ES2212400T3 - Cable electrico con proteccion autorreparadora. - Google Patents
Cable electrico con proteccion autorreparadora.Info
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Abstract
SE EXPONE UN CABLE, EN PARTICULAR UN CABLE PARA EL TRANSPORTE O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA, QUE TIENE UNA CAPA INTERNA QUE COMPRENDE UN MATERIAL DE AUTORREPARACION CON UNA COHESIVIDAD PREDETERMINADA Y UNA FLUIDEZ CONTROLADA, A FIN DE RESTABLECER, AL CREARSE UNA DISCONTINUIDAD EN AL MENOS UNA DE LAS CAPAS DE RECUBRIMIENTO DEL CABLE, LA CONTINUIDAD EN EL REVESTIMIENTO. LA DISCONTINUIDAD EN EL RECUBRIMIENTO PUEDE ESTAR PROVOCADA POR FORZAMIENTOS MECANICOS DE VARIOS TIPOS, POR EJEMPLO CON EL IMPACTO ACCIDENTAL CON HERRAMIENTAS DE CORTE. PUEDEN EVITARSE DE ESTA FORMA LA INFILTRACION DE HUMEDAD Y LA GENERACION DE CORRIENTES DE FUGA, CONDUCENTES A LA RAPIDA CORROSION DEL CONDUCTOR.
Description
Cable eléctrico con protección
autorreparadora.
La presente invención se refiere a un cable, en
concreto un cable para la transmisión o distribución de energía
eléctrica o para telecomunicaciones. Más concretamente, la presente
invención se refiere a un cable como arriba se ha definido que
comprende por lo menos una capa de revestimiento y que dispone de
una protección de auto reparación que es capaz de restablecer la
continuidad de la capa de revestimiento después de su rotura.
Los cables eléctricos, en concreto los cables de
medio y alto voltaje para la distribución de energía eléctrica para
uso doméstico o industrial, consisten generalmente en uno o más
conductores aislados individualmente por medio de un material
polimérico revestidos con una cubierta protectora, realizada también
con un material polimérico. Estos cables, en particular cuando se
instalan bajo el suelo, en túneles o en el interior de tuberías
enterradas, se ven sometidos a daños en dichas capas causados por
varios tipos de abusos mecánicos, por ejemplo el impacto accidental
con herramientas cortantes como palas o picos, que ejercen sobre el
cable una acción tanto de corte como de compresión. Esto puede
comportar la rotura parcial o total de la cubierta exterior y
posiblemente también de la capa aislante, con la consiguiente
infiltración de humedad y la generación de corrientes de fuga. Si la
ruptura de las capas de revestimiento alcanza al conductor, el
efecto combinado de las corrientes de fuga y la humedad comporta una
corrosión gradual del conductor hasta, finalmente, la rotura total
del conductor mismo.
Para obtener una protección efectiva contra
dichos abusos mecánicos, se puede proporcionar al cable una
estructura exterior capaz de resistir tanto el corte como la
compresión, consistiendo esta estructura exterior, por ejemplo, en
una cubierta realizada con metal o un material plástico combinado
con armadura metálica. Esta solución es inadecuada para cables que
requieren facilidad de instalación y bajos costes como,
concretamente, en el caso de cables de bajo voltaje.
En la solicitud de patente
GB-2.032.678 se describe un cable conductor de
energía eléctrica que comprende uno o más conductores que disponen
de una capa aislante, una pantalla metálica, una funda exterior, y
entre la pantalla metálica y la funda exterior por lo menos una capa
de separación alrededor de la pantalla metálica y por lo menos una
capa exterior de un material en forma de pasta con un alto grado de
resistencia al agua y en el cual se incorporan uno o más materiales
reductores de la humedad. Se considera que el cable arriba
mencionado presenta una resistencia mejorada a la corrosión por
ejemplo debida a daño mecánico de la funda o cubierta exterior así
como una resistencia mejorada a la formación de las llamadas
"ramificaciones hídricas".
En la patente US-5.313.020 se
describe un cable de eje doble que comprende un núcleo central con
dos conductores enrollados de forma helicoidal alrededor del mismo.
La situación relativa de los dos conductores sobre el núcleo se
logra intercalando una pluralidad de separadores entre los
conductores sobre la superficie del núcleo. Una barrera dieléctrica
encierra al núcleo, conductores y separadores. Debido a que cada
cable de transmisión de doble eje presenta sus propios
requerimientos eléctricos y mecánicos, el cable tiene un diseño que
se puede modificar fácilmente antes de la fabricación para cumplir
los diferentes requerimientos. Por medio de seleccionar entre los
muchos materiales dieléctricos disponibles para la fabricación de
estos elementos, así como seleccionando las dimensiones físicas de
los elementos, las características eléctricas y mecánicas se pueden
"sintonizar" para cumplir los requerimientos específicos. Se
afirma que el cable arriba mencionado presenta un alto grado de
resistencia a la flexión, compactación, y características mecánicas
y eléctricas mejoradas.
En la solicitud de patente EP-0
288 869 se describe un procedimiento para la extensión del tiempo de
vida en servicio de un cable de distribución eléctrica de conductor
estirado en el cual los intersticios del conductor se rellenan con
una composición de bloqueo de agua de silicona curable que se cura
subsiguientemente hasta un estado de no fluidez. La composición
presenta una baja viscosidad y comprende (A) un fluido de
polidiorganosiloxano terminado con Si-H, (B) un
fluido de polidiorganosiloxano terminado con un radical orgánico
insaturado, (C) un enlazador cruzado de siloxano, (D) un catalizador
de hidrosilación y (E) un inhibidor de polimerización. Se afirma que
la composición arriba mencionada mejora también el punto de ruptura
eléctrica del cable.
En la patente GB-1.364.200 se
describe una composición para rellenar cable de tipo eléctrico
aislado con un núcleo aislado de polietileno. Más concretamente, se
describe una composición de relleno de cable que presenta polibuteno
como su principal constituyente. Se afirma que la composición arriba
mencionada presenta una alta compatibilidad con el polietileno, baja
permitividad y comportamiento eléctrico deseable sobre el campo de
temperatura de trabajo del cable sin afectar de forma adversa las
características de manipulación del cable o complicar excesivamente
el procedimiento de empalme.
En la solicitud de patente
DE-1.590.958 se describe un cable de
telecomunicación o de alta corriente que se encuentra protegido
contra el daño mecánico por medio de una cubierta exterior que
comprende, en su interior, microcápsulas que contienen un líquido
capaz de solidificarse rápidamente una vez se rompe la microcápsula.
Para este propósito, se menciona como preferible la utilización de
los dos componentes que se utilizan normalmente para la fabricación
de poliuretano expandido, encerrándose estos componentes
separadamente en microcápsulas de forma que reaccionan entre ellos
en el momento en el que se rompen las microcápsulas, formando un
material expandido que cierra el corte accidental. Alternativamente,
es posible utilizar líquidos que se solidifican cuando entran en
contacto con agentes externos, por ejemplo con la humedad.
Según el solicitante, la solución propuesta en la
solicitud de patente arriba mencionada es difícil de implementar en
la práctica y presenta muchos inconvenientes. En primer lugar, debe
observarse que la posibilidad de auto reparación se limita a la
cubierta exterior, y no se dan indicaciones referentes a la
posibilidad de restablecer la integridad de la capa aislante.
Además, para obtener un efecto de auto reparación, es necesario
introducir una gran cantidad de material microencapsulado durante la
extrusión de la cubierta, y esta operación puede resultar
extremadamente difícil, además de ser cara. Finalmente, debe
señalarse que el mecanismo de actuación de las microcápsulas es
irreversible, por tanto el efecto de auto reparación puede tener
lugar solamente una vez, en concreto en el momento en el que se
rompen las microcápsulas. De hecho, durante las diferentes etapas de
la vida del cable (fabricación, almacenamiento, instalación,
utilización), las capas de revestimiento se someten inevitablemente
a acciones mecánicas externas de compresión y flexión y a ciclos
térmicos de expansión y compresión, que pueden conducir a la ruptura
de las microcápsulas con la expansión y/o solidificación del
material contenido en su interior. Por tanto, este material no será
ya capaz de realizar la acción deseada de auto reparación si la
cubierta fuese eventualmente dañada. Debe señalarse también que,
incluso cuando las microcápsulas se utilizan conteniendo un material
líquido que se solidifica en contacto con la humedad, la ruptura
accidental de las microcápsulas sin un daño de hecho a la cubierta
exterior produce sin embargo la solidificación del material debido a
que en el interior del cable se encuentra siempre humedad
residual.
El solicitante ha encontrado ahora que, como
consecuencia de un daño mecánico que crea una discontinuidad por lo
menos en una de las capas de revestimiento, es posible obtener una
auto reparación efectiva del revestimiento gracias a la presencia de
una capa interior situada, por ejemplo, entre la capa aislante y la
cubierta exterior, comprendiendo esta capa interior un material que
presenta una cohesión predeterminada y al mismo tiempo una fluidez
controlada, que es capaz de reparar el daño por medio de restablecer
la continuidad de la capa de revestimiento. Después de la creación
de una discontinuidad en el revestimiento, el material se
"desplaza" hacia al punto del daño y rellena, por lo menos
parcialmente, la discontinuidad por medio de la formación de una
capa sustancialmente continua que es capaz de mantener la
funcionalidad del cable bajo las condiciones de trabajo esperadas.
La acción del material de auto reparación, que tiene lugar mediante
un mecanismo reversible, evita, entre otras cosas, la infiltración
de humedad y el establecimiento de corrientes de fuga, y por tanto
una corrosión rápida del conductor.
En un primer aspecto, la presente invención se
refiere por tanto a un cable según la reivindicación 1.
Según un aspecto preferido, el cable según la
presente invención comprende una capa de revestimiento aislante y
una cubierta exterior, y se caracteriza por el hecho de que la capa
interior se sitúa entre la capa aislante y la cubierta exterior.
Según otra realización de la presente invención,
la capa interior se sitúa entre el conductor y la capa aislante.
Según otra realización, el cable según la
presente invención comprende por lo menos dos capas aislantes de
revestimiento y se caracteriza por el hecho de que la capa interior
se sitúa entre dos de dichas capas aislantes.
Según otro aspecto, la presente invención se
refiere a un procedimiento para impartir a un cable que comprende un
conductor y por lo menos una capa de revestimiento una capacidad de
auto reparación de la capa de revestimiento, caracterizado por el
hecho de que dicho procedimiento comprende proporcionar al cable una
capa interior que comprende un material que tiene la capacidad,
después de la creación de una discontinuidad en la capa de
revestimiento, de restablecer la continuidad de la capa de
revestimiento de forma reversible.
En la descripción siguiente y en las
reivindicaciones, el material que constituye la capa interior será
referido, por simplicidad, como "material de auto
reparación".
El término "capa interior" se entiende aquí
que se refiere a una capa situada en cualquier posición entre el
conductor y la capa de revestimiento más externa, por ejemplo entre
el conductor y la capa aislante o, preferiblemente, entre la capa
aislante y la cubierta exterior. Alternativamente, cuando se
encuentran presentes por lo menos dos capas aislantes, la capa de
auto reparación se puede situar entre dos de dichas capas
aislantes.
La expresión "discontinuidad en por lo menos
una de las capas de revestimiento" se entiende aquí que se
refiere a una ruptura parcial o completa de esa capa. En el caso de
rotura parcial solamente se ha dañado parte del grosor de la capa de
revestimiento, mientras que se produce una ruptura completa cuando
la capa se ha cortado en todo su grosor. No es necesario decir que
una ruptura parcial puede convertirse en completa a lo largo del
tiempo, por ejemplo como consecuencia de tensiones mecánicas de
tracción o flexión o alternativamente como resultado de ciclos
térmicos de expansión y compresión a los que el cable se ve sometido
durante la utilización.
La expresión "restablecer la continuidad" se
entiende aquí que se refiere al rellenado, por lo menos
parcialmente, de un punto de ruptura que se ha creado en el
revestimiento del cable, de forma que se mantiene la funcionalidad
del cable por lo menos durante un periodo de tiempo predeterminado,
y preferiblemente durante el periodo completo de la vida del cable,
por lo menos bajo condiciones normales de funcionamiento. En otras
palabras, el material de auto reparación es capaz de evitar o por lo
menos hacer más lenta la degradación de los materiales que
constituyen el cable, y en concreto del conductor, debido a la
infiltración de agentes externos a través del punto de
discontinuidad.
El solicitante se ha dado cuenta de que, para los
propósitos de la presente invención, la capacidad de auto reparación
deseada del cable se puede describir, principalmente, como una
función de las condiciones de instalación y utilización contempladas
para este cable, en concreto en términos de temperatura y
presión.
El material de auto reparación es un material
dieléctrico que es capaz de restablecer el aislamiento eléctrico del
cable. Esta propiedad es particularmente importante en el caso donde
el daño mecánico es tal que causa una ruptura parcial o completa de
la capa aislante, es decir hasta alcanzar al conductor. En general,
son suficientes valores de rigidez dieléctrica, bajo corriente
alterna, mayores que 15 kV/mm, preferiblemente mayores que 20 kV/mm,
y valores de resistividad mayores que 10^{14} \Omega.cm,
preferiblemente mayores que 10^{16} \Omega.cm.
Como arriba se ha mencionado, el material de auto
reparación presenta una cohesión predeterminada tal que, después de
la creación de una discontinuidad en este material, por ejemplo por
la acción de una herramienta cortante, y una vez se ha retirado la
causa de la discontinuidad, las moléculas que constituyen el
material de auto reparación son capaces de recrear espontáneamente
enlaces intermoleculares que son suficientes para restaurar la
continuidad del material. Este fenómeno es de tipo reversible, es
decir que el material de auto reparación es capaz de realizar su
función de forma efectiva un número indefinido de veces.
Para los propósitos de la presente invención, la
expresión "cohesión del material de auto reparación" se refiere
tanto a la fuerza de cohesión real hasta la separación (referida de
aquí en adelante simplemente como "fuerza de cohesión"), es
decir la fuerza por unidad de área de superficie que se requiere en
la masa de una muestra de material para separar completamente una
parte del material de la parte restante, como a la fuerza de
re-cohesión (o de auto adhesión), que es la fuerza
que se requiere para volver a crear una separación completa del
material una vez que dos porciones de este material se han puesto en
contacto durante un tiempo predeterminado y bajo condiciones
predeterminadas de presión y temperatura. En otras palabras, la
cohesión del material de auto reparación debe asegurarse tanto en lo
que respecta a la magnitud de las fuerzas intermoleculares que
mantienen el material unido asegurando así su integridad, como en lo
que respecta a su capacidad para volver a crear estos enlaces
intermoleculares espontáneamente una vez que se han roto por la
intervención de una fuerza externa.
La fuerza de cohesión se puede medir según el
procedimiento que se da en los ejemplos siguientes. Se ha encontrado
que valores de la fuerza de cohesión, medidos a temperatura
ambiente, de por lo menos 0,05 kg/cm^{2} aseguran una cohesión
suficiente del material de auto reparación, aunque se prefieren
valores entre 0,1 y 4 kg/cm^{2}, y todavía más preferiblemente
entre 0,2 y 2 kg/cm^{2}.
La fuerza de re-cohesión se puede
evaluar empíricamente situando, uno encima del otro, dos discos de
material de dimensiones predeterminadas y dejando los discos en
contacto durante un tiempo predeterminado a temperatura ambiente. Al
final de este periodo, se mide la fuerza que se requiere para
separar los dos discos. Cuanto más se acerca esta fuerza al valor de
fuerza de cohesión intrínseca del material mismo, tanto más el
material es capaz de reunificarse espontáneamente después del daño,
formando así de nuevo un material continuo. En la práctica, el
solicitante ha encontrado que en los materiales de auto reparación
según la presente invención, la fuerza de
re-cohesión es preferiblemente sustancialmente
idéntica a la fuerza de cohesión como se ha definido arriba, y tiene
un valor no menor que 80%, preferiblemente no menor que 90%, en
relación con la fuerza de cohesión medida en el material como
tal.
Según la percepción del solicitante, otra
propiedad del material de auto reparación según la presente
invención es su fluidez controlada, es decir que el material de auto
reparación debe ser capaz de "moverse" para migrar hacia el
punto de ruptura del revestimiento en una cantidad suficiente para
reparar el daño.
Por otro lado, como ya se ha mencionado
anteriormente, la fluidez del material de auto reparación debe ser
controlada de forma que se evite la pérdida de material por drenaje
desde los extremos del cable o por goteo desde el punto de ruptura
del revestimiento. Este control de la fluidez debe asegurarse no
solamente a temperatura ambiente sino también a temperaturas más
altas, por ejemplo a la temperatura de trabajo máxima contemplada
para el cable (normalmente 75-90ºC).
Podría pensarse que la fluidez del material de
auto reparación se podría evaluar sobre la base de medidas de
viscosidad. De hecho, para los propósitos de la presente invención,
el solicitante cree que una medida de viscosidad no es significativa
por si misma, además de no ser sencilla de realizar, en particular
para materiales con propiedades de semisólido. El solicitante ha
encontrado por tanto que es más conveniente evaluar empíricamente la
fluidez del material de auto reparación por medio de una prueba en
la que se mide el desplazamiento de una cantidad predeterminada de
material situada sobre un plano inclinado a una temperatura
predeterminada y durante un periodo predeterminado. Esta prueba se
describe en la especificación técnica ST/LAB/QFE/06, \NAK 5.5,
establecida por France Telecom/CNET (publicación: enero de 1994). En
concreto, esta evaluación se puede realizar de la forma siguiente.
Se sitúan aproximadamente 3 gramos de material de auto reparación
sobre una bandeja lisa de aluminio inclinada 60º respecto al plano
horizontal. El material que constituye la bandeja se selecciona para
asegurar una alta adhesión del material de prueba a la bandeja
misma, evitando de esta forma que el material resbale por la bandeja
sin sufrir una deformación sustancial. La bandeja se coloca dentro
de un horno ajustado termostáticamente a 60ºC; después de 24 horas
se comprueba si el material se ha deshecho en los diferentes
componentes presentes en el mismo, y se mide el desplazamiento de la
parte delantera del material hacia abajo del plano inclinado, en
relación con su posición inicial, por ejemplo por medio de un
calibrador, comprobando que no ha existido esencialmente ningún
desplazamiento de la masa entera.
En la práctica, el solicitante ha encontrado que
el control deseado de la fluidez se obtiene cuando el material de
auto reparación, sometido a la prueba de fluidez sobre un plano
inclinado a 60ºC durante 24 horas arriba descrita, muestra un
desplazamiento de la parte delantera de la muestra de material sobre
el plano inclinado de entre 1 y 200 mm e incluso más preferiblemente
entre 50 y 100 mm.
Además, el solicitante cree que el
"movimiento" del material de auto reparación hacia el punto de
ruptura se favorece por la acción de compresión radial ejercida
sobre la capa de auto reparación por parte de las otras capas que
constituyen el cable, en particular por la cubierta exterior. De
hecho, el volumen específico de los plásticos disminuye al disminuir
la temperatura, por tanto durante el proceso de enfriamiento que
sigue a la extrusión la cubierta exterior se contrae para producir
una acción de compresión radial sobre las capas inferiores, con una
presión estimada del orden de unos pocos bars. En el caso de ruptura
del revestimiento del cable, esta presión fuerza al material de auto
reparación hacia el punto de ruptura, ayudando de esta forma a la
auto reparación. Además, el solicitante ha observado que la pérdida
de material de auto reparación desde el punto de ruptura se detiene
rápidamente gracias a las propiedades de cohesión de este
material.
Otra propiedad ventajosa del material de auto
reparación es su capacidad de ejercer una acción efectiva de bloqueo
contra la humedad exterior que tiende a infiltrarse en el cable a
través del punto de ruptura del revestimiento. Para este propósito,
es apropiado que el material de auto reparación tenga un valor de
agua de saturación bajo, con valores, medidos a temperatura ambiente
por medio de volumetría de Karl-Fisher, generalmente
de menos de 400 ppm, preferiblemente menor que 200 ppm.
Además, en el caso en el que la capa de auto
reparación se sitúa fuera de la capa aislante y esta última consiste
en un material que puede tener enlace cruzado por medio de silanos,
es conveniente que el material de auto reparación, aunque absorba
pequeñas cantidades de humedad, tenga una permeabilidad suficiente
respecto al vapor de agua puesto que, como se conoce, el enlace
cruzado entre silanos tiene lugar en presencia de agua. Los valores
preferidos de permeabilidad al vapor de agua, medidos a temperatura
ambiente según ASTM E96, se encuentran generalmente entre 1,2 x
10^{-7} y 8,0 x 10^{-6} g/(cm.hora.mmHg).
Otra característica preferida del material de
auto reparación es una sustancial inactividad
físico-química respecto a los materiales plásticos
con los que se pone en contacto. La razón de esto es que es deseable
que el material de auto reparación no interactúe, bajo las
condiciones de trabajo, con los materiales que constituyen capas
adyacentes (generalmente polioleofinas como polietileno y
copolímeros de etileno, que pueden contener enlaces cruzados o no),
evitando de esta forma fenómenos de hinchado de estos materiales con
un empeoramiento consiguiente de sus propiedades mecánicas.
Una primera clase de materiales adecuados para
realizar la capa de auto reparación según la presente invención
consiste en polímeros amorfos con propiedades de líquidos de alta
viscosidad o de semisólidos, seleccionándose estos polímeros, por
ejemplo, entre las siguientes clases de productos:
(a) copolímeros de poliisobuteno o isobuteno con
cantidades menores de diferentes C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas;
(b) homopolímeros de propileno atáctico;
(c) gomas de silicona, consistentes en cadenas
lineales de unidades de monómero de fórmula
-O-SiR_{1}R_{2}-, donde R_{1} y R_{2} son
radicales alifáticos o aromáticos substituidos opcionalmente como,
por ejemplo: dimetilsilicona, metilfenilsilicona,
metilvinilsilicona, siliconas conteniendo grupos cianoacrílicos o
fluoralquilos, y similares.
Entre los productos arriba mencionados, se
prefiere particularmente utilizar poliisobuteno con un peso
molecular medio viscosimétrico (Staudinger) de entre 2.000 y 50.000,
preferiblemente entre 5.000 y 20.000, conocido comercialmente bajo
las marcas comerciales Vistanex® (Esso Chemical), Hycar® (Goodrich),
Oppanol® (BASF), y similares.
Los polímeros amorfos arriba mencionados se
pueden utilizar como tales o disueltos en un disolvente adecuado,
por ejemplo un aceite mineral o un aceite sintético, en concreto un
aceite de parafina o un aceite nafténico como, por ejemplo, los
aceites conocidos por las abreviaciones ASTM 103, 104A y 104B.
Preferiblemente, pueden utilizarse como disolventes productos de
bajo peso molecular que son homólogos al polímero amorfo.
Por ejemplo, en el caso de poliisobuteno, puede
utilizarse ventajosamente como disolvente un aceite de polibuteno
con un peso molecular medio osmométrico de entre 400 y 1.300,
preferiblemente de entre 500 y 1.000, que se puede obtener por
polimerización de mezclas de C_{4} oleofina conteniendo
principalmente isobuteno. Productos que se corresponden con estas
características se pueden encontrar en el mercado bajo las marcas
comerciales Napvis® (BP Chemicals) e Indopol® (Amoco).
En el caso de las gomas de silicona, es posible
utilizar como disolvente un aceite de silicona con una viscosidad de
generalmente entre 100 y 5.000 mm^{2}/seg a 25ºC.
En general, la cantidad de disolvente se
encuentra entre 5 y 95% en peso, preferiblemente entre 50 y 90% en
peso, en relación con el peso total de la mezcla.
En el caso en el que el polímero amorfo se
disuelve en un disolvente adecuado como arriba se menciona, se puede
añadir de forma ventajosa un espesante a la composición, siendo la
función principal de este espesante controlar la fluidez, reduciendo
de esta forma el riesgo de la pérdida descontrolada del material de
auto reparación del cable.
Productos inorgánicos como sílice pirogénico,
bentonita y similares, o mezclas de los mismos, pueden utilizarse
por ejemplo como espesantes. La cantidad de espesante se encuentra
generalmente entre 1 y 20 partes en peso, preferiblemente entre 2 y
10 partes en peso, en relación con el peso total de la mezcla.
El material de auto reparación como se ha
descrito arriba se puede preparar según técnicas estándar, por
ejemplo disolviendo el polímero amorfo y los aditivos en el
disolvente oleico por calentamiento. Si se utiliza un espesante, se
puede dispersar por agitado vigoroso bajo calentamiento.
Otra categoría de materiales que son adecuados
para formar la capa interior de auto reparación según la presente
invención consiste en materiales poliméricos sólidos dispersos en
una fase oleica.
La fase oleica puede consistir, por ejemplo,
en:
(a) aceites parafínicos o aceites nafténicos, por
ejemplo los aceites ASTM 103, 104A o 104B;
(b) aceites de polibuteno con un peso molecular
medio osmométrico de entre 400 y 1.300, preferiblemente entre 500 y
1.000, que se pueden obtener por polimerización de mezclas de
C_{4} oleofina conteniendo principalmente isobuteno, por ejemplo
los productos comerciales Napvis® (BP Chemicals) e Indopol®
(Amoco);
(c) aceites de polipropileno;
(d) poliésteres de bajo peso molecular, por
ejemplo poliésteres de ácido acrílico, como el producto ECA 7955 de
Exxon Chemical Co.;
o mezclas de los mismos.
El material polimérico sólido es generalmente un
polímero de alto peso molecular con propiedades elastoméricas,
seleccionado, por ejemplo, entre:
(i) copolímeros o terpolímeros de bloque de
estireno con diferentes oleofinas y/o con dienos, por ejemplo con
buteno, etileno, propileno, isopreno, butadieno y similares, y en
concreto: polímeros tribloque
estireno-butadieno-estireno
(S-B-S),
estireno-isopreno-estireno
(S-I-S) y
estireno-etileno/buteno-estireno
(S-EB S); polímeros dibloque
estireno-etileno/propileno (S-EP) y
estireno-etileno/buteno (S-EB);
polímeros ramificados estireno-butadieno o
estireno-isopreno; dichos productos se encuentran
disponibles comercialmente, por ejemplo, bajo la marca comercial
Kraton® (Shell Chemical);
(ii) copolímeros de poliisobuteno o isobuteno con
cantidades menores de diferentes C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas, con un peso molecular medio
viscosimétrico (Staudinger) generalmente mayor que 40.000,
preferiblemente entre 50.000 y 200.000;
(iii) copolímeros de propileno con etileno y/o
con C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas (por ejemplo
1-buteno, isobuteno, 1-hexeno, y
similares), o con dienos C_{4}-C_{20} (por
ejemplo 1,3-butadieno,
1,4-hexadieno,
5-etildieno-2-norboneno,
y similares), conocidos comercialmente, por ejemplo, bajo las marcas
comerciales Dutral® (Enichem) o Nordel® (Dow-Du
Pont);
(iv) poliisopreno o goma natural;
(v) gomas de nitrilo;
(vi) gomas de butilo;
(vii) copolímeros amorfos de etileno, por ejemplo
copolímeros de etileno con ésteres con ésteres con insaturación
etilénica, como acetato de etileno/vinilo (EVA), acrilato de
etileno/metilo (EMA), acrilato de etileno/etilo (EEA), copolímeros
de etileno/acrilato de butilo (EBA), y similares;
o mezclas de los
mismos.
El material polimérico sólido se puede dispersar
en una base oleica en forma subdividida, por ejemplo en forma de
gránulos de polvo, en cantidades generalmente entre 5 y 70% en peso,
preferiblemente entre 10 y 60% en peso, en relación con el peso
total de la mezcla. Se puede obtener una dispersión homogénea por
medio de la mezcla adecuada según las técnicas estándar, por ejemplo
utilizando una mezcladora interna del tipo con motores tangenciales
(Banbury) o rotores entrelazados, o alternativamente en mezcladoras
continuas del tipo amasador-ko (Buss) o mezcladoras
de tornillos gemelos co-rotativos o
contra-rotativos.
Para evitar una reducción inaceptable de la
movilidad del material de auto reparación a bajas temperaturas, los
productos oleicos presentes opcionalmente presentan generalmente una
temperatura de fluidez crítica, determinada según ASTM
D97-57, menor que 0ºC, preferiblemente menor que
-10ºC e incluso más preferiblemente menor que -20ºC.
Se pueden añadir a los materiales de auto
reparación arriba descritos rellenos inorgánicos de varios tipos,
teniendo estos rellenos la función de mejorar la procesabilidad y de
controlar la fluidez, por ejemplo: caolín, carbonato de calcio,
hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, talco, sílice
precipitado, y similares, o mezclas de los mismos. La cantidad de
rellenos inorgánicos puede variar en un amplio campo, generalmente
entre 5 y 50 partes en peso, preferiblemente entre 10 y 30 partes en
peso, en relación con el peso total de la mezcla. El material de
auto reparación puede contener también aditivos de varios tipos,
como: estabilizadores, antioxidantes, productos anticobre,
microesferas de vidrio, y similares.
Para dar mayor cohesión al material de auto
reparación, pueden añadirse opcionalmente agentes adherentes como:
colofonias naturales o sintéticas (por ejemplo los productos
Polypale® de Hercules, o Escorez® de Esso Chemicals), o derivados de
los mismos; polialcoholes esterificados (por ejemplo los productos
Oulupale® de Veitsiluotooy), o mezclas de los mismos. La cantidad de
agente adherente se encuentra generalmente entre 1 y 20% en peso,
preferiblemente entre 5 y 10% en peso, en relación con el peso total
de la mezcla.
El grosor de la capa de material de auto
reparación según la presente invención debe ser suficiente para
asegurar la auto reparación del cable, por tanto este grosor se
selecciona principalmente en función de las dimensiones del cable y
del tipo de daño que éste puede sufrir. En general, son preferibles
grosores no menores que 0,1 mm, preferiblemente entre 0,2 y 2 mm y
más preferiblemente entre 0,3 y 1 mm.
Para el propósito de proporcionar al cable
eléctrico según la presente invención propiedades de resistencia al
impacto, se puede añadir un revestimiento de polímero expandido,
como se describe en la solicitud de patente europea número
97107969.4 de 15.05.97 a nombre del solicitante. Este revestimiento
se sitúa preferiblemente en contacto directo con la cubierta
exterior protectora. Aunque el revestimiento de polímero expandido
por si mismo no presenta ninguna resistencia particular al corte,
tiene la capacidad de absorber, por lo menos parcialmente, la
energía transmitida por impacto con una herramienta cortante y por
tanto de reducir el riesgo de daño a las capas de revestimiento del
cable.
El revestimiento de polímero expandido puede
consistir en cualquier tipo de polímero expandido como, por ejemplo:
polioleofinas, copolímeros oleofínicos, copolímeros de
oleofina/éster insaturado, poliésteres, policarbonatos,
polisulfonas, resinas fenólicas, resinas ureicas, y mezclas de los
mismos. Preferiblemente, se pueden utilizar polímeros o copolímeros
oleofínicos, en particular basados en polietileno (PE) y/o
polipropileno (PP), mezclados con gomas de
etileno-propileno. Ventajosamente se puede utilizar
PP modificado con gomas de etileno-propileno (EPR),
con una relación en peso PP/EPR entre 90/10 y 50/50, preferiblemente
entre 85/15 y 60/40. También es posible mezclar antes de la
expansión el material polimérico con una cantidad predeterminada de
goma en forma de polvo, por ejemplo goma natural vulcanizada. En
concreto, el solicitante ha encontrado que para este propósito es
particularmente adecuado un material polimérico que presenta, antes
de la expansión, un módulo de flexión a temperatura ambiente mayor
que 200 MPa, preferiblemente de como mínimo de 400 MPa (medido según
ASTM D790), pero no mayor que 2.000 MPa, para no aumentar
excesivamente la rigidez del producto terminado. El grado de
expansión del polímero es extremadamente variable dependiendo del
polímero específico utilizado y del grosor del revestimiento que se
pretende obtener. En general, el grado de expansión puede
encontrarse entre 20% y 3.000%, preferiblemente entre 30% y 500%. El
grosor mínimo de la capa expandida que es capaz de asegurar la
suficiente resistencia al impacto depende principalmente del grado
de expansión y del módulo de flexión del polímero. En concreto, para
cables de medio voltaje es suficiente un grosor de revestimiento
expandido de por lo menos 0,5 mm, preferiblemente entre 1 y 6 mm.
Otros detalles referentes a las características de esta capa de
polímero expandido se dan en la solicitud de patente europea número
97107969.4 arriba mencionada, cuyo texto constituye una parte
integral de la presente descripción.
Para el propósito de facilitar la dispersión de
las micro corrientes de fuga que pueden presentarse directamente
después de que el cable se ha dañado y antes de que se ha auto
reparado completamente, este conductor se puede revestir
ventajosamente con una capa de material polimérico con propiedades
semiconductoras. Por medio de favorecer la dispersión las
microcorrientes de fuga, este material reduce el riesgo de
activación de puntos de corrosión en el conductor. Las capa
semiconductora, que se aplica al conductor por medio de, por
ejemplo, encintado o, preferiblemente, extrusión, generalmente
presenta un grosor de por lo menos 0,05 mm, preferiblemente entre
0,1 y 0,5 mm.
La figura 1 muestra esquemáticamente la sección
transversal del cable eléctrico según la presente invención, de tipo
unipolar, que comprende, desde el interior hasta el exterior, un
conductor (1), una capa aislante (2), una capa de auto reparación
(3) como arriba se ha descrito, y una cubierta protectora exterior
(4).
La figura 2 muestra otra realización de un cable
eléctrico unipolar según la presente invención, que comprende,
además de los elementos arriba mencionados, una capa de polímero
expandido (5) como arriba se ha descrito, situada entre la capa de
auto reparación (3) y la cubierta protectora exterior (4),
proporcionando esta capa una alta resistencia al impacto.
La figura 3 muestra esquemáticamente la sección
transversal del dispositivo utilizado para medir la fuerza de
cohesión del material de auto reparación, del cual se da una
descripción detallada en los ejemplos.
El conductor (1) consiste de forma general en
hilos metálicos, preferiblemente realizados con cobre o aluminio,
trenzados juntos según técnicas estándar.
La capa aislante (2) y la cubierta protectora
exterior (4) consisten en una composición polimérica con enlace
cruzado o sin enlace cruzado que presenta como componente básico un
polímero seleccionado, por ejemplo, entre: polioleofinas
(homopolímeros o copolímeros de varias oleofinas), copolímeros de
oleofina/éster insaturado en etileno, poliésteres, poliéteres,
copolímeros de poliéter/poliéster, y mezclas de los mismos. Ejemplos
de tales polímeros son: polietileno (PE), en concreto PE lineal de
baja densidad (LLDPE); polipropileno (PP); copolímeros
termoplásticos de propileno/etileno; gomas de
etileno-propileno (EPR) o gomas de
etileno-propileno-dieno (EPDM);
gomas naturales; gomas de butilo; copolímeros de etileno/acetato de
vinilo (EVA); copolímeros de etileno/acrilato de metilo (EMA);
copolímeros de etileno/acrilato de etilo (EEA); copolímeros de
etileno/acrilato de butilo (EBA); copolímeros termoplásticos de
etileno/\alpha-oleofina, y similares.
Los polímeros arriba mencionados pueden ser con
enlace cruzado según técnicas conocidas, en concreto por
calentamiento en presencia de un iniciador de radical, por ejemplo
un peróxido orgánico como peróxido de dicumilo. Alternativamente, el
enlace cruzado se puede realizar utilizando silanos, lo cual
conlleva la utilización de un polímero como los arriba mencionados,
en particular una polioleofina, al cual se han unido de forma
covalente unidades de silano que comprenden por lo menos un grupo
hidrolizable, por ejemplo grupos trialcosilano, en concreto
trimetoxisilano. Las unidades de silano se pueden introducir por
reacción de radical con compuestos de silano, por ejemplo
metiltrietoxisilano, dimetildietoxisilano, dimetoxisilano de vinilo
y similares. El enlace cruzado se realiza en presencia de agua y un
catalizador de enlace cruzado, por ejemplo un titanato orgánico o un
carboxilato de metal. Particularmente se prefiere dibutiltin
dilaurato (DBTL).
La capa de auto reparación se puede producir por
medio de un proceso de extrusión inversa del material de auto
reparación sobre el núcleo del cable, consistiendo este último en el
conductor solo o, preferiblemente, del conductor revestido
previamente con por lo menos una capa aislante según técnicas
conocidas. Este procedimiento de extrusión inversa comprende
depositar sobre el núcleo del cable una capa de material de auto
reparación que se mantiene a un grado de fluidez suficiente, por
ejemplo por medio de calentamiento, y a continuación formar esta
capa para obtener el grosor final deseado. Otras capas de
revestimiento (por ejemplo la cubierta exterior protectora) se
pueden aplicar a continuación al núcleo del cable así revestido,
según técnicas conocidas.
Por tanto, en otro aspecto, la presente invención
se refiere a un procedimiento para la fabricación de un cable con
una capa de material de auto reparación, comprendiendo este
procedimiento las siguientes etapas:
(i) depositar el material de auto reparación,
mantenido en un estado fluido, sobre un núcleo de cable;
(ii) formar dicha capa de material de auto
reparación para obtener una capa uniforme de un grosor
predeterminado.
El procedimiento de extrusión inversa se puede
realizar en grupo o, preferiblemente, de forma continua.
Las dos etapas del procedimiento de extrusión
inversa se pueden realizar, por ejemplo, utilizando un cabezal de
aplicación que consiste, por ejemplo, en un elemento cilíndrico
hueco que presenta un agujero de entrada cuyo diámetro es
ligeramente mayor que que el del núcleo del cable, y un agujero de
salida que presenta un diámetro predeterminado que depende del
grosor deseado de la capa de auto reparación. Una vez que la sección
inicial del núcleo de cable se ha introducido a través de los
agujeros arriba mencionados, la cabeza se alimenta con el material
de auto reparación que se ha calentado previamente para mantener el
material de auto reparación a una temperatura tal que se obtenga un
grado de fluidez suficiente. Esta temperatura se encuentra
generalmente entre 50ºC y 200ºC, y se selecciona esencialmente como
función de la naturaleza del material de auto reparación. Por medio
de hacer discurrir el núcleo de cable dentro del cabezal de
aplicación, se realiza la primera etapa de deposición del material
de auto reparación. La velocidad de paso del núcleo de cable a
través del cabezal de aplicación, y por tanto el tiempo de inmersión
dentro del material de auto reparación, puede variar dentro de un
amplio campo, generalmente entre 1 y 1.000 m/min, y se selecciona
principalmente como función del tipo de material de auto
reparación
utilizado.
utilizado.
La etapa de formación subsiguiente se realiza por
el agujero de salida del cabezal de aplicación, que presenta un
diámetro que corresponde al valor de diámetro predeterminado que se
desea obtener para el núcleo de cable calentado revestido con el
material de auto reparación.
Alternativamente, el cable con la capa de auto
reparación según la presente invención se puede realizar utilizando
un cabezal de extrusión de tipo convencional. El material de auto
reparación se alimenta calentado en el cabezal de extrusión para
obtener una fluidez suficiente, y se distribuye en el interior del
cabezal por medio de un medio de transporte adecuado para obtener
una corona exterior a la salida del cabezal de extrusión, donde el
material se distribuye uniformemente. El cabezal de extrusión puede
ser del tipo de capa única o de tipo multicapa, para realizar la
extrusión conjunta de la capa de auto reparación y una o más capas
adyacentes.
Para describir con más detalle la presente
invención, a continuación se dan algunos ejemplos de trabajo.
Ejemplos
1-5
Se prepararon varios tipos de materiales de auto
reparación según la presente invención, cuyas composiciones se dan
en la tabla 1 (como partes en peso).
En referencia al ejemplo 1, el producto comercial
se utilizó como tal, y se añadió al mismo el antioxidante por
disolución bajo calentamiento.
Los materiales de los ejemplos
2-4 se prepararon por medio de disolver bajo
calentamiento (120-150ºC) componentes poliméricos
sólidos y antioxidante en fase oleica. En el caso del ejemplo 2, se
dispersó sílice pirogénico en la solución así obtenida bajo
calentamiento y con agitado vigoroso.
Por lo que respecta al ejemplo 5, la composición
se preparó de la forma siguiente. Los componentes poliméricos
sólidos se procesaron en una mezcladora abierta con calentamiento
moderado hasta que se obtuvo una lámina continua y homogénea. A
continuación se añadieron el aceite de polibuteno y el antioxidante,
continuándose el agitado hasta que la mezcla era totalmente
homogénea.
Se realizaron las siguientes medidas sobre los
materiales de auto reparación preparados de esta forma.
La fuerza de cohesión se determinó por medio de
un dispositivo que se muestra esquemáticamente (en sección
transversal) en la figura 3. En referencia a la figura 3, un
contenedor cilíndrico de aluminio (6) (altura 45 mm, diámetro
interior 44 mm, que corresponde a una sección transversal de 15,2
cm^{2}), con una base móvil (7), realizada también con aluminio, y
una tapa (8), se llenó con el material de prueba (9), precalentado
hasta aproximadamente 150ºC para obtener una fluidez suficiente y
por tanto la distribución homogénea del material en el interior del
contenedor, evitando de esta forma la formación de burbujas de aire.
Tanto la base móvil (7) como la tapa (8) presentan un vástago de
cierre (10) al que se puede fijar un dinamómetro (que no se muestra
en la figura 3). La utilización de aluminio asegura un alto nivel de
adhesión al material de prueba, evitándose de esta forma cualquier
desprendimiento del material de la base móvil y/o de las paredes del
cilindro durante la prueba.
Después del enfriamiento del material hasta
temperatura ambiente, el cilindro se cierra mediante la tapa (8)
(por ejemplo por atornillado por medio de un engarce adecuado, que
no se muestra en la figura 3) y se inserta en un dinamómetro
Instron, por medio del cual se aplica una fuerza de tensión
creciente a la base móvil (7) (velocidad de empuje: 2 mm/min) hasta
que el material de auto reparación del interior de la masa se
"rompe" con la separación de algo de material, que se adhiere a
la base móvil, de la masa que se adhiere a las paredes del cilindro.
La fuerza de cohesión viene dada por la carga "en la ruptura"
(expresada en kg) por unidad de área de superficie (en cm^{2}).
Para cada material, la medida se realizó sobre tres muestras. En la
tabla 1 se indica el valor de la media aritmética.
La capacidad de re-cohesión de
los diferentes materiales de prueba se evaluó de la siguiente forma.
Una capa de material de auto reparación de aproximadamente 1 cm de
grosor se depositó sobre la superficie de dos discos metálicos
(realizados con aluminio) de 40 mm de diámetro. La deposición se
realizó bajo calentamiento y con la ayuda de una espátula con bordes
redondeados, para obtener una capa tan lisa y homogénea como fuera
posible y libre de burbujas de aire. Sobre la cara opuesta, se
adaptó a cada disco un vástago de cierre para permitir fijar un
dinamómetro al mismo. Una vez que el material se enfrió hasta la
temperatura ambiente, los dos discos se situaron uno encima del otro
juntándose las dos caras revestidas con material de auto reparación,
produciendo de esta forma un grosor total de material de
aproximadamente 2 cm. No se aplicó ninguna fuerza de compresión a
los dos discos, por tanto la única fuerza que actuaba sobre la
superficie de contacto entre las dos capas de material de auto
reparación era la fuerza del peso (igual a aproximadamente 50
gramos) ejercida por el conjunto del disco superior y la capa
asociada de material de auto reparación. Después de aproximadamente
3 horas, la fuerza requerida para separar el material en dos partes
distintas (sin separar los discos de este material) se midió
utilizando un dinamómetro Instron. Se encontró que esta fuerza era
sustancialmente idéntica a la fuerza de cohesión medida utilizando
el cilindro con una base móvil, como arriba se ha descrito. Además,
una vez tuvo lugar la re-cohesión, ya no fue posible
identificar la superficie de unión entre las dos capas.
Se limpió cuidadosamente con alcohol una bandeja
lisa de aluminio (dimensiones 400 x 80 x 2 mm) y se dejó secar. Se
pusieron 3 g de material de auto reparación sobre la parte superior
de la bandeja utilizando una espátula con bordes redondeados. Se dio
forma al material para obtener una masa pequeña uniforme de forma
redondeada, evitándose la formación de burbujas de aire. A
continuación se dejó el material en posición horizontal durante
aproximadamente dos horas. La posición inicial se marcó en el borde
de la bandeja. A continuación se fijó la bandeja a un soporte para
formar un ángulo de 60º en relación al plano horizontal, y se situó
en un horno ajustado termostáticamente a 60ºC. Después de 24 horas,
se quitó la bandeja del horno y se dejó enfriar durante una hora a
temperatura ambiente. El desplazamiento, en relación con la posición
inicial, de la parte delantera del material a lo largo del plano
inclinado se midió utilizando un calibrador. Los resultados se dan
en la tabla 1. No se observó ninguna separación de la mezcla de
componentes en cualquiera de las muestras de prueba.
Para evaluar la inactividad de los materiales de
auto reparación, preparados como arriba se indica, respecto a las
polioleofinas que constituyen normalmente las capas de revestimiento
adyacentes a la capa de auto reparación, se realizaron pruebas de
envejecimiento sobre muestras de polietileno con enlace cruzado de
silano (Getilan® ATP 3) mantenidas a 80ºC durante 7 y 14 días en los
materiales de los ejemplos 1 y 2. En concreto, se determinaron la
variación de peso en relación con el peso inicial y las propiedades
mecánicas antes y después del envejecimiento. Los resultados se dan
en la tabla 2. Como se puede observar, las pruebas realizadas
muestran la inactividad sustancial de los materiales de auto
reparación en relación con el polietileno con enlace cruzado, como
se demuestra por medio de las extremadamente estrechas variaciones
en peso y en propiedades mecánicas de las muestras de
prueba.
prueba.
Vistanex® LMMH (Esso Chem. Co.): poliisobuteno
con un peso molecular medio viscosimétrico (Staudinger) igual a
10.000-11.700;
Vistanex® MML80 (Esso Chem. Co.): poliisobuteno
con un peso molecular medio viscosimétrico (Staudinger) igual a
64.000-81.000;
Napvis® DE10 (BP Chemicals): aceite de polibuteno
con un peso molecular medio osmométrico igual a 950; temperatura de
fluidez crítica -7ºC (ASTM D97-57);
Sílice CAB-O-SIL
H5 (Cabot): sílice pirogénico con un área de superficie de 325
m^{2}/g y un diámetro de partícula medio de 0,007 \mum;
Kraton® G 1702 (Shell Chemical Co.): copolímero
de dibloque de estireno-etileno/propileno de peso
molecular medio 170.000;
Dutral® CO 043 (Enichem Elastomers): copolímero
elastómero de etileno/propileno;
Irganox® 1010 (Ciba-Geigy):
antioxidante
(pentaeritritilo-tetra[3-(3,5-di-ter-butilo-4-hidroxifenilo)propinato]).
Una capa de material aislante de polipropileno
(producto comercial Moplen® BT 20 de Montell) con un grosor nominal
de 1 mm se depositó sobre un conductor flexible de aluminio de
sección transversal igual a 70 mm^{2}. Para esta operación, se
utilizó una extrusora Bandera 80 mm en configuración 25 D, con un
tornillo de tipo con engarce de vertido y un cabezal de extrusión
con calentamiento eléctrico, utilizando el siguiente montaje de
moldes de tipo compresión: matriz de punta con un diámetro de 10,5
mm, matriz de anillo con un diámetro de 12,0 mm. Se utilizó el
siguiente perfil de temperatura durante la extrusión (ºC):
| agujero de estiramiento | tornillo | zona 1 | zona 2 | zona 3 | zona 4 | zona 5 | zona 6 | collar | cabeza |
| 20 | neutro | 180 | 190 | 195 | 200 | 210 | 235 | 240 | 250 |
Se utilizaron las siguientes condiciones de
proceso:
Velocidad de línea: 2,8 m/min
Presión en el extremo de la extrusora: 60 bar
Velocidad de giro de la extrusora: 1,74 rpm
Absorción de la extrusora: 30 Amps
Diámetro nominal del cable frío: 12,1 mm.
El núcleo del cable se sometió subsiguientemente
a otra fase de procesado, durante la cual se aplicaron el material
de auto reparación y la cubierta exterior utilizando una técnica de
tipo tándem.
Antes del punto de aplicación de la cubierta
exterior se situó un cabezal de aplicación acoplado a un componente
para fundir y bombear el material de auto reparación.
Se utilizó como componente para fundir el
material de auto reparación un dispositivo Nordson BM 56 con una
bandeja de presión y una bomba de engranaje de suministro. Este
dispositivo se acopló al cabezal de aplicación por medio de un tubo
de suministro calentado por medio de una resistencia eléctrica y con
una longitud de aproximadamente
3 m.
3 m.
El cabezal de aplicación consistía en un
componente cilíndrico hueco con un agujero de entrada para el núcleo
de cable con un diámetro ligeramente mayor que el del núcleo mismo,
y un agujero de salida de diámetro igual a 13 mm.
Utilizando este cabezal de aplicación se aplicó
una capa de material de auto reparación con un grosor nominal de 0,5
mm, preparado como arriba se describe y que se corresponde con la
composición del ejemplo 1 (ver tabla 1).
La extrusión inversa se realizó utilizando los
siguientes valores de temperatura:
Bandeja de presión: 120ºC
Tubo de suministro: 120ºC
Cabezal de aplicación: 90ºC.
La cubierta exterior se aplicó posteriormente a
la zona de extrusión, por medio de la misma extrusora Bandera 80 mm
- 25 D arriba descrita, utilizando propileno Moplen® BT 20 (Montell)
como material, con un grosor nominal de 1 mm. Utilizando el mismo
montaje y el mismo perfil de temperatura como arriba se ha indicado
para la capa de aislante, se utilizó el siguiente montaje de molde
(en compresión): matriz de punta con un diámetro de 13,5 mm, matriz
de anillo con un diámetro de 18,2 mm.
Las condiciones de proceso se establecieron de la
siguiente forma:
Velocidad de línea: 2 m/min
Presión en el extremo de la extrusora: 20 bar
Velocidad de giro de la extrusora: 1,75 rpm
Absorción de la extrusora: 19 Amps
Diámetro nominal del cable frío: 15,1 mm.
Se produjeron aproximadamente 200 m de cable con
una capa de auto reparación por medio del procedimiento arriba
descrito.
El cable obtenido de esta forma se sometió a
pruebas para ocasionar varios tipos de daño a las capas de
revestimiento de forma controlada y reproducible.
Para realizar el corte, se utilizó un dispositivo
consistente en un marco en forma de C que sostiene una guía dentro
de la cual se desliza un eje cilíndrico. Un extremo del eje dispone
de engarces para permitir montar varios tipos de herramientas de
corte. Utilizando este dispositivo se ocasionaron los siguientes
tipos de daño:
(1) Daño de tipo romo (basado en el estándar ICEA
S-81-570-1996,
\NAK 6.2.3): el cable se sometió a impacto con un yunque de acero
con un ángulo de corte de 92º y un borde redondeado con un radio de
curvatura de 0,6 mm;
(2) Daño de tipo cuchilla seguido de flexión: el
cable se sometió a impacto con una hoja de acero con un grosor de 2
mm, y a continuación a flexión para causar una abertura total del
corte, utilizando un mandril con un diámetro de 375 mm, equivalente
a 25 veces el diámetro del cable;
(3) Daño de tipo pala (según el estándar DIN
20127): el cable se sometió a una carga estática por medio de una
herramienta con un ángulo de corte de 21,8º y un perfil plano en el
punto de contacto, de 0,5 mm de anchura.
Para cada una de las pruebas se determinó la
energía de impacto o, en el caso de la carga estática (prueba (3)),
la carga requerida para realizar un corte completo a través de todas
las capas de revestimiento hasta que se alcanzó el conductor sin
dañarlo. Esta medida se realizó con la ayuda de un osciloscopio
acoplado al cable, a través del cual se hacía pasar cierta cantidad
de corriente. En el momento en el que la herramienta de corte
alcanzaba el conductor, el osciloscopio registraba el cambio
instantáneo de la señal eléctrica causado por el cortocircuito
resultante del contacto entre la herramienta y el conductor.
Para el daño de tipo romo (1), la energía de
impacto requerida para alcanzar el conductor fue de 9.2 J, obtenida
utilizando una masa de 53,7 kg y una altura de caída (incluyendo el
diámetro del cable) de 32,5 mm.
Para el daño de tipo cuchilla (2), la energía de
impacto requerida para alcanzar el conductor fue de 1 J, obtenida
utilizando una masa de 26 kg y una altura de caída (incluyendo el
diámetro del cable) de 19 mm.
Para el daño de tipo pala (3), la carga requerida
para alcanzar el conductor fue 100 kg.
Para evaluar cualitativamente la existencia de un
efecto de compresión radial producido por la cubierta exterior sobre
la capa de material de auto reparación, el cable se sometió a la
siguiente prueba. Se realizaron agujeros en un tramo corto de cable
utilizando un taladro de pilar con brocas de perforación de 3 y 5
mm de diámetro. Los agujeros se realizaron en dos direcciones a 180º
entre ellas. La profundidad de los agujeros era para cortar
completamente a través de grosor de la cubierta hasta alcanzar el
material de auto reparación. El cable dañado de esta forma se dejó
en posición horizontal para tener una serie de agujeros orientados
hacia arriba y la otra serie orientados hacia abajo. Después de 24
horas, se observó que el material de auto reparación había rellenado
completamente los agujeros, fugándose en una cantidad despreciable.
Puesto que la prueba se realizó sin aplicar ninguna fuerza externa,
excepto la fuerza de gravedad, la fuga de material a través de los
agujeros encarados hacia arriba es una indicación clara de la
existencia de una presión radial ejercida por la cubierta exterior,
la cual ayuda al movimiento del material hacia los puntos de
ruptura.
Sobre la base de un modelo matemático de un cable
en el que se tiene en cuenta, para los diferentes materiales que
constituyen el cable, el coeficiente de dilatación térmica lineal,
el coeficiente de dilatación de volumen, la tensión longitudinal que
mantiene la congruencia entre capas adyacentes, el módulo elástico y
el cambio de temperatura que sufre el cable durante el proceso de
extrusión, el solicitante ha calculado, para el cable según el
presente ejemplo, un valor de compresión radial ejercida por la
cubierta exterior sobre la capa de auto reparación igual a
aproximadamente 3,8 bar. Por supuesto, este valor debería
considerarse solamente como una evaluación aproximada del efecto de
fajado de la cubierta exterior sobre la capa de auto reparación,
teniendo en cuenta que este efecto se encuentra influenciado no
solamente por las características de los materiales que se utilizan,
sino también por las condiciones específicas bajo las que se realiza
la extrusión y el enfriado subsiguiente.
Para comprobar la efectividad de la auto
reparación, se midieron las corrientes de fuga en tramos cortos de
cable dañados según las diferentes formas que arriba se describen
bajo las siguientes condiciones.
Inmediatamente después del daño, los tramos de
cable se conectaron a un circuito eléctrico y se sumergieron en un
tanque que contenía agua corriente a temperatura ambiente. Durante
el periodo de la prueba, que duró 60 días en total, se aplicó a los
tramos de cable un voltaje de c.a. a 150 V y 50 Hz, causando un
flujo de corriente tal que se elevara la temperatura del conductor
hasta aproximadamente 50ºC en la parte sumergida en agua,
correspondiente a aproximadamente 100ºC en la parte en aire, con
ciclos continuos de 12 horas de calentamiento y 12 horas de
enfriamiento espontáneo.
La corriente de fuga total (I_{L}) se midió por
medio de un multímetro digital de tipo Keithley Mod. 197. La
corriente I_{L} medida es el resultado de la suma vectorial de la
corriente capacitiva típica del cable no dañado I_{C}=
\omega\cdotC\cdotV (donde \omega es la pulsación, C es la
capacidad y V es el voltaje aplicado), y de la corriente de ruptura
(I_{B}) causada por cualquier daño existente. En un cable dañado
pero no autoprotegido, la corriente de ruptura prevalece
ampliamente sobre la corriente capacitiva, por tanto la corriente de
fuga medida es sustancialmente igual a la corriente de ruptura.
En la tabla 3 se indican los resultados de las
medidas, como valor medio de 5 muestras del mismo tipo. Por motivos
comparativos se indican los valores de las corrientes de fuga
medidas sobre un cable intacto, es decir no dañado, con la misma
capa de auto reparación y en un cable idéntico sin la capa de auto
reparación y que se sometió a daño de tipo cuchilla.
Como se puede observar a partir de los resultados
que se dan en la tabla 3, el cable con la capa de auto reparación
según la presente invención y dañado según los diferentes
procedimientos arriba descritos presenta corrientes de fuga muy
bajas incluso después de 60 días de inmersión en agua, las cuales
son sustancialmente idénticas a las del cable intacto. Por tanto, la
corriente de ruptura es esencialmente nula, siendo atribuible la
corriente de fuga medida casi exclusivamente a la corriente
capacitiva intrínseca del cable.
Por el contrario, el cable sin capa de auto
reparación y con un daño de tipo cuchilla mostró inmediatamente
altas corrientes de fuga debidas al daño, el cual, después de 30
días de permanecer en agua, llevó a la corrosión total del
conductor, con la interrupción completa del circuito. El ligero
descenso de la corriente de fuga después de 9 días se puede atribuir
a la formación de una capa de hidróxido de aluminio como resultado
de la corrosión del conductor, lo cual permitió obtener cierto grado
de aislamiento eléctrico. Al progresar la corrosión, se formaron
grandes cantidades de hidróxido de aluminio que, al aumentar de
volumen con el contacto con el agua, llevaron a la rotura completa y
la apertura de las capas de revestimiento.
Siguiendo básicamente el mismo procedimiento que
el descrito para el ejemplo 6, se preparó un núcleo de cable
consistente en un conductor comprimido de aluminio (sección
transversal: 54 mm^{2}), aislado con una capa de polietileno
lineal de baja densidad (LLDPE) con enlace cruzado de silano
(producto DFDA 7530 de Union Carbide) con un grosor nominal de 1
mm.
A continuación, la capa de material de auto
reparación y la cubierta exterior se aplicaron sobre el núcleo de
cable utilizando la técnica de tipo tándem descrita en el ejemplo 6.
El material de auto reparación (grosor nominal: 0,5 mm) tenía la
composición del ejemplo 5 que se da en la tabla 1, mientras que la
cubierta exterior consistía en polietileno de alta densidad (HDPE)
con enlace cruzado de silano (producto LS 6402-00 de
Quantum) (grosor nominal:
1mm).
1mm).
La capa de material de auto reparación se aplicó
por medio del proceso de extrusión inversa como se describe en el
ejemplo 6, bajo las siguientes condiciones de temperatura:
Bandeja de presión: 200ºC
Tubo de suministro: 200ºC
Cabezal de aplicación: 200ºC
La cubierta exterior se aplicó después de la zona
de extrusión inversa, según el procedimiento que se describe en el
ejemplo 6. Las condiciones del proceso se establecieron como
sigue:
Velocidad de línea: 1,3 m/min
Velocidad de giro de la extrusora: 3,82 rpm
Absorción de la extrusora: 61,5 Amps
Diámetro nominal del cable frío: 14,5 mm.
Por medio del procedimiento arriba descrito se
produjeron aproximadamente 100 m de cable con una capa de auto
reparación.
Los tramos de cable se sometieron a las mismas
pruebas de daño que las que se han descrito en el ejemplo 6. La
efectividad de la auto reparación de verificó midiendo la corriente
de fuga siguiendo el mismo procedimiento que el que se ha descrito
en el ejemplo 6. La tabla 4 presenta los resultados obtenidos (como
valor medio de 5 muestras del mismo tipo).
De forma similar a los resultados del ejemplo 6,
el cable con la capa de auto reparación según la presente invención
y dañado según los diferentes procedimientos arriba descritos mostró
corrientes de fuga muy pequeñas después de 60 días de inmersión en
agua, las cuales son sustancialmente idénticas a las del cable
intacto. Por el contrario, el cable sin la capa de auto reparación y
con el daño de tipo cuchilla mostró altas corrientes de fuga debidas
al daño, lo cual, después de 30 días de permanecer en agua, llevó a
la corrosión total del conductor, con la interrupción completa del
circuito.
Claims (51)
1. Cable que comprende un conductor y por lo
menos una capa de revestimiento, caracterizado por el hecho
de que dicho cable comprende una capa interna que comprende un
material de auto reparación, siendo dicho material de auto
reparación un material dieléctrico con una fuerza de cohesión a
temperatura ambiente de por lo menos 0,05 kg/cm^{2} y una fluidez
controlada que es tal que una muestra de aproximadamente 3 gramos de
material de auto reparación, situada sobre una bandeja de aluminio
inclinada 60º en relación con el plano horizontal y mantenida a 60ºC
durante 24 horas, muestra un desplazamiento de la parte delantera
del material a lo largo de la bandeja inclinada de entre 0,5 y 400
mm.
2. Cable según la reivindicación 1, en el cual el
material de auto reparación presenta una rigidez dieléctrica bajo
corriente alterna mayor que 15 kV/mm y una resistividad mayor que
10^{14} \Omega\cdotcm.
3. Cable según la reivindicación 2, en el cual el
material de auto reparación presenta una rigidez dieléctrica bajo
corriente alterna mayor que 20 kV/mm y una resistividad mayor que
10^{16} \Omega\cdotcm.
4. Cable según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el cual el material de auto reparación presenta una
fuerza de cohesión a temperatura ambiente de entre 0,1 y 4
kg/cm^{2}.
5. Cable según la reivindicación 4, en el cual el
material de auto reparación presenta una fuerza de cohesión a
temperatura ambiente de entre 0,2 y 2 kg/cm^{2}.
6. Cable según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en el cual el desplazamiento de la parte delantera de la
muestra de material de auto reparación a lo largo de la bandeja
inclinada se encuentra entre 1 y 200 mm.
7. Cable según la reivindicación 6, en el cual el
desplazamiento de la parte delantera de la muestra de material de
auto reparación a lo largo de la bandeja inclinada se encuentra
entre 50 y 100 mm.
8. Cable según la reivindicación 1, que comprende
una capa aislante de revestimiento y una cubierta exterior y
caracterizado por el hecho de que la capa interna se
encuentra situada entre la capa aislante y la cubierta exterior.
9. Cable según la reivindicación 1, que comprende
una capa aislante de revestimiento y una cubierta exterior y
caracterizado por el hecho de que la capa interna se
encuentra situada entre el conductor y la capa aislante.
10. Cable según la reivindicación 1, que
comprende por lo menos dos capas aislantes de revestimiento y
caracterizado por el hecho de que la capa interna se
encuentra situada entre dos de dichas capas aislantes.
11. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual el conductor se encuentra
revestido con una capa semiconductora.
12. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende también un revestimiento
de polímero expandido.
13. Cable según la reivindicación 12, en el cual
el revestimiento de polímero expandido se encuentra situado en
contacto directo con la cubierta exterior de protección.
14. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual la capa interna presenta un
grosor no menor que 0,1 mm.
15. Cable según la reivindicación 14, en el cual
la capa interna presenta un grosor de entre 0,2 y 2 mm.
16. Cable según la reivindicación 15, en el cual
la capa interna presenta un grosor de entre 0,3 y 1 mm.
17. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual el material de auto
reparación presenta una cohesión que es tal que la fuerza de
recohesión medida a temperatura ambiente presenta un valor no menor
que 80% en relación con el valor de fuerza de cohesión medida en el
material mismo.
18. Cable según la reivindicación 17, en el cual
la fuerza de recohesión medida a temperatura ambiente presenta un
valor no menor que 90% en relación con el valor de fuerza de
cohesión medida en el material mismo.
19. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual el material de auto
reparación presenta un contenido de agua de saturación menor que 400
ppm.
20. Cable según la reivindicación 19, en el cual
el material de auto reparación presenta un contenido de agua de
saturación menor que 200 ppm.
21. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual el material de auto
reparación presenta una permeabilidad al vapor de agua, medida a
temperatura ambiente, de entre 1,2 x 10^{-7} y 8,0 x 10^{-6}
g/(cm\cdothora\cdotmmHg).
22. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cual el material de auto
reparación comprende un polímero amorfo con propiedades de líquido
de alta viscosidad o de semisólido.
23. Cable según la reivindicación 22, en el cual
el polímero amorfo se selecciona entre:
(a) copolímeros de poliisobuteno o isobuteno con
cantidades menores de diferentes C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas;
(b) homopolímeros de propileno atáctico;
(c) gomas de silicona, consistentes en cadenas
lineales de unidades de monómero de fórmula
-O-SiR_{1}R_{2}, donde R_{1} y R_{2} son
radicales alifáticos o aromáticos substituidos opcionalmente.
24. Cable según la reivindicación 23, en el cual
el polímero amorfo es poliisobuteno con un peso molecular medio
viscosimétrico (Staudinger) de entre 2.000 y 50.000.
25. Cable según la reivindicación 24, en el cual
el polímero amorfo es poliisobuteno con un peso molecular medio
viscosimétrico (Staudinger) de entre 5.000 y 20.000.
26. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 25, en el cual el polímero amorfo se encuentra
disuelto en un disolvente.
27. Cable según la reivindicación 26, en el cual
el disolvente es un aceite mineral o un aceite sintético.
28. Cable según la reivindicación 27, en el cual
el disolvente es un aceite parafínico o aceite nafténico.
29. Cable según la reivindicación 26, en el cual
el polímero amorfo se encuentra disuelto en un disolvente que es un
homólogo de bajo peso molecular del polímero amorfo.
30. Cable según la reivindicación 29, en el cual
el polímero amorfo es un poliisobuteno según la reivindicación 23 o
24, disuelto en un aceite polibuténico con un peso molecular medio
osmométrico de entre 400 y 1.300.
31. Cable según la reivindicación 30, en el cual
el polímero amorfo es una goma de silicona, disuelta en un aceite de
silicona con una viscosidad de entre 100 y 5.000 mm^{2}/seg a
25ºC.
32. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 26 a 30, en el cual la cantidad de disolvente se
encuentra entre 5 y 95% en peso, en relación con el peso total de la
mezcla.
33. Cable según la reivindicación 32, en el cual
la cantidad de disolvente se encuentra entre 50 y 90% en peso, en
relación con el peso total de la mezcla.
34. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 26 a 33, en el cual el material de auto reparación
comprende también un espesante.
35. Cable según la reivindicación 34, en el cual
el espesante se selecciona entre: sílice pirogénico, bentonita o
mezclas de los mismos.
36. Cable según cualquiera de la reivindicación
34 ó 35, en el cual el espesante se añade en cantidades de entre 1 y
20 partes en peso en relación con el peso total de la mezcla.
37. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 21, en el cual el material de auto reparación
comprende un material polimérico sólido disperso en una fase
oleica.
38. Cable según la reivindicación 37, en el cual
la fase oleica se selecciona entre:
(a) aceites parafínicos o nafténicos;
(b) aceites de polibuteno con un peso molecular
medio de entre 400 y 1.300;
(c) aceites de polipropileno;
(d) poliésteres de bajo peso molecular;
o mezclas de los mismos.
39. Cable según la reivindicación 37 ó 38, en el
cual el material polimérico sólido es un polímero de peso molecular
alto con propiedades elastoméricas seleccionado entre:
(i) copolímeros o terpolímeros de bloque de
estireno con diferentes oleofinas y/o con dienos;
(ii) poliisobuteno o copolímeros de isobuteno con
pequeñas cantidades de diferentes C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas;
(iii) copolímeros de propileno con etileno y/o
con C_{4}-C_{12}
\alpha-oleofinas o con dienos
C_{4}-C_{20};
(iv) poliisopreno o goma natural;
(v) gomas de nitrilo;
(vi) gomas de butilo;
(vii) copolímeros amorfos de etileno;
o mezclas de los mismos.
40. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 37 a 39, en el cual el material de polímero sólido
se encuentra disperso en la fase oleica de forma subdividida, en una
cantidad de entre 5 y 70% en peso en relación con el peso total de
la mezcla.
41. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 40, en el cual el material de auto reparación
comprende también un relleno inorgánico.
42. Cable según la reivindicación 41, en el cual
el relleno inorgánico se selecciona entre: caolín, carbonato de
calcio, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, talco, sílice
precipitado, o mezclas de los mismos.
43. Cable según la reivindicación 41 ó 42, en el
cual el relleno inorgánico se encuentra presente en cantidades de
entre 5 y 50 partes en peso respecto al peso total de la mezcla.
44. Cable según cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 43, en el cual el material de auto reparación
comprende también un agente adherente.
45. Cable según la reivindicación 44, en el cual
el agente adherente se selecciona entre: colofonias naturales o
sintéticas, o derivados de las mismas; polialcoholes esterificados;
o mezclas de los mismos.
46. Cable según la reivindicación 44 ó 45, en el
cual el agente adherente se encuentra presente en cantidades de
entre 1 y 20% en peso en relación con el peso total de la
mezcla.
47. Procedimiento para impartir capacidad de auto
reparación de la capa de revestimiento a un cable que comprende un
conductor y por lo menos una capa de revestimiento, comprendiendo
dicho procedimiento proporcionar al cable una capa interior que
comprende un material que presenta la capacidad, después de la
creación de una discontinuidad en la capa de revestimiento, de
restablecer la continuidad de la capa de revestimiento de
forma
reversible.
reversible.
48. Procedimiento según la reivindicación 47, en
el cual el material de la capa interior es capaz de rellenar por lo
menos parcialmente la discontinuidad sin escapar del cable de una
forma descontrolada.
49. Procedimiento para la fabricación de un cable
con una capa de material de auto reparación, que comprende las
siguientes etapas:
(i) depositar el material de auto reparación,
mantenido en estado fluido, sobre un núcleo de cable;
(ii) formar dicha capa de material de auto
reparación para obtener una capa uniforme de un grosor
predeterminado.
50. Procedimiento según la reivindicación 49, que
comprende las siguientes etapas:
- introducir una sección inicial del núcleo de
cable en el interior de un cabezal de aplicación a través de un
agujero de entrada con un diámetro ligeramente mayor que el diámetro
del núcleo de cable, y un agujero de salida con un diámetro
predeterminado según el grosor deseado de la capa de material de
auto reparación;
- alimentar el cabezal de aplicación con el
material de auto reparación mantenido en estado fluido por medio de
calentamiento previo;
- hacer pasar el núcleo de cable a través del
cabezal de aplicación para realizar la deposición del material de
auto reparación y la formación simultánea de la capa de material de
auto reparación.
51. Procedimiento para la fabricación de un cable
con una capa de material de auto reparación, en el cual el material
de auto reparación se extrusiona sobre el núcleo de cable.
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