EP3640956A1 - Couche de bourrage pour câble basse tension ayant une protection au feu améliorée - Google Patents

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EP3640956A1
EP3640956A1 EP19203499.9A EP19203499A EP3640956A1 EP 3640956 A1 EP3640956 A1 EP 3640956A1 EP 19203499 A EP19203499 A EP 19203499A EP 3640956 A1 EP3640956 A1 EP 3640956A1
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EP
European Patent Office
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cable
layer
electrically conductive
conductive element
fibrous material
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Granted
Application number
EP19203499.9A
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German (de)
English (en)
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EP3640956B1 (fr
Inventor
Jean Fehlbaum
Eric RAUER
Nicolas ESTREBOOU
Franck Gyppaz
Thierry Auvray
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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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
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/29—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame
    • H01B7/295—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame using material resistant to flame

Definitions

  • the invention relates to a cable comprising at least one insulated electrically conductive element, at least one stuffing layer based on a geopolymer material surrounding said insulated electrically conductive element, and at least one external sheath surrounding said stuffing layer.
  • the invention typically applies, but not exclusively to the field of low voltage power cables (for example less than 6 KV whether they are direct or alternating current) or very low voltage data transmission cables (for example less than 50 V in alternating current or 120 V in direct current). More particularly, the invention applies to radiating cables which are traversed by a current and a low voltage.
  • Radiant cables provide audio, video, or digital data transmission.
  • Radiant cables are particularly suitable for tunnels (metro, road, rail), buildings (airport, shopping center, commercial building, station, stadium), or on board facilities (train, boat, oil platform).
  • Radiant cables transmit radio frequency (RF) and microwave electromagnetic waves in the form of homogeneous transverse electromagnetic waves (TEM), distributed over their entire length.
  • the radiating cables provide a dual emission-reception function of said electromagnetic waves and, for example, make the interior of a tunnel or of a building transparent to the outside.
  • the metal layer is commonly called “external conductor” and it has the particularity of having openings or slots, for example arranged in patterns repeated periodically along the cable.
  • controlled levels of electromagnetic energy can radiate outward and inward from the cable.
  • the cable can then function as a long antenna.
  • the object of the invention is to provide a cable having good fire resistance, and in particular in which the electrically insulating layer or layers of the individually insulated electrically conductive element or elements are protected against fire, while ensuring good flexibility of said cable.
  • the first object of the invention is a cable comprising at least one insulated electrically conductive element, and at least one external sheath surrounding said insulated electrically conductive element, characterized in that it further comprises a packing layer comprising a nonwoven fibrous material and a geopolymer material impregnating said nonwoven fibrous material, said stuffing layer being interposed between said insulated electrically conductive element and the outer sheath.
  • this stuffing layer comprising a nonwoven fibrous material and a geopolymer material impregnating said nonwoven fibrous material, a cable is obtained having good fire resistance, and in particular in which the electrically insulating layer (s) the individually insulated electrically conductive element or elements are protected against fire, while guaranteeing good flexibility of said cable.
  • the expression "said covering layer being interposed between said insulated electrically conductive element and the outer sheath” means that the packing layer is positioned between said insulated electrically conductive element and the outer sheath.
  • the outer sheath surrounds the packing layer, and the packing layer surrounds said insulated electrically conductive element.
  • the expression “tamping layer” also means “tamping layer”. It is also well known according to Anglicism "bedding layer”.
  • Said electrically insulated element is insulated with (by) an electrically insulating layer.
  • the term "electrically insulating layer” means a layer whose electrical conductivity can be at most 1.10 -9 S / m, and preferably at most 1.10 -10 S / m (siemens per meter) (at 25 ° C).
  • the electrically insulating layer of the insulated electrically conductive element can comprise at least one polymeric material, in particular chosen from crosslinked and non-crosslinked polymers, polymers of the inorganic type and of the organic type.
  • the polymeric material can be a homo- or a co-polymer having thermoplastic and / or elastomeric properties.
  • the polymeric material is preferably non-halogenated.
  • the polymers of the inorganic type can be polyorganosiloxanes.
  • the polymers of the organic type can be polyurethanes or polyolefins.
  • the polyolefins can be chosen from polymers of ethylene and propylene.
  • ethylene polymers that may be mentioned include linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), medium density polyethylene (MDPE), high density polyethylene (HDPE), copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA), copolymers of ethylene and butyl acrylate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethyl acrylate (2HEA), ethylene copolymers and alpha-olefins such as for example polyethylene octene (PEO), copolymers of ethylene and propylene (EPR), or terpolymers of ethylene and propylene (EPT) such as for example terpolymers of ethylene propylene diene monomer (EPDM).
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • MDPE medium density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • EVA copolymers of
  • the elongated electrically conductive element can comprise a metal chosen from copper and aluminum.
  • the cable according to the invention meets at least one of the standards for reaction or non-propagation to fire chosen from standards EN 60332-1, EN 60332-3, and EN 50399 (2012/02 + A1 2016); and preferably to standard EN 50399 (2012/02 + A1 2016), in particular to the classification criteria B2ca, s1a, d0, a1 of said standard, and possibly to standards EN 60332-1 and EN 60332-3.
  • the cable of the invention can have a configuration or structure according to either of the first and second variants as described below.
  • the cable of the invention comprises a plurality of insulated electrically conductive elements, and the packing layer surrounds said plurality of insulated electrically conductive elements.
  • the tamping layer fulfills both the function of protection against the propagation of fire and the "proper" tamping function which makes it possible to ensure the formation of a continuous envelope by significantly minimizing or even avoiding the gaps between the outer sheath and insulated electrically conductive elements.
  • the cable is preferably an energy cable, in particular a low voltage energy cable.
  • the packing layer is preferably directly in physical contact with the plurality of insulated electrically conductive elements.
  • the cable according to the first variant is preferably an energy cable, in particular a low voltage energy cable.
  • each of the insulated elongated electrically conductive elements is insulated with (by) an electrically insulating layer as defined above.
  • the electrically insulating layer of each of the insulated elongated electrically conductive elements comprises at least one polyolefin, particularly preferably chosen from homopolymers and copolymers of ethylene.
  • ethylene homopolymers and copolymers include linear low density polyethylene (LLDPE), polyethylene low density (LDPE), medium density polyethylene (MDPE), or high density polyethylene (HDPE), the aforementioned polyethylenes being able to be in crosslinked or uncrosslinked form.
  • the cable of the invention further comprises a metallic layer containing one or more openings, said metallic layer surrounding the electrically conductive insulated element, and said stuffing layer surrounding the metallic layer.
  • the tamping layer fulfills both the function of protection against the propagation of fire and the "proper" tamping function which makes it possible to ensure the formation of a continuous envelope by significantly minimizing or even avoiding the gaps between the outer sheath and insulated electrically conductive elements.
  • the insulated conductor (s) are very easily flammable, and the packing layer makes it possible to ensure optimum protection of the cable in the event of fire.
  • the openings may be slots, longitudinal or at an angle to the axis of the cable, successions of holes aligned on segments parallel to the axis of the cable, or a continuous slot of specific shape.
  • the metallic layer can comprise a metal chosen from copper, and aluminum.
  • the metal layer is also called an "external conductor”.
  • the metal layer preferably has a thickness ranging from 0.1 to 0.3 mm.
  • the electrically insulating layer of the insulated elongated electrically conductive element comprises at least one polyolefin, and in a particularly preferred manner chosen from homopolymers and copolymers of ethylene.
  • the polymeric material of the electrically insulating layer of the insulated elongated electrically conductive element is an expanded polymeric material, such as for example an expanded polyethylene or in the form of a foam.
  • the packing layer is directly in physical contact with the metal layer.
  • the cable further comprises a polymer layer between the metal layer and the packing layer.
  • the packing layer surrounds the polymer layer, and the polymer layer surrounds the metal layer. In this embodiment, the maintenance of the metal layer during the manufacture of the cable is facilitated.
  • the polymer layer can be an electrically insulating layer.
  • the polymer layer comprises a polymer material which can be chosen from polyolefins such as polymers of ethylene and / or propylene.
  • polyolefins such as polymers of ethylene and / or propylene.
  • ethylene polymers that may be mentioned include linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), medium density polyethylene (MDPE), high density polyethylene (HDPE), copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA), copolymers of ethylene and butyl acrylate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethyl acrylate (2HEA), ethylene copolymers and alpha-olefins such as for example polyethylene octene (PEO), copolymers of ethylene and propylene (EPR), or terpolymers of ethylene and propylene (EPT) such as for example terpolymers of ethylene propylene diene monomer (EPDM).
  • LLDPE linear low
  • the cable according to the second variant is preferably a radiating cable.
  • the radiating cable can be installed in areas where radiocommunications are difficult or even impossible. It can be adapted for tunnels (metro, road, rail), buildings (airport, shopping center, commercial building, station, stadium), or on board facilities (train, boat, oil platform).
  • the radiating cable of the invention can make it possible to transmit radio frequency (RF) and microwave frequencies of electromagnetic waves in the form of homogeneous transverse electromagnetic waves (TEM), distributed over their entire length. It can also provide a dual transmission-reception function for said electromagnetic waves and, for example, make the interior of a tunnel or building transparent to the outside.
  • RF radio frequency
  • TEM transverse electromagnetic waves
  • the metal layer is commonly called “external conductor”. It generally has the particularity of having openings or slots, for example arranged in patterns repeated periodically along the cable. Through the openings or slots, controlled levels of electromagnetic energy can radiate outward and inward from the cable. The cable can then function as a long antenna.
  • the expression “geopolymer material” means a solid material comprising silicon (Si), aluminum (AI), oxygen (O) and at least one element chosen from potassium (K) , sodium (Na), lithium (Li), cesium (Cs) and calcium (Ca).
  • the geopolymer material is obtained by curing a geopolymer composition as defined below.
  • Curing takes place by an internal reaction of the polycondensation type or of the hydrothermal type and it is not the result of a simple drying, as is generally the case for binders based on alkali silicates.
  • geopolymer materials result from a mineral polycondensation reaction by alkaline activation, called geosynthesis, as opposed to traditional hydraulic binders in which hardening is the result of hydration of calcium aluminates and calcium silicates.
  • the geopolymer material can be an aluminosilicate geopolymer material.
  • the aluminosilicate geopolymer material can be chosen from the poly (sialates) corresponding to the formula (I) M n (-Si-O-Al-O-) n [(M) -PS], the poly (sialate-siloxos) corresponding in formula (II) M n (-Si-O-Al-O-Si-O-) n [(M) -PPS], the poly (sialate-disiloxos) corresponding to formula (III) M n (- Si-O-Al-O-Si-O-Si-O) n [(M) -PSDS], formulas in which M represents at least one alkaline cation K, Na, Li, Cs or one of their mixtures, and n denotes the degree of polymerization.
  • the Si / Al molar ratio is 1
  • the Si / Al molar ratio is 2
  • in the Si / Al molar ratio is 2
  • the Si / Al molar ratio influences the mechanical properties of the geopolymer material, in particular its properties of resistance to mechanical stress (Young's Modulus).
  • the geopolymer material is chosen from compounds in which the Si / Al molar ratio varies from approximately 1.9 to 6 and even more preferably from approximately 1.9 to 4. The choice of this geopolymer material makes it possible to have a fire-resistant packing layer while being flexible enough to allow the cable according to the invention to be handled without causing cracks within the layer.
  • the geopolymer material represents from 5 to 98% by weight approximately, preferably from 55 to 95% by weight approximately, and more preferably from 65 to 90% by weight approximately, relative to the total weight of the stuffing layer.
  • the geopolymer material is obtained from a geopolymer composition comprising at least one aluminosilicate, an alkaline silicate, water, and optionally an alkaline base.
  • the nonwoven fibrous material preferably has a soft and flexible structure.
  • the nonwoven fibrous material used in the composition of the packing layer according to the invention can be chosen from cellulosic materials, materials based on synthetic organic polymers, glass fibers, and one of their mixtures, and preferably from materials based on synthetic organic polymers.
  • the cellulosic materials can be chosen from paper, in particular blotting paper; nonwoven materials made from functionalized or nonfunctionalized cellulose; matrices with a cellular and / or fibrous structure made from natural fibers of cellulose acetate.
  • the materials based on synthetic organic polymers can be chosen from polymer materials with a porous and / or fibrous matrix of polyolefin (s), in particular those chosen from propylene homo- and copolymers, ethylene homo- and copolymers, high density polyethylenes (HDPE), aromatic polyamides (aramides), polyesters, and one of their mixtures.
  • polyolefin s
  • s polyolefin
  • HDPE high density polyethylenes
  • aromatic polyamides aromatic polyamides
  • polyesters and one of their mixtures.
  • the nonwoven fibrous material is a polyethylene terephthalate (PET).
  • the nonwoven fibrous material preferably has a grammage ranging from 70 to 120 g / cm 2 approximately. This thus makes it possible to obtain a packing layer sufficiently flexible to be able to be handled easily, and sufficiently robust to obtain good protection against fire.
  • the nonwoven fibrous material may in particular be in the form of a strip or a ribbon.
  • the fibrous material represents from 2 to 95% by weight approximately, in a particularly preferred manner from 5 to 45% by weight approximately, and even more preferably from 10 to 35% by weight approximately, relative to the total weight of the packing layer.
  • the packing layer preferably has a thickness ranging from 0.2 to 4 mm approximately, and preferably ranging from 0.5 to 1.5 mm approximately.
  • the packing layer may also comprise at least one additive chosen from organic polymer additives, and agents delaying the setting of the geopolymer composition at room temperature.
  • the organic polymer additive is intended to improve the cohesion of the packing layer and its adhesion to the layer of the cable with which it is intended to be in contact.
  • the organic polymer additive is preferably chosen from polypropylene; styrene-butadiene copolymers (SBR); styrene-butadiene-ethylene copolymers (EBS); derivatives of styrene-ethylene copolymers, in particular those marketed by Kraton such as styrene-ethylene-butylene-styrene copolymers (SEBS), styrene-butadiene-styrene copolymers (SBS), styrene-isoprene-styrene copolymers (SIS), styrene-propylene-ethylene copolymers (EPS) or styrene-ethylene-propylene-styrene copolymers (SEPS); copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA), crosslinked polyorganosiloxanes (e.g. using a peroxide); polyethylene; cellulose and its derivatives such as
  • Cellulose and its derivatives such as cellulose acetate are preferred.
  • the organic polymer additive can be in the form of fibers or a powder.
  • the organic polymer additive preferably represents from 2 to 70% by weight approximately, and even more preferably from 30 to 50% by weight approximately, relative to the total weight of the packing layer, in particular according to the application and the flexibility sought.
  • the caking agent allows the geopolymer composition to remain malleable longer.
  • Such delaying agents can be chosen from ammonium, alkali metals, alkaline earth metals, borax, lignosulfonates and in particular the metal salts of calcium lignosulfonates, celluloses such as carboxymethyl hydroethyl cellulose, lignins sulfoalkylated compounds such as, for example, sulfomethylated lignin, hydroxycarboxylic acids, copolymers of 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid salts and of acrylic acid or maleic acid, saturated salts, and mixtures thereof.
  • Lignosulfonates are preferred.
  • the retarding agent preferably represents from 5 to 60% by weight approximately, and even more preferably from 10 to 30% by weight approximately, relative to the total weight of the packing layer.
  • the packing layer does not include any additive (s).
  • it can consist solely, in addition to the inevitable impurities, of the nonwoven fibrous material and of the geopolymer material.
  • the outer sheath is preferably an electrically insulating sheath.
  • the outer sheath is directly in physical contact with the packing layer.
  • the outer sheath is preferably made of a halogen-free material. It can be produced conventionally from materials delaying the propagation of the flame or resistant to the propagation of the flame. In particular, if the latter do not contain halogen, we speak of HFFR cladding (for Anglicism " Halogen Free Flame Retardant ").
  • the outer sheath represents the outermost layer of the cable (i.e. also called the outer protective sheath).
  • the polymer material is chosen from crosslinked and non-crosslinked polymers, polymers of the inorganic type and of the organic type.
  • the polymeric material can be a homo- or a co-polymer having thermoplastic and / or elastomeric properties.
  • the polymers of the inorganic type can be polyorganosiloxanes.
  • the polymers of the organic type can be polyurethanes or polyolefins.
  • the polyolefins can be chosen from polymers of ethylene and propylene.
  • ethylene polymers that may be mentioned include linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), medium density polyethylene (MDPE), high density polyethylene (HDPE), copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA), copolymers of ethylene and butyl acrylate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethyl acrylate (2HEA), ethylene copolymers and alpha-olefins such as for example polyethylene octene (PEO), copolymers of ethylene and propylene (EPR), or terpolymers of ethylene and propylene (EPT) such as for example terpolymers of ethylene propylene diene monomer (EPDM).
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • MDPE medium density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • EVA copolymers of
  • the outer sheath may further comprise a hydrated flame retardant mineral filler.
  • This hydrated flame retardant mineral filler acts mainly by physical means by decomposing in an endothermic manner (eg release of water), which has the consequence of lowering the temperature of the sheath and limiting the spread of flames along the cable.
  • flame retardant properties well known under Anglicism " flame retardant ".
  • the hydrated flame retardant mineral filler can be a metal hydroxide such as magnesium hydroxide or aluminum trihydroxide.
  • the process according to the invention is quick, simple and advantageous from an economic point of view. It provides access to cables with good protection against the spread of fire.
  • the nonwoven fibrous material is in the form of a ribbon or a strip, and step i) of applying said fibrous material is then carried out by winding said ribbon or of said strip around one or more elongated conductive elements, said winding can also be carried out with overlap zones.
  • the application of said nonwoven fibrous material during step ii) is preferably carried out around the plurality of electrically elements insulated elongated conductors to form a nonwoven fibrous material / plurality of insulated elongated electrically conductive elements.
  • the application of the nonwoven fibrous material during step ii) is then preferably longitudinal (i.e. along the longitudinal axis of the cable).
  • the application of said non-woven fibrous material during step ii) is preferably carried out around the metal layer, to form an assembly of non-woven fibrous material / metallic layer / electrically insulated element.
  • the application of the nonwoven fibrous material during step ii) can then be helical or longitudinal, and preferably helical.
  • the geopolymer composition of step ii) is preferably an aluminosilicate geopolymer composition.
  • the geopolymer composition comprises at least one aluminosilicate, an alkali silicate, water, and optionally an alkaline base
  • the aluminosilicate can be chosen from metakaolins (ie calcined kaolins), fly ash (well known under Anglicism " fly ash “), blast furnace slag (well known under Anglicism " blast furnace slag “), swelling clays such as bentonite, calcined clays, any type of compound comprising aluminum and silica fume, zeolites and one of their mixtures.
  • metakaolins are preferred, in particular those marketed by the company Imérys.
  • the alkali silicate can be chosen from sodium silicates, potassium silicates, and one of their mixtures.
  • alkaline silicates sold by the company Silmaco or by the company PQ Corporation are preferred.
  • the alkaline base can be chosen from KOH, NaOH, and their mixture.
  • the geopolymer composition of the invention may comprise from 35% to 80% by weight approximately, and preferably from 40% to 70% by weight approximately, of solid materials (alkali silicate (s), aluminosilicate (s) and alkaline base) , relative to the total weight of said geopolymer composition.
  • solid materials alkali silicate (s), aluminosilicate (s) and alkaline base
  • the mass ratio of solids / water in said geopolymer composition determines the kinetics of solidification during step iv).
  • Step iii) is generally carried out at room temperature (e.g. around 18-25 ° C). Indeed, the polymerization to form the geopolymer material is carried out at room temperature.
  • the curing speed of step iii) can range from approximately 30 to 300 minutes at approximately 25 ° C. (i.e. at room temperature).
  • step iii) by adding to the geopolymer composition at least one caking retardant as defined in the first subject of the invention.
  • the retarding agent is preferably chosen from lignosulfonates.
  • step iv) the external sheath is applied around the layer made up of said fibrous material impregnated with the geopolymer composition.
  • This external sheath can in particular be carried out by extrusion.
  • steps ii), iii) and iv) are concomitant. This allows the cable to be obtained easily and simply.
  • the process can also comprise, before step i), a step i 0 ) of preparing the geopolymer composition.
  • Stage i 0 is generally carried out at a high pH, in particular varying from 10 to 13.
  • the aqueous alkali silicate solution can be prepared by mixing silicon dioxide SiO 2 or an alkali silicate with a MOH base in which M is K or Na.
  • the silicon dioxide SiO 2 can be chosen from silica smoke (ie fumed silica), quartz, and their mixtures.
  • Substep i 01 can be carried out by dissolving the base in water, giving off heat (exothermic reaction), then adding silica (or alkali silicate). The heat released then accelerates the dissolution of the silica (or of the alkaline silicate) during the sub-step i 1 ) and of the aluminosilicate during the sub-step i 02 ) and therefore the setting of the geopolymer composition.
  • the geopolymer composition has a viscosity which increases over time when it is exposed to the open air.
  • the third object of the invention is the use of a packing layer as defined in the first object of the invention, in a data transmission cable such as a radiating cable or a low voltage energy cable.
  • the packing layer comprises a non-woven fibrous material and a geopolymer material impregnating said non-woven fibrous material.
  • the nonwoven fibrous material and the geopolymer material can be as defined in the first subject of the invention.
  • Cable 10 shown in the figure 1 , corresponds to a radiating coaxial cable for typical installations in road or rail tunnels for one- or two-way transmissions in the frequency bands between 40 MHz and 2.7 GHz.
  • This electric cable 10 comprises: an elongated central electrically conductive element 1, preferably made of copper, and successively and coaxially around this elongated central electrically conductive element 1, a layer of expanded polymer 2, preferably of expanded polyethylene, an external electrically conductive element 3 , preferably made of copper and in the form of a perforated longitudinal ribbon cylindrically folded around the layer of expanded polymer 2, a packing layer 4 as defined in the invention, and an external protective sheath 5, preferably comprising at least one thermoplastic material.
  • the electric cable 20, illustrated on the figure 2 also corresponds to a radiating coaxial cable for typical installations in road or rail tunnels for one or two-way transmissions included in the frequency bands between 40 MHz and 2.7 GHz, but provided with an intermediate sheath.
  • This electric cable 20 comprises: an elongated central electrically conductive element 21, preferably made of copper, and successively and coaxially around this elongated central electrically conductive element 21, a layer of expanded polymer 22, preferably of expanded polyethylene, an external electrically conductive element 3 , preferably made of copper and in the form of a perforated longitudinal ribbon and cylindrically folded around the layer of expanded polymer 22, an internal sheath 25, preferably comprising at least thermoplastic material, a packing layer 24 as defined in invention, and an external protective sheath 26, preferably comprising at least one thermoplastic material.
  • Example 1 Preparation of a radiating cable according to the invention
  • An aluminosilicate geopolymer composition was prepared as follows: an alkali silicate solution was prepared by mixing 3 kg of an aqueous sodium silicate solution, 0.1 kg of water and 0.8 kg of hydroxide sodium. Then, 0.9 kg of aluminosilicate was mixed with the alkali silicate solution.
  • Said composition comprises approximately 67% by weight of solid matter, relative to the total mass of said composition.
  • a polyester nonwoven material was then wound around a cable comprising an electrically conductive element made of copper insulated with a layer of expanded polyethylene, said layer of expanded polyethylene being surrounded by a metallic layer of copper (external conductor).
  • the whole was impregnated in the aluminosilicate geopolymer composition as prepared above.
  • the assembly obtained was then covered by hot extrusion with a protective polymer sheath based on an HFFR mixture produced by NEXANS based on polyethylene and flame retardant fillers, said sheath having a thickness of 2 mm.
  • a radiating cable according to the invention was thus obtained.
  • the flame performance of the radiating cable is determined according to standard EN50399. 5 sections of cable positioned on a vertical scale are exposed to a 20kW flame of power for 20 min.
  • the acronym HRR corresponds to the English expression " Heat Release Rate” which provides information on the calorific flow
  • the acronym THR corresponds to the English expression " Total Heat Release” which provides information on the quantity of heat released during of combustion
  • the acronym FIGRA corresponds to the English expression " FIre GRowth rAte” which provides information on the speed of fire growth
  • the acronym SPR corresponds to the English expression " Smoke Production Rate” which provides information on the speed of smoke production
  • the acronym TSP corresponds to the English expression " Total Smoke Production " which provides information on the total amount of smoke produced.

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  • Insulated Conductors (AREA)

Abstract

L'invention concerne un câble comprenant au moins un élément électriquement conducteur isolé, au moins une couche de bourrage à base d'un matériau géopolymère entourant ledit élément électriquement conducteur isolé, et au moins une gaine externe entourant ladite couche de bourrage.

Description

  • L'invention concerne un câble comprenant au moins un élément électriquement conducteur isolé, au moins une couche de bourrage à base d'un matériau géopolymère entourant ledit élément électriquement conducteur isolé, et au moins une gaine externe entourant ladite couche de bourrage.
  • L'invention s'applique typiquement, mais non exclusivement au domaine des câbles d'énergie basse tension (par exemple inférieure à 6 KV qu'ils soient en courant continu ou alternatif) ou des câbles de transmission de données très basse tension (par exemple inférieure à 50 V en courant alternatif ou à 120 V en courant continu). Plus particulièrement, l'invention s'applique aux câbles rayonnants qui sont parcourus par un courant et une tension faible.
  • Les câbles rayonnants permettent d'assurer des liaisons audio, vidéo, ou des transmissions de données numériques.
  • Ils sont généralement installés dans des zones où les radiocommunications sont difficiles voire impossibles. Les câbles rayonnants sont particulièrement adaptés pour les tunnels (métro, routier, ferroviaire), les bâtiments (aéroport, centre commercial, immeuble commercial, gare, stade), ou sur des installations embarquées (train, bateau, plateforme pétrolière).
  • Les câbles rayonnants permettent de transmettre les radiofréquences (RF) et les hyperfréquences d'ondes électromagnétiques sous la forme d'ondes électromagnétiques transversales (TEM) homogènes, réparties sur toute leur longueur. Les câbles rayonnants assurent une double fonction d'émission-réception desdites ondes électromagnétiques et rendent par exemple l'intérieur d'un tunnel ou d'un immeuble transparent vis-à-vis de l'extérieur.
  • Un câble rayonnant est typiquement un câble coaxial comprenant, de l'intérieur vers l'extérieur :
    • un élément électriquement conducteur allongé métallique, par exemple en cuivre ou en aluminium,
    • une couche polymère électriquement isolante entourant ledit élément électriquement conducteur allongé, comprenant typiquement un polyéthylène expansé,
    • une couche métallique entourant la couche polymère électriquement isolante, par exemple en cuivre ou en aluminium, et
    • une gaine externe polymère électriquement isolante entourant ladite couche métallique.
  • La couche métallique est communément appelée « conducteur extérieur » et elle présente la particularité de disposer d'ouvertures ou de fentes, par exemple agencées en motifs répétés périodiquement tout le long du câble.
  • Grâce aux ouvertures ou fentes, des niveaux contrôlés d'énergie électromagnétique peuvent rayonner vers l'extérieur et vers l'intérieur du câble. Le câble peut alors fonctionner comme une longue antenne.
  • Afin d'assurer la tenue au feu d'un câble rayonnant comprenant un élément électriquement conducteur allongé, il est connu de EP0308111A1 d'ajouter une couche de protection thermique, notamment par enroulement autour de la couche métallique d'un ruban minéral, par exemple en mica. Toutefois, le ruban minéral ne remplit pas correctement les interstices existants entre la couche métallique et la gaine externe. En effet, la couche métallique n'a pas une surface complètement plane de par les ouvertures qu'elle comporte. D'autre part le ruban minéral peut glisser par rapport à la couche métallique de sorte que le ruban minéral ne forme plus une enveloppe continue autour de la couche métallique. Il en résulte que la tenue au feu n'est pas optimisée.
  • Ainsi, le but de l'invention est de fournir un câble ayant une bonne tenue au feu, et notamment dans lequel la ou les couche(s) électriquement isolante(s) du ou des éléments électriquement conducteurs individuellement isolés sont protégées contre le feu, tout en garantissant une bonne flexibilité dudit câble.
  • L'invention a pour premier objet un câble comprenant au moins un élément électriquement conducteur isolé, et au moins une gaine externe entourant ledit élément électriquement conducteur isolé, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de bourrage comprenant un matériau fibreux non tissé et un matériau géopolymère imprégnant ledit matériau fibreux non tissé, ladite couche de bourrage étant interposée entre ledit élément électriquement conducteur isolé et la gaine externe.
  • Grâce à cette couche de bourrage comprenant un matériau fibreux non tissé et un matériau géopolymère imprégnant ledit matériau fibreux non tissé, on obtient un câble ayant une bonne tenue au feu, et notamment dans lequel la ou les couche(s) électriquement isolante(s) du ou des éléments électriquement conducteurs individuellement isolés sont protégées contre le feu, tout en garantissant une bonne flexibilité dudit câble.
  • Dans l'invention, l'expression « ladite couche de bourrage étant interposée entre ledit élément électriquement conducteur isolé et la gaine externe » signifie que la couche de bourrage est positionnée entre ledit élément électriquement conducteur isolé et la gaine externe. En d'autres termes, la gaine externe entoure la couche de bourrage, et la couche de bourrage entoure ledit élément électriquement conducteur isolé.
  • Dans l'invention, l'expression « couche de bourrage » signifie également « couche bourrante ». Elle est également bien connue selon l'anglicisme « bedding layer ».
  • Ledit élément électriquement conducteur isolé est isolé avec (par) une couche électriquement isolante.
  • Dans la présente invention, on entend par « couche électriquement isolante » une couche dont la conductivité électrique peut être d'au plus 1.10-9 S/m, et de préférence d'au plus 1.10-10 S/m (siemens par mètre) (à 25°C).
  • La couche électriquement isolante de l'élément électriquement conducteur isolé peut comprendre au moins un matériau polymère, notamment choisi parmi les polymères réticulés et non réticulés, les polymères du type inorganique et du type organique.
  • Le matériau polymère peut être un homo- ou un co-polymère ayant des propriétés thermoplastiques et/ou élastomères.
  • Le matériau polymère est de préférence non halogéné.
  • Les polymères du type inorganique peuvent être des polyorganosiloxanes.
  • Les polymères du type organique peuvent être des polyuréthanes ou des polyoléfines.
  • Les polyoléfines peuvent être choisies parmi les polymères d'éthylène et de propylène. A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), le polyéthylène haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR), ou les terpolymères d'éthylène et de propylène (EPT) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène monomère (EPDM).
  • L'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre un métal choisi parmi le cuivre et l'aluminium.
  • Le cuivre est préféré.
  • Avantageusement, le câble conforme à l'invention satisfait à au moins une des normes de réaction ou non-propagation au feu choisies parmi les normes EN 60332-1, EN 60332-3, et EN 50399 (2012/02 + A1 2016) ; et de préférence à la norme EN 50399 (2012/02 + A1 2016), en particulier aux critères de classification B2ca, s1a, d0, a1 de ladite norme, et éventuellement aux normes EN 60332-1 et EN 60332-3.
  • Le câble de l'invention peut avoir une configuration ou structure selon l'une ou l'autre des première et deuxième variantes telles que décrites ci-après.
    • Première variante
  • Selon une première variante, le câble de l'invention comprend une pluralité d'éléments électriquement conducteurs isolés, et la couche de bourrage entoure ladite pluralité d'éléments électriquement conducteurs isolés.
  • Ainsi, la tenue au feu est optimisée tout en garantissant une bonne flexibilité du câble. La couche de bourrage remplit à la fois la fonction de protection contre la propagation du feu et la fonction de bourrage « proprement dite » qui permet d'assurer la formation d'une enveloppe continue en minimisant de façon significative, voire évitant les interstices entre la gaine externe et les éléments électriquement conducteurs isolés.
  • Dans cette première variante, le câble est de préférence un câble d'énergie, en particulier un câble d'énergie basse tension.
  • Dans cette première variante, la couche de bourrage est de préférence directement en contact physique avec la pluralité d'éléments électriquement conducteurs isolés.
  • Le câble selon la première variante est de préférence un câble d'énergie, en particulier un câble d'énergie basse tension.
  • Dans cette première variante, chacun des éléments électriquement conducteurs allongés isolés est isolé avec (par) une couche électriquement isolante telle que définie ci-dessus.
  • Selon une forme de réalisation préférée de cette première variante, la couche électriquement isolante de chacun des éléments électriquement conducteurs allongés isolés comprend au moins une polyoléfine, de façon particulièrement préférée choisie parmi les homopolymères et copolymères d'éthylène. À titre d'exemples d'homopolymères et copolymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), ou le polyéthylène haute densité (HDPE), les polyéthylènes précités pouvant être sous forme réticulée ou non réticulée.
    • Deuxième variante
  • Selon une deuxième variante, le câble de l'invention comprend en outre une couche métallique contenant une ou plusieurs ouvertures, ladite couche métallique entourant l'élément électriquement conducteur isolé, et ladite couche de bourrage entourant la couche métallique.
  • Ainsi, la tenue au feu est optimisée tout en garantissant une bonne flexibilité du câble. La couche de bourrage remplit à la fois la fonction de protection contre la propagation du feu et la fonction de bourrage « proprement dite » qui permet d'assurer la formation d'une enveloppe continue en minimisant de façon significative, voire évitant les interstices entre la gaine externe et les éléments électriquement conducteurs isolés. En particulier, de par les ouvertures de la couche métallique, le ou les conducteurs isolés sont très facilement inflammables, et la couche de bourrage permet d'assurer une protection optimale du câble en cas de feu.
  • Les ouvertures peuvent être des fentes, longitudinales ou faisant un angle avec l'axe du câble, des successions de trous alignés sur des segments parallèles à l'axe du câble, ou une fente continue de forme spécifique.
  • La couche métallique peut comprendre un métal choisi parmi le cuivre, et l'aluminium.
  • Le cuivre est préféré.
  • La couche métallique est également appelée « conducteur extérieur ».
  • La couche métallique a de préférence une épaisseur allant de 0,1 à 0,3 mm.
  • Selon une forme de réalisation préférée de cette deuxième variante, la couche électriquement isolante de l'élément électriquement conducteur allongé isolé comprend au moins une polyoléfine, et de façon particulièrement préférée choisie parmi les homopolymères et copolymères d'éthylène.
  • Dans un mode de réalisation, le matériau polymère de la couche électriquement isolante de l'élément électriquement conducteur allongé isolé est un matériau polymère expansé, tel que par exemple un polyéthylène expansé ou sous la forme d'une mousse.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la couche de bourrage est directement en contact physique avec la couche métallique.
  • Dans un autre mode de réalisation, le câble comprend en outre une couche polymère entre la couche métallique et la couche de bourrage. Ainsi, la couche de bourrage entoure la couche polymère, et la couche polymère entoure la couche métallique. Dans ce mode de réalisation, le maintien de la couche métallique lors de la fabrication du câble est facilité.
  • Le mode de réalisation selon lequel la couche de bourrage est directement en contact physique avec la couche métallique est préféré. Cela permet d'obtenir un bon compromis en termes de coût de fabrication et de tenue au feu.
  • La couche polymère peut être une couche électriquement isolante.
  • Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche polymère comprend un matériau polymère pouvant être choisi parmi les polyoléfines telles que les polymères d'éthylène et/ou de propylène. À titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), le polyéthylène haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR), ou les terpolymères d'éthylène et de propylène (EPT) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène monomère (EPDM) .
  • Le câble selon la deuxième variante est de préférence un câble rayonnant.
  • Le câble rayonnant peut être installé dans des zones où les radiocommunications sont difficiles voire impossibles. Il peut être adapté pour les tunnels (métro, routier, ferroviaire), les bâtiments (aéroport, centre commercial, immeuble commercial, gare, stade), ou sur des installations embarquées (train, bateau, plateforme pétrolière).
  • Le câble rayonnant de l'invention peut permettre de transmettre les radiofréquences (RF) et les hyperfréquences d'ondes électromagnétiques sous la forme d'ondes électromagnétiques transversales (TEM) homogènes, réparties sur toute leur longueur. Il peut en outre assurer une double fonction d'émission-réception desdites ondes électromagnétiques et rendre par exemple l'intérieur d'un tunnel ou d'un immeuble transparent vis-à-vis de l'extérieur.
  • La couche métallique est communément appelé « conducteur externe ». Elle présente généralement la particularité de disposer d'ouvertures ou fentes, par exemple agencées en motifs répétés périodiquement tout le long du câble. Grâce aux ouvertures ou fentes, des niveaux contrôlés d'énergie électromagnétique peuvent rayonner vers l'extérieur et vers l'intérieur du câble. Le câble peut alors fonctionner comme une longue antenne.
    • Le matériau géopolymère
  • Dans la présente invention, l'expression « matériau géopolymère » signifie un matériau solide comprenant du silicium (Si), de l'aluminium (AI), de l'oxygène (O) et au moins un élément choisi parmi le potassium (K), le sodium (Na), le lithium (Li), le césium (Cs) et le calcium (Ca).
  • Dans la présente invention, le matériau géopolymère est obtenu par durcissement d'une composition géopolymère telle que définie ci-après.
  • Le durcissement s'effectue par réaction interne du type polycondensation ou du type hydrothermal et il n'est pas le résultat d'un simple séchage, comme c'est généralement le cas pour des liants à base de silicates alcalins.
  • En effet, les matériaux géopolymères résultent d'une réaction de polycondensation minérale par activation alcaline, dite géosynthèse, par opposition aux liants traditionnels hydrauliques dans lesquels le durcissement est le résultat d'une hydratation des aluminates de calcium et des silicates de calcium.
  • Le matériau géopolymère peut être un matériau géopolymère aluminosilicate.
  • Le matériau géopolymère aluminosilicate peut être choisi parmi les poly(sialates) répondant à la formule (I) Mn(-Si-O-Al-O-)n [(M)-PS], les poly(sialate-siloxos) répondant à la formule (II) Mn(-Si-O-Al-O-Si-O-)n [(M)-PPS], les poly(sialate-disiloxos) répondant à la formule (III) Mn(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O)n [(M)-PSDS], formules dans lesquelles M représente au moins un cation alcalin K, Na, Li, Cs ou l'un de leurs mélanges, et n désigne le degré de polymérisation. Dans le composé de formule (I) le rapport molaire Si/Al est de 1, dans le composé de formule (II) le rapport molaire Si/Al est de 2, et dans le composé de formule (III), il est de 3.
  • Le rapport molaire Si/Al influence les propriétés mécaniques du matériau géopolymère, en particulier ses propriétés de résistance à une contrainte mécanique (Module de Young). Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau géopolymère est choisi parmi les composés dans lesquels le rapport molaire Si/Al varie de 1,9 à 6 environ et encore plus préférentiellement de 1,9 à 4 environ. Le choix de ce matériau géopolymère permet d'avoir une couche de bourrage résistante au feu tout en étant assez flexible pour permettre au câble conforme à l'invention d'être manipulé sans entrainer de fissures au sein de la couche.
  • Dans un mode de réalisation, le matériau géopolymère représente de 5 à 98% en poids environ, de préférence de 55 à 95% en poids environ, et de préférence encore de 65 à 90% en poids environ, par rapport au poids total de la couche de bourrage.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau géopolymère est obtenu à partir d'une composition géopolymère comprenant au moins un aluminosilicate, un silicate alcalin, de l'eau, et éventuellement une base alcaline.
    • Le matériau fibreux non tissé
  • Le matériau fibreux non tissé a de préférence une structure souple et flexible.
  • Le matériau fibreux non tissé entrant dans la composition de la couche de bourrage selon l'invention peut être choisi parmi les matériaux cellulosiques, les matériaux à base de polymères organiques synthétiques, les fibres de verre, et un de leurs mélanges, et de préférence parmi les matériaux à base de polymères organiques synthétiques.
  • Les matériaux cellulosiques peuvent être choisis parmi le papier, en particulier le papier buvard ; les matériaux non tissés fabriqués à partir de cellulose fonctionnalisée ou non fonctionnalisée ; les matrices à structure alvéolaire et/ou fibreuse fabriquées à partir de fibres naturelles d'acétate de cellulose.
  • Les matériaux à base de polymères organiques synthétiques peuvent être choisis parmi les matériaux polymères à matrice poreuse et/ou fibreuse de polyoléfine(s), en particulier ceux choisis parmi les homo- et copolymères de propylène, les homo- et copolymères d'éthylène, les polyéthylènes haute densité (HDPE), les polyamides aromatiques (aramides), les polyesters, et un de leurs mélanges.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau fibreux non tissé est un polyéthylène téréphtalate (PET).
  • Le matériau fibreux non tissé présente de préférence un grammage allant de 70 à 120 g/cm2 environ. Cela permet ainsi d'obtenir une couche de bourrage suffisamment flexible pour pouvoir être manipulée facilement, et suffisamment robuste pour obtenir une bonne protection au feu.
  • Le matériau fibreux non tissé peut en particulier se présenter sous la forme d'une bande ou d'un ruban.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau fibreux représente de 2 à 95% en poids environ, de façon particulièrement préférée de 5 à 45% en poids environ, et encore plus préférentiellement de 10 à 35% en poids environ, par rapport au poids total de la couche de bourrage.
    • La couche de bourrage
  • La couche de bourrage présente de préférence une épaisseur allant de 0,2 à 4 mm environ, et de préférence allant de 0,5 à 1,5 mm environ.
  • La couche de bourrage peut comprendre en outre au moins un additif choisi parmi les additifs polymères organiques, et les agents retardant la prise en masse de la composition géopolymère à température ambiante.
  • L'additif polymère organique est destiné à améliorer la cohésion de la couche de bourrage et son adhérence sur la couche du câble avec laquelle elle est destinée à être en contact.
  • L'additif polymère organique est de préférence choisi parmi le polypropylène ; les copolymères de styrène-butadiène (SBR) ; les copolymères de styrène-butadiène-éthylène (EBS) ; les dérivés des copolymères de styrène-éthylène, notamment ceux commercialisés par Kraton tels que les copolymères de styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS), les copolymères de styrène-butadiène-styrène (SBS), les copolymères de styrène-isoprène-styrène (SIS), les copolymères de styrène-propylène-éthylène (EPS) ou les copolymères de styrène-éthylène-propylène-styrène (SEPS) ; les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les polyorganosiloxanes réticulés (e.g. à l'aide d'un peroxyde) ; le polyéthylène ; la cellulose et ses dérivés tels que l'acétate de cellulose ; et l'un de leurs mélanges.
  • La cellulose et ses dérivés tels que l'acétate de cellulose sont préférés.
  • L'additif polymère organique peut être sous la forme de fibres ou d'une poudre.
  • Lorsqu'il est utilisé, l'additif polymère organique représente de préférence de 2 à 70% en poids environ, et encore plus préférentiellement de 30 à 50% en poids environ, par rapport au poids total de la couche de bourrage, notamment selon l'application et la flexibilité recherchée.
  • L'agent retardant la prise en masse permet à la composition géopolymère de rester malléable plus longtemps.
  • De tels agents retardateurs peuvent être choisis parmi l'ammonium, les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, le borax, les lignosulfonates et en particulier les sels de métaux de lignosulfonates de calcium, les celluloses telles que la carboxyméthyl hydroéthyl cellulose, les lignines sulfoalkylées telles que par exemple la lignine sulfométhylée, les acides hydroxycarboxyliques, les copolymères de sels d'acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique et d'acide acrylique ou d'acide maléique, les sels saturés, et leurs mélanges.
  • Les lignosulfonates sont préférés.
  • Lorsqu'il est utilisé, l'agent retardateur représente de préférence de 5 à 60% en poids environ, et encore plus préférentiellement de 10 à 30% en poids environ, par rapport au poids total de la couche de bourrage.
  • Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, la couche de bourrage ne comprend pas d'additif(s). En d'autres termes, elle peut être uniquement constituée, outre les impuretés inévitables, du matériau fibreux non tissé et du matériau géopolymère.
    • La gaine externe
  • La gaine externe est de préférence une gaine électriquement isolante.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la gaine externe est directement en contact physique avec la couche de bourrage.
  • La gaine externe est de préférence réalisée en un matériau exempt d'halogène. Elle peut être réalisée classiquement à partir de matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de la flamme. Notamment, si ces derniers ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR (pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »).
  • La gaine externe représente la couche la plus externe du câble (i.e. également appelée gaine extérieure de protection).
    • Elle comprend au moins un matériau polymère
  • Le choix du matériau polymère n'est pas limitatif et ceux-ci sont bien connus de l'homme du métier.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau polymère est choisi parmi les polymères réticulés et non réticulés, les polymères du type inorganique et du type organique.
  • Le matériau polymère peut être un homo- ou un co-polymère ayant des propriétés thermoplastiques et/ou élastomères.
  • Les polymères du type inorganique peuvent être des polyorganosiloxanes.
  • Les polymères du type organique peuvent être des polyuréthanes ou des polyoléfines.
  • Les polyoléfines peuvent être choisies parmi les polymères d'éthylène et de propylène. A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), le polyéthylène haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR), ou les terpolymères d'éthylène et de propylène (EPT) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène monomère (EPDM).
  • La gaine externe peut comprendre en outre une charge minérale ignifugeante hydratée. Cette charge minérale ignifugeante hydratée agit principalement par voie physique en se décomposant de manière endothermique (e.g. libération d'eau), ce qui a pour conséquence d'abaisser la température de la gaine et de limiter la propagation des flammes le long du câble. On parle notamment de propriétés de retard à la flamme, bien connues sous l'anglicisme « flame retardant ».
  • La charge minérale ignifugeante hydratée peut être un hydroxyde métallique tel que l'hydroxyde de magnésium ou le trihydroxyde d'aluminium.
  • La présente invention a pour deuxième objet un procédé de fabrication d'un câble tel que défini dans le premier objet de l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
    1. i) une étape d'application du matériau fibreux non tissé autour de l'élément électriquement conducteur isolé, pour former un ensemble matériau fibreux non tissé/élément électriquement conducteur isolé ;
    2. ii) une étape d'imprégnation de l'ensemble matériau fibreux non tissé/élément électriquement conducteur isolé obtenu à l'étape ii), par une composition géopolymère ;
    3. iii) une étape de durcissement de la composition géopolymère, pour former le matériau géopolymère, et
    4. iv) une étape d'application de la gaine externe.
  • Le procédé conforme à l'invention est rapide, simple et avantageux d'un point de vue économique. Il permet d'accéder à des câbles présentant une bonne protection contre la propagation du feu.
    • Étape i)
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau fibreux non tissé se présente sous forme d'un ruban ou d'une bande, et l'étape i) d'application dudit matériau fibreux est alors réalisée par enroulement dudit ruban ou de ladite bande autour d'un ou de plusieurs éléments conducteurs allongés, ledit enroulement pouvant en outre être effectué avec des zones de recouvrement.
  • Lorsque le câble est défini selon la première variante du premier objet de l'invention, l'application dudit matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) est effectuée de préférence autour de la pluralité d'éléments électriquement conducteurs allongés isolés, pour former un ensemble matériau fibreux non tissé/pluralité d'éléments électriquement conducteurs allongés isolés.
  • L'application du matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) est alors préférentiellement longitudinale (i.e. selon l'axe longitudinal du câble).
  • Lorsque le câble est défini selon la deuxième variante du premier objet de l'invention, l'application dudit matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) est effectuée de préférence autour de la couche métallique, pour former un ensemble matériau fibreux non tissé/couche métallique/élément électriquement conducteur isolé.
  • L'application du matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) peut alors être hélicoïdale ou longitudinale, et préférentiellement hélicoïdale.
    • Étape ii)
  • La composition géopolymère de l'étape ii) est de préférence une composition géopolymère aluminosilicate.
  • Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, la composition géopolymère comprend au moins un aluminosilicate, un silicate alcalin, de l'eau, et éventuellement une base alcaline
  • L'aluminosilicate peut être choisi parmi les métakaolins (i.e. kaolins calcinés), les cendres volantes (bien connues sous l'anglicisme « fly ash »), le laitier de haut fourneau (bien connu sous l'anglicisme « blast furnace slag »), les argiles gonflantes telles que la bentonite, les argiles calcinées, tout type de composé comprenant de l'aluminium et de la fumée de silice, les zéolithes et un de leurs mélanges.
  • Parmi ces composés, les métakaolins sont préférés, notamment ceux commercialisés par la société Imérys.
  • Le silicate alcalin peut être choisi parmi les silicates de sodium, les silicates de potassium, et un de leurs mélanges.
  • Les silicates alcalins commercialisés par la société Silmaco ou par la société PQ Corporation sont préférés.
  • La base alcaline peut être choisie parmi KOH, NaOH, et leur mélange.
  • La composition géopolymère de l'étape ii) peut répondre à la composition molaire suivante (1) :

             w SiO2 : x Al2O3 : y M2O : z H2O     (I)

    dans laquelle :
    • M est choisi parmi Na, K, Li, Cs et l'un de leurs mélanges,
    • w est une valeur comprise entre 0,1 et 8 environ,
    • x est une valeur comprise entre 0,1 et 0,3 environ,
    • y est une valeur comprise entre 0,05 et 0,2 environ,
    • w est une valeur comprise entre 0,8 et 3 environ.
  • La composition géopolymère de l'invention peut comprendre de 35% à 80% en poids environ, et de préférence de 40% à 70% en poids environ, de matières solides (silicate alcalin(s), aluminosilicate(s) et base alcaline), par rapport au poids total de ladite composition géopolymère.
  • Le rapport massique matières solides/eau dans ladite composition géopolymère détermine la cinétique de solidification lors de l'étape iv).
    • Étape iii)
  • L'étape iii) est généralement effectuée à température ambiante (e.g. 18-25°C environ). En effet, la polymérisation pour former le matériau géopolymère s'effectue à température ambiante.
  • La vitesse de durcissement de l'étape iii) peut aller de 30 à 300 minutes environ à 25°C environ (i.e. à la température ambiante).
  • Cependant, il est tout à fait possible de retarder le durcissement de l'étape iii) en ajoutant à la composition géopolymère au moins un agent retardateur de la prise en masse tel que défini dans le premier objet de l'invention.
  • Comme indiqué précédemment, l'agent retardateur est de préférence choisi parmi les lignosulfonates.
    • Étape iv)
  • Lors de l'étape iv), la gaine externe est appliquée autour de la couche constituée dudit matériau fibreux imprégné de la composition géopolymère.
  • La réalisation de cette gaine externe peut notamment être réalisée par extrusion.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, les étapes ii), iii) et iv) sont concomitantes. Cela permet ainsi d'obtenir le câble facilement et de façon simple.
    • Étape i 0 )
  • Le procédé peut comprendre en outre avant l'étape i), une étape i0) de préparation de la composition géopolymère.
  • L'étape i0) est généralement effectuée à un pH élevé, notamment variant de 10 à 13.
  • Lorsque la composition cimentaire est une composition géopolymère aluminosilicate, l'étape i0) comprend de préférence les sous-étapes suivantes :
    • i01) une sous-étape de préparation d'une solution aqueuse de silicate alcalin de rapport molaire SiO2/M2O allant de 1,65 à 3,4 environ, la concentration massique du silicate alcalin dans l'eau pouvant aller de 35 à 90% environ, et
    • i02) une sous-étape de mélange d'un aluminosilicate sous forme de poudre, de rapport molaire Al2O3/SiO2 allant de 0,4 à 0,8 avec la solution aqueuse de silicate alcalin préparée à l'étape précédente, la concentration massique de l'aluminosilicate dans la solution aqueuse de silicate alcalin préparée à l'étape précédente pouvant aller de 10 à 80% environ, et de préférence de 25 à 65% environ.
  • La solution aqueuse de silicate alcalin peut être préparée en mélangeant du dioxyde de silicium SiO2 ou un silicate alcalin avec une base MOH dans laquelle M est K ou Na.
  • Le dioxyde de silicium SiO2 peut être choisi parmi la fumée de silice (i.e. silice pyrogénée), le quartz, et leurs mélanges.
  • La sous-étape i01) peut être effectuée en dissolvant la base dans de l'eau, entraînant un dégagement de chaleur (réaction exothermique), puis en ajoutant la silice (ou le silicate alcalin). La chaleur dégagée accélère alors la dissolution de la silice (ou du silicate alcalin) lors de la sous-étape i1) et de l'aluminosilicate lors de la sous-étape i02) et de ce fait la prise de la composition géopolymère.
  • A l'issue de la sous-étape i02), la composition géopolymère présente une viscosité qui augmente avec le temps lorsqu'elle est exposée à l'air libre.
  • L'invention a pour troisième objet l'utilisation d'une couche de bourrage telle que définie dans le premier objet de l'invention, dans un câble de transmission de données tel qu'un câble rayonnant ou un câble d'énergie basse tension.
  • En particulier, la couche de bourrage comprend un matériau fibreux non tissé et un matériau géopolymère imprégnant ledit matériau fibreux non tissé.
  • Le matériau fibreux non tissé et le matériau géopolymère peuvent être tels que définis dans le premier objet de l'invention.
  • L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées.
  • Sur ces figures :
    • la figure 1 est une photographie d'un câble conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est une photographie d'un câble conforme à l'invention.
  • Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique sur ces figures, et ceci sans respect de l'échelle.
  • Le câble 10, illustré sur la figure 1, correspond à un câble coaxial rayonnant pour installations typiques en tunnels routiers ou ferroviaires pour des transmissions mono- ou bidirectionnelles comprises dans les bandes de fréquences comprises entre 40 MHz et 2,7 GHz.
  • Ce câble électrique 10 comprend: un élément électriquement conducteur central allongé 1, préférentiellement en cuivre, et successivement et coaxialement autour de cet électriquement conducteur central allongé 1, une couche en polymère expansé 2, de préférence en polyéthylène expansé, un élément électriquement conducteur externe 3, préférentiellement en cuivre et sous la forme d'un ruban longitudinal perforé et replié cylindriquement autour de la couche en polymère expansé 2, une couche de bourrage 4 telle que définie dans l'invention, et une gaine externe de protection 5, de préférence comprenant au moins un matériau thermoplastique.
  • Le câble électrique 20, illustré sur la figure 2, correspond également à un câble coaxial rayonnant pour installations typiques en tunnels routiers ou ferroviaires pour des transmissions mono- ou bidirectionnelles comprises dans les bandes de fréquences comprises entre 40 MHz et 2,7 GHz, mais pourvu d'une gaine intermédiaire.
  • Ce câble électrique 20 comprend : un élément électriquement conducteur central allongé 21, préférentiellement en cuivre, et successivement et coaxialement autour de cet électriquement conducteur central allongé 21, une couche en polymère expansé 22, de préférence en polyéthylène expansé, un élément électriquement conducteur externe 3, préférentiellement en cuivre et sous la forme d'un ruban longitudinal perforé et replié cylindriquement autour de la couche en polymère expansé 22, une gaine interne 25, de préférence comprenant au moins matériau thermoplastique, une couche de bourrage 24 telle que définie dans l'invention, et une gaine externe de protection 26, de préférence comprenant au moins un matériau thermoplastique.
  • Les exemples suivants permettent d'illustrer la présente invention. Ils n'ont pas de caractère limitatif sur la portée globale de l'invention telle que présentée dans les revendications. Les rapports entre les oxydes sont des rapports molaires et les % indiqués sont en poids.
    • EXEMPLES
  • Les matières premières utilisées dans les exemples, sont listées ci-après :
    • solution aqueuse de silicate de sodium à 50% massique environ de type « waterglass », Simalco, de formule Na2O.2SiO2 et de rapport molaire SiO2/Na2O de 2 environ,
    • eau courante,
    • hydroxyde de sodium, Sigma Aldrich, de pureté > 85%,
    • aluminosilicate, PoleStar® 450R, Imerys, de rapport molaire Al2O3/SiO2 de 41/55 (i.e. de 0,745 environ),
    • matériau non tissé en Polyester, GT320, GECA TAPES.
  • Sauf indications contraires, toutes ces matières premières ont été utilisées telles que reçues des fabricants.
    • Exemple 1 : préparation d'un câble rayonnant conforme à l'invention
  • Une composition géopolymère aluminosilicate a été préparée de la façon suivante : une solution de silicate alcalin a été préparée en mélangeant 3 kg d'une solution aqueuse de silicate de sodium, 0,1 kg d'eau et 0,8 kg d'hydroxyde de sodium. Puis, 0,9 kg d'aluminosilicate ont été mélangés avec la solution de silicate alcalin.
  • Ladite composition comprend 67% en poids environ de matières solides, par rapport à la masse totale de ladite composition.
  • Un matériau non tissé en polyester a ensuite été enroulé autour d'un câble comprenant un élément électriquement conducteur en cuivre isolé avec une couche de polyéthylène expansé, ladite couche de polyéthylène expansé étant entourée par une couche métallique en cuivre (conducteur externe).
  • L'ensemble a été imprégné dans la composition géopolymère aluminosilicate telle que préparée ci-avant. L'assemblage obtenu a ensuite été recouvert par extrusion à chaud d'une gaine protectrice polymère à base d'un mélange HFFR produit par NEXANS à base de polyéthylène et de charges ignifugeantes, ladite gaine ayant une épaisseur de 2 mm. On a ainsi obtenu un câble rayonnant conforme à l'invention. Les performances à la flamme du câble rayonnant sont déterminées suivant la norme EN50399. 5 tronçons de câble positionnés sur une échelle verticale sont exposés à une flamme 20kW de puissance pendant 20 min. Les résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous : TABLEAU
    Compositions Valeurs Classe selon EN50399
    pHRR (kW) 28,5 B2ca
    Temps au pic HRR (s) 1482
    THR (MJ) 13,1
    FIGRA (w/s) 25,5
    propagation de la flamme (m) 0,82
    Gouttelettes enflammées Aucune d0
    SPR (m2/s) 0,07 s1
    Temps au pic SPR (s) 1497
    TSP (m2) 28,08
  • Dans ce tableau, l'acronyme HRR correspond à l'expression anglophone « Heat Release Rate » qui renseigne sur le débit calorifique, l'acronyme THR correspond à l'expression anglophone « Total Heat Release » qui renseigne sur la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion, l'acronyme FIGRA correspond à l'expression anglophone « FIre GRowth rAte » qui renseigne sur la vitesse de croissance du feu, l'acronyme SPR correspond à l'expression anglophone « Smoke Production Rate » qui renseigne sur la vitesse de production de fumée, et l'acronyme TSP correspond à l'expression anglophone « « Total Smoke Production » qui renseigne sur la quantité totale de fumée produite.
  • Ces résultats démontrent que le câble rayonnant conforme à l'invention présente les propriétés de protection au feu maximales au regard des exigences de la norme Européenne EN50399.

Claims (15)

  1. Câble comprenant au moins un élément électriquement conducteur isolé, et au moins une gaine externe entourant ledit élément électriquement conducteur isolé, caractérisé en ce que :
    - ledit câble comprend en outre une couche de bourrage comprenant un matériau fibreux non tissé et un matériau géopolymère imprégnant ledit matériau fibreux non tissé, ladite couche de bourrage étant interposée entre ledit élément électriquement conducteur isolé et la gaine externe, et
    en ce que :
    - ledit câble comprend une pluralité d'éléments électriquement conducteurs isolés, et la couche de bourrage entoure ladite pluralité d'éléments électriquement conducteurs isolés, ou
    - ledit câble comprend en outre une couche métallique contenant une ou plusieurs ouvertures, ladite couche métallique entourant l'élément électriquement conducteur isolé, et ladite couche de bourrage entourant la couche métallique.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit câble comprend en outre une couche métallique contenant une ou plusieurs ouvertures, ladite couche métallique entourant l'élément électriquement conducteur isolé, et ladite couche de bourrage entourant la couche métallique, et la couche de bourrage est directement en contact physique avec la couche métallique.
  3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit câble comprend en outre une couche métallique contenant une ou plusieurs ouvertures, ladite couche métallique entourant l'élément électriquement conducteur isolé, et ladite couche de bourrage entourant la couche métallique, et ledit câble comprend en outre une couche polymère entre la couche métallique et la couche de bourrage.
  4. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit câble comprend en outre une couche métallique contenant une ou plusieurs ouvertures, ladite couche métallique entourant l'élément électriquement conducteur isolé, et ladite couche de bourrage entourant la couche métallique et l'élément électriquement conducteur isolé est isolé avec une couche électriquement isolante comprenant au moins un matériau polymère expansé.
  5. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau géopolymère est un matériau géopolymère aluminosilicate.
  6. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau géopolymère représente de 55 à 95% en poids, par rapport au poids total de la couche de bourrage.
  7. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau fibreux non tissé est choisi parmi les matériaux cellulosiques, les matériaux à base de polymères organiques synthétiques, les fibres de verre, et un de leurs mélanges.
  8. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau fibreux non tissé se présente sous la forme d'une bande ou d'un ruban.
  9. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau géopolymère est obtenu à partir d'une composition géopolymère comprenant au moins un aluminosilicate, un silicate alcalin, de l'eau, et éventuellement une base alcaline.
  10. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il satisfait aux critères de classification B2ca, s1a, d0, a1 de la norme EN 50399 (2012/02 + A1 2016), et éventuellement aux normes EN 60332-1 et EN 60332-3.
  11. Procédé de fabrication d'un câble tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
    i) une étape d'application du matériau fibreux non tissé autour de l'élément électriquement conducteur isolé, pour former un ensemble matériau fibreux non tissé/élément électriquement conducteur isolé ;
    ii) une étape d'imprégnation de l'ensemble matériau fibreux non tissé/élément électriquement conducteur isolé obtenu à l'étape ii), par une composition géopolymère ;
    iii) une étape de durcissement de la composition géopolymère, pour former le matériau géopolymère, et
    iv) une étape d'application de la gaine externe.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'application dudit matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) est effectuée autour de la couche métallique, pour former un ensemble matériau fibreux non tissé/couche métallique/élément électriquement conducteur isolé.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'application du matériau fibreux non tissé lors de l'étape ii) est hélicoïdale ou longitudinale.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les étapes ii), iii) et iv) sont concomitantes.
  15. Utilisation d'une couche de bourrage telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans un câble de transmission de données tel qu'un câble rayonnant ou un câble d'énergie basse tension.
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