DE2845673A1 - Aeussere leitschicht fuer elektrische mittel- oder hochspannungskabel - Google Patents
Aeussere leitschicht fuer elektrische mittel- oder hochspannungskabelInfo
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Description
Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft
16.Okt.1978
Äußere Leitschicht für elektrische Mittel- oder Hochspannungskabel
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leicht abziehbare äußere Leitschicht für elektrische Mittel- oder Hochspannungskabel
mit einer Isolierung aus vernetzten oder unvernetzten thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, etwa Olefinpolymerisaten
oder Olefinmischpolymerisaten.
Bei elektrischen Kabeln, die für mittlere und höhere Spannungen eingesetzt werden, also für Spannungswerte oberhalb
10 kV, und die eine massive Isolierung aus einem thermoplastischen Kunststoff oder auch aus Gummi aufweisen, ist es
üblich und auch notwendig, zur Fcldbegrenzung im Kabelaufbau elektrisch leitfähige Schichten vorzusehen. Die sogenannte
innere Leitschicht, auch mit Leiterglättung bezeichnet, befindet sich z.B. auf dem aus einer Vielzahl von Einzeldrähten
bestehenden Leiter und verhindert, daß es infolge Unregelmäßigkeiten an der Leiteroberfläche zu Bereichen erhöhter
Feldstärke kommt. Die zweite Leitschicht, die sogenannte äußere Leitschicht oder auch Abschirmung, überdeckt
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die Isolierung. Insbesondere von der äußeren Leitschicht wird neben einer bestimmten Leitfähigkeit für die Zwecke
der Abschirmung erwartet, daß diese Schicht bei der Herstellung von Endenabschlüssen, Abzweig- oder Verbindungsmuffen
und dergleichen ohne großen Aufwand von der Isolierung entfernt werden kann. Andererseits muß diese äußere
Leitschicht so fest auf der Isolierung haften, daß sie voll den elektrischen Schutz des darunter befindlichen Isoliermaterials
übernimmt.
Diese an sich widersprüchlichen Forderungen der dielektrischen Verschweißung von äußerer Leitschicht und Isolierung
auf der einen und der leichten Abmantelbarkeit auf der anderen Seite führen zu erheblichen Schwierigkeiten bei der
Auswahl der möglichen Werkstoffe sowie der einsetzbaren Fertigungsverfahren. Versuche, z.B. auf die Polyäthylen-Isolierung
eines Hochspannungskabels eine leitfähige Polyäthylenschicht bzw. Copolymerschicht aufzuextrudieren, schlugen
deshalb fehl, weil zwar die elektrische Schutzwirkung durch
die äußere Leitschicht erreicht werden konnte, diese Schicht sich bei der Montage jedoch nur schwer, d.h. lediglich durch
Abschälen von der Isolierung entfernen läßt.
Eine andere bekannte Möglichkeit zur Lösung des geschilderten Problems ist die (US-PS 3 876 462), die Oberfläche der Isolierung
chemisch vorzubereiten, bevor die äußere Leitschicht aufgebracht wird, liegen eines solchen fertigungstechnisch
sehr aufwendigen Verfahrens konnte sich dieser Vorschlag in der Praxis bisher jedoch nicht durchsetzen.
Für auf üblichem Wege hergestellte vernetzte Polyäthylenkabel gibt es bereits eine Vielzahl möglicher Lösungen für
eine montagefreundliche äußere Leitschicht. Als Basismaterial für diese Schicht wird eine auf polarem Kautschuk basierende
Gummimischung verwendet, so daß infolge der unterschiedlichen
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Oberflächenspannungen der beiden aneinandergrenzenden Schichten aus vernetztem Polyäthylen (unpolar) und Kautschuk (polar)
Grenzflächenspannungen entstehen, die ein Verschweißen der beiden Materialien trotz hoher Temperatur und hohem Druck,
etwa in einem CV-Rohr, verhindern. Wesentlich für diese leitfähigen Schichten ist, daß die angebotenen Lösungen auf Gummi
in Verbindung mit peroxidisch vernetztem Polyäthylen basieren. Die Vernetzungstechnik in sogenannten kontinuierlichen
DampfVernetzungsanlagen (CV) gestattet nämlich ohne zusätzliehen
Aufwand die Vernetzung der äußeren Leitschicht zusammen mit der VPE-Isolierhülle. Die gleiche oder eine ähnliche
Verfahrenstechnik ist aber bei Polyäthylenkabeln oder solchen
mit einer Isolierung aus einem Material, das durch Feuchtigkeit seinwirkung vernetzbar ist (Siloxantechnik), nicht möglieh.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches
Kabel mit einer Isolierung aus einem beliebig vernetzbaren oder unvernetzbaren thermoplastischen oder elastomeren
Material zu schaffen, die von einer äußeren Leitschicht so überdeckt ist, daß die elektrische Abschirmung sichergestellt,
andererseits aber auch eine einfache Demontage der Leitschicht von der Isolierung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß diese Schicht aus einem durch bekannte Zusätze, wie Ruß und/
oder Graphit, leitfähigen Verschnitt auf der Basis synthetischer oder natürlicher Kautschuke bzw. Elastomere und teilkristalliner
Polyolefine, vorzugsweise mit tertiären oder quartären Kohlenstoffatomen besteht. Eine so hergestellte
Leitschicht weist auch ohne eine Vulkanisation der Mischung gummielastische Eigenschaften auf, die eine einfache Demontage
zur Herstellung von Abzweig- oder Verbindungsstellen gestattet. Sie ist elastisch genug, um die mit der thermischen
Ausdehnung der Isolierung verbundenen Deformation der Leitschicht reversibel und ohne Beeinträchtigung der Haft-
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festigkeit aufzunehmen. Neben der hohen Elastizität der nach
der Erfindung ausgebildeten Leitschicht ist aber auch die für eine einfache Montage notwendige Festigkeit gegeben, um
ein Abreißen während des Abziehens zu vermeiden, sowie eine bestimmte Kerbfestigkeit bzw. Weiterreißfestigkeit, die gewährleistet,
daß beim Streifenabziehen die nicht bis zur Isolierung durchgeschnittene Kerbe weiterreißt ohne die Abziehkraft
nennenswert zu verstärken.
Ein weiterer Vorteil der nach der Erfindung ausgebildeten äußeren Leitschicht ist darin zu sehen, daß sie nach den üblichen
thermoplastischen Extrusionsverfahren verarbeitbar ist und keine Vulkanisate erfordert. So sind übliche Maschinen
einsetzbar, um z.B. die Isolierung aus einem Polyäthylen oder einem durch Feuchtigkeitseinwirkung vernetzbaren PoIyäthylen
mit der Leitschicht zusammen in einem Doppel- bzw. Dreifachspritzkopf aufzubringen.
In Durchführung der Erfindung haben sich als Kautschuke solche
auf der Basis Butylkautschuk, Äthylen-Propylen-Kautschuk, z.B. EPM bzw. Äthylen-Propylen-Terpolymere, z.B. EPDM, Äthylen-Vinylacetat
(EVA) oder auch kautschukartige Äthylen-Acrylsäureester-Copolytnere
als zweckmäßig erwiesen. Als die Festigkeit erhöhende und gleichzeitig die Ablösbarkeit von der z.B.
aus Polyäthylen oder siloxanvernetztem Polyäthylen bestehenden Isolierung begünstigende Bestandteile können diesen kautschukartigen
Materialien solche auf der Basis höher schmelzender teilkristalliner Polyolefine, wie z.B. isotaktische Polybutene
und Polypropylene oder amoxphe Polyolefine mit hoher Einfriertemperatur, z.B. Polystyrol, verwendet werden.
Besonders günstig verhalten sich von den genannten Verschnitten solche auf der Baäs von Äthylen-Propylen-Kautschuk und
Polypropylen, wobei dieses überwiegend isotaktisch sein kann, aber auch syndiotaktische und ataktische Anteile enthalten
kann. Der erstgenannte Mischungsanteil liefert die zur Lösung
des der Erfindung zugrunde liegenden Problems notwendige
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Elastizität, während der Polypropylen-Anteil, der erst bei Temperaturen oberhalb l6o aufschmilzt, die für die Zwecke
der Erfindung ausreichende Festigkeit und Standfestigkeit
in der Wärme sowie die leichte Ablösbarkeit mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Leitschicht ist
darin zu sehen, daß durch Variation des Verschnittverhältnisses von Kautschuk und Polyolefin Flexibilität und Festigkeit
der Mischung in relativ weiten Grenzen eingestellt werden können. Somit ist eine Anpassung an die unterschiedlichsten
Einsatzgebiete für elektrische Kabel möglich. Anstelle von Äthylenpropylen-Kautschuk (EPK) können als elastifizierende
Komponenten auch Butylkautschuk oder Polyisobutylene sowie andere Elastomere im Verschnitt mit Polypropylen verwendet
werden.
Der wesentliche Vorteil, der sich auf die teilkristallinen Polyolefine bezieht, ist die leichte Abtrennbarkeit von der
unter der Leitschicht befindlichen Isolierung auf der Basis von z.B. vernetztem oder unvernetztem Polyäthylen. Im Gegensatz
zu den eingangs erwähnten polaren Kautschuken, bei denen die auf unterschiedliche Polarität der Verbundpartner basierende
Grenzflächenspannung für die leichte Trennung verantwortlich ist, bewirkt, z.B. bei einem Äthylen-Propylen-Kautschuk
im Gemisch mit Polypropylen, die im Vergleich zu dem Polyäthylen der Isolierung stark unterschiedliche Kristallisationstemperatur
(ll5°C gegenüber l60°C) die gute Ablösbarkeit der leitfähigen Schicht von der Isolierung. Der physikalische
Grund ist vor allem auf den mit der Kristallisation einhergehenden Volumenkontraktionseffekt zurückzuführen.
Die hohe thermische Standfestigkeit der teilkristallinen
Mischungsbestandteile bietet darüber hinaus weitere Vorteile in der Anwendung für die Leitschicht elektrischer
Kabel. Besonders hervorzuheben ist die geringe Verdrückung bei einer Temperaturbehandlung, ein höherer Widerstand
gegen das Einsinken der Schirmdrähte des Kabels bei Notdienitemperatur bzw. in Kurzschlußfällen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil, den die nach der Erfindung ausgebildete Leitschicht mit sich bringt, ist die Möglichkeit
der sogenannten Siloxanvernetzung. Diese Vernetzungsart ohne Druck- und Temperaturbehandlung beruht darauf, daß auf die
Basismoleküle Silanverbindungen aufgepfropft werden, die unter dem Einfluß von Feuchtigkeit Vernetzungsbrücken bilden.
Im Falle der Anwendung dieser Siloxantechnik für eine Leitschicht nach der Erfindung wird z.B. ein leitfähiges Gemisch
auf Basis Äthylen-Propylen-Kautschuk/Polypropylen in einem ersten Arbeitsgang gepfropft und das gepfropfte Gemisch
anschließend in einem zweiten Arbeitsgang zusammen mit der Isolierung in einem Doppelkopf-Extruder verspritzt. Hierbei
zeigt sich ein weiterer Vorteil beim Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mischung für die äußere Leitschicht
elektrischer Kabel. Der bei den meisten auf Copolymer-Basis aufgebauten Leitmischungen zu beobachtende starke Abfall der
Leitfähigkeit tritt nicht auf. Die Leitfähigkeit ist vielmehr sowohl im gepfropften als auch im ungepfropften Zustand
nahezu temperaturunabhängig. Das ist ein weiterer Fortschritt gegenüber üblichen Leitmischungen, bei denen der Isolationswiderstand
bä. 20 und 90 C sich zum Teil in mehr als drei Zehnerpotenzen unterscheidet, die also einen für die Kabelanwendung
unerwünschten positiven Temperaturkoeffizienten des Isolationswiderstandes zeigen.
Zur Herstellung einer Leitmischung, z.B. aus einem Athylen-Propylen-Kautschuk
(EPK) und Polypropylen (PP) werden die beiden Komponenten im gewünschten Mengenverhältnis entweder
in einem sogenannten Innenmischer oder in einem Extruder homogenisiert. Danach wird die erforderliche Menge nichthygroskopischen
hochleitfähigen Rußes, etwa ein Spalt- oder Gasruß, wie Noir Y, im Innenmischer oder einer anderen
Mischmaschine (Busskneter) unter Anwendung von Scherkräften homogen verteilt.
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Die so leitfähig gemachte Mischung kann nun thermoplastisch
verspritzt werden, sie kann aber auch durch vorherige Silanpfropfung
feuchtigkeitsvernetzbar gemacht werden. Hierzu ist folgendes Vorgehen notwendig: Die Vernetzungschemikalien,
insbesondere das Silan oder die Silangemische, werden der leitfähigen Verschnittmischung während eines Schnellmischprozesses
oder in einem sogenannten Tumble-Mischer zugegeben. Das Silan diffundiert bereits bei wenig erhöhter Temperatur
(20 - kO C) kurzfristig in den weitgehend porösen Kautschuk ein und führt dort zu einer homogenen Verteilung.
Der nächste Schritt ist die Pfropfung des eingebrachten Silans auf die Kautschukmoleküle, während das Polypropylen
an der Pfropfung nicht beteiligt ist. Die Pfropfung kann hierbei in einem Extruder erfolgen, der gleichzeitig in
einem Schritt die Ausformung übernimmt. Der Pfropfvorgang kann aber auch mit der Granulierung zu einem Arbeitsschritt
zusammengefaßt werden, wobei dann die Ausformung des Granulates zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen kann.
In speziellen Fällen kann sich auch folgendes Vorgehen als zweckmäßig erweisen; Die Pfropfung wird in einem vorgelagerten
Schritt ausgeführt, d.h., in einem Tumble-Mischer wird z.B. der Äthylen-Propylen-Kautschuk, das Polypropylen und
die Silanlösung zusammengebracht und vermischt. Die so vorbereitete Mischung wird dann in einen Pfropfextruder eingegeben,
wo also die Pfropfung des Silans erfolgt, und schließlich wird das gepfropfte Material granuliert. Der nichthygroskopische
hochleitfähige Ruß wird erst jetzt unter das gepfropfte und granulierte Material gemischt.
Die Pfropfung des Silans auf die Basismoleküle der Mischung kann bei wesentlich geringeren Temperaturen als sonst üblich
erfolgen, so sind für das angegebene Polyblend Pfropftemperaturen um 150 - 1800C ausreichend. Die pfropfbare Elastomerkomponente
und das als organischer Füllstoff fungierende teilkristalline Polypropylen werden unter dem Einfluß der Scherkrafte
im Extruder, in dem auch die Pfropfung stattfindet, homogen verteilt.
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. /10-
Die Erfindung sei anhand der nachfolgenden Mischungsbeispiele näher erläutert:
Beispiel I; EPK/PP-Verschnitte, Mengenangaben in Gew.Teilen
Ia Ib Ic
EP-Kautschuk 5 Polypropylen Alterungsschutzmittel
Ruß (z.B. Acetylen Schwarz Y)
Bei Verwendung eines anderen Rußes, der unter dem Handelsnaraen
Ketjen Black EC bekannt ist, wird bereits mit 20 - 30
Teilen eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt. Die Herstellung einer Mischung nach den Beispielen Ia - Ic erfolgt z.B.
in einem Innenmischer.
100 | 100 | 100 |
25 | 4o | 60 |
0,2 | 0,2 | 0,2 |
45 | 55 | 65 |
Soll die Mischung I auch durch Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbar sein, empfiehlt sich folgende Mischung:
Beispiel II: EPK/PP-Verschnitte, Mengenangabe in Gew.Teilen
Ha Hb Hc
EP-Kautschuk Polypropylen Ruß (s.Beispiel I)
Alterungsschutzmittel 20 Silan
Peroxid
Katalysator
Peroxid
Katalysator
100 | 100 | lOO |
25 | 40 | 6o |
45 | 55 | 65 |
0,2 | 0,2 | 0,2 |
1,0 | 1,0 | 1,0 |
0,21 | 0,21 | 0,2 |
0,02 | 0,02 | 0,02 |
Die Herstellung dieser vernetzbaren Verschnitte nach Beispiel II kann in einem sogenannten Schnellmischer oder auch
in einem Tumble-Mischer erfolgen.
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Mögliche Peroxide sind z.B. solche, die unter den Handelsnamen Perkadox lA und Luperox 270 bekannt sind. Als Katalysator
kommt z.B. einer auf Basis Dibutylzinndilaurat (Naftovin SN/L) in Frage, Alterungsschutzmittel sind z.B. unter den
Handelsnamen Anox HB bekannt.
Solche Verschnitte mit einer Dichte von etwa 0,95 - 1,10 g/cm ,
einer festigkeit von ca. 8,2 N/mm , einer Dehnung von etwa 2^0 %, einer Shore-Härte von 88 und einem spezifischen Widerstand
bei 20 von ca. 60 Ohmcm erbringen eine Haftfestigkeit
auf einer Isolierung aus thermoplastischem oder z.B. siloxanvernetztem Material von ca. ^O N/l2,5 >ntn Streifenbreite. Diese
Haftfestigkeit und damit elektrische Sicherheit der Abschirmung
liegt um ein vielfaches höher als die Haftfestigkeiten bekannter leitfähiger Mischungen von z.B. 11,5 oder l6,5 N/
12,5 ram Streifenbreite, sie kann durch Änderung des Verschnittverhältnisses
aber auch erniedrigt oder weiter erhöht werden. An der gleichen Mischung wurde der elektrische Längswiderstand
gemessen, von dessen Größe die elektrisch wirksame Abschirmung abhängig ist. Hier ergaben sich für das nach der
Erfindung gewählte leitfähige Material in noch ungepfropftem
2
Zustand ca. 7,5 · 10 Ohm · cm bei Raumtemperatur und ca.
Zustand ca. 7,5 · 10 Ohm · cm bei Raumtemperatur und ca.
7,2 · 10 0hm· cm bei 90 , während nach der Pfropfung der
SiIanverbindungen auf die Basismoleküle sich ein Längswiderstand
von ca. 1,6 · 1O 0hm · cm ergab. Wesentlich ist hierbei, daß eine Widerstandsänderung bei Temperaturerhöhung nicht
auftritt und damit unabhängig von den jeweiligen Betriebszuständen des Kabels die Abschirmwirkung der äußeren Leitschicht
stets gewährleistet ist. Diese Unabhängigkeit von erhöhten Betriebstemperaturen ist bei bekannten Materialien, z.B. auf
Copolymer-Basis nicht gegeben, hier ist z.B. bei einem Temperaturanstieg
von 20 auf 90°C ein Anstieg des Längswiderstands
^t 7
von 8 · 10 auf 2 · 10' 0hm · cm oder höher zu verzeichnen.
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Für die Herstellung einer vernetzten Leitmischung nach der
Erfindung ist ferner wesentlich, daß das Herstellungsverfahren erheblich vereinfacht wird, wenn die Pfropfung und
die Ausformung in einem Arbeitsgang erfolgt. Es findet keine Granulierung mehr statt und vor allem kann auf die
bekanntlich sehr anfällige Lagerung gepfropfter Materialien verzichtet werden.
Die Mischungsbeispiele zeigen nur Verschnitte auf der Basis EPK/PP. Selbstverständlich ist es auch möglich und mitunter
auch zweckmäßig, statt des Polypropylens z.B. auf die erwähnten Materialien auf Basis Polybutene oder amorpher Polyolefine
hoher Einfriertemperatur zurückzugreifen.
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Claims (4)
- nac:: -.—:jchtKabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft29. Dez. 1978Patentansprücheeicht abziehbare äußere Leitschicht für elektrische —Mittel- oder Hochspannungskabel mit einer Isolierung aus vernetzten oder unvernetzten thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, etwa Olefxnpolymerxsaten oder Olefinmischpolymerisaten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus einem durch bekannte Zusätze, wie Ruß und/oder Graphit leitfähigen Verschnitt auf der Basis synthetischer oder natürlicher Kautschuke bzw. Elastomere und teilkristalliner Polyolefine, vorzugsweise mit tertiären oder quartären Kohlenstoffatomen,besteht.
- 2. Leitschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kautschuke solche auf der Basis Butylkautschuk, Äthylen-Propylen-Kautschuk, z.B. EPM bzw. Äthylen-Propylen-Terpolymere, z.B. EPDM, Äthylen-Vinylacetat (EVA) oder auch kautschukartige Äthylen-Acrylsäureester-Copolymere verwendet sind.- 12 -030018/0287ORIGINAL INSPECTED
- 3· Leitschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als teilkristalline Polyolefine solche auf der Basis isotaktischer Polybutene und Polypropylene oder amorpher Polyolefine mit hoher Einfriertemperatur, z.B. Polystyrol verwendet sind.
- 4. Leitschicht nach Anspruch l oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Aufpfropfen von Silanverbindungen auf die Basismoleküle unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbar ist.0300 18/0287
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