DE4306123C1

DE4306123C1 - Metallisierte Kunststoffolie und Verwendung in Ummantelungen von elektrischen Kabeln

Info

Publication number: DE4306123C1
Application number: DE4306123A
Authority: DE
Inventors: J Dr Rer Nat Weiss
Original assignee: Renker & Co KG GmbH
Current assignee: TRICON VEREDLUNGS GMBH, 79111 FREIBURG, DE
Priority date: 1993-02-27
Filing date: 1993-02-27
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2013-02-28
Also published as: CH686076A5

Description

Die Erfindung betrifft eine metallisierte Kunststoffolie mit auf ihren beiden Hauptoberflächen an geordneten Metallschichten und einer Schutzschicht auf der Metallschicht.

Für die Korrosionsbeständigkeit von elektrischen Kabeln ist es wichtig, daß die Ummantelung nicht nur elektrisch isolierend wirkt, sondern auch eine möglichst geringe Wasserdampfdurchlässigkeit aufweist. Kabelummantelungen haben in der Regel einen mehrschichtigen Aufbau mit abwechselnd elektrisch isolierenden Schichten, elektrisch leitenden Schichten und Schichten zum Aufbau von Abschirmwirkung. Es ist auch bekannt, in derartige Ummantelungen Schichten einzuschließen, die als Wasserdampfsperre wirken.

Die DE 26 15 158 A1 beschreibt eine in Längsrichtung wirkende Feuchtig keitssperre für elekrische Stromleitungskabel, bei denen die Kabelseele von einer Isolierschicht umgeben ist. Auf jeder Seite der Isolierschicht ist eine halbleitende Schicht angeordnet. Dann schließen sich in radialer Richtung nach außen die in Längsrichtung wirkende Feuchtigkeitssperre und ggf. eine Schicht aus einem Korrosionsschutzlack an. Danach folgen die metallische Abschirmung und eine die Haftung der Außenisolierung verbessernde Haftlackschicht. Die in Längsrichtung wirkende Feuchtigkeitssperre ist eine auf der Innenfläche des metallischen Schirmes aufgetragene Schicht aus einem wärmeschmelzenden Gemisch und eine Folge von Ringen im Abstand voneinander aus demselben Gemisch. In der Zeitschrift "Drahtwelt" 2/90, S. 73-77 sind Abschirmmaterialien für Kabel und Leitungen aus Kunst stoff/Metallverbundmaterialien beschrieben. Es kann sich um kaschierte Verbundmaterialien handeln, beispielsweise eine 23 µm Polyesterfolie mit beidseitig aufkaschierten 9 µm dicken Aluminiumschichten und einer 25 µm dicken Copolymerschicht auf einer Seite, die dazu dient, die Folie mit einem Dielektrikum zu versiegeln.

Aus der DE 29 13 055 A1 ist ein Kabel mit einem Kunststoffmantel bekannt, mit einer in radialer Richtung des Kabels diffusionshemmenden Schichten im Bereich des Mantels. Diese Schicht ist auf beiden Seiten in Längsrichtung nicht durchgehend ausgebildet, sondern nur Abschnittsweise in Form von Metallschichten, so daß sich nur in geringen Überlappungsbereichen auf beiden Seiten der Kunststoffolie Metall befindet. Die Metallschicht ist so ausgebildet, daß sich verschiedene Metallfolienabschnitte im Kabel nicht berühren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Folie zu schaffen, die in Kabelummantelungen verwendet werden kann und die als Wasserdampfsperre und/oder Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung wirkt und gleichzeitig eine leitfähige Oberfläche aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Metallschichten eine Dicke von 30 nm bis 100 nm aufweisen und auf beiden Metallschichten pigmentierte Schutzschichten mit elektrisch leitfähigen Pigmenten vorhanden sind, wobei der spezifische elektrische Oberflächen widerstand der Verbundfolie <10⁴ Ohm/Flächeneinheit beträgt.

Vorzugsweise beträgt der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Folie oder Verbundfolie von 0,5 bis 1000 Ohm/Flächeneinheit.

Diese hohe Oberflächenleitfähigkeit auf beiden Hauptoberflächen wird erreicht durch die Kombination von aufgedampften oder durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Metallschichten mit einer Deckschicht, die ein oder mehrere elektrisch leitfähige Pigmente in Mengen von 5-30 Vol.-% enthält.

Geeignete Metalle für die Metallschicht sind Aluminium, Kupfer, Nickel, Zink, Silber, Eisen und Legierungen dieser Metalle.

Als elektrisch leitende Pigmente können in der Deckschicht Metalle, Metallegierungen, Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Ruß oder Graphit verwendet werden.

Die Größe der Pigmentteilchen in der Deckschicht beträgt vorzugsweise 5- 25 µm. Als besonders günstig hat es sich im Falle von Metallpigmenten erwiesen, wenn das Metall der Metallschicht und das Pigment in der Deckschicht chemisch möglichst nahe verwandt oder identisch sind, weil dadurch das Risiko von Lokalelementbildung verringert ist. Der Pigmentanteil in der Deckschicht kann 5-30 Vol.-% betragen. Teilchengröße des Pigments, Pigmenttyp und Pigmentgehalt werden auf das Bindemittel der Deckschicht so abgestimmt, daß gute Haftung des Decklackes auf der Metallschicht und der erforderliche niedrige Oberflächenwiderstand erreicht werden.

Geeignete Bindemittel für die Deckschicht sind übliche Bindersysteme, wie z. B. Harze auf Basis von Acrylat, Methacrylat, Polyester, Polyurethan, Polyvinylacetat, Polyamid, Nitrocellulose, Polyvinylalkohol, Cellulose acetat, Celluloseacetobutyrat, Celluloseacetopropionat sowie deren Copolymere. Darüber hinaus geeignet sind lösliche Copolymere mit Vinylchlorid, Styrol oder Maleinsäureanhydrid.

In der Deckschicht können neben dem Pigment auch noch übliche Hilfsstoffe wie UV-Stabilisatoren, Oxidationsschutzmittel vorhanden sein.

Die Deckschicht kann durch übliche Auftragsverfahren, die das Aufbringen relativ dünner Schichten erlauben, aufgebracht werden. Druckverfahren haben sich als bevorzugt geeignet erwiesen.

Geeignete Trägerfolien sind z. B. Folien aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid, Polyimid, Polyetheretherketon (PEEK), Polystyrol (PS), Polycarbonat, Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly sulfon (PSU). Es können Folien mit Dicken von 6 µm bis 150 µm, vorzugsweise von 12 µm bis 100 µm verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Verbundfolien aus Trägerfolie mit beidseitiger Metallschicht und darüber angeordneter pigmentierter Schutzschicht oder Deckschicht haben eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit. Diese beträgt bei 38°C und 85% relativer Feuchte 4,5 g/m²×bar×d, vorzugsweise 0,3-4 g/m²×bar×d, wobei die Foliendicke 25 µm ist. Durch die außerdem vorhandene hohe Korrosionsbeständigkeit sind die Verbundfolien zur Verwendung als Wasserdampfsperren in Ummantelungen elektrischer Kabel besonders geeignet. Die beidseitige hohe Oberflächenleitfähigkeit der Verbundfolie hat bei dieser Verwendung zur Folge, daß die Folie gleichzeitig auch elektromagnetische Strahlung abschirmt, wenn eine Verbindung der Folienschicht mit Potential 0 beim Verlegen des Kabels hergestellt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Beispiel 1

Eine handelsübliche Kunststoffolie aus Polyethylenterephthalat mit einer Dicke von 23 µm wird in einer Anlage zur Vakuummetallisierung unter einem Druck von 2×10^-7 bar mit einer Geschwindigkeit von 300 m/min bei einer Temperatur von -15°C durch den Metallisierungsbereich geführt.

Im Metallisierungsbereich wird aus der Dampfphase Aluminium (Reinheit 99,5%) in einer ca. 0,05 µm dicken Schicht auf einer Hauptfläche der Kunststoffolie abgeschieden.
Die zweite Hauptoberfläche wird in einem zweiten Durchgang durch die Anlage unter im wesentlichen gleichen Bedingungen mit Aluminium bedampft. Die Schichtdicke beträgt ebenfalls ca. 0,05 µm. Vorzugsweise wird die zweite Hauptoberfläche erst nach einer Zwischenlagerung der einseitig metallisierten Folie von 24 h metallisiert.

Nach ein- und beidseitiger Metallisierung der Polyethylenterephthalatfolie wurde der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand bestimmt.

Einseitig metallisierte Folie:

Metallseite: 0,9 Ohm/Flächeneinheit

Rückseitig metallisierte Folie:

Vorderseite: 0,9 Ohm/Flächeneinheit
Rückseite: 0,9 Ohm/Flächeneinheit

Die Haftung der Metallschicht wurde per Tesatest geprüft.

Der Tesatest wird wie folgt durchgeführt:
Es Tesafilm Typ 104 (Beiersdorf) wird in ca. 15-20 cm Länge vollflächig gegen die beschichtete Seite gepreßt. Um einen wirklich vollflächigen Kontakt ohne Blasen zu erhalten, wird die verklebte Fläche mehrmals durch Aufpressen des Daumens abgefahren. Dann wird der Tesafilm unter etwa konstanter Abzugsgeschwindigkeit im Winkel von 90° abgezogen. Beurteilt wird der Prozentsatz der Fläche der Beschichtung, der mit dem Tesastreifen vom Substrat entfernt wurde. 0% sind ein sehr gutes, <10% ein gutes Ergebnis. Die Akzeptanz oder Zurückweisung richtet sich nach der Anwendung.

Im konkreten Fall der Kabelummantelung muß das Ergebnis <10% sein. Ähnliche Testprozeduren sind in ASTM D-3359-90 bzw. der europäischen Raumfahrtspezifikation PSS-01-713 beschrieben.

Anschließend wird die beidseitig metallisierte Folie durch Beschichten der Metallschichten mit einem Acrylharzlack der 25% teilchenförmiges Aluminiumpigment (Teilchengröße 5 µm) mit einem Auftragsgewicht von 1,5 g/m² (trocken) auf jeder Hauptoberfläche mit einer Schutzschicht versehen. Die Viskosität des Lackes wird durch Verdünnen mit Methylethylketon auf 18-20 sec (bei 20°C) gemessen mit Fordbecher Nr. 4 eingestellt.
Als Auftragswerk wird eine Rasterwalze mit einem 60er Raster, wie sie für Tiefdruck dient, verwendet. Die Arbeitsgeschwindigkeit beträgt 100 m/min. Die Lackschichten werden bei 80-100°C in einem Schwebetrockner getrocknet.

Nach dem Aufbringen der Schutzschichten beträgt der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Folie 80 Ohm/Flächeneinheit.

Die Haftung der Schichten auf der Folie und aufeinander wird per Tesatest in der zuvor beschriebenen Weise geprüft und als gut (<10%) beurteilt.

Die beidseitig metallisierte und lackierte Kunststoffolie hat eine Dicke von 25 µm.

Die Sperrwirkung gegenüber der Gasdurchlässigkeit wurde wie folgend geprüft:

Sauerstoffdurchlässigkeit
bei 23°C, 75% r. F.=0,83 cm³/m²×bar×d×25 µm

Wasserdampfdurchlässigkeit
bei 38°C, 85% r. F.=0,87 g/m²×bar×d×25 µm

Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Folie in Kabelummantelung:
Die so hergestellte Folie wird als spiralförmig aufgewickelte Folie als Gassperre und zur Abschirmung elektromagnetischer Felder sowie zur Ableitung von Kriechströmen zwischen verschiedenen isolierenden Lagen um das Kabel gewickelt. Die so aufgebaute Kabelisolation mach die Kabel flexibler und leichter und schützt besser vor mechanischen Beschädigungen.

Beispiel 2

Eine handelsübliche Polyethylenterephthalatfolie mit einer Dicke von 23 µm wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, beidseitig mit Aluminium metallisiert.

Anschließend wird die beidseitig metallisierte Kunststoffolie durch Beschichten der Metallschichten mit einem Acrylharzlack der 25 Vol.-% Ruß als Pigment (Teilchengröße <5 µm) mit einem Auftragsgewicht von 1,5 g/m² (trocken) auf jeder Hauptoberfläche mit einer Schutzschicht versehen. Die Viskosität des Lackes wird durch Zugeben von Methylethylketon auf 18-20 sec (20°C) Fordbecher Nr. 4 eingestellt. Als Auftragswerk dient eine Rasterwalze (60er Raster).

Nach dem Aufbringen der Schutzschichten beträgt der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Folie 60 Ohm/Flächeneinheit.

Die Haftung der Schichten auf der Folie und aufeinander wird durch Aufbringen eines Haftklebestreifens und Abschälen, wie in Beispiel 1 beschrieben, geprüft.

Beurteilung

Beispiel 3

Eine handelsübliche, 23 µm dicke Polyethylenterephthalatfolie wird beidseitig, wie in Beispiel 1 beschrieben, metallisiert, wobei in Beispiel 3 als Metall Kupfer (Reinheit <99%) verwendet wird.

Nach der Metallisierung der Polyethylenterephthalatfolie wurde der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand auf den beiden metallisierten Hauptoberflächen bestimmt zu 0,4 Ohm/Flächeneinheit.

Die Haftung der Metallschichten wurde mittels eines Haftklebebandes, wie in Beispiel 1 angegeben, ermittelt.

Sauerstoffdurchlässigkeit: 0,17 cm³/m²×bar×d×25 µm
Wasserdampfdurchlässigkeit: 0,05 g/m²×bar×d×25 µm

Anschließend wird die beidseitig metallisierte Folie durch Beschichten der Metallschichten mit einem Acrylharzlack, der 25 Vol.-% Kupferpigment (Teilchengröße 5-30 µm) mit einem Auftragsgewicht von 1,5 g/m² (trocken) auf jeder Hauptoberfläche mit einer Schutzschicht versehen. Das Pigment wird dem Lackbindemittel als Reste zugesetzt. Die Auftragsgeschwindigkeit beträgt 100 m/min mit einer 60er Rasterwalze. Die Trocknung erfolgt in einem Schwebetrockner bei Temperaturen von 80-100°C.

Nach den Anforderungen der Schutzschichten beträgt der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand auf den Hauptoberflächen 3000 Ohm/Flächeneinheit.

Sauerstoffdurchlässigkeit: 0,23 cm³/m²×bar×d×25 µm
Wasserdampfdurchlässigkeit: 0,02 g/m²×bar×d×25 µm

Claims

1. Metallisierte Kunststoffolie mit auf ihren beiden Hauptoberflächen an geordneten Metallschichten und einer Schutzschicht auf der Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten eine Dicke von 30-100 nm aufweisen und auf beiden Metallschichten pigmentierte Schutzschichten mit elektrisch leitfähigen Pigmenten vorhanden sind, wobei der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Verbundfolie 10⁴ Ohm/Flächeneinheit beträgt.

2. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische elektrische Oberflächenwiderstand der Folie von 0,5 bis 10⁴ Ohm/Flächeneinheit beträgt.

3. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wasserdampfdurchlässigkeit der Folie <4,5 g/m²× bar×d (38°, 85% rel. Feuchte) beträgt.

4. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine Dicke von 0,5 µm bis 5 µm aufweist.

5. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des/der elektrisch leitfähigen Pigmentes in der Schutzschicht 5-30% beträgt.

6. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie aus Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Poly vinylchlorid oder Polyamid, Polycarbonat ist.

7. Metallisierte Kunststoffolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Silber, Eisen oder Legierungen dieser Metalle ist.

8. Verwendung der metallisierten Kunststoffolie nach Ansprüchen 1 bis 7 als Wasserdampfsperre in Ummantelungen von elektrischen Kabeln.