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Elektrisches Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung Die vorliegende
Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel mit einem Kern aus mindestens einem isolierten
metallischen Leiter, einem den Kern umfassenden Stützmantel und einer äußeren Polymerummantelung..
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, dem Kabel höhere thermische Isolationsfähigkeit
zugeben, um damit dem. Metallkern des Kabels einen höheren Schutz gegen Zerstörung
während des Herstellungsverfahrens zu geben. Kunststoffbänder, Gummi-Kunststoff-Schichtwerkstoffe
uAgl. werden bisher als thermisches Isoliermittel zwischen einem Metallmantel und
dem inneren Leiter eines Kabels- verwendet. Die thermischen Isoliermittel haben
die Aufgabe, den inneren Leiter des Kabels. zu. schützen, z. B. bei der Hitzeeinwirkung,
die vorliegt, -wenn der äußerste Polymerüberzug auf dem Extrusionswege über einen
Metallmantel aufgebracht wird oder wenn der Metallschutzmantel des Kabels hitzebehandelt
wird, um die Adhäsion zwischen Polymermantel und Metallmantel zu erhöhen. Die bekannten
thermisch en Schutzmittel bei elektrischen Kabeln sind teuer, erfordern zusätzliche
Maßnahmen bei der Herstellung des Kabels und besitzen darüber hinaus unerwünscht
hohe Dielektrizitätskonstanten.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist dadurch gelöst, daß
ein geschäumter, thermisch isolierender Polymermantel zwischen dem Kern und dem
Stützmantel vorgesehen ist und am Stützmantel klebend haftet.
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F i g. 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Kabels
nach der Erfindung; F i g. 5 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Teile
einer Testungsvorrichtung zum Testen der thermischen Isoliereigenschaften erfindungsgemäßer
Kabel.
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Gemäß der Ausführungsform der-F i g.1 besteht das Kabel aus mindestens
einem Metallkern 1, der durch eine Schaumstoffschicht 2 umfaßt ist. Diese Schaumstoffschicht
2 für sich wiederum ist durch einen Stützmantel 3 aus Metall umgeben, und dieser
wiederum trägt einen äußeren umfassenden Polymermantel 4.
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Die Ausführungsform der F i g. 2 zeigt einen Kern 12, der aus
mindestens einem Metalldraht besteht. Der Leiter 12 ist durch einen Schaumstoffmantel
13 umfaßt. Der Schaumstoffmantel 13 ist mit seiner Außenseite am Metallstützmantel
14 befestigt, der wiederum mit einer dünnen Schicht 15 eines klebenden Polymers
überzogen ist. Ein äußerer Polymermantel 16 umfaßt den mit Klebstoffschicht versehenen
Metallmantel 14.
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Gemäß F i g. 3 ist mindestens ein leitender Metallkern 21 vorgesehen.
Dieser ist durch den Schaumstoffmantel 22 umfaßt. Dieser wiederum liegt innerhalb
eines Metallstützmantels 24, der beidseitig mit einer dünnen Lage eines klebenden
Polymers, d. h. den Schichten 23 und 25 versehen ist. Ein äußerer Polymermantel
26 umfaßt diesen Aufbau.
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Gemäß F i g. 4 besteht der Kern 32 aus mindestens einem metallischen
Leiter und einem diesen umfassenden Schaumstoffmantel 33. Dieser ist außen mit einer
dünnen Kunststoffschicht 34 versehen. Ein äußerer Polymermantel35 umfaßt diesen
Aufbau. Gemäß einer Abwandlung des oben beschriebenen Kabels kann die Schaumstoffschicht
33 zwischen der Kunststoffschicht 34 und dem äußeren Polymermantel 33 liegen.
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Kabel der beschriebenen Art können auf verschiedenem Wege hergestellt
werden, z. B. dadurch, daß man eine dünne Metall- oder Kunststofflage auf mindestens
einer Seite mit einem klebenden Polymer versieht oder daß man eine Seite der Metall-
oder Kunststoffschicht mit einer dünnen Lage eines schaumfähigen Materials versieht,
z. B. eines Materials, welches durch Hitzeeinwirkung zu einem Körper niedriger Dichte
und zelliger Struktur expandiert, daß man das so hergestellte Mehrschichtenmaterial
um den Kern oder die Seele eines Kabels herumwickelt, so daß
der
Metallstrang mit einem schäumfähigen Überzug versehen ist, der nächst dem Metallkern
liegt, und daß man anschließend diesen Aufbau durch - Extrudieren einer wärmeerweichenden
Lage aus Kunststoff ummantelt. Die Wärmeextrusion veranlaßt das schäumfähige Material
zur Expansion, um damit ein Material zelliger Struktur zwischen dem Metall oder
der Kunststofflage und dem Metallkern zu bilden. Die Wärmeextrusion veranlaßt auch
die einzelnen Lagen, die ein klebendes Polymer tragen, zu einer engen, festen Verbindung.
Es ist vorteilhaft, daß Temperaturen von etwa 120 bis 165°C angewendet werden, um
eine entsprechende Haftung der einzelnen Lagen zu gewährleisten.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Metall-
oder Kunststofflage mit einem schäumfähigen Material belegt werden, wie beschrieben,
um sodann bereits einer Hitzebehandlung zwecks Expansion des schäumfähigen Polymers
unterworfen zu werden.
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Das zur Anwendung kommende schäumfähige Material besteht aus feinen
gesonderten Polymerteilchen, wobei jedes einzelne Teilchen ein flüchtiges organisches
Blähmittel und ein Bindemittel enthält. Die expandierbaren Polymerteilchen sind
mit dem Binder gemischt, wie z. B. einer Latex, um ein flüssiges, scbäumbares Überzugsmaterial
zu bilden: Geeignetes Polymermaterial für den vorliegenden Fall ist: z. B. Thermoplastisches
Polyvinylmaterial, wie z. B. Polystyrol, Polyacryl- -und Polymethacrylverbindungen,
Polyvinyläther, Polyvinylester von organischen Säuren, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid,
Polyisobutylen und Polymere von x-Alkyl-Derivaten von Styrol, ringsubstituierte
Derivate von Styrol, wie z. B. die Chlorstyrole, Acryl- und Methacrylester, wie
z. B. Äthylacrylat und Propylmethacrylat, Acrylnitril, Methacryl, Nitril, x,ß-äthylenisch
ungesättigte dibasische Säuren und deren Derivate sowie Diolefine.
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Vorzugsweise wird man ein Material verwenden, welches eine verhältnismäßig
hohe Schäumtemperatur besitzt, z. B. über 120°C, was nicht ausschließt, daß auch
ein Material mit niedrigerer Schäumtemperatur verwendet werden kann. Vornehmlich
kommt ein Material in Frage, welches ein Mischpolymer des Methylmethacrylates und
Acrylnitrils oder ein Mischpolymer des Methylmethacrylates und Methylacrylates enthält.
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Als Treibmittel kommen, wie erwähnt, organische Flüssigkeiten in Betracht,
z. B. Pentan, Hexan, Heptan, Cyclopentan, Cyclopentadien und vorzugsweise Neopentan.
Als schäumbares Material kommt ein solches in Betracht, wie es in der USA.-Patentschrift
2 862 834 beschrieben ist und wie es nach der französischen Patentschrift
1394 058 hergestellt wird.
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Als Klebematerial zum Belegen der beiden Seiten des Metallstützmantels
vor Aufbringen des schäumenden Materials oder des äußeren Polymermantels kann jede
Verbindung verwendet werden, welche das erhal-, tene Schaumpolymer bzw. den äußeren
Polymermantel an dem Metallmantel genügend festhält. Ein bevorzugtes klebendes Polymer
ist ein Random- oder Pfropf-Mischpolymer, das zu einem größeren Anteil aus-Äthylen
und zu etwa 3 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Mischpolymer, aus einem sauren
Comonomeren besteht, nämlich einem der nachfolgend aufgeführten: x,ß-äthylenisch
ungesättigte Mono- und Polycarbonsäuren oder Anhydride davon mit 3 bis-8 Kohlenstoffatomen
pro Molekül und Teilester solcher Polycarbonsäuren, deren Säureanteil mindestens
eine Carboxylgruppe und deren Alkoholanteil von 1 bis 20 Kohlenstoffatome aufweist.
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Als saure Comonomere seien im einzelnen genannt: Acrylsäure, Methacrylsäure,
Crotonsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Itakönsäure, Maleinsäureanhydrid, Monoäthylmaleat,
Monomethylmaleat, Monomethylfumarat und Monoäthylfumarat.
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Es wurde festgestellt, daß die Schaumstoffisolierschicht gemäß der
vorliegenden Erfindung einen ausgezeichneten Hitzeschutz für gebündelte Kerne ergibt.
Versuche ergeben, daß bei einer gegebenen Temperatur mehr Zeit für den Wärmeübergang
durch eine erfindungsgemäße Wärmeisolierschicht erforderlich ist als für bisher
übliche Isolierschichten: Es wurde auch festgestellt, daß beim Aufextrudieren des
äußeren Polymermantels auf den Metallmantel eine höhere Temperatur zeitweilig an
der Grenzfläche zwischen metallischem Stützmantel und Poiymermantel erhalten bleibt,
und zwar infolge der Isoliereigenschaft der thermischen Schaumstoffisolierschicht.
DieAufrechterhaltung dieser erhöhten Temperatur an der Grenzfläche gestattet, die
Extrusion des äußeren Polymermantels bei niedrigeren Temperaturen durchzuführen,
die trotzdem dazu ausreichen, den Klebstoff zu aktivieren.
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Beispiel 1 Ein Überzugsmaterial wurde dadurch hergestellt, daß man
1. 138 g einer 400/, Feststoffe enthaltenden wäßrigen Suspension eines Mischpolymers
aus etwa 95 Gewichtsprozent Methylmethäcrylat und etwa 5 Gewichtsprozent Acrylnitril
mit einem Gehalt von 35 Gewichtsprozent, bezogen auf das Polymer, an Neopentan,
2. 83,8 g eines Materials mit einem Gehalt von 53 °/o Styrol, etwa 43 °/o Butadien,
etwa 3 °/o Fumarsäure; und etwa 1 °/o Acrylsäüre,.
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3. 0,7 g einer 30,8 °/oigen Lösung von Natriumlaurylsulfat und 4.
3,48 g einer 5 °%igen Lösung von Natriumpoly-. acrylat miteinander vermischte. -Das
so erhaltene Material war ein solches, welches beim Trocknen einer dünnen-Schicht
auf einer festen Unterlage einen fortlaufenden Überzug ergibt und sich beim Erhitzen
zu einem Material zelliger Struktur expandiert.
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Eine 0,05-mm-Schicht dieses schäumfähigen Materials wurde auf ein
0,2 mm starkes Aluminiumband aufgebracht derart; daß ein Randstreifen des Bandes
unbelegt blieb. Das Band war vorangehend bereits auf beiden Seiten mit einer dünnen
zusammenhängenden Schicht eines Mischpolymers von etwa 920/, Äthylen und
etwa 8 °/o Acrylsäure überzogen worden. Das so überzogene Aluminiumband wurde in
der Längsrichtung um den leitenden Kern eines Kabels derart gefaltet, daß die Längskanten
des Bandes im Bereich des nicht mit schäumendem Stoff belegten Randes sich überlappten.
Ein Polyäthylenmantel wurde über das Aluminiumband extrudiert. Die Extrusionshitze
war genügend, um das schäumfähige Material auf der Innenseite des Aluminiumbandes
zu schäumen. Die Hitze genügte auch, um das Aluminiumband mit dem äußeren Polyäthylenmantel
genügend- zu verbinden.
Es ergab sich an den metallischen Leitern
des Kabelkerns kein durch die Hitze verursachter Schaden.
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Beispiel 2 Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der
Abweichung, daß das mit dem schäumenden Stoff belegte Aluminiumband einer Temperatur
von etwa 145°C ausgesetzt wurde, um die Schäumung vor der Herstellung des Mantels
herbeizuführen. Das so mit Schaumstoff belegte Aluminiumband wurde derart um den
Kabelkern gefaltet, daß der Schaumstoff dem Kern zugekehrt war. Schließlich wurde
der Polyäthylenmantel über den Aluminiummantel extrudiert. Auch hier lag eine Beschädigung
des Kabelkerns nicht vor. Beispiel 3 Das Verfahren nach den Beispielen 1 und 2 wurde
wiederholt mit der Abweichung, daß ein Mischpolymer mit einem Gehalt von
700/, Methylmethacrylat und 300/0 Methylacrylat an Stelle des 950/,
Methylmethacrylat und 5010 Acrylnitril enthaltenden Mischpolymers verwendet
wurde.
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Beispiel 4 Es wurden verschiedene Teste durchgeführt, um das thermische
Isoliermaterial bei bekannten Kabeln mit dem Isoliermaterial des erfindungsgemäßen
Kabels zu vergleichen. Bei diesen Versuchen wurde gemäß der noch zu beschreibenden
F i g. 5 die Lage C durch das jeweils zu testende Material gebildet.
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Die Teile der F i g. 5 sind auseinandergezogen dargestellt, liegen
zur Durchführung des Versuches jedoch dicht aufeinander. So bedeutet A einen Backstein,
in dessen Oberfläche ein Blättchen eines thermoelektrischen Elementes B eingebettet
ist. Es liegt eine Verbindung zu einem nicht gezeichneten Aufzeichnungsgerät vor.
C bedeutet das jeweilige Versuchsmaterial, während D eine Aluminiumplatte von 0,2
mm Stärke darstellt, wie sie in Kabeln verwendet wird. Diese Aluminiumplatte ist
auf einer Seite mit einer 0,05 mm starken Lage E eines klebenden Mischpolymers beschichtet,
das aus 92 °/o Äthylen und 8 °/o Acrylsäure besteht. Mit F ist eine 3,18 mm starke
Polyäthylenlage bezeichnet, welche 2,5 Gewichtsprozent Ruß enthält. F repräsentiert
die äußere Ummantelung; G wiederum stellt eine Lage aus einem klebenden Mischpolymer,
bestehend aus 92°/o Äthylen und 8 °/o Acrylsäure, dar, welche eine Aluminiumfolie
H von 1,27 mm Stärke mit einem inneren Polyäthylenmantel verbindet. I stellt ein
12,7 mm starkes Aluminiumblech dar, welches der Hitzeabfuhr dient.
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Zur Durchführung des Versuchs wurde die Gesamtheit der Lagen F, G
und H in einem Ofen mindestens 30 Minuten lang auf eine Temperatur von 250°C erhitzt.
Der so erhaltene Schichtkörper wurde aus dem Ofen genommen und auf die Aluminiumplatte
I-ge= bracht, die Zimmertemperatur besaß. Die Lagen C und D, welche vorangehend
schon auf die Lage E aufgebracht wurden, wurden unmittelbar über die Polyäthylenlage
F gebracht. Daraufhin wurde der Backstein A mit dem thermoelektrischen Element
B über den Versuchsgegenstand C gelegt.
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Zweck dieser Versuchsreihe war es, die Höchsttemperatur zu bestimmen,
welche auf der inneren Oberfläche der Schaumlage C eines Kabels auftrat, aufgezeichnet
durch B.
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Ein zusätzlicher Versuch wurde durchgeführt, um die Zeit zu bestimmen,
die verging, um die Hitze von der Lage F zum thermoelektrischen Element B strömen
zu lassen, und zwar bis auf eine Temperatur von etwa 82°C am thermoelektrischen
Element B. Je länger die ermittelte Zeit bis zur Temperatur von 82°C war, desto
besser war die Isoliereigenscbaft des Materials.
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Im Fall des geschäumten Materials gemäß der Erfindung veranlaßte der
Wärmeübergang aus der Lage F das Material der Lage C zu schäumen. Die nachfolgende
Tafel zeigt unter der Angabe »Material« die verschiedenen ermittelten Höchsttemperaturen
am Thermoelement und auch die Zeiten, die bis zum Erreichen von 82°C notwendig waren.
Unter »Kunststofftemperatur« ist in der nachfolgenden Tafel die Temperatur der Polyäthylenlage
F unmittelbar nach Entfernung der Gesamtheit F, G und H aus dem Qfen verstanden.
Jedes der als Wärmeisolierstoffe zu testenden Materialien wurde an die Stelle von
C in F i g. 5 gebracht.
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Die Versuchsnummern 1 bis 3 beziehen sich auf Vergleichsversuche,
während die Versuche 4 und 5 der Erfindung entsprechen.
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Aus der Tafel läßt sich erkennen, daß das Material gemäß der vorliegenden
Erfindung gemäß den Testversuchen 4 und 5 eine hervorragende thermische Isolation
gewährleistet. Das geschäumte Material hat zur Folge, daß ein Eindringen von Wärme
etwa 13 bis 16 Sekunden länger dauert als bei einer der besten bekannten Isolierschichten
(Test 3). Die erreichte Maximaltemperatur ist gemäß den Versuchen 4 und 5 für den
Kern erheblich geringer als gemäß den Versuchen 1 bis 3.
| Kunststoff- Maximale Tempe Erforderliche Zeit zur |
| Ver- Material temperatur ratur am Punkt B Erreichung der Temperatur |
| such 821 C am Punkt B |
| C ° C Sekunden |
| 1. 0,18 mm Poly(äthylenterephthalat) . . . . . . . . . . .
250 137 4 |
| 2 0,23 mm Polypropylen und 0,0127 mm Poly- |
| (äthylenterephthalat) ..................... 250 131 6 |
| 3 0,38 mm Butyl-Gummi und 0,025 Poly(äthylen- |
| terephthalat) ........ . ................. 250 123 7 |
| 4 0,05 mm schäumfähiges Überzugsmaterial des |
| Beispiels 1 * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 250 97 20 |
| 5 0,05 mm schäumfähiges Überzugsmaterial des |
| Beispiels 1 auf 0,038 mm Poly(äthylentere- |
| phthalat) ............................... 250 106 23 |
| *) Das schäumfähige Material ist als Überzug auf eine 0,2 mm
Aluminiumfolie (Lage D der F i g. 5) aufgebracht. |