DE2063395B2 - Wärmehärtbare Polyäthylenmischung mit einem organischen Silikonzusatz - Google Patents
Wärmehärtbare Polyäthylenmischung mit einem organischen SilikonzusatzInfo
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Description
4°
Die Erfindung betrifft eine wärmehärtbare Masse, bestehend aus:
A. Polyäthylen, Mischungen von Polyäthylen und anderen Polymerisaten und/oder Copolymerisaten
des Äthylens mit anderen copolymerisierbaren Monomeren,
B. einem Härtungsmittel zum Vernetzen der Masse und
C. einem Organopolysiloxan und gegebenenfalls
D. einem Füllstoff.
Eine solche wärmehärtbare Masse ist aus der GB-PS 799 386 bekannt. Der in dieser britischen
Patentschrift beschriebenen ErfindungliegtdieAufgabe zugrunde, die Extrudierbarkeit und Hitzealterungseigenschaften
einer solchen Masse zu verbessern. Zu diesem Zweck wird ein hoch viskoses oder gummielastisches
festes Organopolysiloxan verwendet.
Eine solche Masse der eingangs genannten Art ist auch aus der BE-PS 6 42 905 bekannt. Der Masse
nach der genannten belgischen Patentschrift wird zur Vermeidung des Korrosion an Metallteilen verursachenden
Schwefels ein Zusatz eines ungesättigte Alkenylreste aufweisenden Organopolysiloxans hinzugegeben,
damit die Masse mit Peroxiden härtbar ist. Diese Organopolysiloxane sind, wie sich aus der
Beschreibung und allen Beispielen der belgischen Patentschrift ergibt, gummiartig oder fest.
In der vorliegenden Erfindung, der die Aufgabe zugrunde liegt, die Ionisationsbeständigkcit von Mischungen
der eingangs genannten bekannten Massen zu verbessern, ist nun festgestellt worden, daß solche
Organopolysiloxane hoher Viskosität nur dann eine Wirkung auf die Ionisaliionsbeständigkeit haben, wenn
sie in relativ großen Mengen, z.B. 15 Teilen pro 100 Teile des Äthylenpolymeren, eingesetzt werden,
daß sie aber außerdem und insbesondere auch infolge ihres großen Anteils einen nachteiligen Einfluß auf die
Mischbarkeit der Masse haben.
In der Erfindung ?st nun festgestellt worden, daß die Nachteile der bekannten wärmehärtbaren Massen
mit einem Organopolysiloxan vermieden werden können, wenn das eingesetzte Organopolysiloxan
eine Viskosität von nicht mehr als 100 Centistokes bei 25°C aufweist und in einer Menge von 2 bis
5 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile der Komponente A vorhanden ist
Eine solche wärmehärtbare Masse w« *.·. eine verbesserte
Beständigkeit gegenüber Ionisation bei Hochspannungsbelastung auf und ergibt keine nuchteilige
Beeinflussung oder Änderung der anderen Eigenschaften der Mischung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Organopolysiloxan eine Viskosität von 50 Centistokes bei 25° C auf. Von besonderem
Vorteil ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Massen in einem Verfahren zum Herstellen eines
elektrischen Kabels, in dem die Masse zu einer einen metallischen Leiter umgebenden hitzegehärteten Isolation
vernetzt wird.
Ganz allgemein schafft die Erfindung eine härtbare Mischung, die insbesondere als Isoliermaterial für
Drähte und Kabel eingesetzt werden kann, und die ein äthylenhaltiges Polymeres, ein Härtungsmittel für die
Vernetzung des Polymeren und eine organische Silikonflüssigkeit mit einer Viskosität von nicht mehr
als 100 Centistokes bei 25° C enthält. Falls gewünscht, können Füllstoffe, wie Ruß oder mineralische Füllstoffe,
dem polymeren System einverleibt werden. Die Mischung wird in der Weise hergestellt, daß das
Polymere, die Silikonflüssigkeit, der Füllstoff und, falls gewünscht, andere Zusätze in einem Banbury-Mischer
bei erhöhter Temperatur, die ausreicht, das Polymere zu verflüssigen oder zu plastifizieren, innig gemischt
werden. Ein geeignetes Härtungsmittel, z. B. ein tertiäres Peroxid, wird dann in die Mischung eingearbeitet
und der Mischvorgang unterhalb der Härtungstemperatur des Härtungs- oder Vulkanisiermittels
fortgesetzt. Anschließend wird die Mischung durch Gießen oder Extrudieren auf einen Leiter aufgetragen,
wobei eine Isolationsschicht entsteht, und dann ausgehärtet, um das Produkt zu vernetzen oder
zu härten. Bei der Herstellung von Kabeln ist es üblich, das extrudierte Produkt durch einen Härtungsofen zu leiten, der unter einem Wasserdampfdruck
von etwa 16 bis 18 kg/cm2 gehalten wird, wobei die
Vernetzung des Polymeren stattfindet. Das gehärtete Produkt zeigt wesentlich verbesserte Beständigkeit
gegenüber Ionisation bei hoher Spannungsbelastung, ohne daß irgendein nachteiliger Effekt oder ein
Verlust an anderen Eigenschaften, die im nachfolgenden ausführlich erläutert werden, festzustellen ist.
Die Ausdrücke »Draht« und »Kabel« werden im folgenden und in den Patentansprüchen als synonyme
Ausdrücke verwendet, um den isolierten Leiter zu beschreiben.
Hs war unerwartet, zu finden, daß die Zugabe einet
geringen Menge der Silikonflüssigkeit in das polymere System die lonisationsbeständigkeit des ausgehärteter
Produktes beträchtlich verbessert. Insbesondere ergibt das erfindungsgemäße polymere System relativ gleichmäßige
Werte der lonisationsbeständigkeit, während gleiche Polymersysteme, die keine solche Silikonflüssigkeit
enthalten, ungleichmäßig und extrem abweichende Meßergebnisse zeigen. Als Folge davon
sind die Meßergebnisse der Mischungen der vorliegenden Erfindung von größerer Aussagekraft Die
Silikonflüssigkeit sollte eine Viskosität von nicht mehr als 100 Centistokes bei 25° C und insbesondere
nicht mehr als SO Centistokes aufweisen, da ein scharfer Abfall der Verbesserungen auftritt, wenn
man Silikonfiüssigkeiten mit höherer Viskosität verwendet.
Mit steigender Viskosität wird bald ein Punkt erreicht, an dem geringe oder überhaupt keine
Verbesserung mehr erzielt wird. Silikonflüssigkeiten, die eine Viskosität von 5 bis 100 Centistokes aufweisen,
sind besonders vorteilhaft zu verwenden. Vernetzte Polyäthylene beispielsweise, die diese Silikonflüssigkeiten
enthalten, zeigten einen Anstieg der Beständigkeit gegenüber Ionisation um einen Faktor von mehr
als 10 und manchmal 20. Die Menge der in das polymere System einzuarbeitenden Silikonflüssigkeit sollte
ausreichen, um die Beständigkeit gegenüber Ionisation erkennbar zu verbessern. In Abhängigkeit von dem
speziellen Polymeren und dem Füllstoff kann sie etwas variieren. In der Regel sollte die Menge der Silikonflüssigkeit
mindestens 2 Teile pro Gewichtsteil Polymeres betragen, obwohl so geringe Mengen wie
1 Gewichtsteil bereits beträchtliche Verbesserungen ergeben haben. Äthylenhaltige Polymersysteme, die
2 bis 5 Gewichtsteile der Silikonflüssigkeit auf 100 Teile
des Polymeren und insbesondere solche, die 2 bis
3 Teile enthalten, werden bevorzugt. Größere Mengen scheinen keine weiteren Verbesserungen zu ergeben,
jedoch kann sich dies etwas in Abhängigkeit vom eingesetzten Polymeren und dem Füllstoff ändern.
Die eingesetzten Silikonflüssigkeiten sind bekannte Verbindungen und werden häufig als Organopolysiloxane
mit der allgemeinen Formel
— O — Si —
bezeichnet. Darin bedeutet R einen organischen Rest, beispielsweise einen niederen Alkyl-, Carboxyalkyl-,
Hydroxyalkyl-, Alkenyl-, Aryl- und Aralkylrest, η ist die Zahl der Einheiten in den Ketten. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist R ein Methyl- und/oder Phenylrest, und die Silikonflüssigkeit hat etwa 1,9
bis 2,1 siliziumgebundene organische Gruppen pro Siliziumatom. Geeignete Silikonflüssigkeiten sind z. B.
Dimethylpolysiloxan, Methylphenylpolysiloxan und Methylvinylpolysiloxan.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können als härtbare Polymere äthylenhaltige Polymere eingesetzt
werden. Geeignet sind Polyäthylen, Mischungen von Polyäthylen und anderen Polymeren und Copolymeren
von Äthylen und anderen polymerisierbaren Materialien. Geeignete Copolymere umfassen z. B.
Äthylen - Vinylacetat, Äthylen - Propylen - Copolymere und Äthylen-Propylen-tert.-Polymere. Das Polyäthylen
kann mit Vinylacetat. Äthylacrylat. Propylen, Buten-1 sowie mit anderen Copolymeren, wie Äthylen-Propylen
oder Äthylen-Vinylacetat gemischt werden. Die Mischung oder das Copolymere sollten nicht weniger
als etwa 50 Gewichtsprozent Äthylen enthalten, im allgemeinen sollten sie 70 bis 90% Äthylen aufweisen,
und der Rest sollte aus anderem polymeren Material bestehen, jedoch hängt dies weitgehend von den
gewünschten Eigenschaften des Endproduktes ab. Obgleich die Erfindung im folgenden am Beispiel des
Polyäthylens beschrieben wird, können ebenfalls Mischungen oder Copolymere des Äthylens Anwendung
finden.
Obwohl die Erfindung insbesondere am Beispiel gefüllter Polymersysteme beschrieben wurde, läßt sie
sich ebenfalls für ungefüllte Systeme verwenden. Es können daher sowohl gefüllte als auch ungefüllte
ίο vernetzte Polyäthylensysteme fur die Isolation von
Hochspannungskabeln eingesetzt werden. In beiden Fällen wird durch Einarbeiten einer geringen Menge
einer Silikonflüssigkeit eine bedeutende Verbesserung der Koronabeständigkeit des ausgehärteten Produktes
■5 erzielt Falls gewünscht, kann ein geeigneter Füllstoff
mit dem Polymeren und anderen Zusätzen vermischt werden. Als Füllstoffe eignen sich die üblicherweise in
Polymermischungen eingesetzten Stoffe, z. B. die verschiedenen Rußsorten und mineralische Füllstoffe. Die
erfindungsgemäß einzusetzenden mineralischen Füllstoffe umfassen Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid,
Kalziumsilikat, Siliziumdioxid, Magnesiumsilikat, Titandioxid
und deren Mischungen. Diese Füllstoffe sind bekannte Materialien und leicht im Handel erhältlich.
Der geeignete FüHstofftyp hängt weitgehend von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts ab und
kann leicht vom Fachmann ermittelt werden. Die Funktion der Füllstoffe in den Polymersystemen ist
bekannt. Die geeignete Menge Füllstoff, die in die Mischung eingearbeitet wird, hängt ebenfalls von den
gewünschten Eigenschaften des ausgehärteten (vulkanisierten) Produktes ab. Der Füllstoffgehalt kann
zwischen 20 und 50 Gewichtsprozent der Mischung, insbesondere zwischen 25 und 40 Gewichtsprozent,
betragen.
Das Vermischen wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, der hoch genug ist, um die Mischung
hinreichend plastisch zu machen. Die Temperatur muß jedoch unterhalb der Reaktions- oder Zerset-Zungstemperatur
des Härtungsmittels liegen, damit dieses Mittel nicht bei der normalen Mischoperation
zerfällt und dabei eine teilweise oder beginnende Aushärtung des Polyäthylens auslöst. Ein für das
Verfahren geeignetes Härtungsmittel ist ein organisches Peroxid, insbesondere ein tertiäres Peroxid,
welches durch wenigstens eine Einheit der folgenden Struktur gekennzeichnet ist:
C C
I I
c — c — o — o — c — c
Die Peroxide zerfallen bei Temperaturen von etwa oberhalb 146° C. Die Verwendung dieser Peroxidhärtungsmittel
zum Vernetzen von Polymeren, wie Polyäthylenverbindungen, ist ausführlich beschrieben
in den USA.-Patentschriften 30 79 370, 28 88 424, 30 86 966 und 32 14 422. Das am meisten als Härtungsmittel eingesetzte Peroxid ist Di-a-cumylperoxid.
Andere geeignete Härtungsmittel sind die tertiären Diperoxide, wie 2,5-Dimethyl-2,5-di(tertiä'--butylperoxy)hexan
und 2,5-Dimethyl-2,5-di(tertiär-butylperoxy)hexin-3 und ähnliche Diperoxy- und Polyperoxyverbindungen.
Die Menge der als Härtungsmittel eingesetzten Peroxide hängt hauptsächlich von den mechanischen
Eigenschaften, dieim ausgehärteten Produkt angestrebt
werden, z. B. der Zugfestigkeit, ab. Ein Mengenbereich
von 0,5 bis 10 Gewichtsteilen Peroxid auf iOO Teile Polymeres genügt den meisten Anforderungen. Die
übliche Menge liegt im Bereich von 2 bis 4 Teilen S Peroxid. Bei einer typischen Verarbeitang, bei der ein
tertiäres Peroxid als Härtungsmittel eingesetzt wird, beträgt die Mischtemperatur zwischen 93 und 135" C
(200 und 275° F). Ist die Temperatur wesentlich höher als das angegebene Maximum, kann das Peroxid
zerfallen. Hierdurch wird eine vorzeitige Vulkanisation
Tiunindest eines Teiles des Polymeren ausgelöst.
Als Folge davon läßt sich die Mischung schwer weiterverarbeiten, und das Endprodukt zeigt eine irreguläre
und rauhe Oberfläche.
Weiterhin können bestimmte Zusätze, deren Funktion allgemein bekannt ist, üblicherweise mit den
polymeren Mischungen verarbeitet werden. Diese Zusätze sind Antioxidantien, wie polymerisiertes Trimethyldihydrochinolin,
Gleitmittel, wie Kalzium- *s stearat, die das Kleben der Mischung während der
Verarbeitung verhindsrn, ferner nichtbrennbare Zusätze,
wie Antimonoxid, zum Verbessern der Flammfestigkeit und Mittel, wie Polybutadien, mit denen die
Vernetzung erleichtert wird. Weiterhin können geringe Mengen von Pigmenten oder Farbstoffen zugesetzt
werden. Die Verarbeitungszusätze können erheblich variieren. Es können auch andere eingesetzt werden als
diejenigen, mit denen die Eigenschaften des Endproduktes beeinflußt werden. Disse Zusatzstoffe werden
üblicherweise mit dem Polymeren und dem Füllstoff in einem Banbury-Mischer gemischt, daiait eine im
wesentlichen homogene Mischung entsteht.
In den folgenden Beispielen, in denen die Erfindung weiter erläutert wird, wurden die Muster, wie auch das
kein Silikonflüssigkeit enthaltende Kontrollmuster, auf einer Zweirollen-Kautschukmütue wiefolgt hergestellt:
Das Polymere, ter Füllstoff, die Silikonflüsssigkeit und
andere Zusätze wurden zunächst in der Kautschukmühle etwa 4 bis 5 Minuten bei 1070C gemischt. Das
Di-a-cumylperoxid-Härtungsmittel wurde zugesetzt
und weitere 2 Minuten gemischt. Die fertige Mischung wurde der Mühle entnommen und auf Raumtemperatur
gekühlt. Von jedem Produkt wurden Scheiben mit den Abmessungen von etwa 15 χ 15 cm χ 0,25 mm
durch 20 Minuten dauerndes Formen zwischen parallelen Druckplatten bei 176° C unter einem Druck
von 85 Tonnen, wobei die Scheiben vernetzten, hergestellt. Die Presse wurde dann auf Raumtemperatur
abgekühlt und die geformte Scheibe entfernt. Eine Probe von 5 cm im Durchmesser wurde von jeder
Scheibe abgeschnitten. Die Rezepturen für die Proben. Beispiel 1 bis 9, sind in der nachfolgenden Tabelle I
angegeben.
Von jedem Muster wurde die Koronabeständigkeit entsprechend dem in der folgenden Literaturstelle
beschriebenen Verfahren gemessen: A.I.E.E. Transactions,
»Progressive Stress — A New Accelerated Approach to Voltage Endurance«, W. T. Starr and
H. S. E η d i c ο 11, Vol. 80,1961, Abschnitt III, Power
Apparatus and Systems.
Die Testapparatur war so modifiziert, daß ein Schmelzdraht von der Basiselektrode zum Boden
ging, so daß der Draht zusammenschmolz, wenn die Probe ausfiel. Die lonisationsbeständigkeit ist für die
Beispiele 1 bis 9 ebenfalls in der Tabelle I angegeben.
Silikonfiüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität in Polyäthylensystemen
Beispiel 1
Polyäthylen
Aluminiumsilikat
Aluminiumsilikat
Polymerisiertes Tri-methyldihydrochinolin
(Antioxydationsmittel)
Di-n-cumylperoxid (90% aktives Härtungsmittel)
Dimethylpolysiloxan
5 Centistokes
20 Centistokes
50 Centistokes
100 Centistokes
350 Centistokes
1000 Centistokes
5000 Centislokes
3000 Centistokes
Di-n-cumylperoxid (90% aktives Härtungsmittel)
Dimethylpolysiloxan
5 Centistokes
20 Centistokes
50 Centistokes
100 Centistokes
350 Centistokes
1000 Centistokes
5000 Centislokes
3000 Centistokes
Kontrolle (keine Silikonflüssigkeit) lonisationsbeständigkeit (500 Volt
pro Mill. Durchschnittsbelastung)
100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
3,5
3,5
3,5
3,5 3,5 3,5 3,5
> 1446 >1446 > 5800 828 292 322 262
3
441
441
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß Silikonflüssi^- siertes Muster, das keine Silikonflüssigkeit enthält,
keiten, die Viskositäten von nicht mehr als 100 Centi- 65 eine durchschnittliche lonisationszeit von 369 Minuten,
wogegen der Zusatz von 3 Teilen Silikonflüssigkeit mit einer Viskosität von 50 Centistokes eine Ionisationszeil
von mehr als 5800 Minuten ergibt. Die
stokes aufweisen, eine wesentliche Verbesserung der lonisationsbeständigkeit des vulkanisierten (gehärteten)
Produktes ergeben. Wie gezeigt, hat ein vulkani-
folgende Tabelle II zeigt die Ergebnisse mit variierenden Konzentrationen Dimethylpolysiloxan, und die
Tabelle III zeigt die Ergebnisse, die mit ungefüllten Polymersystemen und Polymersystemen mit verschiedenen
Füllstoffen erhalten werden.
Tabelle TI
Konzentrationseffekt
Konzentrationseffekt
Beispiel
10
11
12
Polyäthylen 100 100 100 100
Aluminiumsilikat 50 50 50 50
Beispiel 10
12
Tri-methyldihydrochinolin (Antioxydationsmittel) Di-ri-cumylperoxid
(90% aktives Härtungsmittel) Dimethylpolysiloxan (50 Centistokes, 25°C)
Ionisationsbeständigkeit
0,5 0,5 0,5
3,5 3,5 3,5 3,5
— 3 1 0,25
298 >58OO 387
Gefüllte und ungefüllte, vernetzte Polyäthylensysteme
Beispiel
14
14A
!5
15A
16A
17
17A
18
18A
Polyäthylen
Ruß
Ruß
Magnesiumsilikat
Hydratisiertes
Aluminiumoxid
Titandioxid
Polymerisiertes
Tri-methyldihydrochinolin
(Antioxydationsmittel)
Hydratisiertes
Aluminiumoxid
Titandioxid
Polymerisiertes
Tri-methyldihydrochinolin
(Antioxydationsmittel)
Di-a-cumyl peroxid
(90% aktives
Härtungsmittel)
Dimethylpolysiloxan
(90% aktives
Härtungsmittel)
Dimethylpolysiloxan
(20 Centistokes,
25" C)
(50 Centistokes,
25C)
Ionisationsbeständigkeit
Ionisationsbeständigkeit
100
100
100 40
100 40 100
30
100
100
100
100
100
30 — — — —
1,5
3.11
1,5
3,11 0,5
3,5
0,5
3.5
30
0,5
3,5
30 —
0,5
.15
30 0,5
3,5
30 0,5
364 >1500
705
3 1536 298 >1146
268
3 847
186
1440
In der Tabelle III ist für jedes Beispiel die Nummer ohne Buchstaben der Kontrollversuch, und die Nummer
mit dem nachfolgenden A enthält die eingearbeitete Silikonflüssigkeit. Offensichtlich ergibt der Zusatz der
Silikonflüssigkeit einen beträchtlichen Anstieg der lonisationsbeständigkeit des vulkanisierten Polymeren.
In der folgenden Tabelle IV werden die günstigsten Ergebnisse, die mit Copolymere« erhalten werden, beschrieben.
Tabelle IV
Copolymere
Äthylen-vnrylacetat
Äthylen-propyien-Copolymer
Äthylen-propyien-Copolymer
Polymerisiertes Tri-methyMhydrochinolin (Antioxydationsmittel)
Beispiel | 19A | 20 | 2OA |
19 | 100 | — | |
100 | — | 100 | 100 |
— | 0.5 | 2 | 2 |
509519/3
Fortsetzung
10
Beispiel 19
19A
20
Di-u-cumylperoxid (90% aktives Vulkanisiermittel)
Aluminiumsilikat Verschiedene Zusätze Dimethylpolysiloxan (50 Centistokes, 25° C)
Ionisationswiderstand
3,5
50
50
3,5
50
50
3
> 1990
> 1990
100
16,5
16,5
576
100 16,5 3 > 1629
Hier zeigt sich wiederum bei einem Vergleich der Kontrollversuche mit den erfindungsgemäßen Mustern, daß
die ionisationsbeständiglteit für die letzteren ansteigt.
Claims (3)
1. Wärmehärtbare Masse, bestehend aus:
A. Polyäthylen, Mischungen von Polyäthylen
und anderen Polymerisaten und/oder Copolymerisate des ÄiLylens mit anderen copolymerisierbaren
Monomeren,
B. 04 bis 10 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile A eines Härtungsmittels zum Vernetzen
der Masse und
C. einem Organopolysiloxan und gegebenenfalls
D. einem Füllstoff,
dadurch gekennzeichnet,daßdas Organopolysiloxan eine Viskosität von nicht mehr als
100 Centistokes bei 25° C aufweist und in einer Menge von 2 bis 5 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile
der Komponente A voihanden ist.
2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Organopolysiloxan eine Viskosität von 50 Centistokes bei 25° C aufweist.
3. Verwendung der Massen nach Anspruch 1 und 2 in einem Verfahren zur Herstellung eines
elektrischen Kabels, bei dem die Masse zu einer einen metallischen Leiter umgebenden hitzegehärteten
Isolation vernetzt wird.
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