DE19908818A1 - Keramisierende flammwidrige Isolationsmischung für Kabel - Google Patents
Keramisierende flammwidrige Isolationsmischung für KabelInfo
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Abstract
Bei einer keramisierbaren, flammwidrigen Zusammensetzung, enthaltend ein Polymerblend und einen keramisierbaren Füllstoff, wird eine niedrige Brennbarkeit und Rauchentwicklung sowie ein erhöhter Isolations- und Funktionserhalt im Brandfall dadurch erreicht, dass das Polymerblend wenigstens teilweise aus ethylenischen Polymeren und siliziumorganischen Polymeren besteht, und dann die Füllstoffkombination eine stabile und nicht leitende Kruste bildet.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der flammwidrigen Isolati
onsmaterialien. Sie betrifft eine keramisierbare flammwidrige Zusammensetzung,
enthaltend ein Polymerblend und ein keramisierbares Füllstoffsystem, wie sie bei
spielsweise zur Verarbeitung zu Aderisolationen oder Kabelummantelungen brand
sicherer Kabel verwendet werden kann.
Flammwidrige Isolationsmaterialien, wie sie z. B. zur Isolation und Ummantelung von
brandsicheren Kabeln verwendet werden, sollen einerseits schlecht brennbar sein
und einen Brandherd möglichst nicht weitertragen, und andererseits sollen sie in
abgebranntem Zustand immer noch in der Lage sein, eine elektrische Isolation ein
zelner Leiter voneinander zu gewährleisten. Im Rahmen der allgemeinen Brandsi
cherheit gibt es in vielen Ländern gesetzliche Vorgaben, welche für bestimmte, be
sonders wesentliche elektrische Installationen solche brandsicheren Kabel vor
schreiben.
Die amtlichen Prüfverfahren und Normen zur Festlegung der entscheidenden Krite
rien, denen solche brandsicheren Kabel genügen müssen, sowie eine einschlägige
und extensive Auflistung des Standes der Technik im Zusammenhang mit Zusam
mensetzungen, welche zur brandsicheren Ummantelung von Kabeln geeignet sind,
findet sich in der EP 0 708 455 B1. Aus diesem Grunde sei zur Abhandlung des
Standes der Technik ausdrücklich auf diese Schrift hingewiesen.
Die EP 0 708 455 B1 selber beschreibt eine keramisierbare flammwidrige Zusam
mensetzung, welche ein siliziumorganisches Polymer und einen keramisierbaren
Füllstoff enthält, und insbesondere ein Benetzungsmittel umfasst, welches dazu
dient, eine hohe Konzentration an Füllstoffen einzustellen, und welches beim Kera
misierungsprozess eine verbesserte Bindung zwischen Matrix, d. h. siliziumorgani
schem Polymer bzw. dessen Rückständen und keramisierendem Füllstoff erlaubt.
Dieser in der EP 0 708 455 B1 gewählte Ansatz, so wie er auch in den beschriebe
nen Ausführungsbeispielen offenbart ist, weist nun aber eine Reihe von Nachteilen
auf:
- - Die zur Aushärtung der beschriebenen Zusammensetzungen mittels Peroxidver netzung notwendigerweise beigemischten Peroxide sind allesamt chlorhaltig. Diese Halogenhaltigkeit ist für die Reaktivität des Vernetzungsagens entschei dend, hat aber den Nachteil, dass damit auch im Brandfall Halogene freigesetzt werden. Immer mehr Brandvorschriften verbieten die potentielle Freisetzung von Halogengasen aus diversen offensichtlichen Gründen.
- - Die beschriebenen Mischungen fallen erfahrungsgemäss in Form von Fellen und Streifen an und sind nur mit speziellen Extrudern zu verarbeiten. Eine Trocknung und Verarbeitung mit den sonst üblichen Thermoplast-Extrusionsanlagen ist nicht möglich. Insbesondere sind die extrudierten Schichten so weich, dass sie unmit telbar direkt nach der Extrusion vernetzt werden müssen.
- - Der beschriebene Krustenbildner (keramisierender Füllstoff) Al2O3 mit einer Dichte von 4 g/cm3 führt zu Mischungen mit einer hohen Dichte und damit zu ei nem ungünstigen Literpreis.
- - Die in den Beispielen vorgeschlagene Peroxidvernetzung verläuft trotz haloge nierter Peroxide sehr langsam, da der hohe Füllgrad zu einer nur langsamen Er wärmung führt. Nachteilig lange Vulkanisierungsstrecken sind deshalb erforder lich.
- - Die ausschliessliche Verwendung von siliziumorganischen Polymeren als Matrix weist alle bekannten Nachteile wie mechanische Verletzbarkeit, geringen Leiter haftsitz auf.
- - Die Haftung von siliziumorganischen Polymeren an nichtsilikonhaltigen Sekundä risolationen ist gering, der mechanische Verbund somit meist schwach.
- - Die hohen Anteile an polarem Benetzungsmittel wie Aluminiumstearat schwä chen die elektrischen Eigenschaften und können weiter zur Aufnahme von Was ser führen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine keramisierbare, flammwid
rige Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen, welche halogenfrei ist und welche
als rieselfähiges Granulat in einfach verarbeitbarer, d. h. beispielsweise auf gängigen
Kunststoffextrudern extrudierbarer Form zur Verfügung steht.
Diese Aufgabe wird bei einer Zusammensetzung der eingangs genannten Art da
durch gelöst, dass das Polymerblend wenigstens teilweise aus ethylenischen Poly
meren und siliziumorganischen Polymeren besteht. Diese Zusammensetzung erlaubt
eine hochkonzentrierte Beimischung von keramisierenden Füllstoffen und führt zu
einem rieselfähigen Granulat, welches in praktisch allen Kunststoffverarbeitungsma
schinen verarbeitet werden kann. Die Zusammensetzung ist nach der Extrusion so
stabil, dass Extrusion und Vernetzung getrennt werden können, was die Vorausset
zungen für Nachbearbeitungen wie eine Strahlenvernetzung schafft. Weil Strahlen
vernetzung beispielsweise im Elektronenstrahl so möglich ist, kann auch auf die
Beifügung von reaktiven Verbindungen wie Peroxiden verzichtet werden, und es
kann ausserdem eine hohe Verarbeitungstemperatur gewählt werden. Hohe Verar
beitungstemperaturen ermöglichen die Einstellung einer niedrigen Viskosität und
erlauben die Auftragung von besonders dünnen Schichten. Der weiteren können
polare Benetzungsmittel vermieden und damit die elektrischen Eigenschaften ver
bessert werden. Die Verwendung von ethylenischen Polymeren ermöglicht einen
guten Verbund mit Sekundärisolationen, sogar derart, dass sich die vorgeschlagene
Zusammensetzung und eine Sekundärisolation nicht mehr mit üblichen Mitteln von
einander trennen lassen. Die Füllstoffkombination bildet im Brandfall eine stabile und
nicht leitende Kruste.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass als ethylenische
Polymere Polyethylen (PE), insbesondere bevorzugt Polyethylen sehr geringer
Dichte (ultra low density polyethylene, ULDPE), oder Copolymere des Ethylens, wie
bevorzugt Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA), Ethylen-Ethylacrylat-Copolymere
(EEA) oder Ethylen-Butylacrylat-Copolymere (EBA), oder ein Gemisch der genann
ten Polymere verwendet wird. Werden weiterhin bevorzugt die siliziumorganischen
Polymere so gewählt, dass sie wenig oder keine Phenylgruppen enthalten, so erhöht
sich die Elektronenvernetzbarkeit sowohl innerhalb des Copolymers und des silizi
umorganischen Polymeren, als auch zwischen den Komponenten. Ausserdem kann
als keramisierbarer Füllstoff ein Oxid, vorzugsweise Siliziumoxid (SiO2) verwendet
werden. Wird das Siliziumoxid (SiO2) zusätzlich thermisch vorbehandelt und fein ge
mahlen, so bildet sich nach der Verbrennung eine besonders stabile, nicht leitende
Asche. Enthält weiterhin bevorzugt der keramisierbare Füllstoff Borate, beispielswei
spielsweise Zinkborate, so kann die Ausbreitung der Flammen und die Rauchbil
dung noch besser verhindert werden.
Gegenstand der Erfindung sind auch die Verwendung einer Zusammensetzung der
oben beschriebenen Art zur Herstellung von schwer brennbaren Isoliermaterialien,
insbesondere in Brandsicherheitskabeln, sowie elektrische Adern oder elektrische
Kabel, enthaltend wenigstens einen Bestandteil auf Basis einer Zusammensetzung
der oben beschriebenen Art. Als besonders wirksam erweist sich die Verwendung
einer Zusammensetzung nach der oben beschriebenen Art als den Leiter unmittel
bar umschliessende Schicht.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen
hang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Ader, bei
welcher die einzelnen Isolationsschichten abgestuft freigelegt sind.
Die erfindungsgemässen flammwidrigen Isolationsmaterialien sollen im Zusammen
hang mit der Verwendung als Kabel- oder Aderummantelungen beschrieben werden.
Die Verwendung von flammwidrigen Ummantelungen bei elektrischen Leitern ist in
vielen Ländern für bestimmte Installationen gesetzlich vorgeschrieben. Die flamm
widrigen Ummantelungen sollen dabei auf der einen Seite möglichst schlecht bren
nen, und auf der anderen Seite sollen sie, wenn sie dennoch abbrennen, für eine
möglichst lange Zeit die Funktionstüchtigkeit des elektrischen Leiters aufrechterhal
ten, damit im Brandfall viel Zeit bleibt, Menschen und Material zu retten.
Die vorgeschlagene Zusammensetzung weist im wesentlichen die Vorteile auf, dass
das Isolationsmaterial schlecht brennbar ist, dass sich beim Abbrennen wenig Rauch
entwickelt und dass bei der Verbrennung stabile Aschen gebildet werden, welche
eine Erhaltung der Funktion des ummantelten elektrischen Leiters ermöglichen. Die
bei der Verbrennung gebildeten stabilen Aschen bilden mit anderen Worten einen
keramischen Mantel um den Leiter, welcher isolierend wirkt, und Kurzschlüsse u. ä.
verhindern kann.
Die Herstellung eines flammwidrig ummantelten Kabels oder einer Ader unter Ver
wendung der erfindungsgemässen Zusammensetzung sei in der Folge beschrieben:
Zunächst wird in einem konventionellen Compoundierungsverfahren ein Polymer blend aus einem ethylenischen Polymer und einem siliziumorganischen Polymer, mit einem Füllstoffsystem und gegebenenfalls mit weiteren Hilfsstoffen vermischt.
Zunächst wird in einem konventionellen Compoundierungsverfahren ein Polymer blend aus einem ethylenischen Polymer und einem siliziumorganischen Polymer, mit einem Füllstoffsystem und gegebenenfalls mit weiteren Hilfsstoffen vermischt.
Als ethylenisches Polymer eignen sich eine Vielzahl von Polymeren, so z. B. Polye
thylen äusserst geringer Dichte (ultra low density polyethylene, ULDPE), sowie eine
Fülle von Ethylen-Copolymeren wie Ethylen-Ethylacrylat-Copolymer (EEA), Ethylen-
Butylacrylat-Copolymer (EBA), und insbesondere Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
(EVA), wie sie alle standardmässig erhältlich sind. Wichtig bei der Wahl des ethyleni
schen Polymers ist, dass es mit Elektronenstrahl vernetzt werden kann, und dass es
gut füllbar ist, d. h. dass es in der Lage ist, einen hohen Anteil an Füllstoffen aufzu
nehmen.
Als siliziumorganisches Polymer können ebenfalls verschiedene Polymere Anwen
dung finden. Es haben sich Silikone mit niedrigem Phenylgruppenanteil bewährt oder
insbesondere solche ganz ohne Phenylgruppen, da diese besonders gut im Elektro
nenstrahl vernetzt werden können. Beispielsweise eignen sich sogenannte MVQ-
Silikone (Methyl-Vinyl-Qualität). Ebenfalls bei den siliziumorganischen Polymeren ist
wichtig, dass sie mit den anderen Komponenten mischbar sind, und dass sie mög
sie möglichst gut im Elektronenstrahl vernetzbar sind, dies auch mit dem zuge
mischten ethylenischen Polymer. Die gute Kreuzvernetzbarkeit zwischen ethyleni
schem Polymer und dem siliziumorganischen Polymer ist für einen guten mechani
schen Verbund zwischen den beiden Komponenten wichtig.
Als Füllstoff hat sich eine Mischung aus Siliziumoxid (SiO2) und Zinkborat bewährt.
Diese beiden Stoffe führen zu einer guten Keramisierung, d. h. zu einer Bildung von
stabilen, nicht-leitenden Aschen, und insbesondere kann das Zinkborat zusätzlich
die Flammenausbreitung und die Rauchentwicklung wirksam unterdrücken. Das
Zinkborat wird als Pulver beigemischt, und als Siliziumoxid hat sich ganz besonders
thermisch vorbehandeltes Pulver (gebrannt bei 1500°C), das anschliessend fein
gemahlen wird (Korngrössen im Bereich von 0.1-50 Mikrometern, besonders geeig
net im Bereich von 1-15 Mikrometern), bewährt. Es kann beispielsweise das Material
Farsil® der Firma Silmer, 80410 Cayeux-sur-mer, France verwendet werden.
Gegebenenfalls können den oben genannten Komponenten zusätzlich noch Hilfs
stoffe wie Substanzen zur Verzögerung der Alterung, Weichmacher, Gleitmittel oder
weitere Flammhemmer beigemischt werden.
Ein rieselfähiges, und in konventionellen Extrusionsanlagen gut zu verarbeitendes
Granulat erhält man, indem man 30-40 Gewichtsteile Polymerblend, 60-70 Ge
wichtsteile Füllstoffe (vorteilhafterweise Siliziumoxid und Zinkborat im Verhältnis 9-11
zu 1.9-2.3), und gegebenenfalls 20-30 Gewichtsteile Zusatzstoffe bei Temperatu
ren von bis zu 150°C in einer gängigen Compoundierungsanlage knetet. Das so er
haltene Granulat weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen
auf. So kann es, da es keine intrinsische reaktive Komponenten wie Peroxide oder
ähnliches enthält, bei vergleichsweise hohen Temperaturen extrudiert werden. Dies
ermöglicht aufgrund der damit verbundenen niedrigen Viskosität der Schmelze die
Herstellung von besonders dünnen Schichten von weniger als 0.1 mm Dicke. Au
sserdem ist das Material nach der Extrusion bereits im unvernetzten Zustand von
einer hohen Formstabilität. Diese Formstabilität macht es möglich, dass ein derart
beschichtetes Kabel nicht sofort vernetzt werden muss, sondern über Umlenkrollen
geführt werden kann. So kann ein solches Kabel nach Extrusion der Beschichtung
durch die vielen Umlenkrollen einer Strahlenvernetzungsanlage geführt werden.
Im Prinzip kann die vorgeschlagene Zusammensetzung zum Aufbau irgendeiner
Schicht einer Ader oder eines Kabels verwendet werden, es zeigt sich aber, dass
von Vorteil die unmittelbar am Leiter anliegende Schicht aus der flammwidrigen Zu
sammensetzung besteht. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektri
schen Ader, welche mit einer flammwidrigen Isolationsschicht 11 versehen ist. Der
zentrale elektrische Leiter 10 ist hier unmittelbar direkt von der flammwidrigen
Schicht 11 umgeben, weiche einen innersten Schutz gewährleistet. Zu besseren
Isolation und zum weiteren mechanischen Schutz ist die Schicht 11 von einer Se
kundärisolation 12 umgeben. Diese kann aus einem konventionellen Isolationsmate
rial gefertigt sein, denn dank der geeigneten Zusammensetzung der vorgeschlage
nen flammwidrigen Schicht 11 ist ein fester mechanischer Verbund zwischen den
Schichten 11 und 12 ohne spezielle Oberflächenbearbeitung der Schicht 11 möglich.
Die Sekundärisolation 12 kann von weiteren Isolationsschichten, einer Abschirm
schicht und einem Mantel umgeben sein, wie hier von einer Aussenisolation 13, wel
che das Kabel nach aussen abschliesst. Trägt man so flammwidrige Schichten 11
einer Dicke von 0.1 mm (z. B. Miniatur Spezialkabel) bis 1 mm (z. B. Energiekabel)
auf, so bilden sich im Brandfall stabile Aschen, die bei Temperaturen von 950°C
noch während mehr als 3 Stunden die Funktionstüchtigkeit (elektrische Leitung so
wie Isolation) der Leiter erhalten. Derart können weiter aussen liegende Schichten
wie die Schichten 12 und 13 in Fig. 1, oder auch Trennschichten, Mäntel, Ab
schirmschichten, gemeinsame Aderumhüllungen, andere Isolationen und/oder Bei
läufe aus anderen Materialien hergestellt werden, welche beispielsweise bessere
mechanische Eigenschaften haben, ohne dass die Schutzwirkung der flammwidrigen
Schicht wesentlich beeinträchtigt wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen
Beschichtungsmaterials ergibt sich aus der Tatsache, dass keine Komponenten ho
her Dichte, wie z. B. Al2O3 verwendet werden. Da nämlich viele gesetzliche Vorgaben
die Dicke von flammwidrigen Schichten vorgeben, und das Rohmaterial meist im
Kilopreis vergeben wird, ergibt sich so eine insgesamt kostengünstigere Isolations
beschichtung.
10
elektrischer Leiter
11
flammwidrige Schicht
12
Sekundärisolation
13
Aussenisolation
Claims (13)
1. Keramisierbare flammwidrige Zusammensetzung, enthaltend ein Poly
merblend und eine keramisierbare Füllstoffkombination,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Polymerblend wenigstens teilweise aus ethylenischen Polymeren
und siliziumorganischen Polymeren besteht.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei den ethylenischen Polymeren um Polyethylen (PE), insbe
sondere bevorzugt um Polyethylen sehr geringer Dichte (ULDPE), oder
um Copolymere des Ethylens, wie bevorzugt Ethylen-Vinylacetat-
Copolymere (EVA), Ethylen-Ethylacrylat-Copolymere (EEA) oder
Ethylen-Butylacrylat-Copolymere (EBA), oder ein Gemisch der ge
nannten (Co-)Polymere handelt.
3. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die siliziumorganischen Polymere wenig oder ins
besondere keine Phenylgruppen enthalten.
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Polymerblend im Elektronenstrahl vernetzbar
ist.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass der keramisierbare Füllstoff ein Oxid, vorzugsweise
Siliziumoxid (SiO2) enthält.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Siliziumoxid (SiO2) thermisch vorbehandelt und fein gemahlen ist.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, dass der keramisierbare Füllstoff Borate, insbesondere
bevorzugt Zinkborate enthält.
8. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, dass sie einen oder mehrere Zusatzstoffe, insbesondere
Hilfsstoffe wie, Substanzen zur Verzögerung der Alterung, Weichma
cher, Gleitmittel oder weitere anorganische Füllstoffe enthält.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
30 bis 40 Gewichtsteile Polymerblend, 60-70 Gewichtsteile Füllstoffe,
und 30-40 Gewichtsteile Zusatzstoffe enthält.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
als Füllstoffe Siliziumoxid (SiO2) und Zinkborat im Verhältnis 9-11 zu
1.9-2.3 enthalten sind.
11. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis
10 zur Herstellung von schwer brennbaren Isoliermaterialien, insbe
sondere in Brandsicherheitskabeln.
12. Elektrische Ader oder elektrisches Kabel, enthaltend wenigstens einen
Bestandteil auf Basis einer Zusammensetzung nach einem der An
sprüche 1 bis 10, insbesondere Trennschichten, Mäntel, gemeinsame
Aderumhüllungen, Isolationen und/oder Beiläufe.
13. Ader oder Kabel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
den elektrischen Leiter unmittelbar umschliessende Schicht auf einer
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 basiert, und
dass die Schicht insbesondere bevorzugt eine Dicke im Bereich von
0.05 bis 3 mm, insbesondere bevorzugt von 0.1 mm bis 1 mm aufweist.
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
DE1999108818 DE19908818A1 (de) | 1999-03-01 | 1999-03-01 | Keramisierende flammwidrige Isolationsmischung für Kabel |
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE1999108818 DE19908818A1 (de) | 1999-03-01 | 1999-03-01 | Keramisierende flammwidrige Isolationsmischung für Kabel |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=7899262
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DE1999108818 Withdrawn DE19908818A1 (de) | 1999-03-01 | 1999-03-01 | Keramisierende flammwidrige Isolationsmischung für Kabel |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1033725A1 (de) |
DE (1) | DE19908818A1 (de) |
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- 2000-02-18 EP EP00810137A patent/EP1033725A1/de not_active Withdrawn
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