CN1883014A - 耐热的电绝缘组合物 - Google Patents

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CN1883014A CNA2004800334933A CN200480033493A CN1883014A CN 1883014 A CN1883014 A CN 1883014A CN A2004800334933 A CNA2004800334933 A CN A2004800334933A CN 200480033493 A CN200480033493 A CN 200480033493A CN 1883014 A CN1883014 A CN 1883014A
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Abstract

本发明涉及耐热和电绝缘组合物，其意图用于例如安全电缆。本发明的特征在于该组合物包括有机聚合物、层状硅酸盐和耐火填料。

Description

耐热的电绝缘组合物
本发明涉及电绝缘组合物，该组合物还预计耐得住极热的条件。
尽管不是唯一的，本发明发现在安全电缆(safe cable)领域应用上特别有优势，该安全电缆即，在受到强热和/或直接经受火力时在规定时间期间仍保持可操作性的动力电缆或通讯电缆。
目前，电缆工业的主要任务之一是改进在极热条件下，尤其在遇到火焰的情况下电缆的行为和性能。出于本质安全的原因，事实上使电缆一方面阻挡火焰蔓延，另一方面耐火的能力最大化是必不可少的。当显著阻挡火焰时，留下充分的时间来撤离房产和/或利用适当的灭火装置。较好的耐火性给电缆提供了作用更长的可能性，其分解不过于快速。安全电缆还应该对其环境没有危害，也就是说，在经受极热条件时不释放有毒的和/或过分暗浊的烟雾。
不管是用于输送电力或用于数据传输的电学电缆或光学电缆，电缆大致由在至少一种绝缘元件内部延伸的至少一种导电元件构成。应注意到，至少一种绝缘元件可以类似得起到保护装置的作用和/或该电缆可以进一步包括至少一种特定的保护元件，形成外壳。现在，已知在电缆中应用的大部分绝缘和/或保护材料不幸地都是由非常易燃的材料制成。这和上述在火中必不可少的性能是完全不相容的。
一种已知的适于防火的绝缘层组合物描述在专利文献WO 98/43251中。该组合物是值得注意的因为它包括：由硅橡胶或乙烯和丙烯单体或聚合物构成的第一化合物，由易熔(fusible)陶瓷填料构成的第二化合物，该第二化合物的含量可达到每100重量份第一化合物大于200重量份，以及由耐火氧化物构成的第三化合物。
该类型的组合物同样具有大量明显的缺点。
无论是硅橡胶的形式还是乙烯和丙烯单体或聚合物的形式，第一化合物需要通过过氧化物网络化(reticulation)处理。目前，已知该方法证实在经济上不是令人满意的，它需要能够在高压下工作的后续设备，并且它不允许获得高挤出速率。
此外，在易熔陶瓷填料允许形成玻璃，以确保绝缘体在火中的性能时，证实过多的含量对于高温下所述绝缘体的电绝缘品质不利。事实上，当温度升高时，在高温下熔融玻璃的导电性都较大。
过量的填料比率同样具有显著的缺点，它使得组合物难以挤出及网络化。事实上已证实具有高含量填料和过氧化物的混合物导致组合物的高粘度，从而在混合这些化合物时引起可观的自加热(auto-heating)。然后温度的这种升高引起例如过氧化物早期分解，随后出现烧焦(scorching)现象，组合物在混合器中部分网络化。在组合物的高粘度引起过度机械自加热之后的挤出期间同样会发生烧焦现象。在挤出过程中同样会由于组合物的高粘度而导致的过度机械自加热后出现这种烧焦现象。
此外，已知文献EP-1 245 632公布了基于耐火聚烯烃的组合物。该组合物包括聚烯烃，优选5-100重量份层状硅酸盐和0.1-10重量份金属氧化物。该组合物具有的问题是，当它用作电缆的绝缘材料时，它不能延长后者的作用时间，或者换句话说，它不能保证在着火的情况下电缆的电完整性(electrical integrity)。
最后，已知文献GB-2367064同样披露了基于耐火聚烯烃的组合物。该组合物包括聚烯烃，优选0.01-10重量份粘土纳米复合材料，例如蒙脱土，和大约200重量份比例的金属氧化物。该组合物具有的问题是，当它用作电缆的绝缘材料时，无机填料(包括粘土纳米复合材料)形成的灰分(ash)表现出附着性(cohesion)不足，在着火的情况下，引起灰分下落，从而不能确保电缆的机械完整性和电完整性，即在着火的情况下继续工作。
本发明通过确保绝缘体的电绝缘性质、机械性能和绝热之间的最优平衡解决了这些问题。为了实现这一目的，本发明提出了特别适合安全电缆的绝缘(resistant electrically)和绝热组合物，其特征在于，它包括有机聚合物，至少15重量份的层状硅酸盐组分(at least 50 parts by weight of thecomposition of phyllosilicate)和至少50重量份的耐火填料组分(at least 50parts by weight of the composition of a refractory filler)。
层状硅酸盐是最常见的粘土形式，它们是由一组单个尺寸为纳米级厚度和几十个纳米长度的层片(sheet)构成的化合物。这一特有特征使得它具有非常高的表面系数，约为100-1000m2/g数量级，以及非常强的形态因子(formfactor)，因为长度/厚度之比可以达到100。
层状硅酸盐还具有两个重要的相互依存的特性：能够分散在由少量层片组成的颗粒中，能够在某些条件下按绝缘层片来看，以及能够通过简单的阳离子交换来任意改变它们的表面性质。
因此，层状硅酸盐具有在它们的层片之间插入(intercaler)化合物(有机聚合物)的能力。具体地说，当有机化合物原子之间的排斥力超过层片之间的吸引力时，引起片状材料的分层，形成所述层片分散在有机化合物基质上的杂化结构。
由此获得的材料实际上构成了纳米复合材料，因为存在的颗粒在尺寸上小于微米，分散在有机基质中。这种类型的结构的特征在于：其相对强的内部相互作用，所述作用使得物理-化学性质和功能不同于那些被当作绝缘材料的基质。
已经令人吃惊地发现，当导体的绝缘材料是由本发明的组合物得到的时，在着火的情况下电缆的完整性得以保持，本发明的组合物包括足够比例的层状硅酸盐和耐火填料，而在现有技术的组合物中该系统包括高比例的层状硅酸盐和很少的耐火填料，或者包括高比例的耐火填料和很少的层状硅酸盐。
在任何情况下，本发明的组合物在机械和热性质及填充有该类型的填料的聚合物的阻气性方面获得了显著提高。因此，这解释了本发明的任何电绝缘组合物所提供的强大的耐极热条件的能力。
根据本发明的优选实施方案，层状硅酸盐是亲有机物质类型的。
事实上，上述性质的提高和聚合物基质中层状硅酸盐填料的分散状态密切相关。目前，控制这一分散绕过了(pass by)无机材料和有机基质不同层片之间的相互作用的基质。因此，预处理所用层状硅酸盐的表面以便赋予它更加亲有机的性质被证实是优选的，从而使得有机化合物(本情况中为聚合物)在层片之间易于穿透。
在分子规模上，通过用表面活性剂取代存在于各个层片表面上能水合的无机阳离子可以容易地进行这样的处理，该表面活性剂通常为季铵，例如烷基铵离子的形式。这一类型的表面活性剂具有易于取代层状硅酸盐阳离子的亲水极性头(polar head)，以及或长或短的脂肪疏水链，从而使得层片为亲有机的。该改性有助于增加层片之间的距离，从而促进聚合物的穿透。
应注意到，层状硅酸盐当然可以是天然的或合成的。
在特别有利的方式中，层状硅酸盐的比率为每100重量份有机聚合物小于或等于50重量份。
该比率优选介于20和30之间，有利地，大约等于20。
有机聚合物优选是至少包括乙烯的共聚物。当然，由于组合物可以包括几种不同的有机聚合物，本发明暗指涉及基于至少包括乙烯的共聚物的任何混合物。
有机聚合物为乙烯-辛烯共聚物是有利的。和上述理由相同，本发明暗指涉及基于乙烯-辛烯共聚物的任何混合物。
组合物中耐火填料的比率优选介于100和200之间，这样的比率一方面获得完整性的最佳效果，另一方面使得在电缆上易于使用本发明的组合物作为绝缘材料。
耐火填料优选选自氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和白云母(6SiO2-3Al2O3-K2O-2H2O)，或这些化合物的任何混合物，或者甚至选自这些化合物的前体。
在热的作用下分解成氧化物的这些前体，可以有助于增强混合物的防火性。
根据本发明的特有特征，所述组合物还包括易熔陶瓷填料。
在实践中，该易熔陶瓷填料的熔点低于500℃，这样在它一经受较高温度时就可以转变为玻璃，这在火灾期间是准系统化情况(which is quasisystematically the case during a fire)。在这些极热条件下，也就是说，当聚合物已经完全分解时，由此形成的硬陶瓷层通过增强整体的机械性能有利地完善了层状硅酸盐的作用。但是，通过促进耐火填料的陶瓷化(ceramisation)它也间接参与保持导体的电绝缘性，该耐火填料的陶瓷化再根据电绝缘接收聚合物进料(takes the feed of the polymer in terms of electrical insulation)。
易熔陶瓷填料优选选自氧化硼(B2O3)、硼酸锌(4ZnO B2O3H2O或2ZnO 3B2O3 3，5H2O)和磷酸硼(BPO4)无水物或水合物，或者这些化合物的任意混合物。
在特别有利的方式中，易熔陶瓷填料的比率为每100重量份聚合物小于或等于50重量份。
根据本发明的另一个特有特征，通过硅烷网络化，例如通过Sioplas法，有利地获得了组合物。
事实上，即使可以通过热塑混合简单地获得所述组合物，但优选通过硅烷网络化来实施，其中强化学键的网络结构使得不仅所述组合物的温度性能，而且机械性能更加得到增强。
在这一前提下，通过Sioplas法的网络化相对于过氧化物网络化是优选的，因为一方面它明显需要较少的基本设备，而且另一方面它能够提供更高的挤出速率。同样，该网络化不对应用组合物的载体施加任何压力，因为它在大气压或在非常低的水蒸汽压下进行，相反，过氧化物网络化通常在高压蒸汽管中进行。
应注意到，如果易熔陶瓷填料必须是欲用sioplas方法网络化的组合物的一部分，则硼酸锌应是担当所述填料作用的最合适的化合物。
根据本发明目前优选的第一个具体实施方案，所述组合物包括：
-100重量份至少基于乙烯-辛烯共聚物的有机聚合物，
-100-200重量份氧化镁，
-15-50重量份层状硅酸盐。
根据本发明目前优选的第二个具体实施方案，所述组合物包括：
-100重量份至少基于乙烯-辛烯共聚物的有机聚合物，
-100-200重量份白云母，
-15-50重量份层状硅酸盐。
应注意到在两种情况中，与组成混合物的不同聚合物的数目无关，有机聚合物的比例相当于组合物中存在的聚合物总量。因此，有机聚合物的比例暗指可以严格规定为100重量份乙烯-辛烯共聚物，或者100重量份基于乙烯-辛烯共聚物的混合物。
本发明还涉及包含在至少一种绝缘元件内部延伸的至少一种导电元件的任何电缆，其中至少一种绝缘元件是由上面描述的组合物构成的。
本发明又涉及包含至少一种用内绝缘层和外绝缘层包覆的导电元件的任何电缆，所述内绝缘层由第一具体实施方案的组合物构成，而所述外绝缘层由第二具体实施方案的组合物构成。因此上述电缆得益于双层绝缘。这样的整体安排使得在极热的条件下，内绝缘层更加确保与其直接接触的导电元件的电绝缘性，而外绝缘层更加保证所述电缆的总的机械性能。
本发明的其它特征和优势将从以下实施例的描述中呈现出来，所述实施例是通过说明而非限制的方式给出的。
下面的表1说明了借助本发明的组合物得到的令人惊讶的结果，特别是层状硅酸盐的比率对于应用本发明组合物的电缆的完整性的影响。
                         表1
  层状硅酸盐的比率(pcr)  EN 50200类耐火测试中完整性的持续时间(T°火焰＝830℃，U＝500 根据EN 50200电缆的符合性
  0  小于5分钟   不符合
  5  5-7分钟   不符合
  10  6-10分钟   不符合
  15  大于15分钟   符合
  20  大于60分钟   符合
  25  大于60分钟   符合
  30  大于60分钟   符合
其中pcr表示重量份/100份树脂，U表示相间的电压(electrical tension)。
上述表1清楚地表明，当绝缘材料另外包含的所有物质浓度相等，且包含的根据本发明层状硅酸盐至少为15重量份时，电缆的电完整性令人惊讶地得以保持，而层状硅酸盐低于15重量份时则不能保持。
实施例1-5更加具体地涉及充当动力和/或通讯电缆的绝缘层的组合物。
实施例1
表2详细列出了中间组合物(配方A)的不同组分各自的比例，该中间组合物预计用于制备两种绝缘和耐热组合物。
                     表2
 配方A   -75pcr乙烯-辛烯共聚物-25pcr乙烯-丙烯酰酯(ethylene-ester acryl)共聚物-100-200pcr白云母-0-60pcr三水合铝或二水合镁-5-15pcr石蜡-0-5pcr氧化锌-2-15pcr硅烷-2-5pcr抗氧化剂-5-15pcr网络化剂
其中pcr表示重量份/100份树脂。
在下表3中定义的组合物1相当于现有技术典型的组合物，因为它有关聚合物基质和耐火填料，该实施例中由硼酸锌构成的易熔陶瓷填料。依照其涉及聚合物基质和耐火填料，以相同比例存在的层状硅酸盐填料的事实，在下表3中定义的组合物2是根据本发明的。
根据表3，进行测试来评估当这些组合物经受越来越高的温度时灰分的附着性。
                      表3
温度   组合物1配方A+20pcr硼酸锌   组合物2配方A+20pcr层状硅酸盐
400℃   不附着黑色灰分   不附着黑色灰分
500℃   不附着灰色灰分   开始附着黑灰色灰分
600℃   开始附着灰色灰分   弱附着黑灰色灰分
700℃   弱附着白色灰分   强附着灰色灰分
800℃   强附着白色灰分   附着白色灰分
非常清楚地观察到，取代易熔陶瓷填料的层状硅酸盐的存在明显有助于提高灰分的附着性，并且涵盖了很宽的温度范围。
从机械的观点看，由本发明的组合物构成的绝缘体在火中的性能由此得到显著提高。
还进行测试来测定高温下上述组合物1和2的电绝缘能力。在这点上，标准化的CEI 60331测试揭示了组合物2比组合物1获得了明显更好的结果，当施加的电压相当大之后，结果更加如此。
最后，证明了组合物在从室温至大约1100℃的宽温度范围内保持了电绝缘和耐热性。
实施例2-5
借助于说明，下面具体描述本发明组合物的其它实施例。在表3中列出的实施例2和3涉及基于云母作为耐火填料的组合物，而实施例4和5更具体地涉及基于氧化镁作为耐火填料的组合物。
特别明显，层状硅酸盐不再构成大多数填料，耐火填料系统性地保持作用。
                            表3
实施例2   -55pcr乙烯-辛烯共聚物-25pcr乙烯-丙烯-二烯三元共聚物-20pcr乙烯-丙烯酸酯(ethylene-ester acrylic)共聚物-100-200pcr云母-15-50pcr层状硅酸盐-0-60pcr三水合铝或二水合镁-5-15pcr石蜡-0-5pcr氧化锌-2-15pcr硅烷-2-5pcr抗氧化剂-0-15pcr网络化剂
实施例3   -75pcr乙烯-辛烯共聚物-25pcr乙烯-丙烯酸酯共聚物-100-200pcr云母-15-50pcr层状硅酸盐-0-60pcr三水合铝或二水合镁-5-15pcr石蜡-0-5pcr氧化锌-2-15pcr硅烷-2-5pcr抗氧化剂-5-15pcr网络化剂
其中pcr表示重量份/100份树脂。
              表4
实施例4   -75pcr乙烯-辛烯共聚物-25pcr乙烯-丙烯酸酯共聚物-100-200pcr氧化镁-15-50pcr层状硅酸盐-0-60pcr三水合铝或二水合镁-5-20pcr石蜡-2-15pcr硅烷-2-5pcr抗氧化剂-0-15pcr网络化剂
实施例5   -75pcr乙烯-辛烯共聚物-10pcr乙烯-丙烯酸酯共聚物-15pcr乙烯-丙烯-二烯三元共聚物-100-200pcr氧化镁-15-50pcr层状硅酸盐-0-60pcr三水合铝或二水合镁-5-20pcr石蜡-2-15pcr硅烷-2-5pcr抗氧化剂-0-15pcr网络化剂
其中pcr表示重量份/100份树脂。

Claims (15)

1.特别用于安全电缆的电绝缘和耐热组合物，其特征在于它包含：有机聚合物，至少15重量份的层状硅酸盐组分和至少50重量份的耐火填料组分。
2.权利要求1的组合物，其特征在于：层状硅酸盐是亲有机物质类型的。
3.权利要求1或2任一项中的组合物，其特征在于：层状硅酸盐的比率小于或等于50重量份/100重量份有机聚合物，优选20-30重量份/100重量份有机聚合物，更优选大约等于20重量份/100重量份有机聚合物。
4.权利要求1-3任一项中的组合物，其特征在于：有机聚合物是至少包含乙烯的共聚物。
5.权利要求1-4任一项中的组合物，其特征在于：有机聚合物是乙烯-辛烯共聚物。
6.权利要求1-5任一项中的组合物，其特征在于：耐火填料的比率为100-200重量份/100重量份有机聚合物。
7.权利要求1-6任一项中的组合物，其特征在于：耐火填料选自氧化镁、二氧化硅、氧化铝和白云母，这些化合物的任意混合物，或者甚至于这些化合物的前体。
8.权利要求1-7任一项中的组合物，其特征在于：它还包括易熔陶瓷填料。
9.权利要求8的组合物，其特征在于：易熔陶瓷填料选自氧化硼、硼酸锌和磷酸硼，或者这些化合物的任意混合物。
10.权利要求8或9任一项中的组合物，其特征在于：易熔陶瓷填料的比率小于或等于50重量份/100重量份聚合物。
11.权利要求1-10任一项中的组合物，其特征在于：它是通过硅烷网络化制备的。
12.权利要求1-11任一项中的组合物，其特征在于它包括：
-100重量份至少基于乙烯-辛烯共聚物的有机聚合物，
-100-200重量份氧化镁，
-15-50重量份层状硅酸盐。
13.权利要求1-11任一项中的组合物，其特征在于它包括：
-100重量份至少基于乙烯-辛烯共聚物的有机聚合物，
-100-200重量份白云母，
-15-50重量份层状硅酸盐。
14.包含在至少一种绝缘元件内部延伸的至少一种导电元件的电缆，其特征在于：所述至少一种绝缘元件是由上述权利要求任一项中的组合物构成的。
15.包含至少一种由内绝缘层和外绝缘层包覆的导电元件的电缆，其特征在于：所述内绝缘层由权利要求11的组合物构成，而所述外绝缘层由权利要求14的组合物构成。
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