DE1490837B1

DE1490837B1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters

Info

Publication number: DE1490837B1
Application number: DE19641490837
Authority: DE
Inventors: Hess Raymond Charles; Humphrey Laurence Edmund; Addis Gilbert Irving
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1963-08-19
Filing date: 1964-08-19
Publication date: 1970-08-06
Also published as: SE312594B; NL6409408A; JPS4024416B1; BE651906A; GB1082132A; NL136429C; CH442454A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Leiters mit einem leitenden Kern aus einem Alkalimetall oder einer Legierung aus zwei oder mehreren Alkalimetallen innerhalb einer angrenzenden Schutzhülle aus einem organischen Polymer, wobei der leitende Kern und die Schutzhülle gleichzeitig durch konzentrische Düsen extrudiert werden.

Besonders wichtig ist die feste Verbindung des Kernes aus Alkalimetall mit der Schutzhülle aus Polyolefin, wenn der Leiter bei hohen Spannungen verwendet werden soll, da bei diesen Coronaentladungen leichter auftreten.

In der französischen Patentschrift 973 315 ist ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Leiters mit einem leitenden Kern aus einem oder mehreren Alkalimetallen innerhalb einer Schutzhülle aus einem organischen Polymer beschrieben. Hierbei wird entweder zuerst die Schutzhülle hergestellt und dann der leitende Kern in geschmolzenem Zustande in sie eingegossen, oder man stellt einen leitenden Kern und die isolierende Schutzhülle gleichzeitig her. Bei beiden Verfahren wird keine feste Verbindung zwischen dem leitenden Kern und der Schutzhülle erreicht.

So hergestellte Leiter hatten wegen des fehlenden Zusammenhanges zwischen dem Kern und der Schutzhülle den Nachteil, daß Coronaentladungen auftreten konnten. Auch beim Biegen oder Recken derartig hergestellter Leiter entstanden Schwierigkeiten wegen der mangelnden Haftung der Schutzhülle am leitenden Kern. Beim Schneiden solcher Leiter konnten Luft oder Feuchtigkeit zwischen die Schutzhülle und den Kern eindringen und damit diesen durch Oxydation zerstören.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, einen elektrischen Leiter der beschriebenen Art herzustellen, bei dem die Schutzhülle in bisher noch nicht erreichtem Ausmaße fest am Kern haftet, so daß keine Coronaentladungen auftreten, und der Leiter sich ohne Schwierigkeiten biegen, recken und schneiden läßt

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Alkalimetall oder die Legierung und das als Polymer verwendete Polyolefin in geschmolzenem Zustand beider extrudiert und miteinander in Berührung gebracht werden, während sich die Berührungsflächen in dem geschmolzenen Zustande befinden, und daß man die äußere Oberfläche der Polymerhülle während oder unmittelbar nach dem Extrudieren so kühlt, daß der Teil der Umhüllung, der die geschmolzene innere Grenzfläche umgibt, hinreichend fest wird, um den Kern in seiner konzentrischen Lage zu halten.

Vorzugsweise besteht die Schutzhülle aus einem molekular ausrichtbaren Olefinpolymer, insbesondere aus Polyäthylen.

Es ist überraschend, daß sich das Verfahren der Erfindung erfolgreich durchführen läßt. In der Fachwelt wurde bisher angenommen, daß bei Berührung von geschmolzenem Natrium mit Polyäthylen nach dem Erstarren des Natriums keine feste Verbindung zwischen den beiden Stoffen entsteht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Leiter geschaffen, deren Hülle und Kern so fest miteinander verbunden sind, daß sie weder freie Zwischenräume zwischen sich bilden noch bei stärksten Belastungen voneinander getrennt werden können.

Dies hat zur Folge, daß einerseits Coronaentladungen nahezu vollständig unterdrückt werden und andererseits auch bei Beschädigungen der Umhüllung der Leiter nicht unbrauchbar wird, da die Oberflächenumsetzung des Alkalimetalls bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leitern von alleine aufhört. Dies beruht auf der Tatsache, daß keine Zwischenräume zwischen dem Kern und der Hülle bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entstanden sind, sondern Kern und Hülle sich im geschmolzenen Zustand fest miteinander verbunden

ίο haben. Die Oberflächenreaktion kann sich dann nicht wie bei den bekannten Leitern mit Alkalimetallen unter der Schutzhülle längs der Oberfläche des leitenden Alkalimetallkernes fortsetzen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiter weisen darüber hinaus auch noch den Vorteil auf, daß sie gereckt werden können. Durch das Recken konnte die Zugfestigkeit der Leiter in überraschender Weise um ein Vierfaches vergrößert werden, wenn für die Umhüllung ein Material benutzt wird, welches beim Recken molekular ausgerichtet wird.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben:

F i g. 1 ist ein Querschnitt durch einen zusammengesetzten Leiter;

F i g. 2 ist eine schematische Ansicht eines Extrudierapparates zur Herstellung von Leitern nach Fig. 1.

Im nachstehenden wird die Erfindung so beschrieben, als ob immer nur Natrium als Kern dient. An Stelle von Natrium können natürlich aber auch andere Alkalimetalle oder Legierungen verwendet werden. Mitunter hat sogar die Gegenwart kleinerer Mengen noch weiterer Metalle eine bedeutsame Wirkung auf dem Schmelzpunkt, die Härte oder andere Eigenschaften des Leiters, ohne hierbei das geringe Gewicht und die gute Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Im allgemeinen haben geeignete Legierungen eine Dichte von etwa 0,5 bis 2 g/cm³ und eine Zugfestigkeit von etwa 0,03 · 10⁶ bis 0,35 · 10⁶ kg/cm².

Die F i g. 1 zeigt einen zusammengesetzten Leiter mit einem Natriumdraht 10 als Kern, einer biegsamen isolierenden schlauchförmigen Schutzhülle 12 um den Draht 10, einen dünnen Schirm 14 um die Schutzhülle 12 und einer Umhüllung 16 um den Schirm 14.

Die Schutzhülle 12 aus einem Olefinpolymer muß

luftundurchlässig und feuchtigkeitsundurchlässig sein und eine Zugfestigkeit von weniger als etwa 0,35 · 10⁶ kg/cm² haben. Sie kann aus Polyäthylen von niederer, mittlerer oder hoher Dichte Polypropylen oder Copolymeren von Äthylen mit anderen Olefinen bestehen.

Die Wandstärke der Schutzhülle 12 kann innerhalb weiter Grenzen schwanken und hängt von der gewünschten Isolierung ab. Im allgemeinen müssen die Wände eine Spannung von 400 bis 8000 V/mm aushalten.

Der Schirm 14 verhindert den Zutritt von Sauerstoff und Feuchtigkeit durch die Schutzhülle 12 zu dem Natriumdraht 10 während längeren Gebrauches. Bei hohen Spannungen kann der Schirm 14 auch als elektrische Abschirmung dienen. Der Schirm 14 wird in der Regel aus einem Metall wie Kupfer oder Aluminium bestehen und kann in üblicher Weise aufgebracht werden durch Falzen, Löten oder Schweißen. Man kann auch den Schirm 14 durch spiralförmiges Umwickeln oder durch Auftrag eines dampfundurchlässigen Polymerfilms aufbringen.

ORIGINAL INSPECTEO

Die Umhüllung 16 soll dem Leiter einen mechanischen Schutz geben. Sie kann aus Polyäthylen oder einem anderen biegsamen Material bestehen.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Leiters mit einem Natriumdraht als Kern, der von Polyäthylen umgeben ist, zeigt die F i g. 2. Geschmolzenes Polyäthylen wird unter Druck aus einem Extruder 20 durch ein ringförmiges Mundstück in einer Kreuzkopfdüse 22 gefördert und bildet hierbei einen extrudierten thermoplastischen Schlauch 12. Gleichzeitig wird unter Druck stehendes geschmolzenes Natrium aus einem Behälter 24, der mit Stickstoff abgeschirmt ist, durch eine kreisförmige zentral angeordnete Düse in den Kreuzkopf 22 gefördert, wobei ein Natriumdraht 10 innerhalb der Kunststoffschutzhülle 12 entsteht. Da der Kunststoff und das Natrium gleichzeitig extrudiert werden, befinden sich beide bei ihrer Berührung in einem geschmolzenen Zustande. Dadurch ergibt sich eine starke Bindung zwischen dem Natrium und dem Polyolefin, wenn sie später gekühlt werden.

Die Abmessungen des Natriumdrahtes 10 und die Wandstärke der Schutzhülle 12 können durch Einstellung verschiedener voneinander abhängiger Variabler geregelt werden. Für eine gegebene Kreuzkopfdüse sind die wichtigsten Variablen die Temperatur und der Druck des geschmolzenen Kunststoffes, die Temperatur und der Druck des geschmolzenen Natriums und die Abnahmegeschwindigkeit des Leiters.

Mit zunehmendem Druck und mit zunehmender Temperatur des Natriums oder des Kunststoffes nimmt der Durchmesser des Drahtes 10 in der Regel zu. Die Wandstärke der Kunststoffschutzhülle 12 nimmt ab bei einer Zunahme des Durchmessers des Natriumdrahtes und bei einer Zunahme der Abnahmegeschwindigkeit. Der Durchmesser des ganzen Leiters kann auch durch Kalibrierplatten geregelt werden. Die Abmessungen des fertigen Leiters können also durch Einstellung einer oder mehrerer der obenerwähnten Variablen geregelt werden.

Aus der Kreuzkopfdüse 22 gelangt der Leiter in die Kammer 26, die mit trockenem Stickstoff gespült wird. Hierdurch wird eine Entzündung des Natriums vermieden, wenn die Kunststoffschutzhülle 12 nach dem Extrudieren bricht oder reißt. Die Kammer 26 ist der Düse 22 eng benachbart, weil hier die höchsten Temperaturen auftreten können. Diese Kammer kann eine durchsichtige Wand oder Fenster besitzen, um das Extrudieren beobachten zu können.

Dann leitet man den Leiter durch ein Bad 28 mit der Kühlflüssigkeit, um die Umhüllung und den Natriumdraht erhärten zu lassen. Als Kühlflüssigkeit verwendet man vorzugsweise ein Öl oder eine andere gegen Natrium inerte Flüssigkeit, damit im Falle eines Bruches oder Risses kein Unglück entsteht. Die Kühlflüssigkeit muß auch gegenüber der thermoplastischen Umhüllung 12 inert sein. Die Temperatur des Kühlbades kann so eingestellt werden, daß sie der Extrusionstemperatur. der Badlängc. dem Durchmesser des Leiters, der Abnahmegeschwindigkeit u. dgl. entspricht. Man kann natürlich auch das Kühlbad 28 durch andere geeignete Kühlmittel ersetzen, wie z. B. durch einen Kühlgürlel, der dem Rohr 12 angepaßt ist.

Beim Ingangsetzen des in F i g. 2 gezeigten Verfahrens extrudiert man anfangs aus dem Extruder 20 allein das Polyäthylen ohne das geschmolzene Natrium, bis die gewünschte Extrusionsgeschwindigkeit und andere Arbeitsbedingungen eingestellt sind. Man kann während dieser Anfangsperiode den thermoplastischen Schlauch zusammenfallen lassen und ein zusammenhängendes Gebilde entstehen lassen, oder aber man kann auch einen Schlauch extrudieren, indem man Gas unter Druck durch das zentrale Mundstück in die Düse einleitet. Nach Einstellen der Arbeitsbedingungen beginnt man mit dem Extrudieren des Natriumdrahtes 10 innerhalb des Schlauches 12. Es ist wichtig, daß das geschmolzene Natrium direkt aus der kontinuierlichen Düse 22 in den Schlauch 12 gelangt, da geschmolzenes Natrium sich leicht entzündet, wenn es bei Temperaturen von etwa 120" C einer sauerstcffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird. Aus Gründen der Sicherheit sollte das Natrium bei Temperaturen unterhalb 12O⁰C extrudiert werden, vorteilhaft bei etwa 105 bis 110° C. . Es hat sich ferner gezeigt, daß durch Recken oder Ziehen die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Leiter um ein Mehrfaches gesteigert werden kann. Diese Zunahme der Zugfestigkeit ist auf die molekulare Orientierung des Umhüllungsmaterials zurückzuführen. Der Grad der Orientierung kann in bekannter Weise geregelt werden durch Regelung der Temperatur und durch den Grad des Streckens.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Leiters mit einem leitenden Kern aus einem Alkalimetall oder einer Legierung aus zwei oder mehreren Alkalimetallen innerhalb einer angrenzenden Schutzhülle aus einem organischen Polymer, wobei der leitende Kern und die Schutzhülle gleichzeitig durch konzentrische Düsen extrudiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall oder die Legierung (10) und das als Polymer verwendete Polyolefin (12) in geschmolzenem Zustand extrudiert und miteinander in Berührung gebracht werden, während sich die Berührungsflächen in dem geschmolzenen Zustand befinden, und daß man die äußere Oberfläche der Polymerhülle während oder unmittelbar nach dem Extrudieren so kühlt, daß der Teil der Umhüllung, der die geschmolzene innere Grenzfläche umgibt, hinreichend fest wird, um den Kern in seiner konzentrischen Lage zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (12) aus einem molekular ausrichtbaren Olefinpolymer besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (Ϊ2) aus Polväthvlen besteht.

Hierzu 1 Biatt Zeichnungen COPY