CN1308964C - 具有耐冲击涂层的电缆 - Google Patents

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CN1308964C CNB988049716A CN98804971A CN1308964C CN 1308964 C CN1308964 C CN 1308964C CN B988049716 A CNB988049716 A CN B988049716A CN 98804971 A CN98804971 A CN 98804971A CN 1308964 C CN1308964 C CN 1308964C
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Abstract

本发明涉及用于电缆的涂层，该涂层能够保护电缆免受意外冲击。通过在输电电缆结构中插入适当厚度的发泡聚合物材料涂层，优选和外聚合物涂层的护套接触，可以具有高抗冲强度的电缆。此外申请人发现，使用发泡聚合物材料作为电缆涂层可以使电缆获得比使用没有发泡的相同聚合物作为类似涂层的电缆更高的抗冲强度。包含这种类型涂层的电缆比包含金属装甲的常规电缆有各种优势，例如较易加工、成品电缆的重量和尺寸得到减少、并且一旦其工作周期结束有关电缆再循环的环境影响降低。

Description

具有耐冲去涂层的电缆
本发明涉及电缆用涂层，该涂层能够保护电缆不受意外冲击。
诸如在电缆传输、铺设等期间发生的意外冲击可能会使电缆的结构出现一系列损坏，包括绝缘层变形、绝缘层和半导体层分离等等；这种损坏可能会导致绝缘层的电梯度变化，结果造成该层的绝缘能力下降。
在目前可市售获得的电缆，例如那些低压或中压输电或配电用的电缆中，为保护电缆免受意外冲击引起的可能的损坏，通常是包敷能够耐这种冲击的金属装甲。这种装甲可以是带或丝的形式(一般是用钢制造)，或者是以金属护套的形式(一般是用铅或铝制造)；反过来，这种装甲还外包有外层聚合物护套。US专利5,153,381中就描述了这种结构的电缆的一个实例。
据申请人观察，上述金属装甲的存在具有很多缺陷。例如，包敷所说的装甲要在电缆加工的一个或几个附加阶段中进行。此外，金属装甲的存在除造成环境问题外还大大增加了电缆的重量，如果需要换电缆的话，将不易处置按这种方式构造的电缆。
公开号为7-320550的JP专利中描述了一种具有0.2-1.4mm厚耐冲击涂层的家用电缆，该涂层放在绝缘体和外护套之间。这种耐冲击涂层是一种含聚氨酯树脂作为主组分的非发泡聚合物。
另一方面，已知为各种目的而在电缆的构造中使用发泡聚合物材料。
例如，DE专利申请p 15 15 709公开了在外塑料护套和内金属护套之间使用中间层，以便增加外塑料护套的抗低温性。但该文献中没有提及关于保护具有所说中间层的电缆的内部结构的内容。事实上，这种中间层应当补偿外塑料护套中由于温度降低而产生的弹性张力，并且可以由松散布置的玻璃纤维组成，或者由可以是发泡的或掺入中空玻璃球的材料组成。
另一篇DE实用新型G 81 03 947.6中公开了一种设备和机器内部连接用的电缆，该电缆具有特别的机械抗性和挠性。所说的电缆是为在滑轮上经过并且具有足够挠性以便在所说滑轮上经过后回复其直的结构而专门设计的。因此，这种类型的电缆专门致力于抗静态类型的机械负荷(如在滑轮上经过时所产生的)，并且其主要的特点是挠性。本领域技术人员很容易看出这种类型的电缆与具有金属装甲的低或中压输电或配电用电缆有实质性区别，后者不是挠性的而是应当能够抵抗某些强度对电缆的冲击而引起的动态负荷。
另外，在同轴或双绞类型的信号传输电缆中，已知为使传导金属绝缘可使用发泡材料。同轴电缆通常是用来运送高频信号，如TV用同轴电缆(CATV)(10-100MHz)、卫星电缆(最高2GHz)、计算机用同轴电缆(1MHz以上)；传统电话电缆通常运送约800Hz频率的信号。
在这种电缆中使用发泡绝缘体的目的是增加电信号的传送速度，以便达到空中传导金属中的理想的信号传输速度(接近光速)。这样作的原因在于，与非发泡的聚合物材料相比，发泡材料通常具有较低的介电常数(K)，聚合物的发泡程度越大，其介电常数越成比例地接近空气的介电常数(K＝1)。
例如，US专利4,711,811中描述了一种信号传输电缆，该电缆具有发泡的含氟聚合物作为绝缘体(厚度0.05-0.76mm)，所说绝缘体外包有乙烯/四氟乙烯或乙烯/三氟氯乙烯共聚物(厚度0.013-0.254mm)膜。正如该专利所描述的，发泡聚合物的目的是使导体绝缘，外包发泡聚合物的非发泡聚合物膜的目的是改进绝缘的机械性能，具体说是通过当将两个被绝缘的导体绞成所谓“双绞线”时赋予必要的抗压强度。
EP专利442,346描述了一种具有基于发泡聚合物的绝缘层的信号传输电缆，所说的绝缘层直接放在导体的周围；这种发泡的聚合物具有超微孔结构，其空隙体积大于75％(相当于大于300％的发泡程度)。这种聚合物的超微孔结构应当是在6.89×104Pa负荷下压缩了至少10％并且除去负荷后能够恢复原始体积的至少50％；这些数值大致相当于材料所必须具有的以便抵抗拧绞电缆时压缩的典型抗压强度值。
国际专利申请WO93/15512也涉及了一种具有发泡聚合物绝缘层的信号传输电缆，据陈述是通过用非发泡的绝缘热塑性聚合物涂敷发泡的绝缘体(如上述US4,711,811中所述)来获得所需的抗压强度，然而这样降低了信号的传播速度。所说的专利中请WO93/15512描述了一种具有双层绝缘层的同轴电缆，其中两个层均由发泡的聚合物材料组成，内层由微孔聚四氟乙烯(PTFE)组成，而外层由闭孔发泡聚合物(具体说是全氟烷氧基四氟乙烯(PFA)聚合物)组成。这种发泡聚合物基的绝缘涂层是通过将PFA聚合物挤出到PTFE绝缘体内层的外面、注射Freon 113气作为发泡剂而获得的。根据说明书给出的详细描述，闭孔发泡绝缘体使得保持高速传送信号成为可能。在该专利申请中还明确了是耐压缩的，尽管没有给出有关抗压强度的数字数据。说明书中强调了用这种双层绝缘体外包的导体可以被拧绞，外发泡层中空隙率的增加可以导致获得传送速度的增加，由此使该包覆层反抗压缩内发泡层的能力没有大的变化。
正如从上述文献中看出的，使用“开孔”发泡聚合物材料作为信号传输电缆用绝缘层的主要目的是增加电信号的传送速度；然而，这些发泡涂层的缺陷是具有不够充足的抗压强度。少数发泡材料也被上位定义成“抗压缩的”，这是因为它们不仅确保高速信号传输，还足以抵抗当两个涂敷有上述发泡绝缘层的导体被拧绞在一起时所典型产生的压缩力；因而，同样在这种情况中，所施加的负荷是基本上静态类型的。
因此，一方面，由发泡聚合物材料制造的用于信号传输电缆的这些绝缘层必须要具有它们能够承受相对适度压缩负荷(例如当两个电缆被拧绞在一起时产生的)的特征，另一方面，就申请人知道的任何文献中均没有提及可通过发泡聚合物涂层来提供任何类型的抗冲强度。此外，虽然这种发泡绝缘涂层促进了较高速度的信号传输，但正如上述专利申请WO93/15512中认为的，在抗压强度方面，不如由类似的非发泡材料制造的涂层有利。
据申请人目前的发现，通过在输电电缆的结构中插入具有适当厚度和弯曲模量的由发泡聚合物材料制造的适宜涂层，优选和外聚合物涂层的护套接触，可以获得具有高抗冲强度的电缆，由此可以避免在该电缆结构中使用上述的保护性金属装甲。具体说，申请人注意到应当选择聚合物材料以便它具有足够高的弯曲模量(在其发泡前测定的)，从而达到所期望的抗冲击性，并且避免由于对其外表面的不期望的冲击而造成的电缆内部结构的可能的损坏。本说明书中，术语“冲击”是指包括能够对常规未装甲的电缆结构产生实质性损坏、而对常规装甲的电缆结构具有可忽略不计效果的某种能量的所有动态负荷。作为一种说明，这种冲击可以被认为是通过V型圆形边冲压机(其曲率半径约1mm)在电缆外护套上产生的约20-30焦耳的冲击。
申请人还吃惊地注意到，将发泡的聚合物材料作为本发明电缆用的涂层使用，所获得的抗冲强度好于使用以未发泡的相同聚合物为基础的类似涂层。
具有这种类型涂层的电缆优于常规具有金属装甲电缆的各种优点是，例如较易加工、最终成品电缆的重量和尺寸减小、以及一旦工作周期结束有关电缆再循环的环境影响降低。
本发明一个方面是涉及一种输电电缆，该电缆包括：
a)导体；
b)至少一层致密绝缘涂层；
c)一层由发泡聚合物材料制造的涂层，
其中所说的聚合物材料具有预定的机械强度特性和预定的发泡程度，以便给所说的电缆提供耐冲击特性。
根据本发明的优选方面，发泡聚合物材料是由发泡前其室温下的弯曲模量根据ASTM标准D790测定为大于200MPa、优选400MPa-1500MPa、特别优选600MPa-1300MPa的聚合物材料获得的。
根据本发明的优选方面，所说的聚合物材料的发泡程度为约20％-约3000％、优选约30％-约500％、特别优选发泡程度为约50％-约200％。
根据本发明的优选实施方案，发泡聚合物材料涂层的厚度为至少0.5mm、优选1-6mm、特别是2-4mm。根据本发明优选方面，发泡聚合物材料选自聚乙烯(PE)、低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、和线型低密度PE(LLDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯丙烯橡胶(EPR)、乙烯丙烯共聚物(EPM)、乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)；天然橡胶；丁基橡胶；乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)共聚物；聚苯乙烯；乙烯/丙烯酸酯共聚物、乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)共聚物、乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)共聚物；乙烯/α-烯烃共聚物；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物、聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯；聚酰胺；芳族聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；以及其共聚物或机械混合物。
根据另一个优选的方面，聚合物材料是基于PE和/或PP的聚烯烃聚合物或共聚物，优选是用乙烯丙烯橡胶改性的，其中PP/EPR重量比为90/10-50/50、优选85/15-60/40、特别是约70/30。
根据另一个优选的方面，基于PE和/或PP的聚烯烃聚合物或共聚物中含有预定量的粉末形式的硫化橡胶，优选为聚合物的10-60wt％。
根据另一个优选的方面，电缆中还包括外聚合物护套，该护套优选和发泡聚合物涂层接触，优选护套的厚度为至少0.5mm、优选1-5mm。
本发明另一个方面是涉及给电缆提供抗冲强度的方法，该方法包括用由发泡聚合物材料制造的涂料涂敷所说的电缆。
根据优选的方面，给电缆提供抗冲强度的方法还包括用外保护性护套涂敷所说的发泡涂层。
本发明另一个方面是涉及发泡聚合物材料在为输电电缆提供抗冲强度中的用途。
本发明另一个方面是涉及包含至少一层绝缘层的电缆的抗冲强度的评价方法，该方法由以下步骤组成：
a)测定所说绝缘层的平均剥离强度；
b)让电缆受到预定能量的冲击；
c)测定所说绝缘层在冲击点处的剥离强度；
d)检查平均剥离强度与在冲击点处测定的剥离强度之差小于所说电缆相对于平均剥离强度的预定的值。
根据优选的方面，剥离强度是在绝缘涂层和外层半导体涂层之间测定的。
本发明中，术语“聚合物的发泡程度”应理解为是指按照下式测得的聚合物的发泡度：
       G(发泡程度)＝(d0/de-1)·100
其中d0表示非发泡聚合物(即是指其结构基本上没有空隙体积的聚合物)的密度，de是指测定的发泡聚合物的表观密度。
本发明中，术语“发泡”聚合物应理解为是指其结构中的空隙体积(即是指没有被聚合物占据而是被气体或空气占据的空间)百分率一般大于10％总聚合物体积的聚合物。
本发明中，术语“剥离”强度应理解为是指将涂层的一层与导体层或涂层的另一层分离(剥离)所需要的力；在将涂层的两个层彼此分离的情况中，这两个层一般为绝缘层和外半导体层。
一般来说，输电电缆绝缘层的介电常数(K)为大于2。此外，与其中“电梯度”参数不负任何重要性的信号传输电缆不同，输电电缆中使用了对低压约0.5KV/mm直到对高压约10KV/mm范围的电梯度；因此，在这些电缆中，倾向于避免在绝缘涂层中有多相性(例如空隙体积)的存在，多相性的存在会导致介电强度的局部变化，结果降低了绝缘能力。因而这种绝缘材料一般是致密聚合物材料，其中，在本发明中。术语“致密”绝缘体应理解为是指其介电强度对中-高压输电电缆为至少5KV/mm、优选大于10KV/mm、特别是大于40KV/mm的绝缘材料。与发泡聚合物材料不同，这种致密材料的结构中基本上没有空隙体积；具体说，这种材料的密度为0.85g/cm3或更高。
本发明中，术语“低压”应理解为是指最高为1000V(通常是大于100V)的电压，术语“中压”应理解为是指约1-约30KV的电压，术语“高压”是指大于30KV的电压。这种输电电缆一般在50或60Hz的标称频率下工作。
虽然在描述过程中对发泡聚合物涂层的使用是以输电电缆为参考作了详细的举例说明，其中这种涂层可以有利地取代目前在这种电缆中使用的金属装甲，然而本领域技术人员清楚这种发泡涂层可以有利地用于任何类型的电缆，从而可期望地给这种电缆提供适宜的抗冲击性保护。具体说，输电电缆的定义不仅包括专门用于低压和中压的类型，还包括用于高压输电的电缆。
以下的附图将帮助进一步理解本发明：
图1显示了一种本领域现有的具有金属装甲的三极类型的输电电缆。
图2显示了本发明的第一个实施方案，是一种三极类型的电缆。
图3显示了本发明的第二种实施方案，是一种单极类型的电缆。
图1是现有技术的中压输电电缆的横截面图，是一种具有金属装甲的三极类型的电缆。该电缆包括三个导体(1)，都分别外包有内半导体涂层(2)、绝缘层(3)、外半导体层(4)和金属屏蔽层(5)；为简单起见，在本说明书的以下部分中将该半导体成品结构定义为“芯”。将这三个芯捆在一起，并且在它们之间的星形空间区域装满填充材料(9)(通常是弹性体混合物、聚丙烯纤维等等)，以便使横截面的结构成为圆形，并且整体用内聚合物护套(8)、金属线装甲(7)和外聚合物护套(6)包敷。
图2是本发明电缆的横截面图，也是一种中压输电用的三极类型。该电缆包括三个导体(1)，都分别外包有内半导体涂层(2)、绝缘层(3)、外半导体层(4)和金属屏蔽层(5)；此时，芯之间的星形空间用耐冲击的发泡聚合物材料(10)填充，所说的发泡聚合物材料(10)反过来用外聚合物护套(6)包敷。在发泡聚合物涂层(10)中，还显示出一相当于发泡聚合物涂层最小厚度的圆形边(10a)(借助一点划线)，接近芯的外表面。
图3是本发明电缆的横截面图，它是一种中压输电用的单极类型。该电缆包括中央导体(1)，外包有内半导体涂层(2)、绝缘层(3)、外半导体层(4)、金属屏蔽层(5)、发泡聚合物材料层(10)和外聚合物护套(6)。在图3所示的单极电缆中，由于芯具有圆形横截面，在三极电缆中所示的圆形边(10a)与发泡聚合物材料的层(10)相重合。
这些图显而易见地只表示了电缆的几种可能的实施方案，其中本发明可以得到有利地利用。显然可以对这些实施方案作出本领域已知的适当改进，而无对本发明应用范围的限制。例如，参考图2，在芯之间的星形区域可以预先装填常规的填充材料，获得半加工的电缆，其横截面大致相当于包含在圆形边(10a)内的圆形横截面，然后可以有利地在这个半加工电缆的横截面区域上面挤出发泡聚合物材料(10)层，其厚度大致对应到圆形边(10a)，接下来挤出外护套(6)。或者，可以给芯装配一横截面扇形体，以当这些芯结合在一起时形成大致圆形横截面电缆的方式，而不需为星形空间区域使用填充材料；然后在这些这样结合在一起的芯上面挤出抗冲击发泡聚合物材料(10)的层，接着是外护套(6)。
对低压输电用的电缆来说，电缆的结构通常仅包括直接和导体接触的绝缘涂层，该绝缘涂层上反过来涂敷有发泡聚合物材料的涂层和外护套。
其它解决形式对本领域技术人员是公知的，所说的本领域技术人员能够基于诸如费用、电缆架设的类型(空中、插入管中、直接埋入地下、建筑内、海底等)、电缆工作温度(最高和最低温度、环境温度范围)等等来评判出最方便的解决方式。
耐冲击发泡聚合物涂层可以由任何类型的可发泡聚合物组成，如聚烯烃、聚烯烃共聚物、烯烃/酯共聚物、聚酯、聚碳酸酯、聚砜、酚醛树脂、脲醛树脂及其混合物。适宜的聚合物的实例是聚乙烯(PE)、低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、和线型低密度PE(LLDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯丙烯橡胶(EPR)、特别是乙烯丙烯共聚物(EPM)、或乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)；天然橡胶；丁基橡胶；乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)共聚物；聚苯乙烯；乙烯/丙烯酸酯共聚物、特别是乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)共聚物、乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)共聚物；乙烯/α-烯烃共聚物；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物、特别是聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯(PUR)；聚酰胺；芳族聚酯、如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；以及其共聚物或机械混合物。优选使用聚烯烃聚合物或共聚物，特别是基于和乙烯丙烯橡胶混合的PE和/或PP的那些。有利地，可以使用乙烯丙烯橡胶(EPR)改性的聚丙烯，PP/EPR重量比为90/10-50/50，优选85/15-60/40，特别优选约70/30的重量比。
根据本发明的其它方面，申请人还观察到可以将要经发泡处理的聚合物材料(特别是烯烃聚合物、尤其是聚乙烯或聚丙烯)和预定量的粉末形式的橡胶机械混合，例如硫化的天然橡胶。
一般来说，粉末可以由粒度为10-1000μm、优选300-600μm的颗粒形成。有利地，可以使用来自轮胎加工中的硫化橡胶废料。粉末形式橡胶的百分比相对于待发泡的聚合物可以是10-60wt％，优选30-50wt％。
待发泡的聚合物材料(无论是不经进一步加工而使用，还是在和粉末橡胶的混合物中作为可发泡基料使用)应当具有一定的刚度，以致当将其发泡时能确保一定程度的所需耐冲击性，从而保护电缆的内部(即是指可能存在的绝缘体层和半导体层)免受随后可能发生的意外冲击的损坏。具体说，材料应当具有足够高的能力来吸收冲击能量，以便将一定量的能量传输到下面的绝缘层，以致下面涂层的绝缘特性没有被改进超过预定值。其原因，正如以下更详细描述所说明的那样，在于据申请人的观察，在受到冲击的电缆中，下面绝缘涂层的剥离强度的平均值和冲击点处测定的值之间可观察到有差异；有利地，在绝缘层和外半导体外层之间测定剥离强度。传输给下面层的冲击能量越大，这种强度的差越大；其中剥离强度是在绝缘层和外半导体层之间测定的，据判断当冲击点处的剥离强度相对于平均值的差小于25％时，保护涂层可为内层提供足够的保护。
申请人发现选自上述的聚合物材料特别适合于此目的，所说的材料在发泡前的室温下弯曲模量根据ASTM标准D790的测定为大于200MPa、优选至少400MPa。另一方面，由于发泡材料的过度刚性会使成品难操纵，因此优选使用室温弯曲模量小于2000MPa的聚合物材料。特别适合此目的的聚合物材料是发泡前的室温下弯曲模量为400-1800MPa的材料，特别优选室温下弯曲模量为600-1500Mpa的聚合物材料。
这些弯曲模量值可以是特定材料的特征，或者可以得自将两种或多种具有不同模量的材料混合，混合的比例为能够获得材料所需的刚度值。例如，为达到以适合方式降低刚度的目的，可以将弯曲模量大于1500MPa的聚丙烯用适宜量的约100MPa模量的乙烯丙烯橡胶(EPR)作适当的改性。
可市售获得的聚合物的化合物实例为：
低密度聚乙烯：Riblene FL 30(Enichem)；
高密度聚乙烯：DGDK 3364(Union Carbide)；
聚丙烯：PF 814(Montell)；
用EPR改性的聚丙烯：Moplen EP-S 30R、33R和81R(Montell)；
Fina-Pro 5660G、4660G、2660S和3660S(Fina-Pro)。
聚合物的发泡程度以及涂层的厚度应当是致使它们能够确保和外聚合物护套一起抵抗电缆操作和铺设期间可能发生的典型冲击。
如前所述，“聚合物的发泡程度”按照下式测得：
        G(发泡程度)＝(d0/de-1)·100
其中d0表示非发泡聚合物的密度，de是指测定的发泡聚合物的表观密度。
申请人发现，对相等厚度的发泡层来说，在保持所需耐冲击性所允许的范围内，优选使用发泡程度高的聚合物材料，这是因为这样可以限制聚合物材料的用量，对成品的节约和减轻重量均是有利的。
发泡程度是非常易变的，既是所用特定聚合物材料的函数又是欲用涂层厚度的函数；通常来说，发泡程度可以是20％-3000％，优选30％-500％，特别优选50％-200％的发泡程度。发泡聚合物通常具有闭孔结构。
据申请人观察，超过一定程度的发泡，聚合物涂层提供所需抗冲强度的能力将下降。具体说，据观察获得保持高效防护冲击的高发泡程度聚合物的可能性与待发泡聚合物的弯曲模量值有关。其原因据申请人观察是聚合物材料的模量随该材料发泡程度的增加而降低，大致相当于下式：
E2/E1＝(ρ2/ρ1)2
其中：E2表示较高发泡程度的聚合物的弯曲模量；
E1表示较低发泡程度的聚合物的弯曲模量；
ρ2表示较高发泡程度的聚合物的表观密度；
ρ1表示较低发泡程度的聚合物的表观密度；
作为指导，对具有约1000MPa弯曲模量的聚合物来说，25％-100％发泡程度的变化大致需要材料的弯曲模量值减半。因此，弯曲模量较高的聚合物材料可以比弯曲模量值较低的聚合物材料被发泡成较大的程度，而不损害涂层耐冲击的能力。
另一个容易影响电缆抗冲强度的可变因素是发泡涂层的厚度；能够确保用这种涂层获得所期望抗冲强度的最小厚度取决于该聚合物的发泡程度和弯曲模量。通常来说，据申请人的观察，对相同的聚合物和相同的发泡程度，通过增加发泡涂层的厚度可以达到较高数值的抗冲强度。然而，对使用有限量涂层材料来降低成品费用和尺寸的目的来说，发泡材料层的厚度为确保所需抗冲强度所需要的最小厚度是有利的。具体说，对中压类型的电缆，据观察厚度为约2mm的发泡涂层通常将能够保证足以抵御这种类型电缆受到的正常冲击。优选，涂层厚度为大于0.5mm，具体是约1mm-约6mm，特别优选2mm-4mm。
申请人发现了可以对具有各种弯曲模量值的材料合理近似地定义出涂层厚度和聚合物材料发泡程度之间的关系，从而可以将发泡涂层的厚度作为发泡程度和聚合物材料模量的函数适宜地定出尺寸，特别是对约2-4mm发泡涂层的厚度。
这种关系可以按下式表达：
V·de≥N
其中V表示每直线米电缆的发泡聚合物材料的体积(m3/m)，所说体积与由发泡涂层最小厚度定义的圆形边有关系，相当于图2多极电缆的圆形边(10a)、或图3单极电缆中定义的涂层(10)。
de表示发泡聚合物材料的表观密度(kg/m3)；
N表示上述两个数值的积的结果，它应当大于或者等于：
0.03，对模量＞1000Mpa的材料来说；
0.04，对模量为800-1000Mpa的材料来说；
0.05，对模量为400-800Mpa的材料来说；
0.06，对模量为＜400Mpa的材料来说。
参数V通过以下关系与发泡涂层厚度(S)有关：
V＝π(2Ri·S+S2)
其中Ri表示圆形边(10a)的内半径。
参数de通过前述关系与聚合物材料的发泡程度有关：
G＝(d0/de-1)·100
基于上述的关系，据发现对具有不同室温弯曲模量(Mf)的各种材料来说，在直径约22mm的电缆的圆形部分上放置约2mm厚度的发泡涂层，该涂层应当具有大约以下数值的最小表观密度：
0.40g/cm3，对LDPE来说(Mf约200)；
0.33g/cm3，对70/30PP/EPR混合物来说(Mf约800)；
0.26g/cm3，对HDPE来说(Mf约1000)；
0.20g/cm3，对PP来说(Mf约1500)。
这些发泡聚合物表观密度值相当于约以下数值的最大发泡程度：
130％，对LDPE来说(d0＝0.923)；
180％，对PP/EPR混合物来说(d0＝0.890)；
260％，对HDPE来说(d0＝0.945)；
350％，对PP来说(d0＝0.900)。
同样，在同一尺寸电缆上放置约3mm厚度的发泡涂层，获得以下的最小表观密度：
0.25g/cm3，对LDPE来说；
0.21g/cm3，对PP/EPR混合物来说；
0.17g/cm3，对HDPE来说；
0.13g/cm3，对PP来说；
相当于约以下数值的最大发泡程度：
270％，对LDPE来说；
320％，对PP/EPR混合物来说；
460％，对HDPE来说；
600％，对PP来说。
上述结果说明为使预定厚度的发泡涂层的抗冲强度特性达到最佳，就应当同时考虑到材料的机械强度特性(特别是其弯曲模量)和所说材料的发泡程度。然而，通过应用上述关系测得的数值不应当认为是限定本发明的范围。具体说，聚合物的最大发泡程度，所说的聚合物具有接近定义数N变化时的间隔值上限的弯曲模量值(即是指400、800和1000MPa)，事实上甚至可能大于根据上述关系计算的值；因此，诸如一厚度约2mm的PP/EPR层(Mf约800MPa)仍有可能提供甚至发泡程度约200％所具有的所需冲击保护作用。
聚合物通常是在挤出过程中发泡；这种发泡既可以是通过添加适宜“发泡”化合物(即能够在规定温度和压力条件下产生气体的化合物)以化学方式发生的，也可以是通过将气体高压下直接注射到挤出机筒中以物理方式发生的。
化学“发泡剂”的适宜实例是偶氮二甲酰胺、有机酸(如柠檬酸)与碳酸盐和/或碳酸氢盐(如碳酸氢钠)的混合物。
高压注射到挤出机筒用的气体的实例是氮气、二氧化碳、空气和低沸点烃如丙烷和丁烷。
外包发泡聚合物层的保护性外护套方便地可以是普通使用的类型。可用的外涂层用的材料是聚乙烯(PE)，特别是中密度PE(MDPE)和高密度PE(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、弹性体的混合物等。MDPE或PVC是优选使用的。一般来说，形成该外护套用的聚合物材料的弯曲模量为约400-约1200MPa，优选约600-约1000MPa。
申请人发现，外护套的存在有助于与发泡涂层一同提供给涂层所需的抗冲强度特性。尤其是据申请人观察，对相同厚度的发泡涂层来说，这种护套对抗冲强度的贡献是随着形成发泡涂层用聚合物的发泡程度的增加而增加。外护套的厚度优选为大于0.5mm，具体是1-5mm，优选2-4mm。
本发明具有抗冲强度的电缆的制备要通过参考图2的电缆结构图来描述，但其中待涂敷的芯之间的星形空间不直接填充发泡聚合物(10)，而用常规填料来填充；然后将发泡涂料挤出到这个半加工的电缆之上，在该半加工电缆周围形成圆形边(10a)，并且接下来外包外聚合物护套(2)。电缆芯的制备，即导体(4)、内半导体层(9)、绝缘体(5)、外半导体层(8)和金属屏蔽层(4)的装配，通过本领域已知的方法来完成，例如通过挤出方式。然后将这些芯捆在一起，并且用常规填充材料(如弹性体混合物、聚丙烯纤维等等)，一般是采用将填料挤出在被捆的芯上，从而获得圆形横截面的半加工电缆。之后将发泡聚合物涂料(10)挤出到填充材料上。优选，挤出机头模具的直径略微小于具有发泡涂层的电缆的最终直径，以便允许聚合物在挤出机外面发泡。
据观察，在相同挤出条件下(如螺杆的旋转速度、挤出生产线的速度、挤出机头的直径等等)，挤出温度是一项对发泡程度有相当影响的工艺变量。通常来说，对160℃以下的挤出温度，获得足够的发泡程度是困难的；挤出温度优选至少180℃，特别是大约200℃。通常，挤出温度的增加对应较高的发泡程度。
此外，可以通过作用于冷却速率来一定程度地控制聚合物的发泡程度，因为通过适当减缓或加速冷却(如果形成发泡涂层用的聚合物在挤出机出口)，可以增加或降低所说聚合物的发泡程度。
正如申请人发现的，通过测定电缆涂层的剥离强度、该剥离强度平均值和在评价冲击点处测定值之间的差，可以定量测定出对电缆涂层的冲击效果。具体说，对具有包括内半导体层、绝缘层和外半导体层结构的中压型电缆来说，在外半导体材料层和绝缘层之间测定剥离强度(及相关的差)是有利的。
据申请人观察，电缆可能受到的特别严重的冲击效果，特别是装甲的中压电缆，可以通过基于French标准HN33-S-52的冲击试验的方式来再现，所说的French标准HN33-S-52是涉及高压输电用装甲电缆，它允许约72焦耳(J)的电缆冲击能量。
涂层的剥离强度可以根据French标准HN33-S-52来测定，根据该标准是测定将外半导体层和绝缘层分离所需要施加的力。申请人发现，通过在冲击发生点处连续测定所说的力，可测得表示两层之间粘合力变化的力的峰值。据观察，这些变化一般关联着涂层绝缘能力的下降。外覆盖层(在本发明中，外覆盖层由发泡涂层和外护套组成)提供的抗冲强度越小，变化将成比例地越大。因此，在冲击点处测定的力的变化大小(相对于沿电缆测定的平均值)指示了保护涂层提供的保护程度。一般来说，相对于平均值剥离强度的变化最大到20-25％被认为是可接受的。
可以根据欲提供给下面电缆结构的冲击保护来适当选择发泡涂层的特性(材料、发泡程度、厚度)，其中发泡涂层和适宜的保护性外聚合物护套一起使用是有利的，还可以依据用作绝缘体和/或半导体的特定材料的特性，例如材料的硬度、密度等等。
正如从本发明描述中可以领会的，本发明的电缆由于发泡聚合物涂层相比金属装甲具有有利的特性而特别适合于取代常规的装甲电缆。然而，它的使用不应当限制于专门的应用中。事实上，本发明的电缆在所有期望电缆具有增强抗冲性能的用途中运用均是有利的。具体说，在直至现在使用装甲电缆将有利但因为金属装甲有缺陷而受到阻碍的用途中，本发明的耐冲击电缆可以取代这些所有用途中的常规的未装甲电缆。
为进一步详细描述本发明，以下给出一些举例说明性的实施例。
实施例1
制备具有发泡涂层的电缆
为评价本发明发泡聚合物涂层的抗冲强度，制备各种试验用件，制备方法是通过在芯上挤出不同厚度的具有各种发泡程度的几种聚合物，其中所说的芯由涂敷有0.5mm半导体材料层、3mm绝缘混合物层(该材料基于EPR)、和0.5mm“易剥脱”半导体材料层(该材料基于用碳黑强化的EVA)的约14mm厚多线导体组成，使总芯厚度达到约22mm。
使用低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、LDPE和细粉状硫化天然橡胶(粒度300-600μm)的70/30重量比机械混合物(PE-粉末)、ERP橡胶改性的PP(70/30重量比混合物的PP-ERP)作为待发泡的聚合物材料；在以下内容中这些材料用字母A至E来识别，并且在下表中作详细描述：
  材料  品牌和制造商  模量(MPa)
  ABCDE   LDPEHDPEPPPP-EPRPE/粉末  Riblene FL 30-EnichemDGDK 3364-Union CarbidePF 814-MontellFINA-PRO 3660SRiblene FL 30  260100016001250
对聚合物进行化学方法发泡，或者使用两种不同发泡化合物(CE)，如下说明：
  化合物  品牌和制造商
 CE1   偶氮二甲酰胺  Sarmapor PO-Sarma
 CE2   羧酸-碳酸氢盐  Hydrocerol CF 70-BoehringerIngelheim
将待发泡的聚合物和发泡化合物装载到(所用比例见表2)一80mm-25D单螺杆挤出机中(Bandera)；该挤出机装配有特征在于最终区深度为9.6mm的螺纹传送螺杆。挤出系统由能够提供光滑压出待涂敷芯的阳模(其直径一般要比待涂敷的芯的直径大约0.5mm)、以及阴模(其直径被选择成以便其大小比具有发泡涂层的电缆直径小约2mm)组成；按此方式，挤出的材料在挤出头的出口处发泡，而不是在机头的内部或挤出机的内部。将待涂敷的芯的挤出速度(挤出生产线速度)设定成是发泡材料所需厚度的函数(参见表2)。在离挤出头约500mm的距离是冷却管(含冷却水)，以便使发泡停止并且使挤出材料冷却。然后将电缆缠在线轴上。
聚合物材料/发泡剂混合物的组成和挤出条件(速度、温度)可以适当地改变，如下表2所示。
表2：发泡混合物和挤出条件
  电缆号  材料+％和发泡剂类型   挤出机速度(转/min)   (1)挤出机温度(℃)   生产线速度(m/min)
  1234567891011  A+2％CE1A+2％CE1A+2％CE1A+2％CE1A+2％CE1A+0.8％CE2C+0.8％CE2C+0.8％CE2E+0.8％CE2B+1.2％CE2D+2％CE2   6.411.85.56.86.45.73.76.34.98.28   165190-180190-180190-180165225-200200200225-200225-200225-200   32321.52221.822
(1)：挤出机温度是相对于机筒和挤出头。当仅给出一个数值时，这些温度是相同的。在挤出机的初始区，温度大约150℃。
样品1没有经历发泡，大概是因为挤出机的温度太低(165℃)，出于同样原因样品5经历有限的发泡(仅5％)。
接下来通过常规挤出方法给具有发泡涂层的电缆涂敷不同厚度的(参见表3)的常规MDPE护套(CE90-Materie PlasticheBresciane)，获得具有表3定义特征的电缆样品；其中聚合物没有经历发泡的第1号电缆被当作对比性的非发泡聚合物涂层。为对比目的，表3还给出了缺乏发泡填料而仅用外护套包敷的电缆的特性(0号电缆)。
表3：涂层特性
  电缆号   填料的发泡程度(％)   填料厚度(mm)   护套厚度(mm)
  01234567891011   -03161485355229237882   014.312.532232.544   333333222.2222
以上述相同的方式，使用弯曲模量为约600MPa的由用约30％ERP橡胶改性的聚丙烯组成的发泡聚合物涂料，制备另一批6种电缆样品，见表4(实例12-17)；表4还给出两个电缆的对比实施例，其中电缆具有发泡涂层但缺乏外护套(实例16a和17a)。
表4：涂层特性：
  电缆号   填料的发泡程度(％)   填料厚度(mm)   护套厚度(mm)
  121314151616a1717a   712216712456568484   32322222   1.921.822-2-
实施例2
抗冲强度测试
为评价根据实施例1制备的电缆的抗冲强度，对电缆进行冲击试验接着评价损坏程度。同时通过对电缆肉眼分析的方式和通过测定冲击点处半导体材料层剥离强度变化的方式来评价冲击效果。冲击试验是基于French标准HN33-S-52，该标准是为约72焦耳(J)的电缆冲击能量提供的，所说的72焦耳冲击能量是通过27kg的重物从27cm的高处坠落而获得的。对本试验来说，这种冲击能量由8kg重物从97cm高处坠落产生。重物的冲击端装有V型的圆形边(1mm曲率半径)冲切头。在本发明的目的中，对单冲击的抗冲强度进行评价。对样品6-12，从第一次约100mm的距离处重复第二次试验。
根据French标准HN 33-S-52测定剥离强度，依据该标准测定将外半导体层与绝缘层分离所需要施加的力。通过连续测定所说的力，在发生冲击的点处测得力的峰值。对每个测试件来说，在冲击点处，测得“正”力峰值(相当于分离两层所需要的力的增加(相对平均值))和“负”力峰值(相对平均值下降)。从测得的力峰值的最大(Fmax)和最小(Fmin)值之间的差中，获得冲击点处剥离强度的最大变化值。
依据以下关系，通过测定上述差(Fmax-Fmin)与所测电缆平均剥离强度值(F<>)之间的百分率来计算剥离强度的变化率：
            ％变化率＝100(Fmax-Fmin)/F<>
因此，冲击点处测定的所说力的变化大小(相对沿电缆测定的平均值)指示着发泡涂层提供的保护程度。一般来说，相对于平均值剥离强度的变化最大到20-25％被认为是可接受的。表5给出了样品0-17a剥离强度的变化值。
表5：剥离强度的％变化率
  电缆   第一次测试   第二次测试
  01234567891011121314151616a1717a   6240182713211794199.84.37161410163015.5116   78-----231251512.52.514171210185513103
正如从表3中看到的，样品1(没有获得发泡)的剥离强度百分变化率极其高；这说明非发泡聚合物的吸收冲击能力比发泡了的相同厚度的同样聚合物层明显地低(参见样品3，具有61％的发泡涂层)。样品3显示出比25％极限值略微高的剥离强度变化；该样品有限的抗冲强度主要归因于发泡涂层的厚度，该厚度相对其它样品的2-3mm厚度仅为1mm。
样品5(具有3mm厚的发泡涂层)由于聚合物发泡程度低(5％)而具有高数值的剥离强度，因此证明了发泡程度低的涂层提供的抗冲强度较有限。而样品4(虽然发泡材料厚度比样品5的薄)具有较高的抗冲强度，相比21％变化率的样品5其剥离强度的变化为13％，由此证明了发泡程度越高提供的抗冲强度越高。
通过比较样品13和样品15，看出了对相同厚度的发泡材料层和外护套层来说，聚合物发泡程度的增加(22-124％)是怎样需要涂层抗冲强度的增加的(剥离强度从16-17％到10％的变化)。通过比较样品16和17证实了这一趋势。然而，通过将样品16a和17a(没有外护套)与各样品16和17比较，可以看出外护套对冲击保护的贡献是怎样随发泡程度的增加而增加的。
实施例3
装甲电缆的抗冲强度对比测试
为验证发泡涂层的抗冲强度效力，测试第10号电缆对常规装甲的电缆。
装甲电缆具有与10号电缆相同的芯(即涂敷有一层0.5mm半导体材料层、一层3mm绝缘混合物层(该材料基于EPR)、和一层0.5mm“易剥脱”半导体材料层(该材料基于用碳黑补强的EVA)的约14mm厚多线导体，总芯厚度达到约22mm)。按照：
a)约0.6mm厚的橡胶基填充材料层；
b)约0.6mm厚的PVC护套；
c)分别约0.5mm厚的2个装甲钢带；
d)约2mm厚MDPE外护套，
从内向外依次包绕所说的电缆芯。
为比较测试，使用一“落重物型”的动态机器(CEAST 6758型)。通过分别从50cm高处(约54焦耳冲击能量)和20cm高处(约21焦耳冲击能量)坠落11kg的重物进行两组试验；在重物的冲击端装配约10mm半径的半球形头。
所得的电缆变形结果显示在图4和5(分别为50cm和20cm高度)，其中本发明的电缆用a)表示，常规装甲的电缆用b)表示。
测定芯的变形情况，以便评价电缆结构的损坏程度。事实上，半导体-绝缘-半导体护套变形较大，更可能会导致电缆绝缘性的电缺损。结果在表6中有所汇总。
表6：半导体层经冲击后的％厚度减少率
  常规装甲的电缆   第10号电缆
  50cm高处冲击   41％   26.5％
  20cm高处冲击   4.4％   2.9％
从表6总结的结果看出，本发明电缆的抗冲强度性能好于常规装甲的电缆。

Claims (24)

1、一种电缆，包括一种内部结构和在所说的内部结构周围布置的一种涂层，其中所说的涂层由发泡程度为20％至3000％及该聚合物发泡前按ASTM标准D790在室温下测定的弯曲模量为至少200MPa的发泡聚合物材料制成。
2、权利要求1所要求的电缆，其中所述电缆是一种输电电缆，所述内部结构包括导体和至少一层位于所说导体周围的致密绝缘层。
3、权利要求1所要求的电缆，其中所说的弯曲模量为400MPa-1800MPa。
4、权利要求1所要求的电缆，其中所说的弯曲模量为600MPa-1500MPa。
5、权利要求1所要求的电缆，其中所说的聚合物材料的发泡程度为30％-500％。
6、权利要求1所要求的电缆，其中所说的聚合物材料的发泡程度为50％-200％。
7、上述权利要求1-6中任一项所要求的电缆，其中所说发泡聚合物材料的涂层的厚度为0.5mm。
8、上述权利要求1-6中任一项所要求的电缆，其中所说发泡聚合物材料的涂层的厚度为1-6mm。
9、权利要求1-6中任一项所要求的电缆，其中所说发泡聚合物材料的涂层的厚度为2-4mm。
10、权利要求1所要求的电缆，其中所说的发泡聚合物材料选自聚乙烯(PE)、低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)、高密度PE(HDPE)、和线型低密度PE(LLDPE)；聚丙烯(PP)；乙烯丙烯橡胶(EPR)、乙烯丙烯共聚物(EPM)、乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)；天然橡胶；丁基橡胶；乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)共聚物；聚苯乙烯；乙烯/丙烯酸酯共聚物、乙烯/丙烯酸甲酯(EMA)共聚物、乙烯/丙烯酸乙酯(EEA)共聚物、乙烯/丙烯酸丁酯(EBA)共聚物；乙烯/α-烯烃共聚物；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)树脂；卤化聚合物、聚氯乙烯(PVC)；聚氨酯；聚酰胺；芳族聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)；以及其共聚物或机械混合物。
11、权利要求1所要求的电缆，其中所说的发泡聚合物材料是基于PE和/或PP的聚烯烃聚合物或共聚物。
12、权利要求1所要求的电缆，其中所说的发泡聚合物材料是用乙烯丙烯橡胶改性的基于PE和/或PP的聚烯烃聚合物或共聚物。
13、权利要求12所要求的电缆，其中所说的发泡聚合物材料是用乙烯丙烯橡胶(EPR)改性的聚丙烯，PP/EPR重量比为90/10-50/50。
14、权利要求13所要求的电缆，其中所说的PP/EPR重量比为85/15-60/40。
15、权利要求13所要求的电缆，其中所说的PP/EPR重量比为70/30。
16、权利要求12所要求的电缆，其中所说的基于PE和/或PP的聚烯烃聚合物或共聚物中还含有预定量的粉末形式的硫化橡胶。
17、权利要求16所要求的电缆，其中粉末形式的硫化橡胶的预定量为聚合物的10-60wt％。
18、权利要求1所要求的电缆，其中所说的电缆包括外聚合物护套。
19、权利要求18所要求的电缆，其中所说的护套和所说的发泡聚合物涂层相接触。
20、权利要求18或19所要求的电缆，其中所说的护套的厚度为大于0.5mm。
21、权利要求18或19所要求的电缆，其中所说的护套的厚度为1-5mm。
22、给输电电缆的内部结构提供抗冲强度的方法，其包括在所述内部结构的周围布置一层发泡聚合物材料，其中所述聚合物材料在发泡前具有按ASTM标准D790在室温下测定的弯曲模量为至少200MPa，发泡程度为20％至3000％。
23、根据权利要求22的方法，所述电缆的内部结构包括至少两个相邻的彼此之间具有预定的平均剥离强度的涂层，其中当所述电缆受到具有72J能量的冲击时，上述平均剥离强度与涂层的冲击点处测定的剥离强度之差小于25％。
24、权利要求22或23所要求的方法，其还包括用外聚合物护套涂敷所述发泡涂层。
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