CN112216432A - 包括耐火层的线缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线缆以及还有用于制备此种线缆的方法，该线缆包括至少一个细长导电元件和至少一个耐火绝缘层。

Description

包括耐火层的线缆
本发明涉及一种电力线缆以及还有用于制备此种线缆的方法，该电力线缆包括至少一个细长导电元件和至少一个耐火绝缘层。
本发明典型地但不排他地适用于耐火安全线缆，其能够在火灾环境下起作用持续给定时间段，但是不传播火灾或产生大量烟气。这些安全线缆特别是低压或中压(尤其是从6至45-60kV)线缆，如电力输送或传输线缆，例如控制或信号传输线缆。
电力线缆是旨在用于输送电能的线缆。它常规地包括被至少一个绝缘层包围的一个或多个绝缘导电元件，换句话说，一个或多个细长电导体。该绝缘层可以典型地是与一个或多个电导体物理接触的电绝缘聚合物层。所述一个或多个绝缘导电元件通常被用于机械地保护所述一个或多个绝缘导电元件的外部保护性护套包围。
可用于形成绝缘层的材料通常是以下复合材料，其基于聚合物、特别是硅酮聚合物，并且基于各种添加剂、尤其是增强填料如二氧化硅。
尽管这些材料原则上确实具有良好的机械和介电特性，但它们不是耐火的并且它们在火灾期间产生的高温作用下迅速熔化。
现在，根据耐火性标准IEC 60331，“耐火”线缆是被配置成在火灾的情况下，即使它们直接暴露于火焰在从750℃至900℃的温度下或甚至在更高的温度下持续一定时间，也能够以可接受的性能继续起作用的线缆。
已经提出了包括耐火绝缘层的线缆，尤其是在国际专利申请WO 2017/199060中，其描述了一种耐火线缆，该耐火线缆包括被可陶瓷化组合物的层包围的细长导电元件，该可陶瓷化组合物包含包括以下项的热塑性聚合物的特定混合物：(a)乙烯和α-烯烃的共聚物，其具有从0.860至0.910g/cm3的密度、不超过3g/10分钟的熔体流动指数(MFI)和至多105℃的熔点，(b)乙烯均聚物或乙烯和α-烯烃的共聚物，其具有从0.900至0.985g/cm3的密度、不超过5g/10分钟的熔体流动指数(MFI)和至多110℃的熔点，以及(c)被包括烯属不饱和度的单体取代的聚乙烯；按重量计至少25％的二氧化硅；选自碱金属氧化物及其前体的助熔剂；无机氢氧化物如氢氧化镁、氢氧化铝及其混合物；以及按重量计至少5％的基于水合硅酸镁的稳定剂。这种组合物通常以具有几毫米厚度的层的形式通过挤出使用。这个可陶瓷化层可以构成线缆的外层(外护套)或绝缘导电元件与外护套之间的填充材料(或“垫层(bedding)”)。当这个可陶瓷化层暴露于高温如火灾引起的高温时，它反应形成耐火陶瓷层。
包括此种层的线缆具有良好的耐火性，但是然而鉴于可陶瓷化层的厚度具有大的直径。
本发明的目的是提供一种线缆，其具有良好的耐火性同时具有比现有技术的线缆更小的直径，尤其是通过存在具有小的厚度的耐火层。
本发明的第一主题是一种线缆，其包括至少一个细长导电元件和包围所述细长导电元件的至少一个耐火层，所述线缆的特征在于，所述耐火层与所述细长导电元件直接物理接触，并且在于所述耐火层是通过对液体无机组合物进行热处理获得的。优选地，该液体无机组合物可以通过热处理凝固：这然后被称为通过液体无机组合物的凝固获得的耐火层。
为了本发明的目的，表述“直接物理接触”意指在所述细长导电元件与所述耐火层之间没有插入具有任何性质的任何层。换句话说，该线缆不包括位于所述细长导电元件与所述耐火层之间的任何一个或多个中间层，尤其是包含至少一种聚合物的任何一个或多个层。
通过氧化(例如用空气)或通过对细长导电元件进行表面处理形成的“钝化”层不被视为插入或位于所述细长导电元件与所述耐火层之间的层。换句话说，该细长导电元件可以包括钝化层。因此，耐火层可以与细长导电元件的钝化层直接物理接触。
液体无机组合物的热处理、或者更特别是液体无机组合物的凝固可以在至多约300℃的温度下、优选在从约90℃延伸至300℃的范围内选择的温度下、并且甚至更优先在从约200℃延伸至300℃的范围内选择的温度下进行。
热处理的持续时间随着进行所述处理的温度而变化。然而，当热处理在约95℃与300℃之间的温度下进行时，热处理的持续时间典型地在从1秒(s)至2小时(h)、并且优先从15s至5分钟(min)的范围内，尤其是对于连续应用。
举例来说，热处理可以包括一个或多个选自以下的循环：95℃持续2小时、25℃持续30分钟、95℃持续10分钟、150℃持续1分钟、200℃持续15秒、250℃持续5秒、250℃持续30秒、及其组合。
液体无机组合物尤其是耐火组合物。该耐火组合物优选是包含至少一种过渡金属氧化物、至少一种硅酸铝和至少一种溶剂的组合物，该溶剂尤其使得能够获得液体组合物。该溶剂可以在液体无机组合物的热处理期间有利地被蒸发掉。
它还可以包含不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐，例如硅酸钠、硅酸钙或硅酸钾。
根据本发明的优选的实施例，液体无机组合物包含按重量计至少约10％的至少一种过渡金属氧化物、并且甚至更优先按重量计从约15％至60％的至少一种过渡金属氧化物，所述百分比是相对于所述组合物的总重量表示的。
该过渡金属氧化物优选是氧化锆。
根据本发明的优选的实施例，液体无机组合物包含按重量计至少约2％的至少一种硅酸铝、并且甚至更优先按重量计从约5％至20％的至少一种硅酸铝，所述百分比是相对于所述组合物的总重量表示的。
该一种或多种硅酸铝优选选自层状硅酸盐，例如云母或高岭土；以及网状硅酸盐，例如长石或沸石。
根据本发明的优选的实施例，液体无机组合物包含按重量计至少约10％的至少一种溶剂、并且甚至更优先按重量计从约20％至75％的至少一种溶剂，所述百分比是相对于所述组合物的总重量表示的。
作为优选的实例，该溶剂可以是水。当液体无机组合物中使用的溶剂是水时，该液体无机组合物是水性组合物。
根据本发明的优选的实施例，液体无机组合物还可以包含按重量计至少约10％的不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐、并且甚至更优先按重量计从约15％至40％的不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐，所述百分比是相对于所述组合物的总重量表示的。
在特别有利的实施例中，该液体无机组合物还可以包含至少一种增塑剂。
更特别地，液体无机组合物可以包含按重量计从0.01％至10.0％的增塑剂、优选按重量计从0.01％至5.0％的增塑剂、优选按重量计从0.1％至2.0％的增塑剂并且特别优选按重量计从0.1％至1.0％的增塑剂，所述百分比是相对于所述组合物的总重量表示的。
可以将增塑剂有利地添加到液体无机组合物中以改善耐火层的耐折性，或者换句话说，以显著地限制、或甚至防止在本发明的线缆的弯曲期间产生裂缝或裂纹。
该增塑剂可以选自多元醇、低分子量聚合物、氯化铵、碳水化合物、粘土、及其混合物。
举例来说：
-该多元醇可以是山梨糖醇；
-该低分子量聚合物可以是含有从2至40个并且优选从2至20个相同或不同的单体单元的低聚物，和/或分子量为至多50 000g/mol并且优选至多20 000g/mol的聚合物，该低分子量聚合物例如是聚乙二醇；
-该粘土可以是层状硅酸盐；
-该碳水化合物可以是纤维素。
根据本发明的特别优选的实施例，所述液体无机组合物是水性组合物，其包含按重量计从约15％至45％的氧化锆、按重量计从约5％至20％的硅酸铝、以及按重量计从约15％至35％的不同于所述硅酸铝的另一种硅酸盐，该组合物的其余部分是水。此种组合物由阿锐莫克公司(Aremco)(纽约，美国)以商品名
Figure BDA0002578896870000041
634-ZO销售并且由法国Polytec公司(沙蒂永，法国)分销。
液体无机组合物优选具有范围从约10-3至2×10-3m2/s(大约1000至2000厘沲)、并且甚至更优先从约10-3至1.4×10-3m2/s(大约1000至1400厘沲)的粘度，所述粘度是根据标准ASTM D1200在25℃的温度下使用4号福特粘度杯测量的。
本发明的耐火层可以包含至少一种过渡金属氧化物和至少一种硅酸铝，以及任选地不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐和/或至少一种增塑剂，所述过渡金属氧化物、所述硅酸铝、所述其他硅酸盐以及所述增塑剂是如以上在本发明书中所述的。
更特别地，耐火层可以包含：
-按重量计至少约25％的至少一种过渡金属氧化物、并且优选按重量计至多约65％的至少一种过渡金属氧化物，
-按重量计至少约10％的至少一种硅酸铝、并且优选按重量计至多约25％的至少一种硅酸铝，
-任选地按重量计至少约25％的不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐、并且优选按重量计至多约50％的不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐，以及
-任选地按重量计至少约0.01％的至少一种增塑剂、并且优选按重量计至多约10％的至少一种增塑剂，
以上百分比是相对于所述耐火层的总重量表示的。
所述耐火层的厚度优选在从约20至500μm并且甚至更优先从约100至200μm的范围内。
所述耐火层的厚度对线缆的直径不具有任何显著影响，这在线缆设计方面是极大的优势。
根据本发明，表述“细长导电元件”意指具有纵轴的导电元件。特别地，该导电元件是细长的，因为它尤其经历了至少一个拉伸步骤。拉伸常规地包括尤其是通过一个或多个模口的冷变形步骤。
该细长导电元件优选由铜、铝、铜合金或铝合金制成。根据本发明的优选的实施例，所述导电元件不包括镍基涂层。
根据本发明的线缆可以包括多个细长导电元件。在这种情况下，这些细长导电元件中的每一个单独地被如先前定义的至少一个耐火层包围，所述层中的每一个与所述细长导电元件中的每一个直接物理接触。
根据本发明的特别且优选的实施例，线缆还包括包围所述耐火层的至少一个聚合物层。
所述聚合物层优选是电绝缘层。
根据本发明，表述“电绝缘层”意指其电导率可以为至多约1×10-8S/m(在25℃下，在DC中)的层。
根据本发明的特别优选的实施例，聚合物层包含选自交联的和非交联的聚合物、无机类型和有机类型的聚合物的聚合物材料。
聚合物材料可以特别是具有热塑性和/或弹性体特性的均聚物或共聚物。
无机类型的聚合物可以是聚有机硅氧烷。
有机类型的聚合物可以是聚烯烃、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、乙烯类聚合物或卤化聚合物如氟聚合物(例如聚四氟乙烯PTFE)或氯化聚合物(例如聚氯乙烯PVC)。
聚烯烃可以选自乙烯聚合物和丙烯聚合物。作为乙烯聚合物的实例，可以提及线性低密度聚乙烯(LLDPE)，低密度聚乙烯(LDPE)，中密度聚乙烯(MDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，乙烯和乙酸乙烯酯(EVA)的共聚物，乙烯和丙烯酸丁酯(EBA)、丙烯酸甲酯(EMA)、丙烯酸2-乙基己酯(2EHA)的共聚物，乙烯和α-烯烃的共聚物，例如聚乙烯-辛烯(PEO)、乙烯和丙烯的共聚物(EPR)、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)共聚物，或乙烯和丙烯的三元聚合物(EPT)，例如乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)三元聚合物。
根据本发明，表述“低密度聚乙烯”意指具有范围从约0.91至0.925的密度的聚乙烯。
根据本发明，表述“高密度聚乙烯”意指具有范围从约0.94至0.965的密度的聚乙烯。
聚合物层优选是通过本领域技术人员熟知的技术挤出的层。
根据本发明的线缆还可以包括保护性护套和/或金属护罩。所述保护性护套可以优选是所述线缆的最外层：它于是可以被称为外部保护性护套。保护性护套可以包围一个或多个聚合物层，并且金属护罩如是这般包括在线缆中。
保护性护套优选由无卤素的材料制成。它可以常规地由阻滞火焰传播或抵抗火焰传播的材料制成。尤其是，如果后者材料不含有卤素，则此种护套被称为是HFFR(无卤素阻燃剂)类型。
它包括至少一种有机或无机聚合物。
有机或无机聚合物的选择没有限制，并且这些聚合物是本领域技术人员熟知的。
根据本发明的优选的实施例，有机或无机聚合物选自交联的和非交联的聚合物。
有机或无机聚合物可以是具有热塑性和/或弹性体特性的均聚物或共聚物。
无机聚合物可以是聚有机硅氧烷。
有机聚合物可以是与以上对于电绝缘聚合物层所定义的那些相同的聚氨酯或聚烯烃。
所述护套的聚合物优选是有机聚合物、更优选是乙烯聚合物、并且更优选是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物、线性低密度聚乙烯或其混合物。
保护性护套还可以包含水合的阻燃矿物填料。这种水合的阻燃矿物填料主要通过吸热分解(例如，释放水)以物理方式起作用，其结果是降低了护套的温度并且限制火焰沿着线缆传播。这尤其被称为阻燃特性。
水合的阻燃矿物填料可以是金属氢氧化物，如氢氧化镁或三氢氧化铝。
保护性护套还可以包括惰性填料，尤其是选自滑石、云母、脱水粘土及其混合物。
在具体的实施例中，根据本发明的线缆可以包括：
-若干细长导电元件，所述细长导电元件中的每一个被一个或多个根据本发明的耐火层包围，
-电绝缘层，尤其是如上所述的，其包围每个细长导电元件连同一个或多个耐火层，以及
-保护性护套，尤其是如上所述的，其包围线缆的所有组成元件。
本发明的主题还是一种用于制备如前定义的线缆的方法，即包括至少一个细长导电元件和包围所述细长导电元件的至少一个耐火层的线缆，所述耐火层与所述细长导电元件直接物理接触，所述方法的特征在于，该方法至少包括：
i)将液体无机组合物直接施加到所述线缆的至少一个细长导电元件的表面上的步骤，
ii)对所述液体无机组合物进行热处理以形成所述耐火层的步骤。
根据根据本发明的方法的具体实施例，步骤i)和ii)可以重复若干次，典型地两次或三次。因此可以改变耐火层的厚度。
可以例如通过将所述元件浸入所述组合物中来进行将液体无机组合物施加到细长导电元件的表面上的步骤i)。
热处理步骤ii)优选是液体无机组合物的凝固的步骤。所述热处理引起液体无机组合物的溶剂的蒸发，以及因此无机组合物的凝固。
如前所示，热处理优选在至多约300℃的温度下、优选在从约95℃延伸至300℃范围内的温度下、并且特别优选在从约200℃延伸至300℃范围内的温度下进行。
可以使用本领域技术人员熟知的加热系统进行热处理，例如紫外线、微波、红外线或陶瓷辐射加热系统。
在步骤i)之前，可以使一个或多个细长导电元件经受一次或多次表面处理。表面处理尤其可以选自表面氧化、脱脂、汽提、及其组合。表面氧化可使得能够生产合适的细长导电元件的曲率半径。表面氧化可以通过对一个或多个细长导电元件进行酸处理来进行，尤其是在电流存在下。脱脂可使得能够去除一个或多个细长导电元件上的拉丝乳液(drawing emulsion)。脱脂可以用含有碱例如氢氧化钠的水性溶液进行。汽提可使得一个或多个细长导电元件的表面不含氧化物。汽提可以用含有酸例如硫酸的水性溶液进行。
附图说明
附图说明了本发明：
[图1]示意性地表示了根据第一实施例的根据本发明的线缆的截面结构。
图1示出了根据本发明的线缆(1)，其包括细长导电元件(2)和耐火层(3)，该耐火层包围所述细长导电元件(2)并且与细长导电元件(2)直接物理接触。细长导电元件(2)尤其是铜线。
[图2]示意性地表示了根据第二实施例的根据本发明的线缆的截面结构。
图2示出了根据本发明的线缆(10)，其包括如图1中所述的细长导电元件(2)和耐火层(3)，以及还有包围耐火层(3)的电绝缘层(4)。电绝缘层(4)可以例如是尤其通过挤出形成的基于聚乙烯的聚合物材料的层。
[图3]示意性地表示了根据第三实施例的根据本发明的线缆的截面结构。
图3示出了根据本发明的线缆(100)，其包括若干个细长导电元件(2)，每个细长导电元件(2)依次被耐火层(3)和电绝缘层(4)包围，每个细长导电元件、耐火层和电绝缘层是如图2中所述的。线缆(100)还包括包围线缆的所有组成元件的保护性护套(5)。保护性护套(5)可以例如是尤其通过挤出形成的HFFR类型聚合物的层。保护性护套还可以包围金属护罩(未示出)，所述金属护罩包围线缆的所有组成元件。金属护罩可以例如是尤其是由镀锌钢制成的一个或多个金属条。
本发明的其他特征和优点将参考有注释的图依据以下实例显现出，所述实例和图出于说明性目的给出并且不以任何方式进行限制。
实例
实例1：根据本发明的包括耐火层(150μm厚)的线缆的制备
将直径为1.2mm的铜线浸入由阿锐莫克公司以索引号
Figure BDA0002578896870000091
634-ZO销售的粘度为约1.2×10-3m2/s(1200厘沲)(根据标准ASTM D1200在25℃的温度下使用4号福特粘度杯测量的)的水性溶液中，并且然后在250℃的温度下使用陶瓷辐射加热系统使其经受热处理持续30秒的时间。
热处理之后，获得包覆有耐火白色层(50μm厚)的线缆。
然后在相同条件下将铜线浸入
Figure BDA0002578896870000092
634-ZO溶液以及热处理的步骤重复两次。
获得包覆有耐火白色层(150μm厚)的线缆。
实例2：耐高温测试
将以上在实例1中获得的线缆放置在立式烘箱中，在830℃下加热30分钟，以便测试施加到铜线上的层暴露于非常高温度的耐受性。
这个测试之后，观察到，耐火层未遭受任何劣化(无开裂)并且其因此有效地保护铜线免受暴露于非常高温度的有害影响。

Claims (19)

1.一种线缆(1，10，100)，其包括至少一个细长导电元件(2)和包围所述细长导电元件(2)的至少一个耐火层(3)，所述线缆的特征在于，所述耐火层与所述细长导电元件直接物理接触，并且在于所述耐火层是通过对液体无机组合物进行热处理获得的。
2.根据权利要求1所述的线缆，其特征在于，该耐火层是通过该液体无机组合物的凝固获得的。
3.根据权利要求1或2所述的线缆，其特征在于，该热处理是在至多300℃的温度下进行的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物包含至少一种过渡金属氧化物、至少一种硅酸铝和至少一种溶剂。
5.根据权利要求4所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物包含相对于所述组合物的总重量按重量计至少10％的至少一种过渡金属氧化物。
6.根据权利要求4或5所述的线缆，其特征在于，该过渡金属氧化物是氧化锆。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物包含相对于所述组合物的总重量按重量计至少2％的至少一种硅酸铝。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物包含相对于所述组合物的总重量按重量计至少10％的至少一种溶剂。
9.根据权利要求8所述的线缆，其特征在于，该溶剂是水。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物还包含不同于所述硅酸铝的至少一种其他硅酸盐。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物还包含至少一种增塑剂。
12.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该液体无机组合物具有范围从10-3至2×10-3m2/s(1000至2000厘沲)的粘度，所述粘度是根据标准ASTM D1200在25℃的温度下、使用4号福特粘度杯测量的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该耐火层包含至少一种过渡金属氧化物和至少一种硅酸铝。
14.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，所述耐火层的厚度在从20至500μm的范围内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该细长导电元件由铜、铝、铜合金或铝合金制成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该线缆包括多个细长导电元件，这些细长导电元件中的每一个单独地被至少一个耐火层包围，并且在于所述耐火层中的每一个与所述细长导电元件中的每一个直接物理接触。
17.根据前述权利要求中任一项所述的线缆，其特征在于，该线缆还包括包围所述耐火层的至少一个聚合物层(4)。
18.一种用于制备根据权利要求1至17中任一项所述的线缆的方法，其特征在于，该方法至少包括：
i)将液体无机组合物施加到所述线缆的至少一个细长导电元件的表面上的步骤，以及
ii)对所述液体无机组合物进行热处理以形成所述耐火层的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将步骤i)和ii)重复若干次。
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