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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einem feuerfesten und halogenfreien
Sicherheitskabel, dessen Funktionsfähigkeit unter Brandbedingungen während einer
bestimmten Dauer einwandfrei erhalten bleibt, ohne dass es deswegen
brandfortleitend wäre
oder erheblicher Rauch und halogenierte Gase entwickeln würde. Diese
Sicherheitskabel sind insbesondere Kabel für den Energietransport oder
Kabel für
Niedrigfrequenzübertragung,
wie etwa Prüfkabel oder
Signalkabel.
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Diese
Anforderungen schließen
die Verwendung von Materialien wie PVC und Fluorpolymeren in den
Kabeln aus. Sie haben zu der Verwendung von halogenfreien hochfeuerfesten
Barrieren um jede Drahtleitung oder zwischen der Isolierung einer
jeden Drahtleitung und dem Kabelmantel oder von halogenfreien und
feuersicheren Kunststoffmischungen als Isolations-material und/oder
Ummantelung geführt.
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In
der Kurzbeschreibung
JP-A-31
10713 wird ein Stromkabel bekannt gemacht, das eine feuerfeste
Barriere zwischen der Drahtleitungsisolierung und dem halogenfreien
Mantel eines Stromkabels aufweist. Diese Barriere wird durch ein
Band gebildet, das ein Natriumcarbonat oder ein Natriumhydrogencarbonat
enthält,
das ab einer Temperatur von etwa 400°C Kohlendioxid freisetzt und
eine selbstlöschende
Funktion erfüllt.
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In
der Patentschrift
WO 86/03 329 wird
die Verwendung einer oder mehrerer Bandisolierungen bekannt gemacht,
die Glasfaser und/oder Mica enthalten, um dadurch eine feuerfeste
Barriere um eine Drahtleitung zu bilden.
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Der
Einbau dieser feuerfesten Barrieren verursacht einen oder mehrere
zusätzliche,
relativ langwierige und aufwändige Arbeitsgänge bei
der Fertigung des Kabels. In der Praxis wird die Verwendung einer
halogenfreien und feuerfesten Mischung für die Extrusion als Isolierung
und/oder Kabelmantel häufig vorgezogen,
um die Arbeitsgänge
bei der Fertigung mit Bandisolierung zu vermeiden.
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Man
kennt zahlreiche halogenfreie und feuerfeste Mischungen, die als
Isolierung und/oder Ummantelung auf dem Gebiet der Stromkabel einsetzbar
sind.
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Durch
die Patentschriften
EP-A-54424 und
EP-A-82407 wird eine
solche Zusammensetzung bekannt gemacht, die eine Mischung aus einem
ersten Elastomerbestandteil und aus einem zweiten Plastomerbestandteil
umfasst, einen mineralischen Füllstoff
mit einem metallischen Hydroxid und eventuell Carboxylgruppen. Der
Anteil des metallischen Hydroxids beträgt 180 bis 320 Gewichtsprozent
bezogen auf das Mischungsgewicht und verleiht damit der Mischung
eine brandverzögernde
und nicht brandfortleitende Eigenschaft.
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In
der Patentanmeldung
EPA-0448381 wird eine
thermoplastische Zusammensetzung derselben Art für die Ummantelung eines Kabels
mit einer Mischung aus einem Elastomer und einem Plastomer und 150
bis 250 Gewichtsprozent eines metallischen hydroxiden Füllstoffs
bekannt gemacht. Diese Mischung enthält keine mit dem genannten
Füllstoff verbundene
Karbonsäuregruppen.
Sie besteht aus 20 bis 35 Gewichtsprozent Polyethylen-Vinylacetat-Copolymer und 65
bis 80 Gewichtsprozent Ethylen-Vinylacetat-Copolymer.
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Durch
die Patentschrift
FR-A-2
241 580 wird eine andere Zusammensetzung derselben Art
bekannt gemacht, die aus einem Polyethylen-Ethylen-Vinylacetat-Copolymer,
hydriertem Aluminiumoxid, einem Silikonelastomer und je nach gewünschten
Eigenschaften aus eventuellen Additiven und Kopplungsstoffen besteht,
und die mit Hilfe eines tertiären
Peroxids verbunden ist. Die Gewichtsteile auf 100 Teile Copolymer
betragen 25 bis 150 Teile hydriertes Aluminiumoxid, 2 bis 25 Teile
Silikonelastomer und 2 bis 10 Teile tertiäres organisches Superoxid.
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Die
Patentschrift
GB-A-2
060 652 beschreibt eine andere Zusammensetzung derselben
Art, bestehend aus einem organischen Polymer, insbesondere einem
Ehtylencopolymer, einem Polysiloxan, einem Salz einer Carboxylsäure eines
Metalls der Gruppe II A und möglicher
Additive, wie vor allem Kieselerde und andere brandverzögernde Bestandteile.
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Die
Patentschrift
FR-A-2
601 377 macht ebenfalls eine Zusammensetzung derselben
Art, mit formbaren Keramikwerkstoffen, bekannt. Diese Zusammensetzung
enthält
ein Polydiorganosiloxan, besonders mit Methyl- und Vinylgruppen,
einen Füllstoff zur
Verstärkung
aus Kieselerde, ein Copolymer aus Siloxan und Kieselerdeeinheiten
und mit Kohlenwasserstoffgruppen, beispielsweise mit Methyl-, Ethyl-, Vinyl-
und Phenylgruppen, mit Mica in Partikel- oder Pulverform und einem
organischen Peroxyd. Die Gewichtsteile des Mica betragen 40 bis
220 auf 100 Gewichtsteile Polydiorganosiloxan.
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In
der Patentschrift
FR-A-2
450 855 wird ebenfalls eine feuerfeste Siloxanzusammensetzung bekannt
gemacht, die bei einer Exposition über 500°C in eine widerstandsfähige und
homogene Substanz umgewandelt wird. Diese Zusammensetzung enthält einen
formbaren Keramikwerkstoff, der aus der großen Anzahl der vorhandenen
natürlichen oder
synthetischen Stoffe ausgewählt
wird, die in feiner Pulverform verwendet und in der Mischung dispergiert
werden. Der Anteil des formbaren Keramikfüllers kann 3 bis 300 Gewichtsteile
in der Mischung betragen. Er wird, wenn die Mischung hohen Brandtemperaturen
ausgesetzt ist, je nach den gewünschten
keramischen Eigenschaften der Mischung festgelegt, und je nach gewünschter
Elastizität
dieser Mischung bei normalen Gebrauchstemperaturen.
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Unter
den bereits bekannten verschiedenen Isolations- und/oder Kabelmantelmischungen
wie beispielsweise die oben genannten Mischungen werden die Mischungen,
die einen mineralischen Füllstoff
aus metallischem Hydroxid enthalten unter der Einwirkung von Feuer
in Restasche umgewandelt, aber das Kabel bleibt nicht vollständig erhalten. Durch
die Mischungen mit einem formbaren Keramikfüller wird es dagegen ermöglicht,
dass das Kabel vollständig
erhalten bleibt. Sie sind relativ teuer im Vergleich zu den Polyolefin-Mischungen
mit mineralischen Füllstoffen.
Sie weisen auch eine geringere Elastizität als letztere auf.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, das zuverlässige Verhalten eines Sicherheitskabels
unter Brandbedingungen zu verbessern, und dabei soweit möglich den
spezifischen Oberflächenwiderstand und
den spezifischen Volumenwiderstand der Isoliermasse zu erhalten
oder die Verringerung dieser Widerstände zu minimieren, wenn die
Isoliermasse hohen Brandtemperaturen ausgesetzt ist.
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Sie
befasst sich mit einem feuerfesten und halogenfreien Sicherheitsstromkabel,
das mindestens einen Drahtleiter, eine Isolierung um jeden Leiter und
einen äußeren Kabelmantel
umfasst, bei dem mindestens ein für die Isolierung jedes Drahtleiters und
des Kabelmantels festgelegter Bestandteil in einer ersten Mischung
ausgeführt
ist, die durch einen polymeren Stoff gebildet wird, der mindestens
einen formbaren Keramikfüllstoff
enthält
und daher in der Lage ist, bei hohen Temperaturen entsprechend Brandbedingungen
zumindest oberflächlich
zu keramisieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung jedes
Drahtleiters lediglich in der genannten ersten Zusammensetzung ausgeführt ist,
dass Hohlräume
zwischen dem genannten Kabelmantel und der genannten Isolierung
für jeden
Drahtleiter vorgesehen sind und mindestens 10% des Querschnitts
des genannten Kabels einnehmen, und dass der Kabelmantel in einer
zweiten Polyolefinzusammensetzung ausgeführt ist, die mindestens einen
Füllstoff
aus metallischem Hydroxid enthält,
um vollständig
zu verbrennen und sich unter der Einwirkung von Feuer in Restasche
umzuwandeln.
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Vorteilhafterweise
enthält
die genannte zweite Mischung des genannten Kabelmantels außerdem ein
zusätzliches
Bindemittel, um den Tropfenfluss bei der Verbrennung zu reduzieren,
das aber unter Brandbedingungen nicht für die Umwandlung der zweiten
Zusammensetzung in den keramischen Zustand ausreichend ist.
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In
dem erfindungsgemäßen Kabel
ist der polymere 5 Stoff ein Polysiloxan oder ein Ethylencopolymer
oder eine Mischung aus beidem.
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Die
besonderen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor,
die in der beigefügten
Zeichnung dargestellt sind. In dieser Zeichnung ist folgendes enthalten:
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1 ist
ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Sicherheitskabel mit zwei
Drahtleitern,
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2 ist
ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes dreiphasiges Stromkabel.
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In
diesen Abbildungen haben analoge Elemente dieselben Bezugszahlen.
Die dargestellten Kabel führen
zwei oder drei Drahtleiter 1, weisen eine Isolierung 2 um
jeden Drahtleiter auf und einen äußeren Kabelmantel 3.
Zwischen diesem Kabelmantel und den von ihm umgebenen isolierten
Drahtleitern befinden sich Hohlräume 4.
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In
den erfindungsgemäßen Kabeln
besteht die 25 Isolierung 2 um jeden Drahtleiter aus einer polymeren
Mischung, die durch ein Polysiloxan und/oder ein Ethylencopolymer
gebildet wird, und die vor allem einen unter hohen Brandtemperaturen formbaren
Keramikfüller
enthält.
Der äußere Kabelmantel 3 selbst
besteht aus einer Polyolefin-Mischung mit mineralischen Füllstoffen,
die sich unter den hohen Temperaturen bei Brand in Restasche umwandeln.
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Die
Patentantragstellerin hat herausgefunden, dass derartige Sicherheitskabel
mit diesem Isolationstyp, dieser Kabelmantelart und Hohlräumen zwischen
der Isolierung und der Ummantelung im Vergleich zu den bisherigen
Kabeln ein verbessertes Verhalten im Brandfall aufweisen. Sie begründet diese
Verbesserung einerseits mit der Wahl der zwei Zusammensetzungen
für die
Isolierung und den Kabelmantel und andererseits mit dem Vorhandensein
von Hohlräumen
im Kabelaufbau.
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Die
Hohlräume
nehmen mindestens 10% des Kabelquerschnitts ein. Diese Hohlräume begünstigen
die vollständige
Verbrennung dieses Kabelmantels bei Brand, da in diesen Hohlräumen Sauerstoff
vorhanden ist und da sich die Restasche dieses umgewandelten Kabelmantels
von der Isolierung der Drahtleiter löst. Sie begünstigen dazu bei hohen Temperaturen
wie im Brandfall den Abbau eines Teils des in den Kabelmantel- und
Isolierungsmischungen enthaltenen Kohlenstoffs in Form von Gas,
das aus der Verbindung von Kohlenstoff und Sauerstoff entsteht.
Der auf diese Weise abgebaute Kohlenstoff legt sich nicht auf der
Isolierung ab, die zumindest oberflächlich in einen keramischen
Zustand übergeht.
Es wurde dagegen festgestellt, dass das Vorhandensein von Kohlenstoff
im Kabel bei der Verbrennung einen entscheidenden und schädlichen Einfluss
auf den spezifischen Volumenwiderstand und den spezifischen Oberflächenwiderstand
der Isolierung der Drahtleiter ausübt. Die Verringerung der Kohlenstoffmenge,
die während
der Verbrennung im Kabel vorhanden ist, ermöglicht es, dass der Isolierungswiderstand
in einer solchen Größenordnung erhalten
bleibt, dass die Funktion des Kabels weiterhin einwandfrei erhalten
bleibt.
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Gleichzeitig
bewirkt die auf diese Weise begünstigte
Verbrennung des Kabelmantels und seiner vollständigen und relativ schnellen
Umwandlung in Restasche, dass die Isolierung zumindest oberflächlich schnell
keramisiert und von da an das Kabel unter Brandbedingungen physikalisch
vollständig
erhalten bleibt. Die Dauer der Übergangsphase
dieser Umwandlung in zumindest oberflächlichen keramischen Zustand
bei 400 bis 600°C
wird reduziert, um eventuelle Makrofissuren minimal zu halten, die
während
dieser Übergangsphase
auftreten können.
Diese vollständige
Verbrennung des Kabelmantels aus einer Polyolefin-Mischung erfolgt
unter minimaler Entwicklung von Rauch und toxischem Gas und ohne Brandfortleitung.
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Vorteilhafterweise
kann die Mischung des Kabelmantels auch ein Bindemittel enthalten,
vor allem einen formbaren Keramikfüllstoff, der bereits zu einem
geringen Teil in der Kabelmantelmischung enthalten ist, um den Tropfenfluss
während
der Verbrennung und damit auch eine mögliche Brandfortleitung zu
vermeiden, aber ohne dabei zu einer Veränderung dieser Mischung im
keramischen Zustand zu führen.
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Des
Weiteren wirken sich die gewünschten Hohlräume zwischen
der Isolierung eines jeden Drahtleiters und dem Kabelmantel als
vorteilhaft bei den für
den 30 Kabelmantel verwendeten Mischungsmengen aus, da die natürlichen
Zwischenräume
in einer Kabeleinheit mit mehreren isolierten Drahtleitern nicht
auszufüllen
sind.
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Allein
schon hierdurch werden die Kosten sowie die Rauch- und Gasentwicklung
reduziert.
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Auch
wenn dies nicht dargestellt ist, kann man, indem man die erfindungsgemäßen Mischungsarten
verwendet, solche Zwischenräume
in einem Kabel mit einem isolierten und dann ummantelten Drahtleiter
mit den entsprechenden Mitteln schaffen, aber natürlich ohne
dass Hohlräume
zwischen dem isolierten Drahtleiter und dem Kabelmantel bestehen,
beispielsweise indem man ein Trennstück zwischen der Isolierung
und dem Kabelmantel oder Innenrippen oder Nuten in dem Kabelmantel vorsieht.