EP1801817A1 - Cable comportant une couche de matière fibreuse imprégnée et procédé d'imprégnation correspondant - Google Patents

Cable comportant une couche de matière fibreuse imprégnée et procédé d'imprégnation correspondant Download PDF

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EP1801817A1
EP1801817A1 EP06301242A EP06301242A EP1801817A1 EP 1801817 A1 EP1801817 A1 EP 1801817A1 EP 06301242 A EP06301242 A EP 06301242A EP 06301242 A EP06301242 A EP 06301242A EP 1801817 A1 EP1801817 A1 EP 1801817A1
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EP
European Patent Office
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cable
impregnating
varnish
impregnating varnish
resin
Prior art date
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EP06301242A
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English (en)
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EP1801817B1 (fr
EP1801817B8 (fr
Inventor
Daniel Pineau
Olivier Pinto
Elisabeth Tavard
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans France SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/47—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes fibre-reinforced plastics, e.g. glass-reinforced plastics

Definitions

  • the present invention relates to an energy and / or telecommunication cable which is provided with a layer of fibrous material covered with an impregnating varnish.
  • the invention also relates to a process for impregnating a layer of fibrous material.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application in the field of silicone insulated cables.
  • Silicone is known to offer excellent dielectric properties, and that is why it is widely used today to realize the insulating layers of energy and / or telecommunication cables.
  • This type of material has a number of disadvantages when it is used as an outer coating of a cable.
  • a major inconvenience stems from the fact that the silicone has a natural tendency to take dust, which is aesthetically detrimental to the appearance of the cable, and therefore embarrassing commercially speaking.
  • This material also has the disadvantage of being insufficiently slippery, thus penalizing the ease of handling of the cable, for example in the case of implantation in a hollow body.
  • the silicone has a real mechanical fragility, which actually results in a high risk of damage by perforations and / or cuts.
  • one of the solutions used today consists of to cover the silicone insulator with an additional layer of protection in the form of a braid generally made of synthetic fabric.
  • a braid generally made of synthetic fabric.
  • polyethylene terephthalate for essentially cost reasons, such a braid is however not immune to mechanical damage, including linting problems. This is why the braid is usually impregnated with a varnish based on polymer resin, which is able to provide the cable with good sliding and anti-friction properties.
  • the impregnating varnishes of the state of the art generally consist of polymer resins in solvent base, which are preferably crosslinkable.
  • solvent base which are preferably crosslinkable.
  • thermo-crosslinkable polyurethane resin in solution in ethyl acetate. It should be noted that even if the use of a single organic solvent is perfectly conceivable, use will most often be made of a mixture of organic solvents.
  • the application of such a varnish is carried out initially by directly impregnating the braid, then in a second time by passing the cable in a series of ovens charged on the one hand to evaporate the solvent phase, and on the other hand to generate, if necessary, the thermal crosslinking of the polymer resin.
  • a first serious drawback with the resins in a solvent base is that they give off high amounts of volatile organic compounds during drying and / or crosslinking of the impregnating varnish. Or some of these organic compounds volatiles pose real problems of toxicity and / or flammability.
  • a second disadvantage derives from the fact that the silicone is not very resistant to the solvent, which gives the latter the possibility of penetrating the insulation and thus causing damage to the electrical insulation properties. It is of course possible to protect the silicone by placing at the interface between the braid and the insulation, a polyester tape able to prevent any contact between the solvent of the impregnating varnish and the silicone of the insulation. But this solution is unfortunately expensive, because regardless of the additional cost related to the intrinsic cost of ribbon, it requires an additional manufacturing step. Furthermore, a cable incorporating such a tape is unpleasantly noisy when it is handled, which ultimately undermines the quality of the product.
  • the technical problem to be solved by the object of the present invention is to propose an energy and / or telecommunication cable comprising a layer of fibrous material covered with an impregnating varnish, which cable would make it possible to avoid problems of the state of the art including providing a significantly increased level of safety for people and the environment, and significantly improved mechanical properties, while still inexpensive to manufacture.
  • the impregnating varnish is derived from a composition comprising a polymer resin, water and a surfactant.
  • surfactant also called surfactant in the state of the art, may be of any kind provided that it is able to make compatible the chosen polymer resin and water.
  • the invention relates to any cable incorporating a layer of impregnated fibrous material, whether said cable is electrical or optical, single or multicore.
  • Each insulator individually associated with each conductor, or collectively with a set of insulated conductors, can also be of any known nature.
  • the fibers used can thus be of natural origin such as cotton, linen, silk; of synthetic or semi-synthetic origin and in particular polyester, polyethylene terephthalate, polyamide, aramid; of mineral origin as for carbon, glass; of metallic origin.
  • the layer of fibrous material may also have any structure, for example woven or non-woven, and associate several different types of fibers.
  • the invention as thus defined has the main advantage of considerably reducing the emissions of volatile organic compounds during the manufacture of a cable, more particularly during the drying and / or crosslinking of the impregnating varnish.
  • the use of an aqueous solvent instead of the organic solvents of the state of the art makes it possible to drastically reduce the problems of toxicity and flammability related to the emissions in question, and therefore to comply with in terms of security to a number of regulations in force or to come, that the latter concern people and / or the environment.
  • the absence of corrosivity is also a benefit of choice.
  • an impregnating varnish according to the invention does not alter the properties of the insulating materials, and more generally preserves the final flexibility of the cable on which it is applied.
  • the use of an aqueous base resin according to the invention furthermore advantageously improves the sliding properties and abrasion resistance of the cable.
  • the polymer resin is chosen from acrylic resins, alkyd resins, polyurethane resins, epoxy resins, phenoxy resins, polyester resins, polyesterimide resins, or any mixture of these compounds.
  • the polymer resin is polyurethane type because this particular type of resin offers the best compromise to date in terms of thermomechanical properties, price and commercial availability.
  • the polymer resin is chosen to be curable, whether thermally or by radiation.
  • the composition of the impregnating varnish has less than 10% of surfactant, and preferably less than 2%.
  • the composition of the impregnating varnish further comprises less than 5% of organic solvent.
  • organic solvent is present with the water in the impregnating varnish composition.
  • the organic phase can be chosen in any way.
  • conventional organic solvents mention may be made of glycols, ketones, esters and hydrocarbons. It can consist of a single organic solvent or a mixture of this type of compounds.
  • the composition of the impregnating varnish is further provided with at least one constituent chosen from a coloring agent such as a pigment or a colorant, a wetting agent intended to allow a good spreading the polymeric resin, a crosslinking agent, a crosslinking reaction catalyst, a flame retardant filler, a thermal stabilizer or antioxidant, an abrasion-enhancing agent or an anti-abrasion agent, a slip-enhancing agent or agent slip, a viscosity adjuster.
  • a coloring agent such as a pigment or a colorant
  • a wetting agent intended to allow a good spreading the polymeric resin
  • a crosslinking agent such as a pigment or a colorant
  • a wetting agent intended to allow a good spreading the polymeric resin
  • a crosslinking agent such as a pigment or a colorant
  • a wetting agent intended to allow a good spreading the polymeric resin
  • a crosslinking agent such as a pigment or a colorant
  • a wetting agent intended to allow
  • the viscosity of the impregnating varnish is between 50 and 20000mPas, and preferably between 100 and 2000mPas.
  • the weight of impregnated varnish deposited is between 1 and 100 g / m 2 , and preferably between 10 and 40 g / m 2 .
  • the cable is further provided with at least one component selected from a stuffing, a screen, a ribbon, a tube, an outer encapsulation coating.
  • the impregnation step is carried out using a technique chosen from spraying and soaking.
  • the impregnation process may further comprise a step of crosslinking the impregnating varnish after the drying step.
  • the impregnation process may comprise an additional step of cooling the impregnated and dried cable, and optionally crosslinked.
  • the comparative example has a dual purpose. The first is to determine and compare the thermomechanical properties of an impregnating varnish according to the invention, with those of a varnish typical of the prior art.
  • the second objective of the comparative example consists in checking directly on cables, the behavior of the two types of varnish in case of encapsulation of said cables by a polymer resin applied by vacuum impregnation.
  • Two impregnation varnishes are prepared for use in protecting the same type of energy and / or telecommunication cable with a layer of fibrous material.
  • composition A relating to an aqueous base resin according to the invention
  • composition B corresponds to a solvent base resin of the prior art.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as a percentage of their various constituents.
  • Table 1 details the precise compositions of the two types of varnish, as well as the proportions expressed as
  • the polymer resin of composition A is a self-crosslinking aliphatic polyurethane, which is sold under the trademark "Bayhydrol VPLS 2153" by the company Bayer. It is a mono-component resin, thus preformulated, which contains a hydroxylated polyurethane mixed in water with an isocyanate blocked by a butanone oxime group.
  • the polymer resin of composition B is in the form of a two-component resin whose constituents are to be mixed just before the actual use of the impregnating varnish.
  • the reaction between the diol and the diisocyanate leads to the formation of a resin which is also a polyurethane, with the difference that it is here in solution in an organic solvent.
  • composition A also has a dispersing function.
  • this is a product sold under the brand "Additol XL250" by the company Air Products.
  • the crosslinking catalyst of the composition A is constituted by Mercapto butyl tin, sold under the name "Irgastab 17M” by the company Ciba.
  • composition A consists of a product sold by Ciba under the name "Unisperse Red Oxide R-S”.
  • aqueous-based one-component polyurethane-based varnish A and the two-component solvent-based reference lacquer B are then used in the form of films in order to obtain samples capable of undergoing a series of tests intended to to evaluate their thermomechanical properties.
  • each impregnating varnish is dried and crosslinked in an oven at a temperature of 140 ° C for 30 minutes, before being characterized.
  • film samples A and B obtained respectively correspond to compositions A and B.
  • Thermomechanical analyzes are then conducted on different samples A and B, in order to determine the thermomechanical properties of the impregnating varnishes. This is done using dry extract measurements, mechanical dynamic analysis (DMA), thermogravimetric analysis (TGA), Young's modulus determination, Persoz hardness measurements, as well as friction coefficient measurements.
  • DMA mechanical dynamic analysis
  • TGA thermogravimetric analysis
  • Young's modulus determination Young's modulus determination
  • Persoz hardness measurements as well as friction coefficient measurements.
  • - Dry extract The mass measurements are carried out after 2 hours at 100 ° C. and expressed as a percentage on 1 g of each sample tested.
  • Thermogravimetric analysis (ATG): It is conducted using a specialized machine type "TA instruments Q500", with a temperature range of 30 to 400 ° C and a temperature rise rate of 10 ° C / min. Concretely, the mass of each sample is continuously measured as the temperature rises, until the total degradation of said sample. The temperature T 10%, which has lost 10% of mass, is then deduced, which temperature is representative of the thermal stability of the sample.
  • Young's modulus measurements The tensile tests are carried out using a "Zwick / Roell Z010" type machine. The preload is 0.1N @ 30mm / min, and the test speed is set at 100mm / min.
  • the elongation at break and the tensile strength of each sample are measured, then the Young's modulus is determined between 0.5 and 1.5% elongation by making the ratio of stress to elongation.
  • - Persoz hardness The test is carried out according to the NFT 30-016 standard, with a Persoz durometer which measures the damping time of a pendulum resting on the sample to be studied by means of two steel balls. The hardness, which is expressed in seconds, corresponds to the oscillation time of the pendulum between a starting position corresponding to an initial inclination of 12 ° relative to the normal, and a final position corresponding to an inclination of 4 °.
  • this consists of applying impregnation varnishes A and B on the same type of energy and / or telecommunication cable with a layer of fibrous material, to dry and crosslink the whole.
  • connection cable whose nominal voltage is 1.1 kV. Structurally, it consists of a tin-plated copper flexible conductor of 16mm 2 section, which is insulated by a silicone rubber, all wrapped by a protective polyester braid.
  • Each impregnating varnish is applied by dipping technique. Drying and crosslinking are provided by four radiant electric furnaces which are arranged in series so that the temperature rises gradually from 300 to 350 ° C to avoid any problem of annealing.
  • the line speed is 10m / min.
  • each braid impregnated with a varnish is supposed to provide the cable protection at the same time mechanical, thermal and chemical, without impairing its flexibility properties.
  • each cable is subjected to encapsulation by vacuum impregnation.
  • the procedure consists schematically to dry each cable, then to make under vacuum the application of an encapsulation resin, and finally to thermally crosslink said resin.
  • samples of cables C, D, E, F 2m in length are prepared, the ends of which are plugged with a crosslinked silicone gum.
  • Samples C and D are made from cables of the state of the art since they are impregnated with varnish B, while samples E and F are derived from cables according to the invention since they are impregnated with varnish A.
  • Two different encapsulation resins are used with each type of cable, namely a solvent-free epoxy resin and a polyesterimide in a styrene solvent.
  • the epoxy resin is associated with the cables C and E, while the polyesterimide is reserved for the cables D and F.
  • the encapsulation operation begins with a drying step of 6 hours in an oven maintained at 120 ° C.
  • Each cable C, D, E and F is then placed in an autoclave where it is subjected to vacuum for 2 hours at a constant pressure of 0.5mbar.
  • the step of vacuum application of the resin always takes place inside the autoclave. It is accomplished by implementing two vacuum / pressure cycles in which only the pressure during the vacuum phase is a variable which is a function of the nature of the chosen encapsulation resin, the other parameters remaining constant.
  • the final step of thermal crosslinking takes place in an oven.
  • the temperature is also a function of the nature of the encapsulation resin chosen, the duration remaining constant.
  • Table 3 lists the different test parameters for the four cable samples C, D, E and F. ⁇ u> Table 3 ⁇ / u> cables VS D E F Impregnation varnish B B AT AT Resin encapsulation Epoxy without solvent Polyester-imide in styrene Epoxy without solvent Polyester-imide in styrene Drying 6h 120 ° C 6h 120 ° C 6h 120 ° C 6h 120 ° C Vacuum 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar Application with 2 cycles vacuum / pressure empty 1h 2-5mbar empty 1h 15-20mbar empty 1h 2-5mbar empty 1h 15-20mbar pressure 2h to 4bar pressure 2h to 4bar pressure 2h to 4bar pressure 2h to 4bar pressure 2h to 4bar pressure 2h to 4bar Curing 8h 170 ° C 8h 130 ° C 8h 170 ° C 8h 130 ° C 8h 170 ° C 8h 130 ° C
  • Table 4 summarizes all the results concerning these controls. ⁇ u> Table 4 ⁇ / u> cables VS D E F Swelling of the insulation + 1.00% + 1.20% + 1.72% + 1.34% Cracking varnish any any any any Insulation resistance (MOhm.cm) 6.26 ⁇ 10E8 3.11 ⁇ 10E7 2.78 ⁇ 10E8 6.80 ⁇ 10E7

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Abstract

La présente invention concerne un câble d'énergie et/ou de télécommunication comportant une couche de matière fibreuse recouverte d'un vernis d'imprégnation.
L'invention est remarquable en ce que le vernis d'imprégnation est issu d'une composition comprenant une résine polymère, de l'eau, ainsi qu'un agent tensioactif.

Description

  • La présente invention concerne un câble d'énergie et/ou de télécommunication qui est pourvu d'une couche de matière fibreuse recouverte d'un vernis d'imprégnation.
  • L'invention est également relative à un procédé d'imprégnation d'une couche de matière fibreuse.
  • L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des câbles à isolants silicone.
  • Le silicone est connu pour offrir d'excellentes propriétés diélectriques, et c'est pourquoi il est largement utilisé aujourd'hui pour réaliser les couches isolantes des câbles d'énergie et/ou de télécommunication.
  • Ce type de matériau présente toutefois un certain nombre d'inconvénients dès lors qu'il est employé en tant que revêtement externe d'un câble. Un désagrément important provient du fait que le silicone a naturellement tendance à prendre la poussière, ce qui s'avère esthétiquement préjudiciable à l'aspect du câble, et donc gênant commercialement parlant. Ce matériau a également pour désavantage d'être insuffisamment glissant, pénalisant ainsi la facilité de manipulation du câble, par exemple en cas d'implantation dans un corps creux. Enfin, le silicone présente une réelle fragilité mécanique, qui se traduit dans les faits par un risque élevé de dégradation par perforations et/ou par coupures.
  • Pour remédier à l'ensemble de ces difficultés, une des solutions utilisées aujourd'hui consiste à recouvrir l'isolant silicone d'une couche supplémentaire de protection se présentant sous la forme d'une tresse généralement en tissu synthétique. Communément réalisée en polyéthylène téréphtalate pour des raisons essentiellement de coût, une telle tresse n'est cependant pas à l'abri des détériorations mécaniques, et notamment des problèmes de peluchage. C'est pourquoi la tresse est habituellement imprégnée avec un vernis à base de résine polymère, qui est à même de procurer au câble de bonnes propriétés de glissement et d'anti-friction.
  • Les vernis d'imprégnation de l'état de la technique consistent généralement en des résines polymères en base solvant, qui sont de préférence réticulables. A titre d'exemple, on peut citer une résine polyuréthane thermoréticulable en solution dans de l'acétate d'Ethyle. Il est à noter que même si l'utilisation d'un unique solvant organique est parfaitement envisageable, il sera fait usage le plus souvent d'un mélange de solvants organiques.
  • Concrètement, l'application d'un tel vernis s'effectue dans un premier temps en imprégnant directement la tresse, puis dans un second temps en faisant passer le câble dans une série de fours chargés d'une part de faire évaporer la phase solvant, et d'autre part de générer le cas échéant la réticulation thermique de la résine polymère.
  • Un premier inconvénient sérieux avec les résines en base solvant, est qu'elles dégagent des quantités élevées de composés organiques volatiles lors du séchage et/ou de la réticulation du vernis d'imprégnation. Or certains de ces composés organiques volatiles posent de réels problèmes de toxicité et/ou d'inflammabilité.
  • Un second désavantage provient du fait que le silicone s'avère peu résistant au solvant, ce qui offre à ce dernier la possibilité de pénétrer l'isolant et ainsi de provoquer des dégradations des propriétés d'isolation électrique. Il est bien entendu possible de protéger le silicone en plaçant à l'interface entre la tresse et l'isolant, un ruban en polyester à même d'empêcher tout contact entre le solvant du vernis d'imprégnation et le silicone de l'isolant. Mais cette solution se révèle malheureusement onéreuse, car indépendamment du surcoût lié au prix de revient intrinsèque du ruban, elle nécessite une étape supplémentaire de fabrication. Par ailleurs, un câble intégrant un tel ruban s'avère désagréablement bruyant dès lors qu'il est manipulé, ce qui au final nuit à l'aspect qualitatif du produit.
  • Il existe dans l'état de la technique une autre catégorie de vernis d'imprégnation, qui permet de s'affranchir des problèmes inhérents à l'emploi de solvants organiques. Cette technique consiste à remplacer la résine en base solvant, par un caoutchouc de silicone liquide couramment désigné par l'abréviation anglo-saxonne LSR.
  • Si ce type particulier de matériau s'avère incontestablement moins dangereux pour la sécurité des hommes et des équipements, il n'en demeure pas moins qu'il présente les mêmes inconvénients que ceux des isolants silicones précédemment décrits. On pense notamment ici au penchant à prendre la poussière, à la fragilité mécanique, aux propriétés de glissement médiocres et au prix de revient élevé du matériau.
  • Aussi le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention, est de proposer un câble d'énergie et/ou de télécommunication comportant une couche de matière fibreuse recouverte d'un vernis d'imprégnation, câble qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en offrant notamment un niveau de sécurité notablement accru pour les personnes et pour l'environnement, ainsi que des propriétés mécaniques sensiblement améliorées, tout en demeurant peu onéreux à fabriquer.
  • La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que le vernis d'imprégnation est issu d'une composition comprenant une résine polymère, de l'eau, ainsi qu'un agent tensioactif.
  • Il est entendu que l'agent tensioactif, également appelé surfactant dans l'état de la technique, peut être de nature quelconque sous réserve qu'il soit en mesure de rendre compatible la résine polymère choisie et l'eau.
  • Quoi qu'il en soit, l'invention concerne tout câble intégrant une couche de matière fibreuse imprégnée, que ledit câble soit électrique ou optique, mono ou multiconducteurs.
  • Chaque isolant associé individuellement à chaque conducteur, ou collectivement à un ensemble de conducteurs isolés, peut lui aussi être de toute nature connue.
  • Il en est de même pour la matière fibreuse composant la couche de protection. Les fibres utilisées peuvent ainsi être d'origine naturelle comme par exemple le coton, le lin, la soie ; d'origine synthétique ou semi-synthétique et notamment en polyester, polyéthylène téréphtalate , en polyamide, en aramide; d'origine minérale comme pour le carbone, le verre ; d'origine métallique.
  • La couche de matière fibreuse peut par ailleurs présenter une structure quelconque, par exemple tissée ou non tissée, et associer plusieurs types différents de fibres.
  • L'invention telle qu'ainsi définie présente pour principal avantage de réduire considérablement les émissions de composés organiques volatiles lors de la fabrication d'un câble, plus particulièrement lors du séchage et/ou de la réticulation du vernis d'imprégnation. L'utilisation d'un solvant aqueux, en lieu et place des solvants organiques de l'état de la technique, permet ainsi de diminuer de manière drastique les problèmes de toxicité et d'inflammabilité liés aux émissions en question, et donc de se conformer en terme de sécurité à nombre de réglementations en vigueur ou à venir, que ces dernières concernent les personnes et/ou l'environnement. L'absence de corrosivité est également un avantage de choix.
  • Par ailleurs, l'emploi d'un vernis d'imprégnation conforme à l'invention n'altère en rien les propriétés des matériaux isolants, et préserve plus généralement la souplesse finale du câble sur lequel il est appliqué. L'utilisation d'une résine en base aqueuse conforme à l'invention améliore en outre avantageusement les propriétés de glissement et la résistance à l'abrasion du câble.
  • Selon une particularité de l'invention, la résine polymère est choisie parmi les résines acryliques, les résines alkydes, les résines polyuréthanes, les résines époxy, les résines phénoxy, les résines polyesters, les résines polyesterimides, ou un quelconque mélange de ces composés.
  • De préférence, la résine polymère est de type polyuréthane car ce type particulier de résine offre à ce jour le meilleur compromis en terme de propriétés thermomécaniques, de prix et de disponibilité commerciale.
  • De manière particulièrement avantageuse, la résine polymère est choisie réticulable, que ce soit thermiquement ou par rayonnement.
  • Selon une autre particularité de l'invention, la composition du vernis d'imprégnation dispose de moins de 10% d'agent tensioactif, et de préférence moins de 2%.
  • Conformément à une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la composition du vernis d'imprégnation comporte en outre moins de 5% de solvant organique.
  • Pour des raisons essentiellement d'applicabilité et d'état de surface, il apparaît en effet souhaitable qu'une faible quantité de solvant organique soit présente avec l'eau au sein de la composition de vernis d'imprégnation. La phase organique peut être choisie de manière quelconque. On peut citer comme co-solvants organiques classiques les glycols, les cétones, les esters, les hydrocarbures. Elle peut consister en un solvant organique unique ou un mélange de ce type de composés.
  • Selon une autre particularité de l'invention, la composition du vernis d'imprégnation est en outre dotée d'au moins un constituant choisi parmi un agent de coloration tel qu'un pigment ou un colorant, un agent de mouillage destiné à permettre un bon étalement de la résine polymère, un agent de réticulation, un catalyseur de la réaction de réticulation, une charge ignifugeante, un stabilisant thermique ou antioxydant, un agent améliorant les propriétés à l'abrasion ou agent anti-abrasion, un agent améliorant les propriétés de glissement ou agent de glissement, un ajusteur de viscosité.
  • De manière particulièrement avantageuse, la viscosité du vernis d'imprégnation est comprise entre 50 et 20000mPas, et de préférence entre 100 et 2000mPas.
  • Conformément à une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le poids de vernis d'imprégnation déposé est compris entre 1 et 100 g/m2, et de préférence entre 10 et 40 g/m2.
  • Selon une autre particularité de l'invention, le câble est en outre pourvu d'au moins un composant choisi parmi un bourrage, un écran, un ruban, un tube, un revêtement externe d'encapsulation.
  • L'invention concerne également un procédé d'imprégnation d'une couche de matière fibreuse de câble d'énergie et/ou de télécommunication. Ce procédé est remarquable en ce qu'il comporte les étapes consistant à:
    • imprégner la couche de matière fibreuse avec un vernis d'imprégnation dont la composition est telle que précédemment définie,
    • sécher le vernis d'imprégnation.
  • De préférence, l'étape d'imprégnation est réalisée en mettant en oeuvre une technique choisie parmi la pulvérisation et le trempage.
  • De manière particulièrement avantageuse, le procédé d'imprégnation peut comprendre en outre une étape consistant à réticuler le vernis d'imprégnation après l'étape de séchage.
  • Cette étape supplémentaire n'a bien évidemment de sens qu'à condition d'employer une résine réticulable. Il est à noter que dans le cas particulier de l'utilisation d'une résine thermoréticulable, la réticulation s'opère avantageusement de manière concomitante au séchage.
  • Selon une autre particularité de l'invention, le procédé d'imprégnation peut comporter une étape supplémentaire consistant à refroidir le câble imprégné et séché, et le cas échéant réticulé.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description de l'exemple comparatif qui va suivre, ledit exemple étant donné à titre illustratif et nullement limitatif.
    • Exemple comparatif
  • L'exemple comparatif présente un double objectif. Le premier est de déterminer puis de comparer les propriétés thermomécaniques d'un vernis d'imprégnation conforme à l'invention, avec celles d'un vernis typique de l'état de la technique. Le second objectif de l'exemple comparatif consiste quant à lui à vérifier directement sur des câbles, le comportement des deux types de vernis en cas d'encapsulation desdits câbles par une résine polymère appliquée par imprégnation sous vide.
    • Préparation des vernis d'imprégnation
  • On prépare deux vernis d'imprégnation destinés à être utilisés pour protéger un même type de câble d'énergie et/ou de télécommunication doté d'une couche de matière fibreuse.
  • Ces vernis d'imprégnation sont réalisés à partir de compositions fondamentalement différentes, la composition A concernant une résine en base aqueuse selon l'invention, tandis que la composition B correspond à une résine en base solvant de l'art antérieur.
  • Le tableau 1 détaille les compositions précises des deux sortes de vernis, ainsi que les proportions exprimées en pourcentage de leurs différents constituants. Tableau 1
    Composition A Composition B
    Résine polymère Polyuréthane 32,2 Diol 34,0
    Diisocyanate 9,5
    Solvant aqueux Eau 52,5 - -
    Solvant organique N-méthyl-2-pyrrolidone 4,0 Acétate de butyle/éthyle 52
    Agent tensioactif 2-diméthylamino -éthanol 0,8 - -
    Agent de mouillage 1,4 0,2
    Catalyseur de réticulation 0,2 0,2
    Préparation pigmentaire 9,0 9,0
  • On précise que la résine polymère de la composition A est un polyuréthane aliphatique autoréticulant, qui est commercialisé sous la marque "Bayhydrol VPLS 2153" par la société Bayer. Il s'agit d'une résine mono-composant, donc préformulée, qui contient un polyurethane hydroxylé en mélange dans de l'eau avec un isocyanate bloqué par un groupement butanone oxime.
  • On observe à contrario que la résine polymère de la composition B se présente sous la forme d'une résine bi-composant dont les constituants sont à mélanger juste avant l'utilisation effective du vernis d'imprégnation. Dans le cas présent, la réaction entre le diol et le diisocyanate conduit à la formation d'une résine qui est là aussi un polyuréthane, à la différence près qu'il est ici en solution dans un solvant organique.
  • On note que l'agent de mouillage de la composition A dispose par ailleurs d'une fonction dispersante. Quoi qu'il en soit, il s'agit en l'occurrence d'un produit vendu sous la marque "Additol XL250" par la société Air Products.
  • Le catalyseur de réticulation de la composition A est quant à lui constitué par du Mercapto butyl étain, commercialisé sous le nom "Irgastab 17M" par la société Ciba.
  • La préparation pigmentaire de la composition A consiste en un produit vendu par la société Ciba sous la dénomination "Unisperse Red Oxyde R-S".
    • Préparation des échantillons de films
  • Le vernis A à base polyuréthane mono-composant en phase aqueuse, ainsi que le vernis référence B bi-composant en base solvant, sont ensuite mis en oeuvre sous forme de films afin d'obtenir des échantillons à même de subir une série de tests destinés à évaluer leurs propriétés thermomécaniques.
  • Concrètement, après avoir été étalé en très fine couche, chaque vernis d'imprégnation est séché puis réticulé à l'étuve à une température de 140°C pendant 30 minutes, avant d'être caractérisé.
  • Bien évidemment les échantillons de films A et B obtenus, correspondent respectivement aux compositions A et B.
    • Propriétés thermomécaniques des vernis
  • Des analyses thermomécaniques sont alors conduites sur différents échantillons A et B, dans le but de déterminer les propriétés thermomécaniques des vernis d'imprégnation. On procède pour cela à des mesures d'extrait sec, à une analyse dynamique mécanique (DMA), à une analyse thermogravimétrique (ATG), à une détermination de modules d'Young, à des mesures de dureté Persoz, ainsi qu'à des mesures de coefficients de friction.
  • Les différents modes opératoires et autres conditions expérimentales sont les suivants:
    - Extrait sec:
    Les mesures de masses sont réalisées après 2h à 100°C, et exprimées en pourcentage sur 1 g de chaque échantillon testé.
    - Analyse dynamique mécanique (DMA):
    Elle est conduite au moyen d'une machine spécialisée de type "TA Instruments 2980" en montage dual cantilever, avec une gamme de température allant de -20 à +200°C et une vitesse de montée en température de 3°C/min, ainsi qu'avec une fréquence de sollicitation constante de 1Hz.
    Après avoir mesuré régulièrement les modules mécaniques élastique G' et visqueux G" de chaque échantillon au fur et à mesure de l'élévation de la température, on déduit classiquement la température de transition vitreuse (Tg) au maximum de tanδ= G"/ G'.
    - Analyse thermogravimétrique (ATG):
    Elle est menée en utilisant une machine spécialisée de type "TA instruments Q500", avec une gamme de température allant de 30 à 400°C et une vitesse de montée en température de 10°C/min.
    Concrètement, on mesure en permanence la masse de chaque échantillon au fur et à mesure que la température s'élève, et ce jusqu'à dégradation totale dudit échantillon. On déduit ensuite la température T10% à laquelle on a perdu 10% de masse, température qui est représentative la stabilité thermique de l'échantillon.
    - Mesures de module d'Young:
    Les essais de traction sont effectués en mettant en oeuvre une machine de type "Zwick/Roell Z010". La précharge est de 0.1N @ 30mm/min, et la vitesse de test fixée à 100mm/min.
    On mesure l'allongement à la rupture et la contrainte à la rupture de chaque échantillon, puis on détermine le module d'Young entre 0.5 et 1.5% d'allongement en faisant le rapport de la contrainte sur l'allongement.
    - Dureté Persoz:
    Le test est réalisé conformément à la norme NFT 30-016, avec un duromètre Persoz qui mesure le temps d'amortissement d'un pendule reposant sur l'échantillon à étudier par l'intermédiaire de deux billes d'acier.
    La dureté, qui est exprimée en secondes, correspond au temps d'oscillation du pendule entre une position départ correspondant à une inclinaison initiale de 12° par rapport à la normale, et une position finale correspondant à une inclinaison de 4°. Plus le temps d'amortissement du pendule est élevé, plus la dureté du vernis est importante. Chaque mesure est effectuée sur un échantillon de film de 100µm d'épaisseur.
    - Mesures de coefficients de friction:
    Elles sont effectuées sur des échantillons de films de 300µm d'épaisseur selon la norme IS08295. Pour chaque type d'échantillon, on mesure le coefficient de friction statique µs, ainsi que le coefficient de friction dynamique µd.
    Le tableau 2 rassemble l'ensemble des résultats de ces différentes analyses. Tableau 2
    Echantillons A B
    Extrait sec (%) 38 48
    Tg (°C) 57 100
    T10% (°C) 280 310
    Allongement à la rupture (%) 300±50 3±1
    Contrainte à la rupture (MPa) 20±5 35±5
    Module de Young (MPa) 220±20 1500±200
    Dureté Persoz (s) 60 250
    Coefficient de friction dynamique µd 0,16 0,48
    Coefficient de friction statique µs 0,10 0,30
    La température de transition vitreuse Tg plus basse, le plus grand allongement à la rupture, la plus faible contrainte à la rupture, le module d'Young moins élevé, et la dureté Persoz moindre, sont autant de facteurs prouvant la meilleure flexibilité procurée par un vernis d'imprégnation selon l'invention ; le niveau de stabilité thermique demeurant quant à lui avantageusement quasi inchangé.
    La diminution importante des valeurs des coefficients de friction démontre quant à elle la supériorité des propriétés de glissement offertes grâce à l'utilisation d'une résine polymère en base aqueuse conforme à l'invention.
    • Préparation des câbles imprégnés
  • On désire désormais vérifier directement sur un câble, le comportement de chaque type de vernis quand ce dernier est recouvert d'une résine d'encapsulation déposée par imprégnation sous vide. Pour cela, on procède dans un premier temps à la préparation de câbles imprégnés.
  • Schématiquement, cela consiste à appliquer des vernis d'imprégnation A et B sur un même type de câble d'énergie et/ou de télécommunication doté d'une couche de matière fibreuse, à sécher puis à réticuler le tout.
  • Il s'agit plus précisément d'un câble de raccordement flexible dont la tension nominale est 1.1 kV. Structurellement, il se compose d'un conducteur flexible en cuivre étamé de 16mm2 de section, qui est isolé par un caoutchouc de silicone, le tout étant enveloppé par une tresse polyester de protection.
  • Chaque vernis d'imprégnation est appliqué par technique de trempage. Le séchage et la réticulation sont assurés par quatre fours électriques radiants qui sont disposés en série de telle sorte que la température s'élève progressivement de 300 à 350°C pour éviter tout problème de recuit. La vitesse de ligne est de 10m/min.
    • Encapsulation par imprégnation sous vide
  • Chaque tresse imprégnée par un vernis est sensée assurer au câble une protection à la fois mécanique, thermique et chimique, sans pour autant altérer ses propriétés de flexibilité. Pour contrôler la tenue de chacun de ces vernis d'imprégnation, on fait subir à chaque câble une encapsulation par imprégnation sous vide.
  • Le mode opératoire consiste schématiquement à faire sécher chaque câble, puis à réaliser sous vide l'application d'une résine d'encapsulation, et enfin à faire réticuler thermiquement ladite résine.
  • Concrètement, on prépare quatre échantillons de câbles C, D, E, F de 2m de longueur, dont les extrémités sont bouchées à l'aide d'une gomme silicone réticulée. Les échantillons C et D sont réalisés à partir de câbles de l'état de la technique puisque ces derniers sont imprégnés avec le vernis B, tandis que les échantillons E et F sont issus de câbles conformes à l'invention étant donné qu'ils sont imprégnés avec le vernis A.
  • Deux résines d'encapsulation distinctes sont employées avec chaque type de câble, à savoir une résine époxy sans solvant et un polyesterimide dans un solvant styrène. La résine époxy est associée aux câbles C et E, tandis que le polyesterimide est réservé aux câbles D et F.
  • Pour chaque câble C, D, E et F, l'opération d'encapsulation débute par une étape de séchage de 6 heures dans une étuve maintenue à 120°C.
  • Chaque câble C, D, E et F est ensuite placé dans un autoclave où il est soumis au vide pendant 2 heures à une pression constante de 0,5mbar.
  • L'étape d'application sous vide de la résine se déroule toujours à l'intérieur de l'autoclave. Elle est accomplie en mettant en oeuvre deux cycles vide/pression dans lesquels seule la pression pendant la phase de vide constitue une variable qui est fonction de la nature de la résine d'encapsulation choisie, les autres paramètres restant constants.
  • L'étape de réticulation thermique qui intervient au final, s'opère quant à elle à nouveau dans une étuve. La température est là aussi fonction de la nature de la résine d'encapsulation choisie, la durée demeurant constante.
  • Le tableau 3 regroupe les différents paramètres d'essais pour les quatre échantillons de câbles C, D, E et F. Tableau 3
    Câbles C D E F
    Vernis imprégnation B B A A
    Résine encapsulation Epoxy sans solvant Polyester-imide dans styrène Epoxy sans solvant Polyester-imide dans styrène
    Séchage 6h 120°C 6h 120°C 6h 120°C 6h 120°C
    Mise sous vide 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar 2h 0,5mbar
    Application avec 2 cycles vide/pression vide 1h 2-5mbar vide 1h 15-20mbar vide 1h 2-5mbar vide 1h 15-20mbar
    pression 2h à 4bar pression 2h à 4bar pression 2h à 4bar pression 2h à 4bar
    Réticulation 8h 170°C 8h 130°C 8h 170°C 8h 130°C
    • Tenue des vernis sous résine d'encapsulation
  • Afin de pouvoir évaluer les résistances chimique et mécanique des deux types de vernis d'imprégnation en fonction de la nature de la résine d'encapsulation associée, on procède à une série de contrôles directement après l'opération d'encapsulation par imprégnation sous vide.
  • Ces contrôles consistent pour chaque échantillon de câbles C, D, E, F, à mesurer le gonflement de l'isolant, à vérifier l'éventuelle présence de craquelures au niveau du vernis d'imprégnation, ainsi qu'à quantifier la résistance d'isolement après 30 min dans l'eau à 20°C sous 500V pendant 1 min.
  • Le tableau 4 rassemble l'ensemble des résultats concernant ces contrôles. Tableau 4
    Câbles C D E F
    Gonflement de l'isolant +1,00% +1,20% +1,72% +1,34%
    Craquelure du vernis aucune aucune aucune aucune
    Résistance d'isolement (MOhm.cm) 6,26×10E8 3,11×10E7 2,78×10E8 6,80×10E7
  • On observe ici que les résultats sont sensiblement équivalents entre les quatre types d'échantillons de câbles C, D, E, F. Cela signifie tout d'abord que l'utilisation d'un vernis d'imprégnation conforme à l'invention ne remet aucunement en cause les propriétés thermomécaniques d'un câble imprégné même si ce dernier doit être recouvert d'une résine d'encapsulation. Mais cela veut également dire que la présence d'un tel vernis d'imprégnation permet de préserver l'intégrité du silicone, et donc ses propriétés isolantes.

Claims (14)

  1. Câble d'énergie et/ou de télécommunication comportant une couche de matière fibreuse recouverte d'un vernis d'imprégnation, caractérisé en ce que le vernis d'imprégnation est issu d'une composition comprenant une résine polymère, de l'eau, ainsi qu'un agent tensioactif.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine polymère est choisie parmi les résines acryliques, les résines alkydes, les résines polyuréthanes, les résines époxy, les résines phénoxy, les résines polyesters, les résines polyesterimides, ou un quelconque mélange de ces composés.
  3. Câble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résine polymère est constituée par une résine polyuréthane.
  4. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la résine polymère est réticulable.
  5. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composition du vernis d'imprégnation comporte moins de 10% d'agent tensioactif, et de préférence moins de 2%.
  6. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la composition du vernis d'imprégnation comporte en outre moins de 5% de solvant organique.
  7. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la composition du vernis d'imprégnation comporte en outre au moins un constituant choisi parmi un agent de coloration, un agent de mouillage, un agent de réticulation, un catalyseur de réticulation, une charge ignifugeante, un stabilisant thermique, un agent anti-abrasion, un agent de glissement, un ajusteur de viscosité.
  8. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le vernis d'imprégnation présente une viscosité comprise entre 50 et 20000mPas, et de préférence entre 100 et 2000mPas.
  9. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le poids de vernis d'imprégnation déposé est compris entre 1 et 100 g/m2, et de préférence entre 10 et 40 g/m2.
  10. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un composant choisi parmi un bourrage, un écran, un ruban, un tube, un revêtement externe d'encapsulation.
  11. Procédé d'imprégnation d'une couche de matière fibreuse de câble d'énergie et/ou de télécommunication, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à:
    - imprégner la couche de matière fibreuse avec un vernis d'imprégnation dont la composition est conforme aux revendications 1 à 10,
    - sécher le vernis d'imprégnation.
  12. Procédé d'imprégnation selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape d'imprégnation est réalisée en mettant en oeuvre une technique choisie parmi la pulvérisation et le trempage.
  13. Procédé d'imprégnation selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape supplémentaire consistant à réticuler le vernis d'imprégnation après séchage.
  14. Procédé d'imprégnation selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape supplémentaire consistant à refroidir le câble imprégné et séché, et le cas échéant réticulé.
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