxyde de dibenzyle et le peroxyde di-tertiaire-butyle par exemple; ces agents sont bien connus.
Dans le conducteur qui va être décrit, on préfère employer des compositions de polyéthylène réticulées en utilisant le peroxyde de di-a-cumyle comme agent de réticulation.
Les polymères réactifs présentent de nombreuses propriétés que ne présentent pas les polymères inertes.
Parmi ces propriétés on rencontre la résistance à haute température, a résistance augmentée à l'abrasion, les caractéristiques de flexibilité, etc. Ces propriétés déterminent ordinairement le choix du polymère réactif particulier.
Le conducteur représenté (fig. 1) comprend un noyau 10 en métal alcalin à l'état solide, enfermé dans une couche continue 12 relativement mince d'un polymère d'hydrocarbure inerte flexible, qui est entourée de près par un isolant principal 14 d'un polymère réactif, par exemple un polyéthylène vulcanisable contenant un peroxyde.
Un tel conducteur peut être facilement produit dans des dimensions variées, pratiquement avec le diamètre de noyau et l'épaisseur d'isolation désirés. Une mise en oeuvre du procédé de fabrication est effectuée à l'aide de l'installation représentée schématiquement à la fig. 2. Cette installation est utilisée pour former un conducteur composé de polyéthylène et de sodium choisis à titre d'exemple parmi les polymères d'hydrocarbures et les métaux alcalins qui peuvent être employés, avec du polyéthylène vulcanisable contenant un peroxyde comme isolant princal. Le polyéthylène fondu est amené depuis un appareil d'extrusion 20 à travers un orifice interne annulaire dans une matrice 22, pour former un tube 12 de polyéthylène extrudé.
Le polymère thermoplastique réactif fondu formant l'isolant 14 est amené depuis un dispositif d'extrusion 21 à travers un orifice annulaire externe dans la matrice 22. Quand les deux tubes sont extrudés coaxialement et simultanément, il se forme un tube en couches comportant une surface interne de polyéthylène et une surface externe de polyéthylène vulcanisable contenant un peroxyde. Simultanément à l'extrusion du tube en couches 12, 14, du sodium fondu sous pression est amené depuis une cuve 24 recouverte d'un gaz inerte, à travers un orifice central dans la matrice 22, formant ainsi une tige ou un fil de sodium fondu qui remplit le tube en couches 12, 14 et se solidifie par refroidissement.
Les résines thermoplastiques et le sodium sont extrudés simultanément, de sorte que le polyéthylène résineux de revêtement et le sodium sont à l'état fondu et privés d'air quand ils sont amenés en contact.
Comme l'installation est remplie hydrauliquement et continuellement refroidie, le rétrécissement du métal par refroidissement est compensé par l'arrivée continue de métal fondu. Ce procédé de remplissage et de refroidissement est probablement cause de l'obtention d'un noyau conducteur exempt de cavités.
Les dimensions du conducteur composite obtenu par l'extrusion simultanée dans l'installation de la fig. 2, à savoir- le diamètre de la tige ou du fil de sodium 10 et l'épaisseur du revêtement 12 de polyéthylène et de l'isolant principal 14 peuvent être commandés en réglant un certain nombre de variables indépendantes.
Pour toute section donnée de la matrice, les variables principales sont la température et le débit de la résine fondue, la température et la pression du sodium fondu, et la vitesse de retrait du conducteur composite formé.
En général, le diamètre du fil de sodium 10 augmente avec la pression de sodium et avec la température du sodium ou de la résine. De même, l'épaisseur de la couche inerte 12 et de l'isolant polymérique réactif 14 diminue quand augmentent le diamètre du fil de sodium et la vitesse de retrait du conducteur.
On peut comprendre ainsi que, dans certaines limites, il est possible d'obtenir une variété de conducteurs composites à partir d'une seule matrice d'extrusion en modifiant simplement une ou plusieurs des variables. Le diamètre et l'uniformité du conducteur peuvent être commandés aussi par l'emploi de plateaux de calibrage, ainsi, toutes les dimensions du conducteur composite extrudé peuvent être facilement commandées en réglant une ou plusieurs des variables mentionnées précédemment.
A partir de la matrice 22, le conducteur composite extrudé passe à travers une section de séchage 26 qui peut être remplie d'un gaz inerte tel que l'azote. Ce gaz empêche que la matrice soit refroidie par le réfrigérant et constitue une mesure de sécurité dans le cas d'une rupture de l'isolant composite 12, 14 au cours de l'extrusion. La section de séchage peut comporter un couvercle transparent ou une fenêtre pour permettre d'observer le déroulement de l'extrusion.
Depuis la section 26, le conducteur passe à travers un bain 28 de liquide de refroidissement destiné à durcir l'isolant composite 12, 14 et à solidifier le fil de sodium 10. Le liquide de refroidissement est de préférence une huile ou un autre liquide inerte à la fois vis-à-vis du sodium et de l'isolant. L'emploi d'une huile comme réfrigérant est une précaution de sécurité dans le cas où une rupture se produirait dans l'isolant 12, 14. La température du bain de refroidissement peut être réglée pour assurer un refroidissement adéquat selon la température d'extrusion, la longueur du bain, la dimension du conducteur, sa vitesse de retrait, etc. Il est évident que la cuve 28 peut être remplacée par tout autre moyen de refroidissement, par exemple par un dispositif de refroidissement agencée pour s'ajuster sur le conducteur.
Pendant le démarrage du procédé illustré par la fig. 2, les matériaux termoplastiques provenant des dispositifs d'extrusion sont initalement extrudés sans le sodium fondu jusqu'à ce que le débit d'extrusion et d'autres conditions de fonctionnement aient été établis et stabilisés. Pendant la période de démarrage, l'isolant thermoplastique composite 12, 14 peut s'affaisser librement quand il sort de l'orifice annulaire de la matrice, formant ainsi une tige solide ou presque solide, ou il peut être maintenu sous forme de tube en envoyant un gaz sous pression à travers l'orifice central de la matrice. Après que les conditions désirées ont été établies, un courant de sodium fondu est envoyé dans l'isolant inerte.
Il est important que le sodium fondu soit continuellement enfermé dans la matrice 22 et le revêtement interne 12 pendant l'extrusion pour obtenir une liaison ferme entre le noyau conducteur et l'isolant.
Une propriété particulière du conducteur électrique décrit est la valeur de l'adhérence du noyau conducteur à la surface interne du revêtement thermoplastique inerte. Si la résine de revêtement et la résine d'isolation principale sont choisies de façon à être compatibles, on peut obtenir un haut degré d'adhésion entre le revêtement et l'isolant principal. C'est ainsi, par exemple, que le noyau de sodium du conducteur préparé de la façon illustrée par la fig. 2 ne peut être tiré hors ou à travers du revêtement environné de polyéthylène. De même, une flexion ou une traction très énergique ne permet pas de séparer l'isolant principal du revêtement, quand on utilise un polyéthylène de faible densité comme revêtement et un polyéthylène de faible densité et contenant un peroxyde comme isolant principal.
Les raisons pour lesquelles le conducteur électrique décrit présente une adhérence unique entre le noyau de métal alcalin et le revêtement de polymère d'hydrocarbure ne sont pas complètement connues ni complètement comprises. L'examen visuel de sections droites du conducteur et les essais de couronne montrent que l'interface entre le noyau de métal alcalin et le revêtement de polymère d'hydrocarbure est exempte de vides. Bien que l'observation et les essais montrent que la surface externe du noyau de métal alcalin et la surface interne de l'enveloppe de polymère sont en contact intime et apparemment continu, ce fait n'explique pas entièrement les particularités uniques et les propriétés remarquables du conducteur décrit.
On peut remarquer que lorsque une composition de caoutchouc vulcanisable ou une composition de résine vulcanisable, c'est-à-dire réticulée, est utilisée comme isolant principal, un stade de vulcanisation supplémentaire doit être prévu. Ces traitements peuvent être effectués comme la vulcanisation ou la réticulation de la couche externe de polymère. Dans le cas de polyéthylène contenant un peroxyde ou de caoutchouc contenant du soufre, par exemple, le conducteur composite extrudé doit être soumis à la chaleur pour réticuler ou vulcaniser l'isolant. Ce stade est conduit à une température suffisamment élevée pour effectuer la réaction.
Dans le cas d'une composition de polyéthylène contenant du peroxyde de dicumyle, un chauffage du conducteur composite à une température d'environ 190 C pendant une période de 10-30 minutes est ordinairement suffisante pour effectuer la vulcanisation sans affecter défavorablement le conducteur.
Quand l'isolant principal est simplement réactif, comme dans le cas des polymères de chlorure de polyvinyle ou contenant un acide carboxylique, il est évident qu'aucun post-traitement n'est ordinairement nécessaire. La résine du revêtement et l'isolant principal doivent être choisis en fonction de l'usage particulier envisagé pour le conducteur. Par exemple, si le conducteur doit être utilisé dans des applications à haute tension, le choix de la résine d'isolation principale doit être fait en fonction des données électriques. En outre, le revêtement et l'isolant principal doivent être choisis en fonction de leur compatibilité et de la similarité de leurs coefficients de dilatation pour que la couche de polymère adhère et soit exempte de vides.
Quand le conducteur doit être utilisé dans des applications à tension relativement basse, les propriétés électriques et les matériaux polymériques ainsi que leur compatibilité ont moins d'importance.
Il est donné ci-après un exemple de mise en oeuvre du procédé permettant une comparaison avec les conducteurs et les matériaux connus.
Les résines utilisées dans cet exemple et leurs pro priétés sont les suivantes:
polymère de revêtement inerte (résine A):
polymère polyéthylène
poids spécifique 0,92 g/cmg
indice de fusion
(A. S. T. M. D-1238) 0,2 dg/min
résistance à la traction
(A. S. T. M. D;412) 169 kg/cm2
module de flexion à 0 C
(A. S. T. M. Dol790) 3023 kg/cm2
perméabilité à l'humidité
(A. S. T.
M. Ec96-53T/
Procédé E) 87 mgl2Ah-cm2-mm
stabilisateur du commerce 0,05-0,2 0/(1
Polymère isolant principal réactif (résine B):
polymère polyéthylène
poids spécifique 0,92 g/cmt
indice de fusion
résistance à la traction 155 kg/cm2
module de flexion à 250 C 1265 kg/cm2
perméabilité à l'humidité 87 mg/24h-cm2-mm
composant réactif peroxyde de dicamyle
stabilisateur du commerce 0,1 à 0,5 /o
Exemple
On utilise l'appareil représenté à la fig. 2.
Une matrice annulaire à trois canaux est montée entre deux dispositifs d'extrusion opposés, l'un de ces dispositifs, 21, alimentant l'anneau externe de la matrice et l'autre, 20, l'anneau interne. Un réservoir de sodium est relié par un tuyau isolé au canal central de la matrice, le sodium descendant par son propre poids.
Le dispositif d'extrusion 20 pour le revêtement est chargé de résine A et le dispositif d'extrusion 21 pour l'isolant principal est chargé de résine B. La résine B est chauffée à une température d'extrusion de 1650 C et la résine A à une température d'extrusion de 150"C. Le sodium métallique est chauffé pour atteindre une température de 1600 C à une pression de 68,6 cm de sodium. Les résines A et B sont extrudées simultanément à l'état fondu pour produire un tube en couches dans lequel le sodium est extrudé à travers le canal central de la matrice à un débit suffisant pour remplir le tube de façon continue. Le sodium fondu est en contact immédiat avec la résine fondue A quand le tube rempli quitte la matrice. Le tube composé empli de sodium est refroidi par passage à travers un bain d'huile à la température ambiante. La vitesse de retrait est de 106 cm/min.
Le conducteur est produit de façon continue par extrusion simultanée jusqu'à ce que la longueur désirée ait été produite. Des segments du conducteur sont coupés comme échantillon et examinés. Les surfaces du conducteur sont unies et présentent une bonne apparence générale. Un examen de sections droites et longitudinales fraîchement coupées ne révèle aucun vide et montre une structure uniforme et une excellente adhérence du sodium au revêtement de polyéthylène (résine A). La résine B est thermoplastique et n'est pas vulcanisée pendant l'extrusion.
Pour vulcaniser la couche externe de résine B, on maintient le conducteur ainsi formé dans un four à une température de 1900 C pendant dix minutes environ.
De la même façon, on peut produire un conducteur en utilisant d'autres matériaux thermoplastiques qui sont réactifs vis-à-vis du sodium, comme le chlorure de polyvinyle plastifié ou des compositions de caoutchouc vulcanisables, en les substituant à la résine B. On peut employer aussi d'autres matériaux de revêtement inertes vis-à-vis du sodium, comme le polypropylène, le poly-néo-hexène, le copolymère éthylène-néo-hexène par exemple, simplement en les substituant à la résine
A.
Le conducteur produit dans cet exemple a les dimensions suivantes: diamètre externe 11,5 mm, diamètre du sodium 7,3 mm, épaisseur de la résine A 0,38 mm.
REVENDICATION I
Conducteur électrique composite selon la revendication I du brevet principal, caractérisé en ce que ladite enveloppe tubulaire contiguë au métal du noyau, d'une couche d'un polymère d'hydrocarbure oléfinique présentant une perméabilité à la vapeur d'eau inférieure à 186 mg/24h/cm2 et une gaine externe d'une couche d'une composition polymérique isolante réactive vis-àvis du métal du noyau, ces gaines interne et externe étant unies à leur interface et formant un isolant composite unitaire autour du noyau.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine externe est faite d'une composition polymère oléfinique vulcanisable.
2. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine externe est faite d'une composition de polyéthylène contenant un peroxyde.
3. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine externe est faite d'une composition de caoutchouc vulcanisable.
4. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine externe est faite d'une composition de chlorure de polyvinyle.
5. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine externe est faite d'une composition polymérique vulcanisée.
6. Conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce que la gaine interne présente une épaisseur comprise entre 0,13 et 1,8 mm.
REVENDICATION II
Procédé de fabrication du conducteur selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on extrude simultanément deux gaines tubulaires concentriques fondues en contact continu intime, la gaine interne étant formée d'un polymère d'hydrocarbure oléfinique inerte vis-à-vis du métal alcalin, on remplit simultanément le tube interne du métal alcalin fondu, et on refroidit le tube composite rempli, et en ce qu'on forme la gaine tubulaire interne avec un polymère d'hydrocarbure oléfinique présentant une perméabilité à la vapeur d'eau inférieur à 186 mg/24h/cm2, et on forme la gaine tubulaire externe avec une composition polymère isolante réactive vis-à-vis du métal alcalin, la gaine externe étant extrudée avec une épaisseur de paroi supérieure à celle de la gaine interne.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Additional patent subject to main patent No. 442,454
Composite electrical conductor and method for its manufacture
The present invention relates to a composite electrical conductor and a process for the manufacture of this conductor. It relates more particularly to electrical conductors using alkali metals as conductive core.
In main patent No. 442,454 is disclosed a process for making insulated electrical conductors, in which an alkali metal conductive core is insulated with a thermoplastic resin inert to the alkali metal. These insulated conductors make it possible to solve many problems posed by insulated conductors and to avoid the disadvantages of the latter, for example the need to bend the core, the need to protect the core, and the inability to resist degradation. In addition, the new conductors exhibit many unexpected properties such as high flexibility, elongation and recovery properties, and excellent corona extinction values. The safety in manufacture, installation and use is surprising in view of the responsiveness of the conductive core.
However, since thermoplastic insulation must be embedded in molten alkali metals, one is limited to a particular class of inert polymers. There are certain polymers and polymeric compositions which react with molten alkali metals and therefore cannot be used, although they are otherwise favorable as insulating materials. These polymers and compositions include polymers of fluorethylene, polymers of vinyl chloride, polymers of acrylic acid, natural and synthetic rubber compositions containing vulcanizing agents, as well as thermoplastic polymeric compositions containing vulcanizing agents. crosslinking reagents. The reactivity of these polymers and polymeric materials precludes their use in alkali metal conductors.
The composite electrical conductor which is the subject of the present invention, according to claim I of the main patent, is characterized in that said contiguous tubular envelope of flexible insulating polymer material comprises an internal sheath, contiguous to the metal of the core, of a layer of a polymer definite hydrocarbon having a permeability to water vapor of less than 186 mg / 24h / cm2 and an outer sheath of a layer of an insulating polymeric composition reactive with respect to the metal of the core, these inner sheaths and external being united at their interface and forming a unitary composite insulator around the core.
The process for manufacturing this conductor is characterized in that two fused concentric tubes are simultaneously extruded in intimate continuous contact, the internal sheath being formed of an olefinic hydrocarbon polymer inert with respect to the alkali metal, one simultaneously filling the inner tube with molten alkali metal, and cooling the filled composite tube, and forming the inner tubular sheath with an olefinic hydrocarbon polymer having a water vapor permeability of less than 186 mg / 24 hours / cm 2 and the outer tubular sheath is formed with a polymer-insulating composition reactive with respect to the alkali metal, the outer sheath being extruded with a wall thickness greater than that of the inner sheath.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the conductor which is the subject of the invention and illustrates, also by way of example, an implementation of the method for its manufacture.
Fig. 1 is a section of this embodiment, and
fig. 2 is a view of an installation used for this implementation.
The composite conductor which will be described has the same advantageous properties as the conductor described in the main patent, in particular: the alkaline conductor can be as flexible as the insulating material itself, it can be handled and installed without danger, and it can be produced at a lower cost price than composite conductors using conventional metals such as copper and aluminum. In addition, the conductor which will be described allows the use of thermoplastic polymeric compositions which are reactive with the conductive alkali metal, thus allowing the use of a wide class of materials prohibited heretofore.
The inert polymers which are used in this conductor as an insulating layer are the polymers of olefin hydrocarbons and exhibit an inertia towards the alkali metal and a water permeability of less than 186 mg and preferably 31 mg per 24 h per cm2 of surface and per millimeter of thickness. These inert polymers exhibit, for example, the following properties: tensile strength of at least 56 kg / cm2 and preferably at least 140 kg / cm2, and flexural modulus less than 14,000 kg / cm2 and preferably less than 3500 kg / cm2.
In high voltage applications, the polymers may additionally exhibit a dielectric strength greater than 18,000 volts / mm and preferably greater than 20,000 volts / mm, a dissipation factor of less than 0.001-60 hertz and preferably less than 0 , 0003-60 hertz, and a dielectric constant of less than 3.0 and preferably less than 2.5.
Polymers which exhibit the properties indicated above and which are therefore usable in the case contemplated here are produced, as far as is known, only by the polymerization of one or more mono-olefinic hydrocarbons containing 2-6 atoms. of carbon. Among these polymers and copolymers, mention may be made of low, medium or high density polyethylenes, as well as copolymers of polypropylene, of polybutene and of ethylene-hexene, in particular. These copolymers may contain more than 50 O / o of polymerized ethylene and propylene or butene. They may, however, contain less than 50 O / o of other copolymerized hydrocarbon monomers such as pentene and hexene, for example. It is obvious that mixtures of at least 2 of these polymers and copolymers can be used.
The best results to date have been obtained with a polyethylene exhibiting the properties indicated above and a density of approximately 0.91-0.96. Particularly advantageous copolymers are those of ethylene such as the ethylene-propylene and ethyleneeneohexene copolymers.
It is obvious that the hydrocarbon polymers used can contain additives to modify their properties without practically destroying their inertia and protective properties. For example, polar polymeric materials, such as copolymers of ethylene and vinyl acetate or ethylene and ethyl acrylate, can be mixed with the hydrocarbon polymers mentioned above to improve their flexibility at low temperatures. temperature, impact resistance, resistance to cracking under stress, etc. Most of these materials are added in amounts up to 40% by weight of the hydrocarbon polymer, although amounts of these additives up to 35% by weight of the polymer can be employed. hydrocarbon with good results.
Experience has shown that when the amount of these additives gradually increases beyond 15 O / o by weight, the additives tend to proportionally deteriorate the advantageous properties of the composite electrical conductor obtained. Other additives such as pigments, stabilizers or anti-oxidants can also be incorporated by mixing into the hydrocarbon polymers mentioned without adversely affecting their insulation properties or the electrical characteristics of the conductor. In general, the amounts of these latter additives incorporated into the hydrocarbon polymer are the amounts usually used in their current use. It should be noted, however, that these additives are preferably non-reactive with respect to the alkali metal and do not alter the permeability of the polymer.
Although the protective resin can be applied in any suitable thickness to provide protection against the reactive alkali metal core of the reactive insulation, it has been found advantageous to form a coating of thickness of at least 0.13 mm and preferably at least 0.4 mm. The maximum coating thickness is determined by the size of the conductor, the thickness of the insulation, the properties desired for the conductor and the available installation. In general, the coating has a thickness of less than 1.8 mm.
The materials which can be used to form the primary insulation are polymeric thermoplastic insulating materials reactive with molten alkali metals. Among these materials, mention may be made of polymers containing reactive functional groups such as skilled halogen, carboxyl or hydroxyl groups, for example, such as polyfluoroethylene, polyacrylic acid and chloride, etc. It is also possible to use, as reactive thermoplastic polymeric compositions, compositions which are formed mainly from polymers which are usually non-reactive or inert with respect to the alkali metals, but which have become reactive with respect to the alkali metal, totally or partially thanks to the additives added to the compositions. and which are reactive or which modify the compositions so that they become reactive.
The nature of these additives depends to some extent on the polymer base used.
For example, vulcanizing agents containing reactive sulfur are used in vulcanizable rubber compositions, reactive plasticizers in rigid vinyl-type polymer compositions, and crosslinking agents such as peroxides in olefinic polymer compositions.
The reactive compositions which can be used as an insulator in the composite conductor which will be described are the vulcanizable thermoplastic compositions and include the compositions based on natural rubber as well as synthetic rubbers such as styrene-butadiene, ethylene / propylene / terpolymers. diene, polymers of chloroprene, etc.
Reactive polymeric compositions include thermoplastic and reactive olefinic polymeric compositions capable of crosslinking containing crosslinking agents. These olefinic polymer compositions are preferably based on the olefinic polymers produced by polymerization of olefinic monomers containing 2 or 3 carbon atoms. Among these olefinic polymers, mention may be made of ethylene polymers, such as ethylene homopolymers such as low density polyethylene, and ethylene copolymers such as the copolymer of ethylene and vinyl acetate, the copolymer of ethylene-propylene, ethylene-butene copolymer, ethylene-neo-hexene copolymer, as well as the polymer of propylene.
Among the crosslinking agents used in these reactive compositions with respect to the alkali metal, there are inorganic and organic peroxides such as dibenzyl peroxide and di-tertiary-butyl peroxide, for example; these agents are well known.
In the conductor to be described, it is preferred to employ polyethylene compositions crosslinked using di-α-cumyl peroxide as the crosslinking agent.
Reactive polymers exhibit many properties that inert polymers do not.
Among these properties are high temperature resistance, increased abrasion resistance, flexibility characteristics, etc. These properties usually determine the choice of the particular reactive polymer.
The conductor shown (Fig. 1) comprises a solid state alkali metal core 10, enclosed in a relatively thin continuous layer 12 of a flexible inert hydrocarbon polymer, which is closely surrounded by a primary insulator 14 d. a reactive polymer, for example a vulcanizable polyethylene containing a peroxide.
Such a conductor can easily be produced in a variety of sizes, virtually with the desired core diameter and insulation thickness. An implementation of the manufacturing process is carried out using the installation shown schematically in FIG. 2. This installation is used to form a conductor composed of polyethylene and sodium chosen by way of example from hydrocarbon polymers and alkali metals which can be used, with vulcanizable polyethylene containing a peroxide as the main insulator. Molten polyethylene is fed from an extrusion apparatus 20 through an annular internal hole in a die 22, to form a tube 12 of extruded polyethylene.
The molten reactive thermoplastic polymer forming the insulator 14 is fed from an extrusion device 21 through an outer annular hole in the die 22. When the two tubes are extruded coaxially and simultaneously, a layered tube is formed with a surface. inner polyethylene and an outer surface of vulcanizable polyethylene containing peroxide. Simultaneously with the extrusion of the layered tube 12, 14, molten sodium under pressure is fed from a vessel 24 covered with an inert gas, through a central orifice in the die 22, thus forming a rod or a sodium wire. melt which fills the tube in layers 12, 14 and solidifies on cooling.
The thermoplastic resins and the sodium are extruded simultaneously, so that the resinous polyethylene coating and the sodium are in the molten state and deprived of air when brought into contact.
As the plant is hydraulically filled and continuously cooled, the shrinkage of the metal by cooling is compensated by the continuous inflow of molten metal. This filling and cooling process is probably the cause of obtaining a conductive core free of cavities.
The dimensions of the composite conductor obtained by the simultaneous extrusion in the installation of FIG. 2, namely, the diameter of the sodium rod or wire 10 and the thickness of the polyethylene coating 12 and the main insulation 14 can be controlled by adjusting a number of independent variables.
For any given section of the matrix, the main variables are the temperature and flow rate of the molten resin, the temperature and pressure of the molten sodium, and the rate of withdrawal of the composite conductor formed.
In general, the diameter of the sodium wire 10 increases with the sodium pressure and with the temperature of the sodium or resin. Likewise, the thickness of the inert layer 12 and of the reactive polymeric insulator 14 decreases as the diameter of the sodium wire and the rate of withdrawal of the conductor increase.
It can thus be understood that, within certain limits, it is possible to obtain a variety of composite conductors from a single extrusion die by simply modifying one or more of the variables. The diameter and uniformity of the conductor can also be controlled by the use of sizing plates, thus, all dimensions of the extruded composite conductor can be easily controlled by adjusting one or more of the variables mentioned above.
From die 22, the extruded composite conductor passes through a drying section 26 which may be filled with an inert gas such as nitrogen. This gas prevents the die from being cooled by the refrigerant and is a safety measure in the event of rupture of the composite insulation 12, 14 during extrusion. The drying section may have a transparent cover or a window for observing the progress of the extrusion.
From section 26, the conductor passes through a bath 28 of coolant to harden the composite insulation 12, 14 and solidify the sodium wire 10. The coolant is preferably an oil or other inert liquid. both vis-à-vis the sodium and the insulator. The use of oil as a coolant is a safety precaution in the event that a break occurs in the insulation 12, 14. The temperature of the cooling bath can be adjusted to ensure adequate cooling according to the extrusion temperature. , the length of the bath, the size of the conductor, its withdrawal speed, etc. It is obvious that the tank 28 can be replaced by any other cooling means, for example by a cooling device arranged to fit on the conductor.
During the start of the process illustrated in fig. 2, the thermoplastic materials from the extruders are initially extruded without the molten sodium until the extrusion rate and other operating conditions have been established and stabilized. During the start-up period, the composite thermoplastic insulation 12, 14 can sag freely as it exits the annular hole in the die, thereby forming a solid or nearly solid rod, or it can be held in the form of a tube. sending pressurized gas through the central orifice of the die. After the desired conditions have been established, a stream of molten sodium is passed through the inert insulator.
It is important that molten sodium is continuously enclosed in die 22 and inner liner 12 during extrusion to achieve a firm bond between the conductive core and the insulator.
A particular property of the electrical conductor described is the value of the adhesion of the conductive core to the inner surface of the inert thermoplastic coating. If the coating resin and the main insulation resin are chosen so as to be compatible, a high degree of adhesion can be obtained between the coating and the main insulation. Thus, for example, the sodium core of the conductor prepared in the manner illustrated in FIG. 2 cannot be pulled out or through the coating surrounded by polyethylene. Likewise, a very forceful bending or pulling does not allow the main insulation to be separated from the covering, when a low density polyethylene is used as the covering and a low density polyethylene containing a peroxide as the main insulation.
The reasons why the disclosed electrical conductor exhibits a unique adhesion between the alkali metal core and the hydrocarbon polymer coating are not fully known or fully understood. Visual examination of conductor cross sections and crown tests show that the interface between the alkali metal core and the hydrocarbon polymer coating is free of voids. Although observation and testing shows that the outer surface of the alkali metal core and the inner surface of the polymer shell are in intimate and apparently continuous contact, this fact does not fully explain the unique features and remarkable properties. of the described conductor.
It can be noted that when a vulcanizable rubber composition or a vulcanizable, i.e., crosslinked resin composition is used as the main insulator, an additional vulcanization step should be provided. These treatments can be carried out such as vulcanization or crosslinking of the outer polymer layer. In the case of polyethylene containing peroxide or rubber containing sulfur, for example, the extruded composite conductor must be subjected to heat to crosslink or vulcanize the insulation. This step is carried out at a temperature high enough to effect the reaction.
In the case of a polyethylene composition containing dicumyl peroxide, heating the composite conductor at a temperature of about 190 C for a period of 10-30 minutes is usually sufficient to effect vulcanization without adversely affecting the conductor.
When the primary insulation is merely reactive, as in the case of polyvinyl chloride or carboxylic acid containing polymers, it is evident that no post-treatment is ordinarily required. The coating resin and primary insulation should be selected based on the particular use envisioned for the conductor. For example, if the conductor is to be used in high voltage applications, the choice of primary insulation resin should be made based on the electrical data. Further, the coating and the primary insulation should be chosen based on their compatibility and similarity in their coefficients of expansion so that the polymer layer adheres and is void-free.
When the conductor is to be used in relatively low voltage applications, the electrical properties and polymeric materials as well as their compatibility are less important.
An example of implementation of the method is given below allowing a comparison with known conductors and materials.
The resins used in this example and their properties are as follows:
inert coating polymer (resin A):
polyethylene polymer
specific gravity 0.92 g / cmg
fusion index
(A. S. T. M. D-1238) 0.2 dg / min
tensile strength
(A. S. T. M. D; 412) 169 kg / cm2
flexural modulus at 0 C
(A. S. T. M. Dol790) 3023 kg / cm2
moisture permeability
(A. S. T.
M. Ec96-53T /
Method E) 87 mgl2Ah-cm2-mm
trade stabilizer 0.05-0.2 0 / (1
Main reactive insulating polymer (resin B):
polyethylene polymer
specific gravity 0.92 g / cmt
fusion index
tensile strength 155 kg / cm2
flexural modulus at 250 C 1265 kg / cm2
moisture permeability 87 mg / 24h-cm2-mm
dicamyl peroxide reactive component
commercial stabilizer 0.1 to 0.5 / o
Example
The apparatus shown in FIG. 2.
A three-channel annular die is mounted between two opposing extrusion devices, one of these devices, 21, feeding the outer ring of the die and the other, 20, the inner ring. A sodium reservoir is connected by an insulated pipe to the central channel of the matrix, the sodium descending by its own weight.
The extrusion device 20 for the coating is loaded with resin A and the extruder 21 for the main insulation is loaded with resin B. The resin B is heated to an extrusion temperature of 1650 C and the resin A at an extrusion temperature of 150 ° C. The metallic sodium is heated to reach a temperature of 1600 C at a pressure of 68.6 cm of sodium. Resins A and B are extruded simultaneously in the molten state to produce a layered tube in which sodium is extruded through the central die channel at a rate sufficient to continuously fill the tube. Molten sodium is in immediate contact with molten resin A as the filled tube leaves the die. Compound tube filled with sodium was cooled by passing through an oil bath at room temperature, the withdrawal rate was 106 cm / min.
The conductor is produced continuously by simultaneous extrusion until the desired length has been produced. Segments of the conductor are cut as a sample and examined. The conductor surfaces are smooth and have a good overall appearance. Examination of freshly cut straight and longitudinal sections reveals no voids and shows a uniform structure and excellent sodium adhesion to the polyethylene coating (Resin A). Resin B is thermoplastic and is not vulcanized during extrusion.
To vulcanize the outer layer of resin B, the conductor thus formed is maintained in an oven at a temperature of 1900 ° C. for approximately ten minutes.
Likewise, one can produce a conductor using other thermoplastic materials which are reactive with sodium, such as plasticized polyvinyl chloride or vulcanizable rubber compositions, substituting them for resin B. can also use other coating materials inert towards sodium, such as polypropylene, poly-neo-hexene, ethylene-neo-hexene copolymer for example, simply by substituting them for the resin
AT.
The conductor produced in this example has the following dimensions: outer diameter 11.5mm, sodium diameter 7.3mm, resin thickness A 0.38mm.
CLAIM I
Composite electrical conductor according to claim I of the main patent, characterized in that said tubular envelope contiguous with the metal of the core, of a layer of an olefinic hydrocarbon polymer having a water vapor permeability of less than 186 mg / 24h / cm2 and an outer sheath of a layer of an insulating polymeric composition reactive with respect to the metal of the core, these inner and outer sheaths being united at their interface and forming a unitary composite insulator around the core.
SUB-CLAIMS
1. Conductor according to claim I, characterized in that the outer sheath is made of a vulcanizable olefinic polymer composition.
2. Conductor according to claim I, characterized in that the outer sheath is made of a polyethylene composition containing a peroxide.
3. Conductor according to claim I, characterized in that the outer sheath is made of a vulcanizable rubber composition.
4. Conductor according to claim I, characterized in that the outer sheath is made of a composition of polyvinyl chloride.
5. Conductor according to claim I, characterized in that the outer sheath is made of a vulcanized polymeric composition.
6. Conductor according to claim I, characterized in that the internal sheath has a thickness between 0.13 and 1.8 mm.
CLAIM II
Process for manufacturing the conductor according to claim I, characterized in that two concentric tubular sheaths melted in intimate continuous contact are extruded simultaneously, the internal sheath being formed of an olefinic hydrocarbon polymer inert towards the alkali metal , simultaneously filling the inner tube with the molten alkali metal, and cooling the filled composite tube, and forming the inner tubular sheath with an olefinic hydrocarbon polymer having a water vapor permeability of less than 186 mg / 24h / cm2, and the outer tubular sheath is formed with an insulating polymer composition reactive towards the alkali metal, the outer sheath being extruded with a wall thickness greater than that of the inner sheath.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.