DE2827562A1

DE2827562A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung isolierender umhuellungen aus durch feuchtigkeitseinwirkung vernetzbaren werkstoffen

Info

Publication number: DE2827562A1
Application number: DE19782827562
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Stehmann; Hermann-Uwe Dipl Chem Dr Voigt
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1980-01-17
Also published as: NL7902809A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung isolierender Um-
-hüllungen aus durch Feuchtigkeitseinwirkung vernetzbaren Werkstoffen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von isolierenden Umhüllungen für langgestrecktes Gut, insbesondere für elektrische Kabel und Leitungen, Rohre und dergleichen aus durch Aufpfropfen einer Silanverbindung auf die Moleküle des Isoliermaterials in Anwesenheit von Feuchtigkeit vernetzbaren Thermoplasten, Elastomeren oder thermoplastischen Kautschuken.
Bekannt ist bereits die sogenannte Siloxanvernetzung, bei der durch Aufpfropfen von Silanen oder Silanverbindungen auf organische Makromoleküle, z.B. von thermoplastischen Werkstoffen, diese anschließend unter der Einwirkung von Fouchtigkeit vernetzhar sind. Fiir das Zustandekommen der Vernetzung sind geringe Mengen von Feuchtigkeit, d.h. von Wasser notwendig, das in das Basispolymer eindiffundieren muß. Das Eindringen von Wasser erfolgt einmal durch Konvektion und zum anderen durch Diffusion. Während die Konvektion vornehmlich auf die oberflächennahen Schichten, z-.B. eines Isolierkörpers begrenzt ist, erfolgt das weitere Vordringen der Wasserpjolekijle in die Polymermatrix hinein durch molekulare Diffusion.
Werden als solche Isolierkörper z.B. die Isolierungen elektrischer Kabel und Leitungen angesehen, dann ist verständlich, daß die Zeit der Diffusion maßgeblich von der gewählten Wandstärke abhängig ist nnd daß man bei verhältnismäßig dünnen Wandstärken mit entsprechend kurzen Vernetzungsprozessen rechnen kann. Mit zunehmender Wandstärke jedoch, d.h. bei Isolierungen für solche Kabel, die für höhere und höchste Spannungshoanspruchungen ausgelegt sind, wächst auch der für die Vernetzung erforderliche Zeitaufwand, da die Zeit nicht linear mit der Wandstärke zunimmt, sondern sogar überpropertional ansteigt.
Um hier eine Verbesserung zu bringen, ist es bereits bekannt (DOS 24 44 829), dem Basismaterial Zusätze beizumischen, die durch chemische Reaklionen Wasser im Materiat bilden, was zur Vernetzung herangezogen werden kann. Dies Möglichkeit des "Wassereinbringens" kann jedoch seine Grenzen dort finden, wo, wie bei Hochspannungskabeln, auf das Einbringen von Zusatzstoffen gen der hierdurch eingeschleppten Verunreinigingen und d er Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, wie Verlustwinkel tand und Dielektrizitätskonstante # , verzichtet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgahe zugrunde, insbesondere bei solchen Werkstoffen, an di p böher@ Anforderiingen geste] lt werden, eine Möglichkeit ri finden, das für die Vernetzung notwendige Wasser in kurzer Zeit und feiner Verteilung dorthin zu bringen1 wo es benötigt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die fiir die Vernetzung benötigte Feuchtigkeitsmenge ganz oder teilweise in Form von Wasser in der Dampfphase in das gepfropfte Material während des Druckaufbaues für die Ausformung des Materials zugegeben wird. Der Wasserdampf wird hierbei von dem gepfropften schmelzflüssigen Material kontinuierlich aufgenommen und durch die Mischwirkung der Schnecke vor Austritt aus dem Extruderspritzkopf homogen verteilt. Wesentlich hierbei ist, daß die Wassermenge so bemessen und so ausreichend fein verteilt ist, daß das dampfförmige Wasser auch nach der Entspannung auf Normaldruck in der erstarrenden Schmelze gelöst bleibt.
Wegen der außerordentlich kleinen Menge der für die Vernetzung benötigten Feuchtigkeit ist eine Zudosierung von außen, z.I3. über Mischstifte, die in den Zylinder eines Extruders hineinragen, kaum möglich. Auch besteht bei Überdosierung Gefahr, daß die flüssig eindosierte und in der Schmelze mehr oder weniger gut verteilte Wassermenge nach Passieren der Extruderdüse beim Ausformen und damit Entspannung auf Normaldruck im Extrudat Blasen bildet.
Diese Gefahr wird in Durchführung der Erfindung dadurch vermieden, daß die Feuchtigkeit selbsttätig unter Einwirkung der Massetemperatur in das auszuformende Material gelangt.
Dabei ist es zweckmäßig, die Zugabe der Feuchtigkeit während des Druckaufbaues in einem Druckbereich von 2 bis 20 bar vorztrnehmen. In diesem Bereich liegt praktisch der Dampfdruck des Wassers noch über dem Massedruck des schmelzflüssigen Polymermaterials, so daß die Aufnahme fein verteilten Wassers in die Schmelze hinein möglich wird.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens wird die Fetlchtikeitsnienge, Iii er Wasser1 die atlf diese Weise zur Diffllsion in die Schmelze gebracht wird, ca. 300 - 500 ppm betragen.
Das ist etwa das 3 - 5fache der Menge, die das Polyäthylen normalerweise von Haus aus schon mitbringt.
Das Eindringen des Wassers in die Schmelze soll selbsttäti erfolgen; aus elektrischen Gründen, etwa bei der Herstellung von Hochspannungshkabeln, soll die Wassermenge aber auch beschränkt bleiben. Um gleichzeitig alle diese Forderungen zu erfüllen, dient zur Durchführung der Erfindung ein Extruder oder zumindest ein Extruderteil, z.B9 bei einer entsprechend lang ausgebildeten Spritzvorrichtung, dessen das schmelzflüssige Polymermaterial fördernde Schnecke hohl ausgebildet ist und über den Umfang verteilte poröse Segmente enthält.
Diese Segmente, die vorteilhaft aus einem geeigneten Sinterwerkstoff, etwa aus Stahl, Bronze, Neusilber oder Chrom-Niekel Legierungen bestehen, lassen bei entsprechender Temperaturerhöhung der Schneckenwandung durch die Schmelze die Feuchtigkeit in Dampfform dosiert nach außen treten. Die pro Zeiteinheit austretende Dampfmenge ist dabei abhängig von der k mngröße der Segmente und vom Dampfdruck und damit von der Temperatur des sich im Innern der Schnecke befindlichen Wassers.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens weist die Förderschnecke einen wasseraufnehmenden Hohlraum auf, der nach außen verschließbar ist. So ist eine bestimmte Wasse#menge vorgegeben, die im Laufe der Zeit in die Schmelze eindiffundieren und dort zur homogenen Verteilung führen kann. Je nach dem gewählten Fiillvolumen des Schneckenhohlraumes kann in eine bestimmte Materialmenge die für die Vernetzung erforderliche Feuchtigkeit in fein verteilter Form kontinuierlich eingebracht werden, ohne daß zus<tzliche Dosier- oder Steuerungsmaßnahmen von außen notwendig werden.
Einen besonders vorteilhaften Einsatz findet die Erfindung bei solchen Extruderanlagren, die in sogenannter Kaskadenanordnung aus zwei gesonderten Extrudern bestehen, von denen der eine die Mischung und Pfropfung und der zweite die Ausformung des Polymermaterials übernimmt. Beide sind mechanisch in der Weise verbunden, daß das gepfropfte Material bei der Übergabe vom ersten zum zweiten Extruder entgast wird. Bei einer solchen Anordnung werden nämlich in Ausführung des Erfindungsgedankens die porösen Segmente hinter der Vakuum-Entgasungszone im Ausformextruder angeordnet, d.h. genau im Bereich des beginnenden Druckaufbaues (Kompressionszone). Selbstverständlich muß dabei gewährleistet sein, daß der eintretende Wasserdampf durch die Vakuumeinrichtung nicht gleich wieder abgesaugt wird. Durch die in der Entgasungs- und in der Kompressionszone des Austragsextruders befindlichen, kontinuierlich arbeitenden Druckmesser ist der Druckverlauf in diesem Bereich bekannt. Er kann zudem durch Verstellen des Drehzahlverhältnisses von Pfropf- und Austragsextruder - und damit des Füllgrades der Vakuumzone - beeinflußt werden.
Die Erfindung sei an Hand der in den Fig. 1 und 2 als Ausführungsbeispiel dargestellten Kaskadenanordnung zweier Extruder für die Herstellung feuchtigkeitsvernetzbarer Kabelisolierungen näher erläutert.
Schematisch angedeutet ist der Misch- oder Pfropfextruder 1, der das in einem nicht dargestellten Trichter eingegebene Polymermaterial, die Vernetzungsmittel, das sind das Silan oder die Silanverbindungen, sowie die Stabilisatoren, Antioxidantien und die für die Schaffung von freien Radikalstellen notwendigen Peroxide in der ersten Stufe zunächst mischt und anschließend die Silane auf das Polymermaterial aufpfropft.
Mittels der Schnecke 2 wird dann das gepfropfte schmelzfliissige Material über das Verbindungsstiick 3 dem Austragsextru- der 4 zugeführt. Zur Entsasunf weist dieser Extruder den Vakuumeingriff 5 aur, mit decxqrsn ililfe schädliche Gase ails der Schmelze entfernt werden konnen. Die Schnecke 6 ist in bekannter Weise hohl ausgebildet, sie ist im Bereich 7 am Ende verschließbar, so daß ene bestimmte Wassermenge eingefüllt werden kann.
Im Bereich 8 weist die Schnecke am Umfang verteilte poröse Elemente 9 auf, mit 10 ist der Extruderspritzkopf bezeichnet, 11 ist z.B. der Leiter eines elektrischen Kabels, der mit dem aufbereiteten Polymerirrnterial zu umhüllen ist.
Die Extruderschnecke 6 wird zllnæichst mit Wasser gefüllt und am Ende 7 fest verschlossen. npi autothermer Extruderfahrweise nimmt die Schnecke 6 schon nach kurzer Zeit die Temperatur der Schmelze an. Bei silangepfropftem Polyäthylen, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, betragen die Schmelztemperaturen etwa 200 - 240 C. Das im Schneckeninnern befindliche Wasser nimmt nun einen von der jeweiligen Schmelztemperatur abhängigen Dampfdruck an, der bei ca. 15 - 20 bar liegt. Außer vom Dampfdruck und von der Porengröße der Sintermetall-Segmente ist die pro Zeit ein heit austretende Wassermenge auch vom massedruck der Schmelze abhängig. Die porösen Sintermetal-Segmente sind daher im Bereich 8 am Umfang der Schnecke verteilt angeordnet, wo der Massedruck der Schmelze nicht den Wasserdampf-Druck übersteigt.
Die hier getroffene Maßnahme verdeutlicht das in der Fig. 2 dargestellte Diagramm. Es zeigt den prinzipiellen Druckverlauf der Klasse über die Länge des Extruders 4. Der für die Anordnung der Wasserdampf-Dosierungselemente vorgesellene Bereich 8 ist hier eingetragen, er zeigt die Notwendigkeit der Beachtung des Druckveriaufes, damit nicht ein über dem Wasserdruck liegender Massedruck ein freies Austreten des Wasserdampfes in die Schmelze verhindert.
Das mit dem Wasser in einer Menge von 300 - 500 rpm angereicherte aufbereitete Polymermaterial wird dann unter entsprechender Druckerhöhunb durch den Extruderspritzkopf 10 auf den Leiter 11 aufgebracht.
Leerseite

Claims

Patentansprüche langgestrecktes Gut, insbesondere für elektrische Kabel und Leitungen, Rohre nnd dergleichen, aus durch Aufpfropfen einer Silanverbindung auf die Moleküle des Isoliermaterials in Anwesenheit von Feuchtigkeit vernetzbaren Thermoplasten, Elastomeren oder thermoplatischen Kautschuken, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Vernetzung benötigte Feuchtigkeitsmenge ganz oder teilweise in der Dampfphase in das getopfte Material während des Druckaufbaues für die Ausformung des Materials zugegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchtigkeit selbsttätig unter Einwirkung der Massetemperatur in das auszufortnende Material gelangt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Feuchtiglseid während des Druckaufbaues in einem Druckbereich von ca. 2 bis 20 bar erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch i odfsr einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zugegebene Feuchtigkeits menge ca. 300 bis 500 ppm beträgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden in Form eines Extruders oder Extruderteils, dadurch gekennzeichnet, daß die das gepfropfte Material fördernde Schnecke hohl ausgebildet ist und über den Umfang verteilte poröse Segmente enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus einem Sinterwerkstoff bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wasseraufnehmende Hohlraum in der Schnecke nach außen verschließbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden aus zwei hintereinander geschalteten Extrudern, von denen der eine die Mischung und Pfropfung und der zweite die Ausformung übernimmt, wobei das gepfropfte Material bei der Übergabe vom ersten zwfl zweiten Extruder entgast wird, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Segmente hinter der Vakuum-Entgasungszone im Ausformextruder angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Segmente aus Bronze, Neusilher, Stahl oder Chrom-Nickel Legierungen bestehen.