DE69419605T2 - Polymerzusammensetzung und isolierung von elektrischen leitungen - Google Patents

Polymerzusammensetzung und isolierung von elektrischen leitungen

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Description

  • Die Erfindung betrifft isolierende Polymerzusammensetzungen, die Polyimidsiloxane, insbesondere Polyetherimidsiloxane, umfassen, und einen elektrischen Draht oder ein Kabel, der (das) mit einer Schicht eines aus diesen Zusammensetzungen gebildeten Isolier- oder Ummantelungsmaterial versehen ist.
  • Polymerzusammensetzungen, die Polyetherimidsiloxane umfassen, sind für zahlreiche Anwendungen bekannt. Z. B. beschreibt die EP-A-0407061 einen Draht mit einer inneren Beschichtung eines halogenfreien Kunststoffmaterials und einer halogenfreien, harten flexiblen äußeren Beschichtung aus einem Copolymer oder einer Mischung aus einem Siloxan und einem Polyetherimid. Die äußere Beschichtung weist vorteilhafterweise die mit. Polyetherimiden verbundene geringe Entflammbarkeit auf, obwohl es bevorzugt ist, eine weitere äußere Schicht aus einem Polyetheretherketon zuzufügen, um die Entflammbarkeit noch weiter zu verringern, und um die Durchschneide- und Abriebfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber flüssigen oder gasförmigen Chemikalien zu verbessern. Die EP-A-0407061 beschreibt auch das Mischen nicht spezifizierter Mengen von Polyphenylenether oder Nylon mit dem Polyetherimid-Siloxan.
  • Nach der EP-0307670 wird eine Verringerung der Entflammbarkeit erreicht, indem man flammbeständige Polyetherimid-Siloxan- Polyetherimid-Copolymermischungen mit Fluorkohlenstoffpolymeren mischt. Die beschriebenen Zusammensetzungen sind inbesondere für Flugzeugpanels und Auskleidungen geeignet. Obwohl die Materialien besonders gute Flammschutzeigenschaften besitzen, weisen sie den Nachteil auf, daß sie Halogen enthalten, was nicht erwünscht ist, und deshalb für bestimmte Anwendungen aufgrund der toxischen Eigenschaften der Halogene, wenn diese während eines Brandes freigesetzt werden, durch Gesetzgebung verboten sind.
  • Die EP-A-0323142 beschreibt eine ternäre Polymermischung zur Verwendung als Drahtisolation, die eine Mischung aus Polyarylenetherketon mit Polyetherimid und Siliconpolyimid-Copolymer umfaßt. Jede dieser Polymerkomponenten besitzt hervorragende Flammschutzeigenschaften, und die Mischung aus den drei Bestandteilen weist ebenfalls hervorragende Flammschutzeigenschaften auf. Nachteilig ist es jedoch, daß alle Komponenten teuer, und deshalb auch die Mischung aus den drei Komponenten teuer ist.
  • Die Flammschutzeigenschaft von Polymerzusammensetzungen kann durch Bestimmen des LOI (Sauerstoff-Index, Limiting Oxygen Index) der Polymeren beurteilt werden. Dieser Test wird in ASTM D2863-1987 spezifiziert. Er bestimmt den geringsten Prozentgehalt an Sauerstoff, der benötigt wird, um ein Brennen des zu testenden Polymers zu unterstützen. Ein höherer LOI-Wert zeigt deshalb ein Material mit höheren Flammschutzeigenschaften an. Bestimmte Polymerzusammensetzungen mit einem LOI von mindestens 21% brennen in Luft nicht, und sind für bestimmte Anwendungen bevorzugt. Wenn in der vorliegenden Erfindung auf LOI-Werte bezuggenommen wird, werden diese gemäß ASTM D2863-1987 bestimmt.
  • Es wurde festgestellt, daß die Flammschutzeigenschaften einer Polymerzusammensetzung oder einer Mischung aus Polymerzusammensetzungen, die allein einen LOI von weniger als 21% zeigen würde, durch Vermengen oder Vermischen dieser Polymerzusammensetzung oder Mischung mit einem kleineren Anteil (höchstens 40 Gew.-%) eines Polyimid-Siloxan-Copolymers, und vorzugsweise eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers, beträchtlich erhöht werden können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt deshalb einen elektrischen Draht oder ein Kabel bereit, das mit einer Isolierschicht aus einer Polymerzusammensetzung mit einem LOI-Wert von mindestens 29% (oder mindestens 28%, oder mindestens 27%) versehen ist, wobei die Polymerzusammensetzung eine Mischung umfaßt aus:
  • (a) einer ersten Komponente, die ein Polyester oder eine Mischung von Polyestern ist, wobei der Polyester oder die Mischung
  • (i) in Abwesenheit einer anderen Komponente einen LOI-Wert von höchstens 21 zeigt, und
  • (ii) im wesentlichen halogenfrei ist; und
  • (b) höchstens 40 Gew.-% (bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung) einer zweiten Komponente, die ein Polyimid- Siloxan-Polymer, vorzugweise ein Polyetherimid-Siloxan-Polymer, ist.
  • Die Komponenten der Zusammensetzung werden in Gewichtsprozenten, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, angegeben. Vorzugsweise umfaßt die Zusammensetzung höchstens 35%, insbesondere höchstens 30%, der zweiten Komponente, und kann höchstens 25 oder 20% davon umfassen.
  • Unter der Angabe, daß ein Polymer oder eine Mischung im wesentlichen halogenfrei ist, wird verstanden, daß der Anteil des Halogens in Gewichtsprozent in diesem Polymer oder der Mischung weniger als 0,1% beträgt, und vorzugsweise weniger als 0,01%, und insbesondere weniger als 0,001%.
  • Die erste Komponente ist vorzugsweise auch phosphorfrei und/oder vorzugsweise auch schwefelfrei. Dies ist insbesondere für Draht- und Kabel-Isoliereigenschaften von Vorteil. Ein be sonders bevorzugtes Material für die erste Komponente ist ein Polyester oder ein Mischung aus Polyestern. Als Beispiele können genannt werden Polyetherester (z. B. Hytrel-5556, erhältlich von Du Pont), Polyesterester (z. B. Elastotec E-7011, erhältlich von Elastogran), Polybutylenterephthalat (z. B. Valoa-325, erhältlich von General Electric) und Mischungen von Polybutylenterephthalat und Polyesterestern.
  • Die Verwendung von Polyestern als erste Komponente ist besonders bevorzugt, weil die Polyester unter anderem vorteilhafterweise zu einer beträchtlich gesteigerten Widerstandsfähigkeit gegenüber Fluiden, z. B. gegenüber Kohlenwasserstoffen, insbesondere chlorierten Chlorwasserstoffen, im Vergleich zur Verwendung von Polyimid-Siloxanen (z. B. Polyetherimid-Siloxane) allein, beitragen, und außerdem beträchtlich billiger als Polyimid-Siloxane (z. B. Polyetherimid-Siloxane) sind. Polyester zeigen in Abwesenheit anderer Komponenten typischerweise einen LOI-Wert von ca. 20%, und es ist überraschend, daß die erhöhte chemische Widerstandsfähigkeit in Mischungen erhalten werden kann, in denen der Polyester die Hauptkomponente ist, wobei trotzdem gute Flammschutzeigenschaften erzielt werden.
  • Die Verwendung eines Polyesters als Hauptkomponente der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verleiht z. B. eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber chlorierten Kohlenwasserstoffen, z. B. 1,1,1-Trichlorethan.
  • Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist es nicht naheliegend, daß die erste Komponente der Zusammensetzung mit geringer Entflammbarkeit sich wirksam mit der Polyimid-Siloxan-Komponente mischt, und daß der Zusatz von höchstens 40% des Polyimid- Siloxans dem LOI-Wert der Gesamtzusammensetzung auf mindestens 27, 28 oder 29% erhöht. Die verwendeten Polymerkom; Donenten können z. B. miteinander nicht kompatibel sein, und für einen Fachmann gibt es keinen Hinweis darauf, daß sich z. B. ein Po lyester mit einem Polyimid-Siloxan mit den Polyimid-Siloxan- Konzentrationen, die erforderlich sind, um der Gesamtzusammensetzung die gewünschten Flammschutzeigenschaften zu verleihen, mischt. Das erzielte Mischen ist insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Verarbeitungstemperaturen von im wesentlichen reinen Polyimid-Siloxanen (Polyetherimid-Siloxane werden z. B. typischerweise bei ca. 300ºC verarbeitet) und Polyestern (z. B. typischerweise bei ca. 250ºC verarbeitet) überraschend.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, daß der LOI-Wert einer gemischten Zusammensetzung aus einem Polyetherimid-Siloxan und einem Polyester sich im wesentlichen gleichmäßig erhöht, wenn die Konzentration des mit dem Polyester gemischten Folyetherimid-Siloxans sich von 0% auf 100% Polyetherimid-Siloxan erhöht (insbesondere im 0 bis 40%-Bereich), d. h. die Kurve LOI- Wert vs. Konzentration an Polyetherimid ist im wesentlichen eine gerade Linie, die von ca. 20% (für 100% Polyester/0% Polyetherimid-Siloxan) auf 46% (für 100% Polyetherimid- Siloxan/0% Polyester) ansteigt. Es ist überraschend, daß ein so starkes Ansteigen im LOI-Wert des Polyesters auftritt, wenn das Polyetherimid-Siloxan zugegeben wird, weil dies für Polymermischungen mit anfänglich verschiedenen LOI-Werten, in denen das Material mit dem niedrigeren LOI-Wert die Hauptkomponente ist, normalerweise nicht der Fall ist.
  • Zusätzlich zur Flammschutzeigenschaft ist es für Polymerzusammensetzungen oft auch wünschenswert, daß sie gute (d. h. geringe) Rauchbildungseigenschaften zeigen. Es ist bekannt, daß Magnesiumhydroxid, wenn es in Polymerzusammensetzungen vorhanden ist, rauchunterdrückend wirkt. Magnesiumhydroxid kann jedoch in nicht verschnittenen Polyimid-Siloxanen (insbesondere in nicht verschnittenen Polyetherimid-Siloxanen) oder Mischungen, in denen Polyimid-Siloxan (insbesondere Polyetherimid- Siloxan) die Hauptkomponente ist, nicht leicht eingebaut werden, da die Verarbeitungstemperatur der Polyimid-Siloxane im allgemeinen zu hoch ist. Die Verarbeitungstemperatur für Polyetherimid-Siloxan beträgt z. B. 300ºC, eine Temperatur, bei der Magnesiumhydroxid nicht stabil ist. Erfindungsgemäß besitzt die erste Komponente vorzugsweise eine Verarbeitungstemperatur von höchstens 270º, besonders bevorzugt von höchstens 260ºC, und insbesondere von höchstens 250ºC, und die Zusammensetzung enthält vorzugsweise Magnesiumhydroxid. Der Anteil an Gewichtsprozenten (bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung) an Magnesiumhydroxid liegt vorzugweise im Bereich vcn 10 bis 50 %, besonders bevorzugt von 15 bis 40%, und insbesondere von 20 bis 30%, oder bei ca. 20%. Erfindungsgemäß beträgt die Verarbeitungstemperatur der Gesamtzusammensetzung deshalb vorzugsweise höchstens 270ºC, besonders bevorzugt höchstens 260ºC, und insbesondere höchstens 250ºC. Auch wenn ein Polyimid- Siloxan eine der Komponenten der Zusammensetzung ist, die, wenn sie allein verwendet würde, eine Verarbeitung bei höheren Temperaturen (z. B. 300ºC für Polyetherimid-Siloxan) erfordern würde, bedeutet die Tatsache, daß sie nur als Nebenkomponente (mit weniger als 40 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung) verwendet wird, das die Gesamtzusammensetzung bei niedrigeren Temperaturen verarbeitet werden kann. Durch Zugabe von Magnesiumhydroxid wird eine Zusammensetzung erhalten, die gute Flammschutzeigenschaften und gute Rauchbildungseigenschaften besitzt.
  • Ein erfindungsgemäß besonders bevorzugt verwendetes Polyimid- Siloxan-Copolymer ist ein Polyetherimid-Siloxan, Siltem 1500 (bezogen von General Electric Plastics).
  • Die erfindungsgemäße Polymerzusammensetzung ist vorzugsweise elektrisch isolierend.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist besonders geeignet als Isolierschicht auf einem elektrischen Draht oder Kabel, und gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein elektrischer Draht oder ein Kabel bereitgestellt, der (das) mit einer Isolierschicht aus einer Polymerzusammensetzung nach dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt versehen ist. Die Schicht aus der Polymerzusämmensetzung kann als Einzelschicht-Primärisolierung, als innere oder äußere Schicht einer zweiwandigen Drahtkonstruktion, oder als eine Schicht in einer mehrwandigen Konstruktion vorgesehen sein. Die Isolierschicht kann auch als Kabelisoliermantel auf einem einzelnen Draht oder and einem Drahtbündel vorgesehen sein. Die Isolierzusammensetzung kann auf dem Draht z. B. durch Extrudieren vorgesehen werden.
  • Erfindungsgemäß werden auch selbsttragende Artikel, z. B. Hohlkörper, wie z. B. röhrenförmige oder verzweigte Formkörper, die auls einer Zusammensetzung gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt bestehen, bereitgestellt.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ist vorzugsweise vernetzbar und kann vernetzt sein. Das Vernetzen kann auf bekannte Weise unter Verwendung von Elektronenstrahlen hoher Energie oder durch Peroxid-Härtung erzielt werden. Wenn die Zusammensetzung auf einem Draht oder Kabel vorgesehen ist, wird das Vernetzen vorzugsweise nach der Applikation der Zusammensetzung auf dem Draht oder Kabel durchgeführt.
  • Es wurde gefunden, daß die bevorzugten Zusammensetzungen, in denen die erste Komponente ein Polyester oder eine Mischung von Polyestern ist, und insbesondere solche, die Polyester/Ester sind oder diese enthalten, für viele technische Anforderungen von Drahtbeschichtungen besonders gut geeignet sind, und überraschend bequem und wirtschaftlich zu verarbeiten sind.
  • Beispiel 1
  • Aus den nachstehenden Komponenten wurde ein mit einer erfindungsgemäßen Polymerzusammensetzung beschichteter Kupferleiter hergestellt:
  • Komponente Gew.-% -
  • VALOX 325, pelletisiert 46
  • SILTEM 1500, pelletisiert 30
  • Magnesiumhydroxid 20
  • STABOXOL P 2
  • Titandioxid 2
  • VALOX 325 ist ein von General Electric erhältliches Polybutylenterephthalat.
  • SILTEM 1500 ist ein von General Electric Plastics erhältliches Polyetherimid-Siloxan.
  • STABOXOL P ist ein als Hydrolysestabilisator zugegebenes Polycarbodiimid, und Titandioxid wird als Pigment zugegeben.
  • Die vorstehenden Komponenten wurden mindestens 4 Stunden lang bei 120ºC getrocknet, und die Pellets von VALOX und SILTEM dann miteinander gemischt, und das gepulverte Magnesiumhydroxid, STABOXOL P, und das Titandioxid auf ähnliche Weise miteinander gemischt. Die zwei trockenen Mischungen wurden dann getrennt in die Vorlaufzone eines Doppelschneckenextruders, dessen maximale Temperatur auf 250ºC eingestellt war, gegeben. Die Materialien wurden im Extruder vollständig gemischt und das homogene Extrudat abgekühlt und zur weiteren Verarbeitung pelletisiert.
  • Die nach dem vorstehenden Verfahren erhaltenen Pellets wurden bei 120ºC 4 Stunden lang getrocknet, und in einem Einschneckenextruder, dessen maximale Temperatur auf 250ºC eingestellt war, gegeben. Das Extrudat wurde auf einen 18 AWG- Zinn-beschichteten Kupferleiter aufgezogen, und ein isolierter Draht mit einer Isolierschichtdicke von 0,25 mm (0,01 Inch) bei einer Anlagegeschwindigkeit von 20 m/min erhalten.
  • Beispiel 2
  • Auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 beschrieben wurde unter Verwendung der nachstehenden Komponenten eine Polymerzusammensetzung hergestellt:
  • Komponente Gew.-%
  • Elastotec ESSil 36,63
  • Siltem 1300 29,70
  • Magnesiumhydroxid 29,70
  • Irganox 1010 (Antioxidans) 0,99
  • Staboxol P 1,98
  • Titandioxid (wahlweise) 1,00
  • Das Elastotec-Material ist ein Polyester-Blockcopolymer mit harten Polybutylenterephthalat-Blöcken und weichen Polycaprolacton-Blöcken, erhältlich von Elastogran GmbH, einer Tochtergesellschaft der BASF.
  • Beispiel 3 Zweiwandige Drahtbeschichtungen
  • A. Die Zusammensetzungen der Beispiele 1 bzw. 2 wurden auf an sich bekannte Weise extrudiert und auf einen Draht aufgezogen, der bereits einen 0,15 mm dicken Überzug aus Polyethylen hoher Dichte, der die üblichen Mengen von üblichen Drahtbeschichtungsadditiven, wie z. B. Antioxidans, Metallaktivator, Pigment, usw., aufwies, aufgezogen. Dadurch wurde ein Draht mit einer primären Kernisolierung aus dem HDPE, und einer ebenfalls 0,15 mm dicken primären Ummantelung aus den Zusammensetzungen der Beispiele 1 bzw. 2 erhalten. Solche Drähte sind für Anwendungen, bei denen es nicht erforderlich ist, daß der Mantel an den Kern gebunden ist, sehr geeignet.
  • B. Teil A wurde wiederholt, wobei die HDPE-Kernbeschichtung durch eine ähnliche Beschichtung auf der Basis von Polybutylen terephthalat ersetzt wurde. Auf diese Weise wurden Drähte mit auf dem Kern gebundenem Mantel erhalten.
  • Beispiel 4
  • Auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 beschrieben wurde unter Verwendung von "Armitel" (Warenzeichen) UM550, einem thermop lastischen Polyester-Ester-Urethan, erhältlich von Akzo Plastics, eine erfindungsgemäße Polymerzusammensetzung hergestellt. Die 33 Teile Armitel UM550, 20 Teile Siltem 1300, 45 Teile Magnesiumhydroxid, und 2 Teile Staboxol-P enthaltende Zusammensetzung ergab einen LOI-Wert von 31%, und behielt nach dem Altern bei 150ºC während 0,605 Megasekunden (168 Stunden = 1 Woche) in Form einer Einzelbeschichtung einer Dicke von 0,2 V mm (0,009 Inch) auf einem 16 AWG-Draht eine Dehnung von 63% bei.
  • Das PBT/Polycaprolacton-Polyesterester-Material des Beispiels 2 ist bevorzugt, weil festgestellt wurde, daß es höhere Mengen (z. B. über 30 Gew.-%) des flammhemmenden Magnesiumhydroxids ermöglicht und bei der Alterung während 0, 1908 Megasekunden (53 Stunden) in einem Ofen bei 180ºC einem Sprödwerden wiedersteht. Das war überraschend, weil Mischungen aus Polycaprolacton mit PBT keine solche Widerstandsfähigkeit gegenüber Sprödwerden zeigten. Es wurde auch gefunden, daß Polyetherester-Blockcopolymere, wie z. B. "Hytrel" (Warenzeichen) einem Sprödwerden unterliegen, und sie werden deshalb von dem hier verwendeten Ausdruck Polyester vorzugsweise ausgenommen. Vorzugsweise behält die Polymerzusammensetzung nach dem. Altern eine Dehnung von über 100% bei.
  • Überraschenderweise wurde festgestellt, daß das Koextrudieren der Kern- und Mantelschichten (anstelle einer hintereinanderfolgenden Extrusion) auf dem Draht die Widerstandsfähigkeit gegenüber Durchschneiden der Isolierung sogar dann verbessert, wenn diese mit dem anspruchsvollen "Daumen-Nagel-Test" ("thumbnail test") getestet wird. Dies trifft insbesondere für die bevorzugte HDPE-Kernschicht mit dem Mantel des Beispiels 2 zu. Die erfindungsgemäßen Mischungen scheinen eine synergistische Eigenschaftsverbesserung auszubilden, wie dies z. B. durch die Tatsache gezeigt wird, daß eine Mischung aus 54% PBT und 36% "Siltem" mit 10% einer Stabilisator-Vormischung (20% "Staboxol" in "Hytrel"-Polymer) nach dem Altern bei 150ºC während 0,605 Megasekunden (168 Stunden = 1 Woche) eine Dehnung von 104 % beibehält, während PBT oder Siltem allein (mit dem gleichen Stabilisatorgehalt) nach einer ähnlichen Alterung jeweils weniger als 50% Dehnung beibehalten. Das vorstehend genannte "Elastotec" E5511 des Beispiels 2 erleidet beim Altern, wenn das "Siltem" weggelassen wird, ebenfalls einen starken Dehnungsverlust.

Claims (12)

1. Elektrisch leitender Draht oder Kabel, versehen mit einer Isolierschicht aus einer Polymerzusammensetzung mit einem LOI von mindestens 29% (oder mindestens 28%, oder mindestens 27%), die eine Mischung umfaßt aus
(a) einer ersten Komponente, die ein Polyester oder eine Mischung von Polyestern ist, wobei der Polyester oder die Mischung
(i) in Abwesenheit einer anderen Komponente einen LOI von höchstens 21% zeigt, und
(ii) im wesentlichen halogenfrei ist; und
(b) höchstens 40 Gew.-% (bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung) einer zweiten Komponente, die ein Polyimid- Siloxan-Polymer ist, und vorzugsweise ein Polyetherimid- Siloxan-Polymer.
2. Draht oder Kabel nach Anspruch 1, umfassend höchstens 35 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 25 Gew.-%, der zweiten Komponente.
3. Draht oder Kabel nach Anspruch 1, umfassend höchstens 30 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 20 Gew.-%, der zweiten Komponente.
4. Draht oder Kabel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Komponente ein Polyester/Ester-Blockcopolymer ist.
5. Draht oder Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Magnesiumhydroxid in einem Bereich von 10 bis 50 Gew.-%.
6. Draht oder Kabel nach Anspruch 5, umfassend Magnesiumhydroxid in einem Bereich von 10 bis 30 Gew.-%.
7. Draht oder Kabel nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß er/es bei einer Temperatur von weniger als 270ºC, und vorzugsweise von weniger als 250ºC, verarbeitet wurde.
8. Draht oder Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er/es eine primäre Kernisolationsschicht umfaßt, die von einer Mantelschicht der Polymerzusammensetzung überdeckt wird.
9. Draht oder Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht ein Polyolefin, vorzugsweise ein Polyethylen hoher Dichte, umfaßt.
10. Draht oder Kabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht einen Polyester, vorzugsweise Polybutylenterephthalat, umfaßt.
11. Draht oder Kabel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht und die Mantelschicht darauf koextrudiert sind.
12. Draht oder Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Polymerschicht nach Aufbringen der Schicht(en) auf den Draht oder das Kabel vernetzt wurden.
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