DE102005059366A1

DE102005059366A1 - Verfahren und Anordnungen zur Fertigung von silanvernetzten Polyethylenadern für Energiekabel

Info

Publication number: DE102005059366A1
Application number: DE102005059366A
Authority: DE
Inventors: Hans Walter Gitschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Silanvernetzung von Polyethylenadern während der Aderfertigung. Das zur Vernetzung benötigte Wasser wird in geeigneter Weise anteilig oder vollständig in den Massestrom während der Extrusion zudosiert. Zur Nachbehandlung wird die Ader einer Warmaufwicklung im Feuchtraumklima einer Klimakammer zugeführt.

Description

1. Stand der Technik-Ausgangssituation

Die Silanvernetzung von Polyethylen bei Energiekabeln aber auch anderen Produkten wie z.B. Rohren ist ein seit Jahren etabliertes Verfahren. Aus chemischer Sicht ist sie ein zweistufiger Prozess. In einem ersten Schritt, der sogenannten Pfropfreaktion, werden den Polyethylenmolekülen reaktive Vinylsilanesther (i.d.R. Vinyltrimethoxisilan) aufgepfropft. Der peroxidisch initiierte Mechanismus ist in dem Reaktionsschema 1 dargestellt.

Reaktionsschema 1: Silanpfropfung

Die eigentliche Vernetzung der Silanmoleküle erfolgt in einem zweiten Schritt. Hierzu wird die Anwesenheit von Feuchtigkeit (Wasser oder Wasserdampf) benötigt. Das Reaktionsschema 2 zeigt schematisch die chemischen Abläufe.

Reaktionsschema 2: Vernetzungsmechanismen

Zunächst hydrolisieren die Estergruppen durch Reaktion mit Wasser unter Freisetzung von Methanol. Die eigentliche Vernetzung erfolgt dann in einer Kondensationsreaktion zu Si-O-Si Netzwerken. Diese Reaktion erfolgt katalytisch beschleunigt; in der Praxis wird i.d.R Dibutyl-Zinndilaurat (DBTL) als Katalysator eingesetzt.

Zur Herstellung der Adern bei dem Kabelhersteller werden hauptsächlich 2 Verarbeitungstechniken eingesetzt. Bei dem sogenannten Monosilverfahren (Beschreibung z.B. in US-P-4 117 195) als Einstufenverfahren werden alle Komponenten wie Silan, Alterungsschutzmittel, Peroxid und Katalysator dem Polyethylen in einem Spezialextruder beigegeben. Die Pfropfreaktion nach dem Reaktionsschema 1 findet in diesem speziellen Extruder statt, während in direktem Anschluss die Ader in der Extrusionslinie fertig gestellt wird. Das sogenannte Sioplasverfahren (z.B. beschrieben in US-P-3 646 155) ist ein zweistufiges Verarbeitungsverfahren. In einem ersten Schritt erfolgt bei dem Materialhersteller die Pfropfung des Silans auf das Polyethylen. Der Kabelhersteller gibt diesem Materialcompound bei der Verarbeitung auf üblichen Extrudern ein Masterbatch bei, das u.a. den zur Beschleunigung der Vernetzungsreaktion benötigten Katalysator enthält. Bei beiden Verfahren wird also zunächst das unvernetzte Produkt hergestellt, wobei die Gegenwart von Wasser in dem Materialfluss weitgehend vermieden wird. Um das bekannte Problem von Anvernetzungen zu vermeiden, wird das Masterbatch sogar überwiegend vorgetrocknet. Der Vernetzungsprozess selbst erfolgt dann nach der Fertigung des aufgetrommelten Produktes in einem getrennten Arbeitschritt. Das nach dem Reaktionsschema 2 benötigte Wasser muss durch Diffusion aufgenommen werden. Hierzu wird abhängig von den Umgebungsbedingungen und der Produktgeometrie Zeit benötigt. Nur bei sehr kleinen Wanddicken (<1 mm) nimmt man eine Lagerzeit bei Umgebungsfeuchte und -temperatur in Kauf. Bei größeren Wanddicken werden die Kabeltrommeln zur Verkürzung der benötigten Zeiten in Saunen oder Wasserbäder bei Temperaturen von 60°C–80°C eingesetzt. in Abhängigkeit von der Wanddicke werden dann immer noch Lagerzeiten von einigen Stunden bis hin zu 2 Wochen bei Mittelspannungskabeln benötigt. Neben der Erhöhung der Durchlaufzeiten mit folgender Kapitalbindung bedingt dieses Verfahren auch erhöhte Kosten und Risiken durch Transportvorgänge. Zusätzlich müssen große Massen inklusive Leitern und Stahlspulen wieder aufgeheizt werden. Aufgrund der Aggressivität von Wasser müssen bei den Stahlspulen ein erhöhter Verschleiß durch Korrosion in kauf genommen werden oder erhöhte Investitionen in Edelstahlspulen getätigt werden. Letztlich müssen auch entsprechende Vernetzungskapazitäten mit entsprechenden Investitionen und Flächen zur Verfügung gestellt werden, die vor allem bei einer wirtschaftlichen Nutzung der Extrusionslinie beträchtliche Ausmaße annehmen können.

Die Aufgabe der Erfindung soll sein, diese geschilderten Nachteile durch eine erfindungsgemäße Prozessführung weitgehend zu vermeiden. Gelöst wird dies durch das im Anspruch 1 aufgeführte Verfahren, die Vernetzung bereits bei der Aderfertigung durchzuführen bzw. zu initiieren, indem nach dem Anspruch 2 zur Vernetzung benötigtes Wasser in geeigneter Weise dem Massestrom direkt im Extruder zudosiert wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren und zugehörigen Anordnungen sind in den Ansprüchen 3–11 angegeben. Im Folgenden sollen die Funktionsweisen und Zusammenhänge näher erklärt und mit Ausführungsbeispielen wie in den 1–3 schematisch gezeigt verdeutlicht werden.

2. Die Online-Vernetzung – Grundidee zu den Verfahren und Anordnungen

Bekannterweise ist die Wasseraufnahme von Polyethylen als hydrophiler Werkstoff im Feststoffbereich äußerst gering. So beträgt die temperaturabhängige Wasserabsorption auch bei den praktischen Bedingungen in den Saunakammern oder Wasserbädern nicht mehr als einige hundert ppm. Im Bereich über dem Schmelzpunkt nimmt die Löslichkeit jedoch exponentiell zu und beträgt ein Vielfaches der des Feststoffbereiches. Dieser Werkstoffzustand wird aber bei der Verarbeitung im Extruder zwangsläufig erreicht. Die Grundidee der Erfindung geht nun davon aus, das Lösungsvermögen des Schmelzezustandes im Extruder zur Wasseraufnahme zu nutzen, um diesen erhöhten Wassergehalt dem Vernetzungsbedarf zur Verfügung zu stellen. In ganzheitlicher Betrachtung ist der Prozess natürlich so zu führen, dass im Extruder selbst Vernetzungsreaktionen nur so auftreten, dass die Schmelze bis zum Austritt aus dem Kopf (4) fließfähig bleibt.

Aus Untersuchungen ist bekannt, dass auch bei Verarbeitungstemperaturen Vernetzungsreaktionen zeitabhängig verlaufen und durch den Katalysator beschleunigt werden. Deshalb wird vorgeschlagen, die gemeinsame Verweilzeit von Katalysator und Wasser im Extruder so kurz wie nötig zu halten. Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, dass Wasser und Katalysator an räumlich (und zeitlich) getrennten Stellen zudosiert werden. Die Dosiereinrichtung muss dem Umstand Rechnung tragen, dass je nach Lage der Dosierstelle am Extruderzylinder (2) gegen den Massedruck dosiert werden muss. Da Wasser wie DBTL in flüssigem Aggregatzustand vorliegen, können als Dosiereinrichtung z.B. Hochdruckpumpen eingesetzt werden, wie aus anderen ähnlichen Problemstellungen (z.B. Compoundiertechnik) bekannt.

Der im Extruder initiierte Vernetzungsprozess muss nach der Isolierung des Leiters (6) auf der Ader (7) (2) fortgesetzt werden. Hierzu soll das Energieniveau der Ader benutzt werden, indem sie einer Nachbehandlung zugeführt wird, die der Fortführung der Vernetzung wie der Freisetzung von Methanol nach Reaktionsschema 2 Rechnung trägt.

Eine konzeptionell geänderte Prozessführung mit erfindungsgemäßen Anordnungen wird im Folgenden beispielhaft dargestellt.

3. Verfahren und Anordnungen zur Onlinevernetzung
3.1 Flüssigdosierung/Flüssigeinspritzung in den Extruder
Wie aufgezeigt geht die Erfindung von der Idee aus, das in der Schmelze lösungsfähige Wasser ganz oder anteilig durch eine geeignete Dosiereinrichtung wie z.B. Hochdruckpumpen dem Massestrom beizugeben. Prinzipiell kann das Wasser an jeder beliebigen Stelle am Extruder beigegeben werden. Es muss jedoch berücksichtigt werden, die gemeinsame Verweilzeit mit dem Katalysator zu begrenzen.
Grundsätzlich bieten sich dazu 2 Alternativen an, die in 1 schematisch dargestellt sind.

1. Der Katalysator wird zuerst beigegeben (z.B. über den Trichter (1) mit dem Masterbatch bei dem Sioplasverfahren). In diesem Fall muss das Wasser so spät wie möglich zudosiert werden. Es wird vorgeschlagen, das Wasser mit der Dosiereinrichtung (5.1) im vorderen Bereich der Schnecke (3) vorzugsweise im Bereich der Schneckenspitze einzuspritzen. Es muss gewährleistet sein, dass durch mechanisches Mischen und durch diffusionsbedingte Ausgleichsprozesse das Wasser bis zum Austritt der Schmelze aus dem Spritzkopf (4) molekular gelöst ist.
2. Das Wasser wird zuerst zugegeben Prinzipiell kann das Wasser über den Trichter (1) zudosiert werden. Dies hat den Nachteil, dass die Verweilzeit im Extruderzylinder (2) relativ lang ist und auch ohne Katalysator Vernetzungen auftreten können. Es empfiehlt sich, die Einspritzung in den Zylinder (2) mit einer Dosiereinrichtung (5.2) im hinteren bis mittleren Bereich vorzunehmen. Es wird vorgeschlagen, den ebenfalls flüssigen Katalysator dann im vorderen Bereich der Schnecke (3) vorzugsweise im Bereich der Schneckenspitzemit der Dosiervorrichtung (5.1) einzuspritzen. Diese Variante hat den Vorteil, dass sich das Wasser ohne Katalysator – einwirkung zunächst molekular verteilen kann. Ein weitere Vorteil der Zugabe beider Komponenten über geeignete Dosiereinrichtungen (5.1; 5.2) ist, dass die Anteile von Wasser und Katalysator steuerbar und den gegenseitigen Wechselwirkungen anpassbar sind.

3.2 Vernetzungsführung und Nachbehandlung
Untersuchungen wie auch die Praxis zeigen, dass auch die katalytisch beschleunigte Vernetzungsreaktion Zeit braucht, die durch Temperatureinwirkung verkürzt wird. Es wird daher vorgeschlagen, das Energieniveau des Werkstoffes der Extrusion weitgehend zu nutzen, um die erfindungsgemäß im Extruder initiierte Vernetzungsreaktion nach dem Kopfaustritt der Masse auf der Ader fortzuführen. Dazu muss eine schnelle Abkühlung vermieden werden. Es wird vorgeschlagen eine aus anderen Gründen (z.B. Einfrieren von Orientierungen bei kleinen Wanddicken) durchaus bekannte Stufenkühlung in Wasser vorzunehmen. In einer ersten Zone (2; (8.1)) wird mit Temperaturen vorzugsweise im Bereich 80–100°C temperiert, um im Aderinneren das Energieniveau eine zeitlang zu halten. Um auch zu schnelle Abkühlung in Leiternähe ebenfalls zu verhindern, empfiehlt es sich, eine ebenfalls aus anderen Gründen bekannte Leitervorheizung (12) einzusetzen, die ein Temperaturniveau des Leiters von mindesten der Umgebungstemperatur der Zone (8.1) vorzugsweise aber auch höher gewährleistet.
Bei der weiteren Prozessführung muss dem Umstand Rechnung getragen werden, dass wie in dem Reaktionsschema 2 dargestellt Methanol entsteht. Bei dem alten Verfahren des getrennten Vernetzungsschrittes wird das entstehende Methanol zwangsläufig während der benötigten Lagerzeit an die Umgebung abgegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht das Methanol vergleichsweise kurzfristig und muss vor der Weiterverarbeitung der Ader weitgehend entfernt werden. Zur Lösung der Problemstellung wird vorgeschlagen, die Ader einer geeigneten Nachbehandlung zu unterziehen. Dazu ist der weitere Abkühlprozess in der Folgezone (8.2) so zu führen, dass die Ader (7) über die Abzugseinrichtung (9) dem Aufwickler (10) mit erhöhtem Energieniveau entsprechend einem Temperaturbereich von etwa 50–70°C zugeführt wird. Zusätzlich wird vorgeschlagen, den üblicherweise frei im Raum stehenden Aufwickler (10) in eine geeignete Klimakammer (11) zu stellen. In der Klimakammer soll eine Umgebungsbedingung gehalten werden, die einerseits der Desorption des Methanol dient und andererseits der Fortführung der Vernetzung, wenn beispielsweise das zur Vernetzung benötigte Wasser mit der Dosiereinrichtung nur anteilig eingespritzt wurde. Es wird vorgeschlagen, in der Klimakammer Bedingungen zu halten, wie sie in etwa den üblicherweise eingesetzten Saunakammern mit Temperaturen im Bereich von 60°C–80°C entsprechen. Vorteilhafter gegen Korrosionsprobleme ist es aber, keine Dampfatmosphäre zu erzeugen, sondern nur eine hohe Luftfeuchte zu halten im Bereich von 80%–95%.
Da während der Aufwicklung der Ader (7) in der Klimakammer (11) über die Fertigungslänge instationäre Bedingungen vorliegen, empfiehlt es sich, eine solche gefertigte Aderlänge einer weiteren stationären Nachbehandlung zuzuführen. Es wird vorgeschlagen, die Nachbehandlung daher mehrstufig durchzuführen und mindestens eine weitere Klimakammer in den Fertigungsfluss zu integrieren. Ein Ausführungsbeispiel ist in der 3 dargestellt. Die vernetzte bzw. vernetzende Ader (7) wird dem aktiven Aufwickler mit der Trommel (10.1) in der Klimakammer (11.1) zugeführt. Die davor gefertigte Aderlänge auf der Trommel (10.2) befindet sich während dieser Zeit in der baulich angeschlossenen Klimakammer (11.2). Kurz vor dem Fertigungsende der Aderlänge auf der Trommel (10.1) wird die in der Zwischenzeit abgekühlte Trommel (10.3) weitertransportiert, die Trommel (10.2) zur Abkühlung aus der Klimakammer 11.2) in die Luftumgebung ausgesetzt und dann die gefertigte Aderlänge auf der Trommel (10.1) in die Klimakammer (11.2) vorgerollt. In den dann leeren Aufwickler der Klimakammer (11.1) kann dann eine Leertrommel eingesetzt werden.
Zusammenfassend wird der gesamte Fertigungsprozess einer silanvernetzbaren Ader für Energiekabel mit den erfindungsgemäßen Verfahren und Anordnungen beispielhaft in 2 erläutert. Der Leiter (6) wird durch eine Leitervorheizung (12) auf das vorbestimmte Temperaturniveau gebracht und dem Spritzkopf (4) zugeführt. An diesen ist der Zylinder (2) des Isolierextruders (oder im Falle von Mittelspannungskabeln mit Dreifachextrusion auch die der Leitschichtextruder) angeschlossen. Mindestens eine geeignete Dosiereinrichtung (5.1) spritzt zum Beispiel im Bereich der Schneckenspitze erfindungsgemäß das zur Vernetzung benötigte Wasser vollständig oder anteilig in den Massestrom des Extruders (oder der Extruder). Die isolierte Ader (7) wird von der Abzugseinrichtung (9) durch eine Stufenkühlung mit temperierten Wasserbädern in den Zonen (8.1) und (8.2) gezogen und dem Aufwickler mit der Trommel (10) in der Klimakammer mit Feuchtraumbedingungen zugeführt. Die Klimakammer selbst kann mehrstufig ausgeführt sein wie in 3 dargestellt.

Claims

Verfahren zur Fertigung von silanvernetzten Adern für Energiekabel dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung vollständig oder anteilig während der Aderfertigung in der Extrusionslinie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zur Vernetzung benötigte Wasser vollständig oder anteilig dem Massestrom im Extruder zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser getrennt von dem Katalysator zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser nach dem Katalysator vorzugsweise im Bereich der Schneckenspitze zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vor dem Katalysator im Bereich des Trichters (1) vorzugsweise aber bis zum mittleren Bereich des Zylinders (2) zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass dann der Katalysator vorzugsweise im Bereich der Schneckenspitze zudosiert wird
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem extrudierten Material nach den Ansprüchen 2–6 ummantelte Ader nach dem Verlassen des Spritzkopfes (4) einer Nachbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die derart ummantelte Ader über eine Stufenkühlung mit einer temperierten ersten Zone (8.1) im Wasserbad von vorzugsweise 80°C–100°C einer Warmaufwicklung in feuchtem Klima mit Feuchten von vorzugsweise 80%–100% und erhöhten Temperaturen vorzugsweise im Bereich von 50°C–70°C zugeführt wird.
Anordnung zu den Verfahren nach den Ansprüchen 2–6 dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigen Komponenten (Wasser und Katalysator) an den bevorzugten Stellen durch eine geeignete Dosiereinrichtung (5.1; 5.2) wie z.B. Hochdruckpumpen durch den Extrusionszylinder gegen den Massedruck in den Massestrom eingespritzt werden.
Anordnung zur Warmaufwicklung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass ein üblicher Aufwickler mit einer Aufwickeltrommel (10) in einer Klimakammer (11) steht, die die benötigten Umgebungsbedingungen hält.
Anordnung zur Nachbehandlung nach dem Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Klimakammer (11.1) nach dem Anspruch 10 mindestens eine weitere Klimakammer (11.2) baulich angeschlossen ist, die eine gefertigte aufgewickelte Aderlänge (10.2) aus der Klimakammer (11.1) für eine weitere stationäre Nachbehandlung aufnehmen kann.