DE102014010123A1

DE102014010123A1 - Vernetzbare Zusammensetzung

Info

Publication number: DE102014010123A1
Application number: DE102014010123.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Ernst
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine vernetzbare Zusammensetzung, umfassend 15 Gew.-%–97 Gew.-% wenigstens eines Kunststoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyisopren (PI), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthält, 1 Gew.-%–5 Gew.-% wenigstens eines Vernetzers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Schwefel, Triallylcyanurat, Ethylendiamintetraessigsäure und Trimethylolpropantrimethacrylat enthält, 1 Gew.-%–10 Gew.-% wenigstens eines Peroxids, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Dicumylperoxid, di-tert-Butylperoxid und Benzoylperoxid enthält, 1 Gew.-%–50 Gew.-% eines durch ein magnetisches Wechselfeld aktivierbaren Initiators zur Bildung von Peroxyradikalen, sowie optional einen Rest an Stabilisatoren, Verarbeitungshilfsmitteln, Füllstoffen, Vulkanisationsbeschleunigern, Vulkanisationsverzögerern, Weichmachern, Treibmittel und/oder Farbstoffen sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels, bei denen jeweils eine vernetzbare Zusammensetzung eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine vernetzbare Zusammensetzung, ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils aus einer entsprechenden Zusammensetzung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels, ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels, sowie ein Lichtwellenleiterkabel.
Eine vernetzbare, insbesondere kunststoffbasierte Zusammensetzung wird häufig eingesetzt, um Formteile mit geringem spezifischen Gewicht und guter Chemikalien- und Wärmebeständigkeit herzustellen. Derartige Eigenschaften werden auch im Bereich der Kabeltechnik gefordert, wo vernetzbare Zusammensetzungen insbesondere zur Herstellung von Kabelummantelungen verwendet werden. Bei der Herstellung eines Kabels kann beispielsweise eine entsprechend ausgewählte Zusammensetzung auf einen oder mehrere Leiter aufgebracht und dann zu einer den oder die Leiter umgebenden Ummantelung vernetzt bzw. vulkanisiert werden.
Eines der wesentlichen Kriterien bei der Herstellung eines vernetzten Formteils ist die Art der Vernetzung. Gängige Vernetzer sind thermisch initiierbare Moleküle wie Schwefel und Peroxide, die der Zusammensetzung möglichst homogen beigemischt werden. Beim Einsatz von Schwefel erfolgt die Vernetzung der Komponenten nach dem bekannten Prinzip der Vulkanisation. Hierbei werden Doppelbindungen von in der Zusammensetzung enthaltenen Kunststoffkomponenten durch Erhitzen mit elementarem Schwefel in dreidimensionale Netzwerke überführt. Die Verknüpfung der Ketten erfolgt dabei über Schwefelbrücken.
Bei der Peroxidvernetzung wird der Zerfall eines eingesetzten Peroxids thermisch initiiert. Die hierbei entstehenden Peroxyradikale (R-O) erzeugen in einer weiteren Reaktion Radikalstellen in den Polymerketten, die durch Rekombination zu einer Quervernetzung der Polymerketten über C-C-Bindungen führen. Der für die thermische Initiierung der Peroxide erforderliche Energieeintrag kann beispielsweise durch Strahlungswärme, Kontaktwärme, durch Dampf oder auch durch eine Kombination verschiedener Erwärmungsmethoden erreicht werden.
Zur Herstellung von Kabeln ist in der EP 1 460 648 B1 eine Anlage offenbart, bei der der Energieeintrag zur Vernetzung mittels einer sogenannten Induktionserhitzungsanlage erfolgt. Die Induktionserhitzungsanlage ist einer Extrusionsvorrichtung nachgeschaltet, in der eine Mantelschicht auf eine Anzahl von die Adern des Kabels bildenden Leitern aufgebracht wird. Die Induktionserhitzungsanlage dient der unmittelbaren Erwärmung der metallischen Leiter im Kabel. Die Wärme wird von den Leitern bzw. Adern an die Mantelschichten abgegeben und diese so von innen heraus erwärmt und vernetzt.
Aus der DE 10 2010 046 715 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils aus einer vernetzbaren Zusammensetzung bekannt, bei dem die Vernetzung durch Einstrahlen von elektromagnetischen Wellen initiiert wird. Hierbei werden eine vernetzbare Zusammensetzung, die Polyethylen und wenigstens ein organisches Peroxid enthält, sowie Teilchen, die elektromagnetische Wellen absorbieren, bereitgestellt und die Zusammensetzung homogen mit den Teilchen vermischt. Schließlich wird aus der mit den Teilchen homogen vermischten Zusammensetzung ein Formteil geformt und die Vernetzung insbesondere durch Absorption von auf das Formteil einwirkender Mikrowellenstrahlung erreicht.
Der Erfindung liegt als eine erste Aufgabe zugrunde, eine Zusammensetzung anzugeben, die aufgrund ihrer Bestandteile gezielt und kontrolliert vernetzbar ist.
Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mit einer entsprechenden Zusammensetzung anzugeben.
Als eine dritte Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei welchem eine entsprechende Zusammensetzung zur Herstellung eines Kabels eingesetzt werden kann.
Als eine vierte Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei welchem eine entsprechende Zusammensetzung zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels eingesetzt werden kann.
Als eine fünfte Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Lichtwellenleiterkabel anzugeben, bei welchem eine entsprechende Zusammensetzung eingesetzt ist.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine vernetzbare Zusammensetzung, umfassend 15 Gew.-%–97 Gew.-% wenigstens eines Kunststoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyisopren (PI), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthält, 1 Gew.-%–5 Gew.-% wenigstens eines Vernetzers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Schwefel, Triallylcyanurat, Ethylendiamintetraessigsäure und Trimethylolpropantrimethacrylat enthält, 1 Gew.-%–10 Gew.-% wenigstens eines Peroxids, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Dicumylperoxid, di-tert-Butylperoxid und Benzoylperoxid enthält, 1 Gew.-%–50 Gew.-% eines durch ein magnetisches Wechselfeld aktivierbaren Initiators zur Bildung von Peroxyradikalen, sowie optional einen Rest an Stabilisatoren, Verarbeitungshilfsmitteln, Füllstoffen, Vulkanisationsbeschleunigern, Vulkanisationsverzögerern, Weichmachern, Treibmittel und/oder Farbstoffen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass neben den ausgewählten Vernetzern insbesondere eine gleichmäßige Erwärmung einer kunststoffbasierten Zusammensetzung zur Gewährleistung einer homogenen Vernetzung notwendig ist. Durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise einer Vernetzung durch die Erwärmung der mit der Zusammensetzung beschichteten Materialien, kann eine gleichmäßige Erwärmung jedoch nur begrenzt gewährleistet werden, da die Erwärmung durch Wärmeleitung in der Zusammensetzung erfolgt und insofern durch dessen Wärmeleitfähigkeit begrenzt ist.
Auch die Verwendung elektromagnetischer Strahlung in Form von Mikrowellenstrahlung als Vernetzungsinitiator ist aufgrund des apparativen Aufwands und der Gefahr des Strahlungsaustritts nur bedingt geeignet. Insbesondere kann hierbei auch eine unerwünschte Erwärmung von elektrischen Leitungen oder von metallischen Werkzeugbereichen oder eine sonstige unerwünschte Mikrowelleneinkopplung mit der Gefahr von Schäden in der Vernetzungsapparatur oder in der Umgebung auftreten. Zusätzlich ist der Einsatz von Mikrowellenstrahlung nicht für alle Materialen geeignet. So kann zum Beispiel die Struktur unpolarer Kautschuke wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) durch die Einkopplung von Mikrowellen beschädigt werden, so dass eine gewünschte Vernetzung nicht mehr möglich ist.
Die Erfindung löst die angesprochenen Probleme des Standes der Technik, indem in die Zusammensetzung ein Initiator eingebracht ist, der durch ein magnetisches Wechselfeld aktivierbar ist. Der Initiator als Teil der Zusammensetzung wird durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes direkt erwärmt, so dass der Wärmeeintrag nicht durch das Material hindurch von außen eingebracht werden muss. Mit anderen Worten fungiert der aktivierbare Initiator nicht als ein Reaktant, der im Rahmen der Vernetzung der Zusammensetzung verbraucht wird, sondern dient dem gezielten Wärmeeintrag in die zu vernetzende Zusammensetzung. Aus der gleichmäßigen Verteilung des Initiators als ein Bestandteil der Zusammensetzung resultiert nach unmittelbarer Aktivierung des Initiators eine gewünscht gleichmäßige und insbesondere homogene Vernetzung.
Der Energieeintrag in den Initiator durch das äußere magnetische Wechselfeld kann insbesondere auch als Induktion bezeichnet werden. Durch das sich ändernde Magnetfeld werden im aktivierbaren Initiator je nach Beschaffenheit Wechselspannungen, Wechselströme und/oder Wechselmagnetisierungen erzeugt. Durch die entsprechenden Stromflüsse, Umladungen, Umorientierungen oder Ummagnetisierungen entsteht unmittelbar im aktivierbaren Initiator die gewünschte Verlustwärme. Insbesondere wird die für die Bindungsspaltung der Peroxide notwendige Dissoziationsenergie über die aktivierten Initiatoren direkt in die Zusammensetzung eingebracht. Ferner startet bei Magnetfeldeinstrahlung die Vernetzung gleichzeitig an allen Initiatoren. Die zur Vernetzung benötigte Energie lässt sich genau dosieren, wobei unnötige Energieverluste vermieden werden. Die in der Zusammensetzung entstehende Wärme wird auf die Peroxide übertragen, die homolytisch gespalten werden und durch die bei der Spaltung entstehenden Peroxyradikale die radikalische Vernetzungsreaktion in Gang setzen.
Die Geschwindigkeit und der Grad der Vernetzung sind insbesondere abhängig vom Füllgrad, also von der Menge des in der Zusammensetzung eingesetzten Initiators. Mit anderen Worten ist die Vernetzung über den Füllgrad des Initiators gut steuerbar.
Bei der Mischung der Komponenten zur Herstellung der gewünschten Zusammensetzung, dem Compoundieren, werden die Zusammensetzungskomponenten vorzugsweise so gemischt, dass eine homogene Verteilung des aktivierbaren Initiators in der Zusammensetzung resultiert. Auf diese Weise kann bei Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes eine über die gesamte behandelte Zusammensetzung eine gleichmäßige Erwärmung und eine entsprechende Vernetzung erreicht werden, die an allen Stellen innerhalb der Zusammensetzung mit der gleichen Geschwindigkeit abläuft.
Die in der Zusammensetzung eingesetzten Kunststoffe sind polymere Werkstoffe, die künstlich oder durch Abwandlung von Naturprodukten entstehen und aus organischen Makromolekülen aufgebaut sind. Nach dieser Definition gehören neben Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), die der Gruppe der Polyolefine angehören, auch Kautschuk und Gummi, wie Polyisopren, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) zu den Kunststoffen.
Vorzugsweise sind 2 Gew.-%–10 Gew.-% des aktivierbaren Initiators umfasst. In diesem Gew.-%-Bereich kann eine besonders gleichmäßige und homogene Vernetzung der jeweiligen Zusammensetzung erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die vernetzbare Zusammensetzung 15 Gew.-%–97 Gew.-% wenigstens eines Kunststoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyisopren (PI), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthält, 1 Gew.-%–5 Gew.-% wenigstens eines Vernetzers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Schwefel, Triallylcyanurat, Ethylendiamintetraessigsäure und Trimethylolpropantrimethacrylat enthält, 1 Gew.-%–10 Gew.-% wenigstens eines Peroxids, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Dicumylperoxid, di-tert-Butylperoxid und Benzoylperoxid enthält, 1 Gew.-%–50 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-%–10 Gew.-%, eines durch ein magnetisches Wechselfeld aktivierbaren Initiators zur Bildung von Peroxyradikalen, sowie optional einen Rest an Stabilisatoren, Verarbeitungshilfsmitteln, Füllstoffen, Vulkanisationsbeschleunigern, Vulkanisationsverzögerern, Weichmachern, Treibmittel und/oder Farbstoffen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Als Alterungsschutzmittel umfasst die vernetzbare Zusammensetzung vorzugsweise 0 Gew.-%–10 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-%–4 Gew.-%, wenigstens eines Stabilisators, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Diphenylderivate, gehinderte Aminderivate und phenolische Antioxidantien enthält.
Weiter bevorzugt umfasst die vernetzbare Zusammensetzung 0 Gew.-%–10 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-%–3 Gew.-% wenigstens eines Verarbeitungshilfsmittels, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Wachse, Stearate und Laurate enthält.
Als mineralische Füllstoffe umfasst die vernetzbare Zusammensetzung zweckmäßigerweise weiter 0 Gew.-%–60 Gew.-%, insbesondere 0 Gew.-%–40 Gew.-%, wenigstens eines Füllstoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Kreide, Talkum, Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid enthält.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn die vernetzbare Zusammensetzung 0 Gew.-%–5 Gew.-% wenigstens eines Vulkanisationsbeschleunigers, insbesondere Dibutylamin, umfasst. Um einen unerwünscht verfrühten Vulkanisationsbeginn zu verhindern, ist es zweckmäßig, wenn die vernetzbare Zusammensetzung 0 Gew.–%–2 Gew.-% wenigstens eines Vulkanisationsverzögerern, insbesondere Cyclohexylthiophtalimid.
Vorzugsweise umfasst die vernetzbare Zusammensetzung weiter 0 Gew.-%–40 Gew.-% wenigstens eines Weichmachers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Tri-(2-Ethylhexyl)-Trimellitat (TOTM) und n-Octyldecyltrimellitat (ODTM).
Weiter bevorzugt umfasst die vernetzbare Zusammensetzung 0 Gew.-%–10 Gew.-% wenigstens eines Treibmittels, insbesondere eines Diazocarbonamids.
Zweckmäßigerweise umfasst die vernetzbare Zusammensetzung weiter 0 Gew.-%–10 Gew.-%, insbesondere 0 Gew.-%–4 Gew.-%, wenigstens eines Farbstoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Titandioxid, Kohlenstoff und organische Pigmente enthält.
Grundsätzlich sind als Initiatoren all solche Substanzen geeignet, die sich in einem magnetischen Wechselfeld erwärmen oder aktivieren lassen. Vorzugsweise sind von der Zusammensetzung als aktivierbare Initiatoren elektrisch leitfähige und/oder magnetisierbare Partikel umfasst. Besonders bevorzugt sind Partikel aus Metall, insbesondere aus Eisen, Kupfer und/oder Nickel oder aus Legierungen hiervon, und/oder Partikel aus Seltenerdmagneten und/oder Partikel aus nichtmetallischen magnetisierbaren Materialien, insbesondere aus Ferriten, die als aktivierbare Initiatoren zur kontrollierten Vernetzung geeignet sind. Selbstverständlich ist auch der gleichzeitige Einsatz verschiedener Initiatoren in der Zusammensetzung möglich.
Zweckmäßig ist es, wenn der Durchmesser der Partikel in einem Bereich zwischen 1 μm und 300 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 μm und 100 μm liegt. Bei Partikeln in dieser Größenordnung kann eine besonders effektive Vernetzung der Zusammensetzung festgestellt werden. Besonders geeignet ist beispielsweise Eisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 200 μm.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind der aktivierbare Initiator und das Peroxid einander angelagert. Die Anlagerung ist insbesondere physikalischer Art und beispielsweise mittels van der Waals-Kräfte oder mittels Dipol-Dipol-Wechselwirkungen ausgebildet. Hierbei sind der Initiator und das Peroxid vorzugsweise so einander gelagert, dass eine direkte Wärmebertragung auf die kovalente Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung des Peroxids erfolgt und so die zur Bindungsspaltung benötigte Energie auf die Bindung im Peroxid übertragen werden kann.
Weiter von Vorteil ist es, wenn der aktivierbare Initiator und das Peroxid chemisch aneinander gebunden sind. Bei einer solchen Bindung der beiden Zusammensetzungskomponenten aneinander kann beispielsweise eine kovalente Bindung oder eine koordinative Bindung – wie bei einem Metallkomplex – zwischen dem Initiator und dem Peroxid vorliegen. Hierbei ist grundsätzlich auch eine Integration des Initiators in die Bindungsstruktur eines Peroxids möglich. Ebenfalls kann ein Initiator unter Ausbildung eines Metallorganyls zwischen zwei oder mehreren Peroxidmolekülen gebunden sein.
Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils, wobei eine Zusammensetzung nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt wird, wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und wobei die Zusammensetzung zu einem Formteil vernetzt wird.
Als Formteile werden solche Teile bezeichnet, die aus formlosen Stoffen, wie Schmelzen oder Pulvern, durch einen Formgebungsprozess hergestellt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise klassische Urformverfahren, wie Spritzgießen oder Extrusion. Das hergestellte Formteil wird aufgrund des in der Zusammensetzung enthaltenen Initiators gleichmäßig vernetzt. Eine Erwärmung von mit dem hergestellten Formteil in Kontakt stehenden Komponenten kann verhindert werden. So kann beispielsweise bei der Herstellung eines Kabels mit einem mehrschichtigen Aufbau, also mit mehreren Leiter- oder Aderummantelungen, gezielt nur die Ummantelung erwärmt und vernetzt werden, die aus einer Zusammensetzung mit einer entsprechenden Menge von durch ein magnetisches Wechselfeld aktivier- bzw. erwärmbaren Initiator versehen sind. Selbstverständlich sind die mit dem Verfahren herstellbaren Formteile nicht lediglich auf Ummantelungen oder Umhüllungen von Kabeln und/oder Leitungen begrenzt.
Die Peroxyradikale werden durch die aktivierbaren Initiatoren gebildet, indem letztere die durch das magnetische Wechselfeld entstehende Wärme auf die Peroxide übertragen. Hierzu ist es für die Wärmeübertragung zwischen einem Initiator und einem Peroxid vorteilhaft, wenn ein oder mehrere Peroxide und ein oder mehrere Initiatoren innerhalb der Zusammensetzung einander angelagert sind. Alternativ können beide Zusammensetzungsbestandteile auch aneinander gebunden sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen für das Verfahren zur Herstellung eines Formteils ergeben sich aus den auf die vernetzbare Zusammensetzung gerichteten Unteransprüchen. Die dort genannten Vorteile können sinngemäß auf das Verfahren übertragen werden.
Die dritte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels, wobei eine Zusammensetzung nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt wird, wobei die Zusammensetzung einer Kabelader aufgebracht wird, wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und wobei die Zusammensetzung unter Ausbildung eines Kabels zu einer die Kabelader umgebenden Ummantelung vernetzt wird.
Ein solches Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Kabels durch die gezielt steuerbare Vernetzung der zur Bildung einer Ummantelung eingesetzten Zusammensetzung.
Die vierte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels, wobei eine Zusammensetzung nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt wird, wobei die Zusammensetzung einer Ader des Lichtwellenleiterkabels aufgebracht wird, wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und wobei die Zusammensetzung unter Ausbildung des Lichtwellenleiterkabels zu einer die Ader des Lichtwellenleiterkabels umgebenden Ummantelung vernetzt wird.
Ein Lichtwellenleiterkabel, auch als Glasfaserkabel bezeichnet, ist ein Kabel zur Übertragung von Licht, welches in einer Anzahl von Adern bzw. Fasern oder Faserbündeln aus Quarzglas oder Kunststoff, den Lichtleitern, geführt wird. Zum Schutz der einzelnen Adern werden diese üblicherweise mit einem Kunststoffmantel ummantelt.
Zur Herstellung einer entsprechenden Ummantelung bei Lichtwellenleiterkabeln kommen weder eine Strahlenvernetzung noch die kontinuierliche Vulkanisation per Dampfrohr in Frage, da bei diesen Verfahren eine Schädigung der Lichtwellenleiter durch Strahlung oder thermische Beanspruchung auftreten kann. Durch die Verwendung einer Zusammensetzung, deren Vernetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds direkt initiiert wird, werden umgebende Bereiche nicht erwärmt. Eine Erwärmung der Lichtwellenleiter selbst wird vermieden. Zusätzlich wird durch eine peroxidische Vernetzung eine hohe Vernetzungsdichte im Material erreicht, was wiederum zu einer hohen Wärmedruckbeständigkeit („compression set”) des aus der Zusammensetzung hergestellten Formteils, also der Ummantelung der Ader führt.
Zweckmäßigerweise wird die Zusammensetzung der Kabelader in einem Extruder aufextrudiert. Häufig findet hierbei die sogenannte Filmextrudierung Anwendung, bei der ein Polymer erhitzt und im geschmolzenen Zustand durch eine Matrize in Form gepresst wird. Auf diese Weise kann eine dünne, vorzugsweise vollumfängliche, Kunststoffschicht aufgebracht werden. Dabei entstehen Körper mit dem Querschnitt der Matrize in theoretisch beliebiger Länge. Die Schichtdicke kann hierbei durch die gewählte Matrize und die Extrusionsgeschwindigkeit variiert werden.
Grundsätzlich kann die Vernetzung der Zusammensetzung im Rahmen einer sogenannten „inline”-Vernetzung erfolgen, also derart, dass die Vernetzung bereits während des Extrusionsvorgangs im Extruder erfolgt. Die Zusammensetzung ist dann nach dem Extrusionsvorgang bereits vollständig vernetzt.
Besonders bevorzugt wird die Zusammensetzung außerhalb des Extruders vernetzt. Die Vernetzung der Zusammensetzung erfolgt somit „offline” in einem der Extrusion nachgeschalteten Prozessschritt erst nach der Aufbringung der Zusammensetzung auf die Kabelader, also erst nach erfolgter Formgebung und nicht bereits während des Formgebungsprozesses. So besteht insbesondere die Möglichkeit, auch Kabel mit aufwändigerer Geometrie, wie beispielsweise bei Wendelleitungen, zuerst in die gewünschte Form zu bringen und anschließend zu vernetzten.
Die Vernetzung wird durch den Initiator initiiert, der durch das Anlegen des magnetischen Wechselfeldes aktiviert wird. Die Aktivierung erfolgt über die durch das magnetische Wechselfeld in der Zusammensetzung erzeugte Wärme. Der aktivierte Initiator initiiert dann zweckmäßigerweise die Spaltung der Peroxide, wozu die Wärme auf das Peroxid übertragen und so die zur Bindungsspaltung notwendige Bindungsdissoziationsenergie bereitgestellt wird. Die bei der Spaltung der Peroxide entstehenden Peroxyradikale initiieren dann die gewünschte Vernetzung der Zusammensetzung unter Ausbildung einer entsprechenden Ummantelung.
Zur Vernetzung wird die Kabelader mit der aufgebrachten Zusammensetzung vorzugsweise einer Induktionsvorrichtung bzw. einer kontinuierlichen Induktionsvernetzungsanlage zugeführt, in der das magnetische Wechselfeld zur Aktivierung der Initiator angelegt wird. Je nach herzustellendem Kabel kann die Induktionsvernetzungsanlage mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden. Beispielsweise kann die Induktionsvernetzungsanlage mit einer Leistung in einem Bereich zwischen 1 kW und 3 kW betrieben werden.
Auch die Frequenzen und die magnetischen Feldstärken des angelegten magnetischen Wechselfelds weisen entsprechend auf das herzustellende Kabel bzw. die entsprechende Ummantelung abgestimmte Werte auf. Ein beispielhaftes magnetisches Wechselfeld weist eine Frequenz in einem Bereich zwischen 40 Hz und 500 Hz, insbesondere in einem Bereich zwischen 400 Hz und 470 Hz, sowie eine magnetische Feldstärke in einem Bereich zwischen 40 mT und 80 mT, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 mT und 70 mT, auf.
Die Induktionsvernetzungsanlage umfasst neben einem Extruder insbesondere eine diesem nachgeschaltete Induktionsspule, sowie eine der Induktionsspule nachgeschaltete Kühlvorrichtung. Eine beispielhafte Induktionsspule hat vorzugsweise 4 Windungen und weist einen Durchmesser von 3 cm auf. Der Stromfluss durch die Windungen der Induktionsspule liegt in einem Bereich von mehreren 100 A.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen für das Verfahren zur Herstellung eines Kabels sowie zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels ergeben sich aus den auf die vernetzbare Zusammensetzung gerichteten Unteransprüchen. Die für die vernetzbare Zusammensetzung und deren Weiterbildungen genannten Vorteilekönnen dabei sinngemäß auf das Verfahren übertragen werden.
Die fünfte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lichtwellenleiterkabel, umfassend eine Ader, sowie eine die Ader umgebende Ummantelung mit einer Zusammensetzung nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Ummantelung hergestellt ist mit einem Verfahren nach einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen.
Dabei können die für die Zusammensetzung und das Verfahren, sowie für deren vorteilhafte Ausgestaltungen genannten Vorteile sinngemäß auf das Lichtwellenleiterkabel übertragen werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Lichtwellenleiterkabel in einem Querschnitt mit einer Ummantelung aus einer vernetzten Zusammensetzung, sowie
2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels mit einer Ummantelung gemäß 1.
1 zeigt schematisch ein als Lichtwellenleiterkabel ausgebildetes Kabel 1 mit einer Ader 3 und einer diese umgebenden Ummantelung 5 in einem Querschnitt. Die Kabelader 3 besteht aus einer Vielzahl von Lichtleitern, die hier vorliegend nicht näher beschrieben sind.
Die Ummantelung 5 der Kabelader 3 besteht aus einer Zusammensetzung, die als Kunststoff 70 Gew.-% Ethylenvinylacetat (EVA), als Vernetzer 2 Gew.-% Triallylcyanurat, als Weichmacher 8 Gew.-% Tri-(2-Ethylhexyl)-Trimellitat (TOTM) und 5 Gew.-% eines Diazocarbonamids als Treibmittel enthält. Weiter enthält die Zusammensetzung als Peroxid 5 Gew.-% di-tert-Butylperoxid und 10 Gew.-%, Eisenpulver als Initiator. Die Zusammensetzung ist der Kabelader 3 durch Extrusion aufgebracht.
Die Ausbildung der Ummantelung erfolgt durch einen sich der Aufbringung anschließenden Vernetzungsprozess, der durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes initiiert wurde. Die Herstellung des Lichtwellenleiterkabels 1 ist im Folgenden anhand von 2 detailliert beschrieben.
In 2 ist eine als kontinuierliche Induktionsvernetzungsanlage 11 ausgebildete Induktionsvorrichtung gezeigt. In der Induktionsvernetzungsanlage 11 wird die Kabelader 3 einem Extruder 13 zugeführt. In dem Extruder 13 wird die Zusammensetzung, deren Bestandteile in der Beschreibung zu 1 aufgeführt sind, der Kabelader 3 aufextrudiert. Es handelt sich vorliegend um eine sogenannte „inline”-Vernetzung, bei der die Vernetzung der Zusammensetzung unter Ausbildung der die Kabelader 3 umgebende Ummantelung 5 bereits während der Extrusionsvorgangs im Extruder 13 erfolgt.
Die mit der Ummantelung 5 versehene Kabelader 3 wird dann durch eine Induktionsspule 15 geführt. Die Induktionsvernetzungsanlage 11 wird mit einer Leistung von 2 kW und einer Arbeitsfrequenz von 460 kHz betrieben. Die Induktionsspule 15 weist 4 Windungen auf und hat einen Durchmesser von 3 cm. Sie wird wassergekühlt betrieben. Das angelegte Magnetfeld weist eine Feldstärke von 60 mT auf.
Durch das Anlegen des magnetischen Wechselfelds wird die Vernetzung der Zusammensetzung initiiert. Hierbei wird zuerst der Initiator der Zusammensetzung durch die durch das angelegte magnetische Wechselfeld hervorgerufene Erwärmung aktiviert. Der aktivierte Initiator initiiert dann die Spaltung der Peroxide, durch welche wiederum die radikalische Vernetzungsreaktion des Kunststoffes in Gang gesetzt wird. Hierbei wird die Zusammensetzung unter Ausbildung des Lichtwellenleiterkabels 1 zu einer die Kabelader 3 umgebenden Ummantelung 5 vernetzt. Nach erfolgter Vernetzung wird das Lichtwellenleiterkabel 1 dann in einer Kühlvorrichtung 17 der Induktionsvernetzungsanlage 11 abgekühlt.
Bezugszeichenliste

1: Kabel
3: Kabelader
5: Ummantelung
11: Induktionsvernetzungsanlage
13: Extruder
15: Induktionsspule
17: Kühlvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1460648 B1 [0005]
DE 102010046715 A1 [0006]

Claims

Vernetzbare Zusammensetzung, umfassend 15 Gew.-%–97 Gew.-% wenigstens eines Kunststoffes, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyisopren (PI), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthält, 1 Gew.-%–5 Gew.-% wenigstens eines Vernetzers, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Schwefel, Triallylcyanurat, Ethylendiamintetraessigsäure und Trimethylolpropantrimethacrylat enthält, 1 Gew.-%–10 Gew.-% wenigstens eines Peroxids, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Dicumylperoxid, di-tert-Butylperoxid und Benzoylperoxid enthält, 1 Gew.-%–50 Gew.-% eines durch ein magnetisches Wechselfeld aktivierbaren Initiators zur Bildung von Peroxyradikalen, sowie optional einen Rest an Stabilisatoren, Verarbeitungshilfsmitteln, Füllstoffen, Vulkanisationsbeschleunigern, Vulkanisationsverzögerern, Weichmachern, Treibmittel und/oder Farbstoffen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Vernetzbare Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend 2 Gew.-%–10 Gew.-% des aktivierbaren Initiators.
Vernetzbare Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kunststoff ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Polypropylen (PP), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylenmethylacetat (EMA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyisopren (PI), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Butylkautschuk (IIR) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthält.
Vernetzbare Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als aktivierbarer Initiator elektrisch leitfähige Partikel umfasst sind.
Vernetzbare Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als aktivierbarer Initiator Partikel aus Metall, insbesondere aus Eisen, Kupfer und/oder Nickel oder aus Legierungen hiervon, und/oder Partikel aus Seltenerdmagneten und/oder Partikel aus nichtmetallischen magnetisierbaren Materialien, insbesondere aus Ferriten, umfasst sind.
Vernetzbare Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktivierbare Initiator und das Peroxid einander angelagert sind.
Vernetzbare Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktivierbare Initiator und das Peroxid aneinander gebunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Formteils, – wobei eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bereitgestellt wird, – wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und – wobei die Zusammensetzung zu dem Formteil vernetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kabels (1), – wobei eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bereitgestellt wird, – wobei die Zusammensetzung einer Kabelader (3) aufgebracht wird, – wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und – wobei die Zusammensetzung unter Ausbildung des Kabels (1) zu einer die Kabelader (3) umgebenden Ummantelung (5) vernetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiterkabels (1), – wobei eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bereitgestellt wird, – wobei die Zusammensetzung einer Ader (3) des Lichtwellenleiterkabels (1) aufgebracht wird, – wobei die Vernetzung der Zusammensetzung durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfelds initiiert wird, und – wobei die Zusammensetzung unter Ausbildung des Lichtwellenleiterkabels (1) zu einer die Ader (3) des Lichtwellenleiterkabels (1) umgebenden Ummantelung (5) vernetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Zusammensetzung der Kabelader (3) in einem Extruder (13) aufextrudiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zusammensetzung außerhalb des Extruders (13) vernetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der aktivierbare Initiator der Zusammensetzung durch das magnetische Wechselfeld aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der aktivierte Initiator eine Spaltung der Peroxide initiiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die bei der Spaltung der Peroxide entstehenden Peroxyradikale die Vernetzung der Zusammensetzung initiieren.
Lichtwellenleiterkabel (1), umfassend eine Ader (3), sowie eine die Ader (3) umgebende Ummantelung (5) mit einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ummantelung (5) hergestellt ist mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15.