CN111263968A - 具有改进的热塑性绝缘层的电缆 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于高电压应用的电缆,其包含被电绝缘层包围的芯,该电绝缘层由基于热塑性聚合物材料的组合物制成,该热塑性聚合物材料以相对于绝缘组合物的重量至多20wt%的量装载有氮化硼粉末,该氮化硼粉末具有至多15μm的粒度分布D50。这样的电缆具有改进的热导率性能以及良好的介电电阻和可工作性、特别是通过挤出工艺的可工作性。

Description

具有改进的热塑性绝缘层的电缆
应用领域
本公开内容涉及一种具有改进的热塑性绝缘层的电缆。
特别是,本公开内容涉及一种用于传输或分配中电压(MV)或高电压(HV)电能的电缆,其包含由基于具有高热导率的热塑性聚合物材料的组合物制成的电绝缘层。
现有技术
聚丙烯可以产生重要的耐热性。这种特性在具有基于热塑性聚丙烯材料的绝缘层的电缆中、尤其是在高电压电缆的情况下可以是挑战性的,因为它可以将导体的电流等级限制到显著的程度。另外,当电缆、尤其是高电压直流电缆处于张力下并且电应力高于阈值时,阻性电流可以通过绝缘层并且产生被聚丙烯绝缘材料很差地耗散的热,这归因于其低热导率。此外,在导体中产生并且没有被低热导率绝缘材料耗散的热可以降低聚合物材料的电阻率,引起电泄漏和导致热不稳定性。
例如US3700597所报告的,氮化硼(化学式BN)具有不寻常的性能组合,这表现在它可以用作电绝缘体,并且它仍然是优异的热导体。BN以各种等电子的结晶形式存在,在该等电子的结晶形式中用于工业应用的主要形式包括类似于石墨的六边形形式(称作h-BN),和类似于金刚石的立方体形式(称作c-BN)。
氮化硼因此可以有效增加聚合物材料的热导率,但是这样的增加可以伴随着介电电阻的下降。BN的介电常数(在1MHz下,ε=4.0÷4.4)是用作绝缘材料的热塑性聚合物的介电常数的二倍,并且这可以损害它们的电绝缘性能。另外,氮化硼可以显著增加用于制造电缆层的聚合共混物的粘度和如被引入到聚合共混物中的氮化硼填料的量增加一样程度地难以被挤出。
US2015/0228376公开了一种电缆,其包括被覆盖层包围的导体。该覆盖层由热塑性硫化组合物(TPV)形成,该热塑性硫化组合物(TPV)包括约20%至约90%的连续相和约10%至约80%的分散相。连续相包括热塑性聚烯烃,和分散相包括至少部分交联的弹性体聚合物。TPV组合物还可以包括加工助剂添加剂,该加工助剂添加剂继而可以包括介电流体。TPV组合物可以进一步包括填料如氮化硼。没有提供关于氮化硼使用的另外的指示。
WO2013/104859公开了一种电绝缘复合材料,其具有大于1010Ωm的电阻率,特征在于所述复合材料由相对于所述复合材料总重量的重量百分比的以下各项组成:至少45%的半结晶和热塑性(共)聚合物的基质;在20%-54.5%之间的h-BN填料,其具有在10μm-45μm之间的平均粒度D50;和在0.5%-5%之间的偶联剂。基质的(共)聚合物可以尤其选自聚酰胺、聚苯硫醚和聚丙烯。该测试涉及PPS(聚苯砜)和聚酰胺PA12聚合物,并且指示具有低浓度的氮化硼(20%)的组合物中热导率的改进通过加入偶联剂而获得。没有给出关于该测试中所用的氮化硼的D50的指示。
EP1702907公开了一种聚合物组合物,其包含至少35重量%的涂覆有0.5-5wt%的锆酸酯偶联剂的氮化硼(BN)粉末,和一种增加聚合组合物的热导率的方法。在其中BN粉末打算用作聚合物复合材料中的填料的应用中,10-40vol%的BN粉末表现出约5-25微米(μm)的平均粒度;约60-90vol%的颗粒表现出约40-80微米的平均粒度。聚合物混合物中的热导率数据使用硅树脂来提供,该硅树脂装载有70%的平均粒度为45-12微米的BN的混合物。
Reading M.等的公开文献Electrical Insulation and Dielectric Phenomena(CEIDP),2011Annual Report Conference,2011年10月16-19日,显示了使用10重量%负载量的氮化硼填料的标准环氧体系的电绝缘和热导率性能的改进。在固化的环氧树脂中测试的氮化硼填料具有0.4-45μm的粒度范围,量是10wt%。热导率的评级与粒度无关。
本公开内容之下的技术问题是提供一种电缆、特别是中或高电压电缆,其包含由热塑性聚合物材料、特别是聚丙烯材料制成的电绝缘层,具有改进的热导率以及保持合适的介电电阻和可工作性、特别是通过挤出工艺的可工作性。
上述现有技术没有提供清晰的指示。在不同的材料上进行的测试表明应当将大量的氮化硼(大于25wt%)加入至聚合物基质,但是本申请人的经验是相对于热塑性组合物总重量大于20wt%的氮化硼量不能被方便地挤出以形成电缆的绝缘层。另外,大量的氮化硼可以损害绝缘层的介电性能。
关于氮化硼粒度,教导是相当混乱的,并且没有提供关于氮化硼的粒度的效果的指示。
概述
本申请人已经发现通过将D50粒度等于或低于15μm的氮化硼加入至电缆绝缘层的热塑性材料,改进了这种材料的热导率,而不损害其介电特征。
这允许增强热塑性聚合绝缘涂层的电阻率在电流温度和电应力下是稳定的阈值。结果,还可以改进电缆包覆的电绝缘性、特别是关于介电击穿强度,这有利地允许根据本公开内容的电缆在高达600kV的电压下运行,而不引起电泄漏和/或热不稳定性。
这样有利的效果通过加入有限量的具有上述粒度的氮化硼来获得,甚至在不存在任何偶联剂的情况下也是如此。
详述
在第一实施方案中,本公开内容涉及一种电缆,其包含被电绝缘层包围的芯,该电绝缘层由基于热塑性聚合物材料的组合物制成,该热塑性聚合物材料以相对于绝缘组合物的重量至多20wt%的量装载有氮化硼粉末,该氮化硼粉末具有至多15μm的粒度分布D50。
为了本说明书及其后的权利要求的目的,除了另有指示的地方之外,表达量、数量、百分比等的所有数字被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。同样,所有范围包括所公开的最大点和最小点的任意组合,并且包括其中的任何中间范围,该中间范围可以在本文中具体列举或可以不在本文中具体列举。
在本说明书和随后的权利要求中,用“芯”表示通常由金属材料如铝、铜或其复合材料制成的电导体,其或是作为棒或是作为多股绞合线,或以上涂覆有半导体层的导体。任选地,在电导体为多股绞合线形式的情况下,填充材料存在于金属丝中以避免可以渗透到电缆导体内的水或湿气的传播。
为了本说明书的目的,术语“中电压”表示1-35kV的电压,和术语“高电压”表示高于35kV的电压。
用“电绝缘层”表示由这样的材料制成的层,该材料具有电绝缘性能,即具有至少5kV/mm、优选大于10kV/mm的介电刚度(介电击穿强度)。
在一种实施方案中,本公开内容的电缆的电绝缘层与电缆芯的半导体层(也称作“内半导体层”)直接接触。
在一些实施方案中,本公开内容的电缆的电绝缘层被外半导体层包围和与之直接接触。
本公开内容的电绝缘层可以具有至少3mm、例如至少12mm的厚度。绝缘层的厚度取决于电缆打算承载的电压和电缆的整体结构(导体组合物和配置,用于绝缘层的材料种类等)。
在本说明书和附加的权利要求中,用“粒度分布D50”表示累积分布中50%处的粒径值。例如,如果D50=15μm,则样品中颗粒的50%大于15μm、和50%小于15μm。它也可以称作粒度分布的“中值直径”或“中值”。
在本说明书和附加的权利要求中,用“粒度分布D100”表示累积分布中粒径的最大理论尺寸。例如,如果D100=20μm,则样品中基本上所有的颗粒具有至多是20μm的直径。
本申请人已经发现用于绝缘热塑性组合物的氮化硼粉末的量和粒度对于获得改进的热导率性能,和同时获得适于承载中或高电压的电绝缘性能来说是关键的。
在一种实施方案,绝缘组合物的混合物中氮化硼粉末的量相对于绝缘组合物的重量是至少10wt%。在另一实施方案中,绝缘组合物中氮化硼粉末的量相对于绝缘组合物的重量是低于20wt%。
如果绝缘组合物中氮化硼的量是至少10wt%,则获得热塑性组合物的热导率的更有利的改进。另一方面,如果组合物中氮化硼的量低于20wt%,在一些情况下所得混合物的粘度可以更适于挤出到电缆芯上以形成电绝缘层和可以简化制造工艺。
在另一实施方案中,氮化硼粉末的粒度分布D50是至多10μm。在另一实施方案中,氮化硼粉末的粒度分布D50是至少0.1μm。
如果用于与热塑性聚合物材料混合的氮化硼的粒度分布D50低于15μm、或更好地低于10μm,则所得的电缆的电绝缘层的介电特征、尤其是在介电常数方面,可以保持在适合于承载高和极高电压的电缆的值,而没有电泄漏和避免引起热不稳定性(其使得电缆不适于这样的应用)。
在一种实施方案中,本公开内容电缆中的氮化硼粉末具有低于50μm、或更好地低于40μm的粒度分布D100。用于绝缘层、尤其是适合于高电压电缆的绝缘层的热塑性聚合物组合物通常经过滤以消除对于电流传输潜在有害的污染物。典型地,用于高电压绝缘层的热塑性聚合物组合物的过滤器经配置以防止其中通过40μm或更大的颗粒。
在一些实施方案中,氮化硼呈六边形形式(h-BN)。使用h-BN有利地允许在通过将热塑性聚合物组合物在电缆芯上挤出来制造绝缘层的期间不磨损挤出机和十字头。
在一种实施方案中,氮化硼粉末如原样使用,粉末颗粒的表面是基本上未涂覆的。
在本公开内容中,用于电绝缘层的热塑性聚合组合物可以包含单个热塑性聚合物或热塑性聚合物的混合物。
根据一种实施方案,该热塑性聚合物材料选自:
-丙烯与选自乙烯和非丙烯的α-烯烃的烯烃共聚单体的共聚物(i),所述共聚物具有至少130℃的熔点和20J/g-90J/g的熔融焓;
-共聚物(i)与乙烯和α-烯烃的共聚物(ii)的共混物,所述共聚物(ii)具有0J/g-120J/g的熔融焓;
-丙烯均聚物与共聚物(i)或共聚物(ii)的共混物;
共聚物(i)和共聚物(ii)中的至少之一是多相共聚物。
在本说明书和权利要求中,术语“熔融焓”旨在表示通过差示扫描量热法(DSC)分析而在热塑性聚合物上测量的总体熔融焓。
用“多相共聚物”表示其中弹性体域如乙烯-丙烯弹性体(EPR)分散在丙烯均聚物或共聚物基质中的共聚物。该弹性体域构成共聚物的弹性体相。
共聚物(i)中的烯烃共聚单体可以是乙烯或式CH2=CH-R的α-烯烃,其中R是线性或支化的C2-C10烷基,其选自例如:1-丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二碳烯或其混合物。在一种实施方案中,共聚物(i)是丙烯/乙烯共聚物。
共聚物(i)中的烯烃共聚单体优选以至多15mol%、更优选至多10mol%的量存在。
共聚物(ii)中的烯烃共聚单体可以是式CH2=CHR的烯烃,其中R表示含有1-12个碳原子的线性或支化的烷基。优选地,所述烯烃选自丙烯、1-丁烯、异丁烯、1-戊烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-十二碳烯或其混合物。
在一种实施方案中,共聚物(ii)中的共聚单体是丙烯、1-丁烯、1-己烯或1-辛烯。
在另一实施方案中,共聚物(ii)是线性低密度聚乙烯(LLDPE)共聚物。LLDPE中的烯烃共聚单体可以以2-12wt%的量存在。
根据一些实施方案,共聚物(i)或共聚物(ii)是无规共聚物。用“无规共聚物”表示其中共聚单体沿着聚合物链无规分布的共聚物。
在共聚物(i)或共聚物(ii)或二者中,当多相时,弹性体相可以以相对于共聚物的总重量至少45wt%的量存在。
在一些实施方案中,多相共聚物(i)和/或(ii)是其中弹性体相由乙烯和丙烯的弹性体共聚物组成的那些,该乙烯和丙烯的弹性体共聚物包含15wt%-50wt%的乙烯和50wt%-85wt%的丙烯,相对于弹性体相的重量。
在一些实施方案中,多相共聚物(ii)是丙烯共聚物,特别是:
(ii-a)具有以下单体组成的共聚物:35mol%-90mol%的乙烯;10mol%-65mol%的脂族α-烯烃如丙烯;0mol%-10mol%的多烯如二烯,例如1,4-己二烯或5-亚乙基-2-降冰片烯(EPR和EPDM橡胶属于这类);
(ii-b)具有以下单体组成的共聚物:75mol%-97mol%、优选90mol%-95mol%的乙烯;3mol%-25mol%、优选5mol%-10mol%的脂族α-烯烃;0mol%-5mol%、优选0mol%-2mol%的多烯如二烯(例如乙烯/1-辛烯共聚物)。
多相共聚物可以通过依次共聚以下各项来获得:1)丙烯,其可能含有少量的至少一种选自乙烯和非丙烯的α-烯烃的烯烃共聚单体;和然后:2)乙烯与α-烯烃、特别是丙烯的混合物,任选地具有少部分的多烯。
术语“多烯”通常表示共轭或非共轭二烯、三烯或四烯。当存在二烯共聚单体时,该共聚单体通常含有4-20个碳原子和可以选自:线性共轭或非共轭二烯烃,例如1,3-丁二烯、1,4-己二烯、1,6-辛二烯等;单环或多环二烯,例如1,4-环己二烯、5-亚乙基-2-降冰片烯、5-亚甲基-2-降冰片烯、乙烯基-降冰片烯或其混合物。当存在三烯或四烯共聚单体时,该共聚单体通常含有9-30个碳原子和可以选自分子中含有乙烯基或分子中含有5-降冰片烯-2-基的三烯或四烯。
在一种实施方案中,共聚物(i)或共聚物(ii)或二者具有140℃-180℃的熔点。
在一种实施方案中,共聚物(i)具有25J/g-80J/g的熔融焓。
在一种实施方案中,共聚物(ii)当多相时具有10J/g-90J/g的熔融焓,和当均相时(基本上没有多相)具有50J/g-100J/g的熔融焓。
当绝缘层的热塑性材料包含共聚物(i)和共聚物(ii)的共混物时,共聚物(i)和共聚物(ii)之间的比可以是1:9-8:2、优选2:8-7:3。
当绝缘层的热塑性材料包含丙烯均聚物与共聚物(i)和共聚物(ii)中的至少之一的共混物时,丙烯均聚物与共聚物(i)或共聚物(ii)或二者的比可以是0.5:9.5-5:5、优选1:9-3:7。
在一种实施方案中,绝缘层的热塑性材料包含丙烯均聚物与一种共聚物(i)和两种共聚物(ii)的共混物;在这种情况下,共聚物(ii)中之一是多相共聚物,而另一种是均相的。
根据另一实施方案,热塑性聚合物可以选自聚乙烯均聚物或共聚物如低密度聚乙烯(LDPE)或线性低密度聚乙烯(LLDPE);或4-甲基-1-戊烯。
根据本公开内容的一种实施方案,形成电绝缘层的热塑性聚合组合物包含介电流体。
关于介电流体,介电流体和热塑性聚合材料之间适当的相容性有利于获得介电流体在聚合物材料中的微观上均匀的分散体。适合于形成热塑性电绝缘层的介电流体应当不包含极性化合物或仅包含有限量的极性化合物,以避免介电损耗的显著增加。
在本说明书中,“相容性”表示流体和热塑性聚合材料的化学组成是这样的以导致在将流体混入聚合物中时介电流体在聚合物材料中的微观上均匀的分散体,这类似于增塑剂。
优选地,所述介电流体在热塑性聚合物材料中的重量浓度低于所述介电流体在所述热塑性聚合物材料中的饱和浓度。介电流体在热塑性聚合物材料中的饱和浓度可以通过流体吸收方法在哑铃(Dumbell)样本上测定,如例如WO04/066317中所述。
通过使用上述量的介电流体,保持了绝缘层的热机械性能,并且避免了介电流体从热塑性材料渗出。
根据另一实施方案,该介电流体具有-130℃到+80℃的熔点或倾点。
用于本公开内容的电缆中的合适的介电流体描述在例如WO02/03398、WO02/27731、WO04/066318、WO07/048422和WO08/058572中,其全部以本申请人的名义。
优选地,该介电流体是低或高粘度的合成油或矿物油,特别是矿物油如环烷油、芳烃油或石蜡油。
其他组分(添加剂)可以以少量(例如每个0.1wt%-1wt%)加入至用于本公开内容的绝缘层的热塑性组合物,该其他组分(添加剂)包括抗氧化剂、加工助剂、电压稳定剂、成核剂或其混合物。
根据一种实施方案,本公开内容的绝缘层的组合物没有用于改进热塑性聚合材料和氮化硼之间的界面性能(亲和性)的相容剂或偶联剂。
根据一种实施方案,根据本公开内容的电缆包括至少一种半导体层。该半导体层优选通过半导体材料形成,该半导体材料包含热塑性聚合物和任选的以上公开的介电流体,以及至少一种导电填料、优选炭黑填料。
导电填料通常以这样的量分散在热塑性材料中,以使得为材料提供半导性能,即获得小于500Ω-m、优选小于20Ω-m的在室温下的体积电阻率值。典型地,炭黑的量可以是1-50重量%、优选3-30重量%,相对于聚合物的重量。
在一种实施方案中,本公开内容的电缆的一个或多个半导体层由包含热塑性聚合物组合物的组合物制成,该热塑性聚合物组合物装载有导电填料和相对于绝缘组合物的重量至多20wt%的量的氮化硼粉末,该氮化硼粉末具有至多15μm的粒度分布D50。例如,本公开内容的电缆的半导体层可以含有10wt%的这样的氮化硼。
将相同的基础聚合物组合物用于绝缘层和一个或多个半导体层二者在生产用于高电压的电缆方面是特别有利的,因为它确保了相邻层之间优异的粘合和因此良好的电行为,特别是在绝缘层和内半导体层之间的界面处,在该处电场和因此的部分放电的风险是较高的。
根据本公开内容的电缆可以通过本领域已知的常规工艺来生产,其包括任选地用介电流体浸渍热塑性聚合物材料,将热塑性材料与氮化硼粉末混合,和然后将包括热塑性材料、氮化硼填料和任选的介电流体的组合物的一个或多个层沉积到电缆芯上,优选通过挤出来进行。
在一种实施方案中,一个或多个半导体层和电绝缘层的挤出在单个步骤中进行,例如通过其中单个挤出机串联排列的串联法进行,或通过用多个挤出头来共挤出。
根据本公开内容的电缆可以主要用于传输或分配高电压能量、例如高达600kV的电压,而不引起电泄漏和/或热不稳定性。另外,根据本公开内容的电缆可以用于交流电(AC)或直流电(DC)应用,特别是用于高电压DC应用。在高电压DC应用的情况下,电流泄漏随着绝缘层的电导率的上升而增加,绝缘层的电导率继而随温度和介电梯度增加。从绝缘层排出的热量越多,电流泄漏的限制越有限,和总体绝缘系统越稳定。
在这方面,还应当注意的是根据本公开内容的电缆的改进的热导率和合适的电性能通过加入与现有技术相比更低量的氮化硼粉末来实现。这允许有利地将生产成本保持在可接受的限度内,尽管氮化硼本身是昂贵的事实。
进一步的细节将参考附图在以下详细描述中说明,其中:
图1显示了根据本公开内容的电缆。
图1显示了根据本公开内容的电缆10,其适合于传输中或高电压电流。电缆10是单芯电缆,其包含导体11,其依次被内层半导体层12、电绝缘层13和外半导体层14包围。导体11和内层半导体层12构成电缆芯。
外半导体层14被金属屏15包围,该金属屏15继而被金属防水层17包围。在金属屏15和金属防水层17之间插入具有缓冲性和优选或具有吸水性能的半导体带16。
外鞘18是最外层。
导体11通常由通过常规方法绞合在一起的金属丝、优选铜或铝的金属丝组成,或由实心铝或铜棒组成。电绝缘层13以及内和外半导体层12和14由根据本公开内容的热塑性组合物制成。
金属屏15通常由螺旋卷绕的导电丝或带制成,而金属防水层17通常由优选呈纵向卷绕在金属屏15周围的箔的形式的铝或铜制成。
外鞘18通常由热塑性聚乙烯如高密度聚乙烯(HDPE)或中密度聚乙烯(MDPE)制成。外鞘18可以由具有低烟雾零卤素阻燃性能的材料制成。
图1显示了根据本发明电缆的仅一种实施方案。可以根据具体的技术需求和应用要求对该实施方案进行合适的改动,而不脱离本发明的范围。
实施例1
热导率的测量
熔融温度为163℃和熔融焓为26J/g的热塑性多相乙烯-丙烯共聚物(PP)已经单独使用或与不同量和粒度分布的氮化硼粉末混合使用,以产生用于电缆的绝缘组合物的测试样品。
表1中显示了所测试的氮化硼粉末,其全部是六边形结构。
表1–氮化硼粉末
Figure BDA0002445278910000111
在制备根据本公开内容的测试样品中,将呈粒料形式的任选地事先与介电流体DF(6wt%量的二苄基甲苯)在混合器中密切混合的丙烯共聚物与预设量的粉末形式的氮化硼混合。将所使用的所得干燥混合物粉末进料入在约200℃下运行的双螺杆挤出机中以产生板形式的化合物。该板(至少3-4mm厚)具有下表2中所示的量和类型的氮化硼填料。作为参照物,未填充的样品还通过在没有任何氮化硼填料的情形下挤出任选地与上述介电流体DF混合的热塑性多相乙烯-丙烯共聚物来生产。
所测试的组合物不包含相容剂。
热导率(TC)的测量在所生产的样品上进行。TC测量在70℃下使用DTC-300(TAInstruments)根据方法ASTM E1530-11来完成。将每个样品的三个片用于TC测量,并且测量在相对于参照的未填充的样品校准之前和之后来完成。
该结果是在下表2中作为每种类型的样品的测量的中值来显示。
表2
Figure BDA0002445278910000121
*对比
从以上结果可见,与就这样的热塑性聚合物材料(对比组合物1和9)相比,电绝缘组合物的热导率的增加归因于将根据本公开内容的氮化硼加入至热塑性聚合物材料。相反,加入D50粒度大于15μm的氮化硼(对比组合物8和10)引起绝缘组合物的热导率下降。
如上所示但是通过将更大量的氮化硼(大于20%)加入至热塑性聚合物材料而制备的另外的组合物已经表明聚合物组合物的粘度变得明显更高,并且使得通过常规挤出工艺进行挤出变得困难。
实施例2
电性能的测量
根据实施例1制备的样品还测试了它们的电性能即介电常数ε,和对于一些样品测试了电导率σ。
介电常数ε的测量根据IEC 60250(1969)和ASTM D150-92(2004)在每个组合物的一个样品上进行,该样品的尺寸是200mm×200mm和0.5mm厚。将样品经受0.5kV的电压,并且测量通过谢林电桥(Shering bridge)进行。样品在测试之前进行了涂漆。
以上电测量的结果在下表3中报告。
表3
组合物 ε
1* 1.9
2 2.1
3 2.2
5 2.5
7 2.6
8* 2.5
9* 2.5
10* 2.9
*对比
从以上结果可以看出,绝缘组合物的介电常数ε随着氮化硼量的增加而增加。在含有BN 4(D50粒度大于15μm)的对比组合物10的情况下,介电常数结果超过了适合于电绝缘层、尤其是用于高电压电缆的电绝缘层的值。
在每种组合物的尺寸为200mm×200mm和1mm厚的样品上根据IEC 60093(1980)进行在10kV下的电导率σ测量。电压下降(分流特性)使用皮可安培计和具有保护环的测量室并且放置在20巴压力下来测量。
虽然所测试的根据本公开内容的组合物将电导率σ保持在10-161/Ω.m的量级,但是含有BN 4(D50粒度大于15μm)的对比组合物8具有10-151/Ω.m量级的σ值,其不适合于电缆的电绝缘层、特别是用于高电压电缆的电绝缘层。

Claims (13)

1.一种电缆,其包含被电绝缘层包围的芯,该电绝缘层由基于热塑性聚合物材料的组合物制成,该热塑性聚合物材料以相对于绝缘组合物的重量至多20wt%的量装载有氮化硼粉末,该氮化硼粉末具有至多15μm的粒度分布D50。
2.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼粉末的量相对于绝缘组合物的重量是至少10wt%。
3.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼粉末的量相对于绝缘组合物的重量是小于20wt%。
4.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼粉末的粒度分布D50是至多10μm。
5.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼粉末的粒度分布D50是至少0.1μm。
6.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼具有六边形形式(h-BN)。
7.根据权利要求6的电缆,其中该氮化硼颗粒是未涂覆的。
8.根据权利要求1的电缆,其中该氮化硼粉末具有低于50μm的粒度分布D100。
9.根据权利要求8的电缆,其中该氮化硼粉末具有低于40μm的粒度分布D100。
10.根据权利要求1的电缆,其中该热塑性聚合物材料选自:
-丙烯与选自乙烯和非丙烯的α-烯烃的烯烃共聚单体的共聚物(i),所述共聚物具有至少130℃的熔点和20J/g-90J/g的熔融焓;
-共聚物(i)与乙烯和α-烯烃的共聚物(ii)的共混物,所述共聚物(ii)具有0J/g-120J/g的熔融焓;
-丙烯均聚物与共聚物(i)或共聚物(ii)的共混物;
共聚物(i)和共聚物(ii)中的至少之一是多相共聚物。
11.根据权利要求1的电缆,其中形成该电绝缘层的该热塑性聚合物材料包含介电流体。
12.根据权利要求11的电缆,其中该介电流体是低或高粘度的合成油或矿物油,特别是选自环烷油、芳烃油或石蜡油的矿物油。
13.根据权利要求1的电缆,其包含由含热塑性聚合物组合物的组合物制成的内和/或外半导体层,该热塑性聚合物组合物装载有导电填料和相对于该热塑性聚合物组合物的重量至多20wt%量的氮化硼粉末,该氮化硼粉末具有至多15μm的粒度分布D50。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3064106B1 (fr) * 2017-03-17 2021-07-30 Nexans Cable electrique presentant une conductivite thermique amelioree
GB201810517D0 (en) * 2018-06-27 2018-08-15 Gnosys Global Ltd Electrically insulating h-BN composite material
FR3102016B1 (fr) * 2019-10-10 2023-03-24 Nexans Accessoire pour câble à rigidité diélectrique améliorée
FR3118274B1 (fr) 2020-12-18 2024-02-09 Nexans Procédé de fabrication d’un câble électrique présentant une conductivité thermique améliorée
FR3118273B1 (fr) 2020-12-18 2024-02-02 Nexans Procédé de fabrication d’un câble électrique présentant une conductivité thermique améliorée
FR3119484A1 (fr) * 2021-02-03 2022-08-05 Nexans Câble électrique présentant une conductivité thermique améliorée

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1466766A (zh) * 2000-09-28 2004-01-07 �����Ƥ�� 含有可回收覆盖物的电缆
CN102958986A (zh) * 2010-06-28 2013-03-06 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 导热性聚合物组合物
EP2615133A1 (fr) * 2012-01-12 2013-07-17 Bruker Biospin (Société par Actions Simplifiée) Matériau composite à conductivité améliorée, pièce formée à partir d'un tel matériau et applications
CN103797059A (zh) * 2011-08-04 2014-05-14 普睿司曼股份公司 具有热塑性电绝缘层的能量电缆
CN104364853A (zh) * 2012-05-18 2015-02-18 普睿司曼股份公司 生产具有热塑性电绝缘层的能量电缆的方法
CN107112089A (zh) * 2015-08-10 2017-08-29 住友电气工业株式会社 直流电缆、组合物以及直流电缆的制造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3700597A (en) 1967-03-10 1972-10-24 Allied Chem Dielectric compositions
US7445797B2 (en) 2005-03-14 2008-11-04 Momentive Performance Materials Inc. Enhanced boron nitride composition and polymer-based compositions made therewith
ATE264539T1 (de) 2000-06-28 2004-04-15 Pirelli & C Spa Kabel mit wiederverwertbarer ummantelung
WO2004066317A1 (en) 2003-01-20 2004-08-05 Gabriele Perego Cable with recycable covering layer
US7884284B2 (en) 2005-10-25 2011-02-08 Prysmian Cavi E Sistemi Energia S.R.L. Energy cable comprising a dielectric fluid and a mixture of thermoplastic polymers
JP4747918B2 (ja) * 2005-11-04 2011-08-17 東ソー株式会社 ポリアリーレンスルフィド組成物
BRPI0622127B1 (pt) 2006-11-15 2017-10-10 Prysmian S.P.A. Energy cable
MX2016009988A (es) 2014-02-07 2016-11-15 General Cable Tech Corp Metodos para formar cables con recubrimientos mejorados.
WO2017060347A1 (en) * 2015-10-09 2017-04-13 Ineos Styrolution Group Gmbh Electrically insulating thermally conductive polymer resin composition based on styrenics with balanced properties
US20180041086A1 (en) * 2016-08-03 2018-02-08 Schlumberger Technology Corporation Polymeric materials

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1466766A (zh) * 2000-09-28 2004-01-07 �����Ƥ�� 含有可回收覆盖物的电缆
CN102958986A (zh) * 2010-06-28 2013-03-06 帝斯曼知识产权资产管理有限公司 导热性聚合物组合物
CN103797059A (zh) * 2011-08-04 2014-05-14 普睿司曼股份公司 具有热塑性电绝缘层的能量电缆
EP2615133A1 (fr) * 2012-01-12 2013-07-17 Bruker Biospin (Société par Actions Simplifiée) Matériau composite à conductivité améliorée, pièce formée à partir d'un tel matériau et applications
CN104364853A (zh) * 2012-05-18 2015-02-18 普睿司曼股份公司 生产具有热塑性电绝缘层的能量电缆的方法
CN107112089A (zh) * 2015-08-10 2017-08-29 住友电气工业株式会社 直流电缆、组合物以及直流电缆的制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017435867B2 (en) 2023-04-13
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US20200312482A1 (en) 2020-10-01
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EP3695424B1 (en) 2022-06-15
DK3695424T3 (da) 2022-09-12
ES2926814T3 (es) 2022-10-28
AU2017435867A1 (en) 2020-04-16
CA3078829A1 (en) 2019-04-18

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