DE3018141A1

DE3018141A1 - Laengswasserdichtes kabel, insbesondere nachrichtenkabel

Info

Publication number: DE3018141A1
Application number: DE19803018141
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Chem. Lange; Helmut 8000 München Saller; Günter Dipl.-Ing. Dr.phil. 8034 Germering Zeidler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-12
Filing date: 1980-05-12
Publication date: 1981-11-19
Also published as: DE3018141C2

Description

Längswasserdichtes Kabel, insbesondere Nachrichten-
kabel Die Erfindung bezieht sich auf ein längswasserdichtes Kabel, insbesondere Nachrichtenkabel, in dessen Innerem eine eine wasserabweisende Substanz enthaltende Füllmasse vorgesehen ist, in die Gasbläschen eingelagert sind.
Ein längsdichtes Kabel dieser Art ist aus der DE-OS 27 16 524 bekannt. Bei der Einlagerung von Gasbläschen ist deren Lage in der Füllmasse nicht ohne weiteres stabil und es besteht somit die Gefahr, daß durch Wandern der Gasbläschen sich an bestimmten Stellen größere Gasblasen bilden, welche die elktrischen Eigenschaften des Kabels ungünstig beeinflussen. Deshalb ist bei der bekannten Anordnung vorgesehen, daß die Lufteinschlüsse durch stützende Bestandteile in Faserform in ihrer Lage stabilisiert werden.
Die Aufbereitung dieser beigemischten Fasern und ihre Einbringung in die wasserabweisende Füllmasse erfordern einen zusätzlichen Aufwand, wobei die Wirkung dieser Fasern nur dann gesichert ist, wenn die Fasergröße etwa in der Größenordnung der Bläschengröße liegt. Allzu große Fasern stören zudem die elektrischen Eigenschaften des Kabels in unerwünschter Weise, -so daß aufgrund dieser Gesichtspunkte eine sehr feine Auffaserung der zusätzlichen Bestandteile notwendig wird.
Der vorliegenden Erfindung, welche sich auf ein längswasserdichtes Kabel der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel zu schaffen, das besonders einfach herstellbar ist und bei dem die FUllmasse und auch die die eingeschlossenen Gasbläschen möglichst weitgehend gegen eine Entmischung oder Verlagerung gesichert sind. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Füllmasse eine bei ihrer Verarbeitungstemperatur im Rahmen der Kabelfüllung schmelzende Beimengung aus thermoplastischem Gummi oder gummiartigen Thermoplasten enthält, deren Zustand im Betriebstemperaturbereich des Kabels durch Verknüpfen Verhaken oder eine Verbindung Über thermoplastische

Rlqcknolvmere.

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entsprechend niedrigem, d.h. knapp unter der Fülltemperatur liegenden Schmelzbereich verfestigt ist und daß die Gasbläschen durch das sich so in der Füllmasse ausbildende Gumminetzwerk dadurch festgehalten sind, daß dessen VerknUpfungsstellen die Auftriebskräfte der Gasbläschen-ohne Zerreißen übernehmen können.
Da die der Füllmasse zugefügt Beimengung aus thermoplastischem Gummi oder gummiähnlichen Substanzen bei der Fülltemperatur, beispielsweise um 800C noch thermoplastisch verarbeitbar ist, kann der Füllvorgang in einfacher Weise durchgeführt werden. Hierzu werden die Kabelfüllmassen aufgeschmolzen und beispielsweise bei Temperaturen um 80°C unter Druck in die Kabelseele eingefüllt. Bei den Verarbeitungstemperaturen schmelzen auch die Thermoplastblöcke des B: Blockpolymeres, , das somit ebenfalls gut zu verarbeiten ist.
Nach dem eigentlichen Füllvorgang hat das so erhaltene Kabel im Betriebsbereich (Arbeitsbereich) jedoch ein sich ausbildendes Gumminetzwerk, welches dadurch gehalten wird, daß die Knoten der erstarrten thermoplasti schen Endblöcke eine Bewegung des Gumminetzwerkes ver- hindern. Durch dieses Gumminetzwerk werden gleichzeitig auch die Gasbläschen in ihrer Jeweiligen Lage fixiert und es ist dadurch verhindert, daß sich im Lauf der Zeit Wanderungen der Gasbläschen ergeben oder gar allmöglich größere Gasblasen bilden. Der erzeugte Masseschaum ist also ausreichend stabilisiert.
Als

thermoplastische Blockpolymere

Thepmelast>1e können bevorzugt

Polyolefine in einer Kettenlänge von 25 bis 45 C-Atomen verwendet werden und zwar insbesondere niedermolekulares PE oder Paraffinwachs.
In diesem Zusammenhang kommen auch gesättigte, lineare Polyester mit einem ausreichend niedrigen Molekulargewicht als

thermonlastisçhe Blvockpolymere

eeermeplesttioeXe ln

Schließlich können für die Bildung der

thermoolastische

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aedermolekulare isotaktische Polymere vorgesehen werden, die Seitenketten mit mehr als zwei Methylgruppen aufweisen.
Die gummielastischen Molekülketten können linear aufgebaut sein und sich besser auch sternförmig-verzweigen und vorteilhaft aus den üblichen Dien-Polymeren, insbesondere Butadien bestehen.
Ein entsprechend aufgebauter, spezieller plastischer Gummi wird zusammen mit der Kabelfüllmasse (übliches Gemisch aus Wachsen und Ölen) aufgeschmolzen, vermengt und heiß in das Kabel eingefüllt.
Die Gasblasen werden vorteilhaft (wie bei der Zell-PE-Herstellung) entweder durch Gasinjektion eingemischt, d.h. vor dem eigentlichen Füllrohr wird in den Massestrom unter hohem Druck Stickstoff- oder Freongas zugegeben. Es ist jedoch auch möglich, durch ein Treibmittel geeigneter Temperatur-Druckabhängigkeit die Gasblasen zu erzeugen. Wichtig ist dabei, daß die Gasblasen in der FUllapparatur.noch verschwindend klein sind kieses wird durch Zugabe son TiO2 oder Si02 als

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*4e»ir erreicht)

und somit in alle Zwickel der Kabel seele gleichmäßig transportiert werden können, aber nach Entspannen der Masse auf Normaldruck d.h. nach dem Austritt der gefüllten Seele aus dem Füllrohr oder den nachgeschalteten Mantel extrud er auf ihre Endgröße expandieren. Beim fertigen, d.h. abgekühlten Kabel sollte die Größe dieser Gasbläschen einige zehntel MiSimeter bis maximal 1 mm betragen.
Wenn das Kabel abgekühlt wird, z.B. nach dem nachgeschalteten Extruder bildet sich, wie bereits erwähnt, in der Kabelfüllmasse ein Gumminetzwerk aus, dessen Knoten hauptsächlich durch die dann erstarrten thermoplastischen Blöcke gebildet werden. Die in der Ölmasse befindlichen Gasblasen werden von den Netzwerkfäden festgehalten. Dazu muß der Anteil des Gummi oder der gummiartigen Substanz ausreichend hoch sein und zwar vorzugsweise zwischen 3 bis 30. Gewichts-Prozenten.
Darüber hinaus muß die Füllmasse ausreichend viskos sein, und zwar vorteilhaft Über 5000 Neben den eigentlichen, Über thermoplastischen Bereichen vernetzten Gummi-Substanzen können auch andere gummiähnliche Materialien verwendet werden. Hierzu eignen sich insbesondere nichtvernetzte Polymere mit gummi ähnlichen Eigenschaften. Hierzu sind vor allem zu zählen Polymere aus ataktischen, starkverzweigten Molerillen wie z.B. ataktisches PP oder auch Polyisobutylen.
Bei diesen gummiartigen Substanzen können die MolekUldenen ketten sich so verhaken, daß die Eigenschaften/des räumlich vernetzten Gummis angenähert werden können.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, diese Polymere in Gummi-, Bitumen- oder Kabelmassemischungen einzuarbeiten, um spezielle Eigenschaften, wie Klebrigkeit oder Dichtheit zu unterstützen. Auch in der oben beschriebenen elastomerhältigen Kabelmasse empfehlen sich diese Zusätze.
Es ist aus Gründen der Kosten vorteilhaft, diese gummiähnlichen Polymere in die Ölmasse einzuarbeiten und mit dem dadurch entstehenden, ven--.
knäulten Netzwerk Gasblasen festzuhalten. Um zu vermeiden, daß die Gasblasen sich im Laufe der Zeit (insbesondere bei höheren Kabeltemperaturen) sammeln und größere Hohlräume bilden, ist durch spezielle Masse zusammensetzung dafür zu sorgen, daß diese Zeit (Standzeit) bis zum Zusammenfallen des Masseschaums länger ist als die Kabellebensdauer. Dazu ist es zweckmäßig, daß in der gummiähnlichen Beimischung Polymerketten mit einer hinreichenden Länge vorhanden sind. Diese höhermolekularen Polymere haben einen Aufschmelzbereich von etwa 130 bis 200 °C, der normalerweise oberhalb des Schmelzbereiches der üblichen Kabelfüllmassen liegt. Es ist deshalb zweckmäßig, diese Polymere bei höheren Temperaturen aufzuschmelzen und mit niedermolekularen Bestandteilen ( insbesondere Paraffinöl, niedermolekularem PE oder anderen Ölen) in heißem Zustand zu vermengen. Diese Vormischung aus den notwendigen höhermolekularen Ketten und den niedermolekularen Weichmachern bleibt auch bei niedrigen Temperaturen plastisch und kann in die Füllmasse eingearbeitet werden.
Zur Erläuterung der Erfindung wird auf

die

emae

Zeichnung Bezug genommen, in der eine Gasblase GB dargestellt ist, welche sich in einer Füllmasse FM eines Kabels ausgebildet hat. Diese einige Zehntel bis maximal einen Millimeter große Gasblase GB wird in der Füllmasse FM gehalten durch gummielastische Molekülfäden GF, welche beispielsweise aus Dien-Ketten gebildet werden. Da diese Fäden GF jedoch innerhalb der Öl- und/oder Wachs enthaltenden Füllmasse FM nicht ausreichend lagestabil wären und dadurch ein Wandern der Gasblasen, z.B.
infolge der Auftriebskraft zulassen würden. sind thermoplastische

ENlQckPolzrmere

iseGwb TS vorgesehen,

welche z.B.
durch PE-Wachse gebildet werden. Diese thermoplastischen Blöcke verknüpfen die vorhandenen gummielastischen Molekülfäden des Gumminetzwerkes, was seinerseits bewirkt, daß die in der Füllmasse vorhandenen Gasblasen an ihrem Ort festgehalten werden.
Die kurze Zeit nach der Herstellung bei der noch höhere Temperaturen (bis zur AbkU;ung) yorhanden sind und bei der sich thermoplastische

locKpolvmere

Bwëeke TB durch

Abkfihlung noch nicht gebildet haben, ist unschädlich, weil in diesen kleinen Zeiträumen eine unerwünscht große Wanderungsbewegung der Gasbläschen nicht eintritt. Die das Netzwerk bildende, thermoplastische Gummimasse wird durch Blockpolymerisation von fadenförmigen, gummielastischen Molekülen mit den bei etwa 60 bis 80 0C schmelzenden Thermoplasten hergestellt. Unterhalb ihrer Schmelztemperatur lagern sich diese thermoplastischen

Up~Gkp polymere

seoeee anelnander

an.und tragen so zur Netzwerkbildung bei.
Bezüglich der erzielbaren Langzeitstabilität von auf diese Art und Weise gebildeten schaumartigen Füllmassen sind die nachfolgenden Überlegungen zu beachten: Ein Gasbläschen mit Radius r wird durch die Auftriebskraft K bei einer Viskosität ff mit einer Geschwindigkeit 6 - 6 ff (1) in einem fließfähigen Körper bewegt. Mit dem Auftrieb (t = Dichte; g = Fallbeschleunigung) K = s r3 g ! (2) folgt 2 r² # g # # v = . (3) 9 # Die Geschwindigkeit nimmt also mit dem Quadrat der Blasengröße zu und mit der Viskosität # ab. Die Blasen müssen also so klein wie möglich sein, am besten unter einem Zehntel mm, die Viskosität t soll so hoch wie möglich sein. Dabei ist nicht die dynamische Viskosität bedeutend, sondern die Ruheviskosität, die sich bei sehr kleinen Schergefällen und Geschwindigkeiten einstellt. Dieser Ruhewert ist um so größer als der dynamische Wert (der ja die Verarbeitbarkeit bestimmt), wenn die "Flüssigkeitt um so mehr fadenförmige, längliche Bestandteile enthält. Der Ruhewert kann sehr groß bis unendlich werden, wenn die Fädchen durch Vernetzen ein echtes Gel bilden können. Die Masse verhält sich dann für kleine mechanische Beanspruchungen wie ein fester Körper extrem niedriger Festigkeit. Die Masse aus Gummimischungen würde etwa diesem Bild entsprechen, während die Massen aus nichtvernetzten Polymeren mit gummiähnlichen Eigenschaften eher als Flüssigkeiten mit hoher Ruheviskosität anzusehen sind. Das Einbringen von fadenförmigen Bestandteilen hat neben der Erhöhung der Ruheviskosität noch einen weiteren Vorteil im Hinblick auf die Blasenstabilität: Die Bläschen erleiden bei ihrer Bewegung ständige Umlenkungen wd Richtungsänderungen, so daß der effektiv zurückgelegte Weg wesentlich kleiner als der tatsächlich zurUckgelegte Weg ist. Nehmen wir z.B. an, daß aus diesem Grund ein tatsächlicher Weg von 1 mm in 30 Jahren erlaubt ist, so folgt aus (3) eine notwendige Ruheviskosität von überi(O7 Poise)für einen Blasendurchmesser von etwa 0,05 mm.
Die beschriebene gummiartige Masse verhält sich anders als die fließfähige-Masse aus nichtvernetzten Polymeren. Es liegt ein Netzwerk aus Gummifäden vor, dessen weite Maschen von den Öl- oder Wachsbestandteilen ausgefüllt sind. Bei der Analyse dieses 2-Phasen-Systems ist sowohl das die Ruhefestigkeit bewirkende Netzwerk als die beigemischte Flüssigkeit zu beachten; Im Ruhezustand kann das Netzwerk Zug- und Scherspannungen allerdings nur bis zu einer recht niedrig liegenden Reißgrenze aufnehmen, während die Flüssigphase innerhalb der Maschen beweglich bleibt und angenähert den Gesetzen der Hydrostatik folgt. Die in die Flüssigkeit eingebetteten Blasen erfahren wiederum einen Auftrieb, der im Nahbereich der Blase über die Oberflächenspannung auf das Netz übertragen wird und es unter Zug-, Scher- und eventuell auch Druckspannungen setzt. Anstelle der oben durchgeführten Viskositätsanalyse muß hier die Bruchmechanik des Netzes treten. Die Zugspannung G unterhalb der Blase beträgt z.B. angenähert = K 4 . 4 2 K =- g r r²## Außer von der Erdbeschleunigung g und der Dichtedifferenz p hängt sie nur noch vom Blasenradius ab. Für N r = 0,05 mm folgt eine Zugbeanspruchung von nur 2 Die genaue Analyse muß den vollstandigen Spannungszustand (inklusive Scherbeanspruchung) rund um die Blase einschließen und wird zu niedrigeren lokalen Beanspruchungen führen. Eine Massendimensionierung nach (4) ist deshalb zunächst ausreichend. Für jede Ruhefestigkeit (beeinflußbar durch Art und Mengenanteil des Netzwerks) folgt aus (4) eine maximal erlaubte Blasengröße, oder, wenn diese technologisch vorgegeben ist, folgt wegen (4) ein mindestens notwendiges Mengenverhältnis für die Beimischung eines vorgegebenen Netzwerkbildners.
Da die Größe der Auftriebskraft vom Durchmesser der Gasbläschen abhängt, ist somit in besonders einfacher Weise durch die Wahl der Bläschengröße die Auftriebskraft K so einzustellen, daß die Netzstruktur durch diese Antriebskraft K nicht zerrissen werden kann. Im übrigen läßt sich die noch zulässige Bläschengröße für eine gegebene Substanz einfach dadurch bestimmen, daß Proben mit unterschiedlich großen Gasbläschen erstellt werden und durch Beobachtung festgestellt wird, unterhalb welchen Durchmesserwertes keine Wanderung mehr auftritt.
1 Figur 19 Patentansprüche Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Längswasserdichtes Kabel, insbesondere Nachrichtenkabel, in dessen Innerem eine eine wasserabweisende Substanz eniraltende Fullmasse vorgesehen ist, in die Gasbläschen eingelagert sind, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die PUllmasse (FM) eine bei ihrer Verarbeitungstemperatur im Rahmen der Kabelfüllung schmelzende Beimengursg aus thermoplastischem Gummi oder gummiartigen Thermoplasten enthält, deren Zustand im Betriebstemperaturbereich des Kabels durch Verknüpfen, Verhaken oder eine Verbindung über thermoplastische Blöcke mit einem entsprechend niedrigem, d.h. knapp unter der Fülltemperatur liegenden Schmelzbereich verfestigt ist und daß die Gasbläschen (GB) durch das sich so in der Füllmasse ausbildende Gummi netzwerk dadurch festgehalten sind, daß dessen Verknüpfungsstellen die Auftriebskräfte der Gasbläschen ohne Zerreißen übernehmen können.
2. Kabel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Thermoplastblöcke Polyolefine in einer Kettenlänge von 25 bis 45 C-Atomen, insbesondere niedermolekulares PE oder Paraffinwachs verwendet sind.
3. Kabel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Thermoplastblöcke gesättigte, lineare Polyester mit einem ausreichend niedrigen Nolekulargewicht vorgesehen sind.
4. Kabel nach Ansprüch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Thermoplastblöcke niedermolekulare isotaktische Polymere vorgesehen sind, die Seitenketten mit mehr als zwei Methylgruppen enthalten.
5. Gabel nach einem der vorhergehenden Anspriiche,- d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den Thermoplastblöcken gummielastische Molekülketten vorgesehen sind, die linear- und/oder sternförmig ausgebildet sind.
6. Kabel nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die gummielastischen Molekülketten aus Dien-Polymeren, insbesondere Butadien, bestehen.
7. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kabelfüllmasse aus einem Gemisch aus Wachsen und Ölen besteht.
8. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gasblasen durch Gasinjektion unter hohem Druck, insbesondere in Form von Stickstoff- oder Freongas eingemischt sind.
9. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gasblasen durch Treibmittel geeigneter Temperatur-Druckabhängigkeit erzeugt sind.
10. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gasblasen in der Füllapparatur während des Verarbeitungsvorganges noch verschwindend klein sind und dadurch über alle Zwickel der Kabelseele gleichmäßig verteilt sind.
11. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Elastomeranteil in der FUllmasse ausreichend hoch gewählt ist und vorzugsweise zwischen drei und dreißig Gewichtsprozente liegt.
12. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a.d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Füllmasse eine Viskosität deutlich über 5000 cP aufweist.
13. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine thermoplastische Gummibeimengung auf der Basis von Naturgummi verwendet wird.
14. Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Gummibeimengung nicht vernetzte Polymere mit gummiähnlichen Eigenschaften und einer hinreichend großen Kettenlänge (größer als 50 C-Atome) verwendet sind.
15. Kabel nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß Polymere aus ataktischen, stark verzweigten Molekülen, insbesondere ataktische PS oder PP vorgesehen sind.
16. Kabel nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als gummiähnliche Substanz Polyisobuten bzw. Polybuten vorgesehen ist.
17. Kabel nach einem der AnsprUche 14 bis 16, d a -d u r c h g e k e n n z e l c h n e t , daß diese Polymere in Gummi-Bitumen- oder Kabelmassebeimischungen bei höheren Temperaturen eingearbeitet werden, um die gewünschten Eigenschaften insbesondere Klebrigkeit oder Dichtheit zu erreichen.
18. Kabel nach einem der Ansprüche 14 bis 17, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die gummiähnlichen Polymere in die in der Füllmasse enthaltenen Ölmasse eingearbeitet sind und mit dem dadurch entstehenden, verknäulten Netzwerk die Gasblasen festhalten.
19. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus den höhermolekularen Polymerketten und aus niedermolekularen Bestandteilen, insbesondere in Form von Parafinöl, niedermolekulare PE oder ataktischen PP eine Vormischung hergestellt wird, die infolge der niedermolekularen Weichmacher auch bei noch relativ niedrigen Verarbeitungstemperaturen plastisch bleibt und in die FUllmasse-einarbeitbar ist.