DE3533510A1 - Elektrisches niederspannungskabel oder elektrische leitung - Google Patents

Elektrisches niederspannungskabel oder elektrische leitung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Niederspannungskabel oder eine elektrische Leitung, mit einer Isolierung aus einem durch aufgepfropfte ungesättigte Silanverbindungen unter Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzten Polymer.
Bei Anwendung dieser Feuchtigkeitsvernetzung sind aufwendige Techniken erforderlich, z. B. Kaskadenanordnungen oder sog. Zweischrittverfahren (DE-AS 17 94 028). Bei dem sog. Einschrittverfahren (DE-OS 30 35 709) gibt es Einschränkungen z. B. der Lagerfähigkeit.
Nach der Extrusion der Aderisolierung aus gepfropftem Isoliermaterial wird die Ader zum Zwecke der Vernetzung der Isolierung dem Einfluß von Feuchtigkeit ausgesetzt, etwa dadurch, daß die jeweilige Aderlänge, auf Trommeln oder Spulen aufgewickelt, in eine temperierte Sauna eingebracht wird. Die Zeitdauer, während der sich die Aderlänge in der Sauna befindet, hängt im wesentlichen von der Wanddicke der Isolierung ab. Durch geeignete Temperaturführung und speziellen Luftaustausch lassen sich die Vernetzungszeiten erheblich verkürzen (DE-OS 30 03 155, DE-OS 30 03 156). Die Vernetzung kann auch im heißen Wasserbad erfolgen, was jedoch zu starken Verschmutzungen der Aderoberfläche beim Einsatz normaler Eisentrommeln führt. Der Arbeitsschritt Vernetzung bedeutet daher nach wie vor sowohl in technischer als auch in zeitlicher Hinsicht einen zusätzlichen Aufwand.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Herstellung dieser Kabel und Leitungen zu vereinfachen, ohne daß Qualitätseinbußen zu befürchten sind.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Polymer der Isolierung aus einem linearen Polyethylen mit einer Dichte von 0,88 bis 0,95 g/cm3 oder aus einem seiner Copolymere allein oder als Verschnitt mit anderen Polymeren besteht. Als lineares Polyethylen (LLDPE - lineares low density Polyethylen) bezeichnet man ein Polyethylenpolymerisat, das charakteristische Eigenschaften des linearen Niederdruckpolyethylens (HDPE - high density Polyethylen) mit denen des stark verzweigten Hochdruck-Polyethylens (LDPE - low density Polyethylen) vereinigt. Die Struktur des erfindungsgemäß eingesetzten Materials, das nach unterschiedlichen Verfahren bei vergleichsweise niedrigen Drücken hergestellt wird, enthält ebenso wie das HDPE nur sehr kurzkettige Verzweigungen. Die Polymerhauptkette ist damit, wie beim HDPE, bestimmend für einige wesentliche Eigenschaften des Makromoleküls. Dadurch bedingt liegen die Schmelzbereiche des LLDPE mit 120-125°C nahe dem HDPE. Abweichend vom HDPE und damit wieder dem LDPE ähnlich, ist die Anzahl der Verzweigungen wesentlich höher. Dies bedingt, daß die Dichte und die Kristallinität wesentlich herabgesetzt wird. Die Bezeichnung LLDPE faßt die tradionell widersprüchlich erscheinenden Eigenschaften, nämlich lineare Molekularstruktur und niedrige Dichte (low density) zusammen.
Aus einem solchen Material hergestellte spezielle Kabel oder Leitungen erfüllen die gestellten Forderungen vollauf, insbesondere ist es bei dem nach der Erfindung gewählten Material auch möglich, höhere Füllstoffmengen zu verwenden als es bei einem normalen Homopolymer der Fall ist. Dabei bringt die Verwendung eines linearen Polyethylens hierbei noch den Vorteil mit sich, daß trotz größerer Füllstoffmengen die Umhüllung ausgehend von ungepfropftem Basismaterial in einem Arbeitsschritt hergestellt werden kann. Bei der Herstellung eines Kabels nach der Erfindung ist mit geringeren Silan- und Peroxidmengen zum Zwecke der Vernetzung als sonst üblich zu rechnen, nach Pfropfung der Silanverbindungen auf die Basismoleküle des linearen Polyethylens läuft der Vernetzungsprozeß in Anwesenheit von Feuchtigkeit beschleunigt ab. Bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit kann sogar auf die Anwendung von Sattdampf oder Wasserlagerung verzichtet werden. Die Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach der Erfindung ist deshalb auch kostengünstiger zu bewerkstelligen.
Je nach Hersteller sind die unterschiedlichsten Typen linearen Polyethylens im Markt. Für die speziellen Zwecke nach der Erfindung haben sich jedoch die linearen Polyethylene als am zweckmäßigsten erwiesen, deren Seitenketten überwiegend aus 1-Octen, 1-Buten oder 1-Hexen bestehen. Desgleichen ist es auch möglich, als harte, mechanisch stabilisierende Komponente für die Umhüllung ein Polypropylen einzusetzen oder, wenn es z. B. mehr auf die Flexibilität des Kabels ankommt, dem Basismaterial einen bestimmten Anteil Ethylen-Propylen- Kautschuk zuzusetzen.
Die Verwendung von Füllstoffen ist nach der Erfindung ebenfalls in vorteilhafter Weise möglich. Die Füllstoffe, etwa Kreide, werden zweckmäßig in einer Menge zugesetzt, daß sich deren Anteil in der fertigen Umhüllung auf 5 bis 40 Gew.%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.%, beläuft. Wegen der beanspruchten Feuchtigkeitsvernetzung des linearen Polyethylens ist es zweckmäßig, Füllstoffe zu verwenden, die weniger hygroskopisch sind.
Zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach der Erfindung wird man vorteilhaft dem rieselfähigen, pulver- bis granulatförmigen Basismaterial die Silanlösung und ggf. weitere Zusätze ebenfalls in flüssiger oder in im Silan gelöster Form während eines Mischprozesses bei Materialtemperaturen, die bei oder zumindest nicht wesentlich über Raumtemperaturen liegen, zugeben. Wesentlich hierbei ist auch, daß der Kondensationskatalysator von vornherein dem Basismaterial zugegeben wird, d. h. bevor die Pfropfung des Silans erfolgt, um eine homogene Verteilung zu erreichen. Das so vorbereitete Granulat wird dann in einem Extrusionsprozeß gepfropft und im selben Arbeitsgang ausgeformt. Ein solches Verfahren sichert die Herstellung von Produkten guter Oberflächenqualität. Vorvernetzungen werden vermieden.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein zunächst mit einem Füllstoff verschnittenes und granuliertes sowie anschließend mit der Silanlösung benetztes Polymermaterial in dieser Form nur eine verhältnismäßig geringe Lagerfähigkeit hat, also in der Regel zum baldigen Verbrauch bestimmt ist. Insbesondere für den Hersteller und Vertreiber solcher Mischungen kann dies eine erhebliche Einschränkung bedeuten. Aus diesem Grunde hat es sich nach einem weiteren Erfindungsgedanken als zweckmäßig erwiesen, wenn zeitlich nach der Benetzung der rieselfähigen Teilchen der Basismaterialien mindestens mit der Silanlösung Füllstoffe und/oder Pigmente und/oder Ruß in Form einer hochkonzentrierten Mischung (Masterbatch) der Basismischung zugegeben werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß die Silanlösung nur auf dem Basismaterial verteilt wird. Nach dieser Verteilung und teilweisen Eindiffusion erfolgt das Zumischen der festen Füllstoffkonzentrate, wobei diese praktisch keine Silanlösung mehr binden können. Nach diesem Verfahren hergestellte Mischungen weisen auch nach mehrmonatigen Lagerzeiten gleichbleibende Extrudatqualitäten auf.
Nach der Diffusion der Silankomponenten können Farbpigmente, vorteilhaft in einer Dosierung von 0,1 bis 5 Teilen, bezogen auf 100 Teile Basismaterial, oder Kreiden als Konzentrate zu unterschiedlicher Zeit eingebracht werden. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit ist die, daß in Weiterführung der Erfindung die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung, z. B. eines hellen Füllstoffes, dem silanisierten Basismaterial nach Abschluß der Benetzung des Basismaterials, etwa eines Polyethylen-Granulats, zugegeben wird, aber noch im gleichen Mischprozeß. Dieses sog. Einschrittmischverfahren in einem Kaltmischprozeß ergibt einen sehr wirtschaftlichen kostengünstigen Verfahrensablauf.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit ist die, daß nach einem weiteren Erfindungsgedanken die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung mit dem silanisierten Basismaterial erst im Einzugstrichter des Extruders zusammengebracht wird. Die weitgehende Diffusion der Silankomponente in das Basismaterial nach einer gewissen Lagerzeit bedeutet, daß an der Oberfläche nur von Silanresten schon weitgehend freie Teilchen vom Basismaterial mit der Füllstoffkomponente in Verbindung gebracht werden.
Der Mischer für das Basismaterial einschließlich der Silanlösung und ggf. weiterer Zusätze kann aber auch mit dem Verarbeitungsextruder verbunden sein. Dies bedeutet, daß das Basispolymer mit der Silankomponente und ggf. weiteren Zusätzen gemischt und anschließend ohne Zwischenlagerung dem Verarbeitungsextruder direkt eingegeben wird.
Ein weiterer vorteilhafter Schritt in Richtung auf die rationelle Fertigung einer nach der Erfindung aufgebauten Leitung besteht darin, daß die Zugabe des Silans, des Kondensationskatalysators sowie ggf. weiterer Zusätze im Trichter des Verarbeitungsextruders erfolgt, der als Mischaggregat ausgebildet ist, oder, daß sogar die flüssigen Komponenten in den Einzugsbereich des Verarbeitungsextruders unmittelbar eindosiert werden.
Abweichend von den aufgezeigten Möglichkeiten kann man nach der Erfindung aber auch so vorgehen, daß die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung dem silanisierten Basismaterial in einem gesonderten anschließenden zweiten Kaltmischprozeß zugegeben wird. Insbesondere die Anwendung dieser Verfahrensschritte wird weitgehend vom vorhandenen Maschinenpark des Mischungsherstellers oder Verarbeiters abhängen.
Wird das sog. Einschrittverfahren bevorzugt, nach dem dem Basismaterial nach Abschluß der Benetzungsphase die hochkonzentrierte Mischung zugegeben wird, dann hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Mischzyklus von Basismaterial und Silanlösung 1 bis 8 min, vorzugsweise 2 bis 5 min, bei Temperaturen von 18° bis 40°C beträgt. Der Großteil der für die Vernetzung verwendeten Silanlösung ist dann bereits auf dem Basismaterial homogen verteilt, ein kleiner Rest, der noch von der eingebrachten hochkonzentrierten Mischung aufgenommen werden könnte, reicht nicht aus, die Lagerzeit nachteilig zu beeinflussen oder gar Anvernetzungen beim Pfropfen und Formgeben der Mischung im Extrusionsprozeß herbeizuführen.
Abweichend von dem beschriebenen Verfahren kann man auch ohne Füllstoffbatch arbeiten. Die Füllstoffe werden vorher homogen im gesamten Polymer eingearbeitet und die Mischung regranuliert. Auf diese Mischung wird dann die auch z. B. den Kondensationskatalysator enthaltende Silanlösung aufgebracht. Bei dieser Verfahrensweise unterliegt man einer Einschränkung hinsichtlich Lagerfähigkeit, Auswahl von Füllstoffen und Stabilisatorsystemen.
Die Erfindung sei an Hand der in der Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sowie der Mischungsbeispiele näher erläutert.
Ein sog. 1 kV-Anschlußverteilerkabel zeigt die Fig. 1. Dieses Kabel besteht aus vier miteinander verseilten Leitern 1, die von der farbigen Isolierhülle 2 umgeben sind. Der Innenmantel 3 umgibt den aus den Adern bestehenden Verseilverband, der Mantel 4 bildet die äußere mechanisch feste Hülle.
Zur Herstellung der Isolierung 2 können Mischungen etwa der folgenden Zusammensetzung verwendet werden:
Beispiel 1
Lineares Polyethylen (LLDPE)
(Dichte 0,92 g/cm3)100 TeileStabilisatorbatch5 TeileSilan1,2-1,6 TeilePeroxid0,03-0,7 TeileKatalysator0,04-0,08 TeileFarbpigmente0,2-5 Teile
Kommt es für die Isolierung des Kabels mehr auf eine hohe Wärmestandfestigkeit an, wird man eher auf die folgende Mischung zurückgreifen:
Beispiel II
Lineares Polyethylen (LLDPE)
(Dichte 0,935 g/cm3)70-80 Teile
HDPE (Dichte 0,950-0,960 g/cm3)20-30 TeileSilan1,1-1,5 TeileStabilisatorbatch5 TeilePeroxid0,04-0,08 TeileKatalysator0,03-0,97 TeileKreide5-40 TeileFarbpigmente0,2-5 Teile
Wird dagegen für den Einsatz eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Kabels höhere Flexibilität verlangt, wird man der nachfolgenden Mischung eher den Vorzug geben:
Beispiel III
Lineares Polyethylen (LLDPE)
(Dichte 0,917 g/cm3)70-80 TeileEthylen-Propylen-Kautschuk20-30 TeileAlterungsschutzmittel0,5 TeileSilan1,4-2,0 TeilePeroxid0,03-0,06 TeileKatalysator0,03-0,07 TeileFarbpigmente0,2-5 Teile
Als Silane oder Silanverbindungen wird man in der Regel Organo-Silane verwenden, wie das Vinyltrimethoxi- oder Vinyltriäthoxisilan. Als Peroxide können die in der Silantechnik üblichen, z. B. das Dicumylperoxid oder auch das bis (tert.butyl peroxi isopropyl)benzol verwendet werden.
Die eine oder andere der aufgezeigten Mischungen kann auch mit Vorteil für solche Kabel und Leitungen verwendet werden, die besondere Forderungen im Brandfall zu erfüllen haben. Hierzu gehört z. B., daß im Brandfall keine korrosiven Rauchgase entstehen dürfen und daß an das Kabel oder die Leitung angeschlossene Betriebsmittel im Brandfall noch über eine gewisse Zeit ihren Dienst leisten müssen (Funktionserhalt). Anwendungsgebiete solcher Kabel und Leitungen sind daher beispielsweise Kraftwerke, Schiffe und Plattformen, Hoch- und Krankenhäuser, Tunnelanlagen u. a.
Die Fig. 8 zeigt die einadrige Ausführung eines entsprechend aufgebauten Kabels.
Über dem aus einer Vielzahl von Einzeldrähten aufgebauten Leiter 5 ist ein Glas-Glimmerband 6 gewickelt, eine z. B. längseinlaufend aufgebrachte Trennfolie 7 aus einem Polyethylenglykolterephthalat, die unter dem Handelsnamen Hostaphan bekannt ist, überdeckt diese Bandbewicklung. Die darüber befindliche Isolierung 8 besteht aus einem linearen Polyethylen, etwa in der Mischungszusammensetzung entsprechend den Beispielen I bis III. Eine weitere Trennfolie 9, zweckmäßig entsprechend der Trennfolie 7 ausgebildet, ist über der Isolierung 8 aufgebracht. Mit 10 ist eine konzentrische Drahtlage bezeichnet, die von einer dritten Trennfolie 11 aus dem gleichen Material wie die Trennfolien 7 und 9 überdeckt ist. Der darüber befindliche Außenmantel 12, z. B. aus einem hochgefüllten halogenfreien Polyethylen, bildet den äußeren mechanischen Schutz.

Claims (17)

1. Elektrisches Niederspannungskabel oder elektrische Leitung, mit einer Isolierung aus einem durch aufgepfropfte ungesättigte Silanverbindungen unter Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzten Polymer, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer der Isolierung aus einem linearen Polyethylen (LLDPE) mit einer Dichte von 0,88 bis 0,95 g/cm3 oder aus einem seiner Copolymere allein oder als Verschnitt mit anderen Polymeren steht.
2. Kabel oder Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenketten des linearen Polyethylens überwiegend aus 1-Octen, 1-Buten oder 1-Hexen bestehen.
3. Kabel oder Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung als Verschnittkomponente Hart- oder Weichpolyethylen enthält.
4. Kabel oder Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung als Verschnittkomponente Polypropylen oder Ethylen-Propylen-Kautschuk enthält.
5. Kabel oder Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung wenig hygroskopische Füllstoffe in der Größenordnung 5 bis 40 Gew. %, vorzugsweise 10 bis 20 Gew. %, enthält.
6. Kabel oder Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung Pigmente oder sonstige Farbstoffe in einer Dosierung von 0,1 bis 5 Teilen, bezogen auf jeweils 100 Teile Basispolymer , enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem rieselfähigen, pulver- bis granulatförmigen Basispolymer die Silanlösung und ggf. weitere Zusätze ebenfalls in flüssiger oder in im Silan gelöster Form während eines Mischprozesses bei Materialtemperaturen, die bei oder zumindest nicht wesentlich über Raumtemperatur liegen, zugegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich nach der Benetzung der rieselfähigen Teilchen der Basismaterialien mindestens mit der Silanlösung Füllstoffe und/oder Pigmente in Form einer hochkonzentrierten rieselförmigen Mischung (Masterbatch) der Basismischung zugegeben werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung dem mit der Silanlösung benetzten Basismaterial erst am Ende der Mischphase, aber noch im gleichen Mischprozeß zugegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung mit dem mit der Silanlösung benetzten Basismaterial im Einzugstrichter eines Extruders zusammengebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hochkonzentrierte rieselfähige Mischung dem mit der Silanlösung benetzten Basismaterial nach teilweiser Diffusion der Lösung in das Pulver oder Granulat in einem gesonderten anschließenden zweiten Kaltmischprozeß zugegeben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischphase 1 bis 8 min, vorzugsweise 2 bis 5 min, bei Temperaturen von 18° bis 40°C beträgt.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei dem in das Basismaterial eine Füllstoffe und/oder Pigmente enthaltende hochkonzentrierte Mischung eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmischung und Homogenisierung der hochkonzentrierten Mischung unmittelbar in das Basismaterial erfolgt und dessen Benetzung mit den Silanverbindungen bzw. den im Silan gelösten Zusätzen erst nach einer Regranulierung der Mischung vorgenommen wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei dem das Basismaterial einschließlich der Silanlösung gemischt und anschließend einem Verarbeitungsextruder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Silanlösung und ggf. weiteren Zusätzen gemischte Basismaterial ohne Zwischenlagerung dem Verarbeitungsextruder unmittelbar eingegeben wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Silanlösung einschließlich ggf. weiterer Zusätze im Trichter des Verarbeitungsextruders erfolgt, der als Mischaggregat ausgebildet ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Kabels oder einer Leitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Silanlösung einschließlich ggf. weiterer Zusätze in den Einzugsbereich des Verarbeitungsextruders unmittelbar eindosiert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Silanlösung den für die Feuchtigkeitsvernetzung erforderlichen Kondensationskatalysator mit enthält.
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