ES2228558T3 - Cable para transporte o distribucion de energia electrica. - Google Patents
Cable para transporte o distribucion de energia electrica.Info
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Abstract
Cable eléctrico (1) que comprende por lo menos un conductor (2) y por lo menos una capa de aislamiento (4), en el que dicha capa de aislamiento comprende una composición de polímero substancialmente libre de plomo que comprende como material polímero de base un terpolímero elastómero que tiene la siguiente composición: a) 50-90 moles en porcentaje de etileno; b) 10-50 moles en porcentaje de una a-olefina; c) 0, 16-5 moles en porcentaje de 5-vinil-2-norborneno; siendo la suma de moles en porcentaje de a), b) y c) 100, teniendo dicho terpolímero un índice de ramificación menor o igual a 0, 5 y un índice de distribución del peso molecular Mw/Mn mayor o igual a 6.
Description
Cable para transporte o distribución de energía
eléctrica.
La invención se refiere a un cable, en particular
para el transporte o distribución de energía eléctrica, y a una
composición aislante utilizada en el mismo.
En particular, la invención describe un cable
eléctrico y una composición aislante substancialmente libre de plomo
o sus derivados, permitiendo la fabricación de cables que tienen
considerables propiedades mecánicas y eléctricas y, en particular,
una resistencia mejorada al agua.
Los cables deben estar protegidos para limitar el
daño derivado de la humedad, abrasión, químicos atmosféricos, etc. y
por lo tanto deben ofrecer características específicas dictadas y
regladas mediante regulaciones internacionales.
En particular, para los cables de transporte o
distribución de energía eléctrica se requiere una vida operativa
extremadamente larga ya sea para limitar el coste como para evitar
su reemplazo frecuente.
Los cables para el transporte o distribución de
energía eléctrica de medio o alto voltaje usualmente comprenden un
núcleo formado a partir de un conductor rodeado de una o más
cubiertas de material polimérico reticulado, en particular
copolímeros de polietileno o etileno adecuadamente reticulados
después de la extrusión sobre el conductor. Estos materiales
reticulados mantienen un alto nivel de flexibilidad y propiedades
mecánicas satisfactorias aún bajo calentamiento en uso continuo y/o
bajo condiciones de sobrecarga de corriente.
Para mejorar el rendimiento del material
aislante, en particular su fuerza mecánica y su capacidad de
deformarse con el calor, usualmente se añaden rellenos de refuerzo
de varios tipos, tales como talco de caolín calcinado y similares,
al material polimérico base.
Generalmente, para evita la decaída de la fuerza
dieléctrica con el tiempo, en particular en presencia de humedad,
que conducen a la formación de defectos de aislamiento conocidos
como derivaciones de agua, se añaden también compuestos de plomo a
la composición aislante, de los cuales corrientemente los más
utilizados son los óxidos, preferentemente Pb_{2}O_{3} y
Pb_{3}O_{4}, ftalatos, fosfitos y mono- y
di-estearatos.
La necesidad de materiales substancialmente
libres de plomo para proporcionar una mayor compatibilidad
medioambiental se ha hecho sentir en este campo por largo
tiempo.
Por ejemplo US-4204024 describe
una composición basada en un elastómero de
etileno-propileno (EPR, es decir, caucho de
etileno-propileno) o, preferentemente, un
terpolímero etileno-propilendieno no conjugado
(EPDM, es decir, monómero propileno dieno), con silano de vinilo,
óxido de zinc, un agente de reticulación (peróxido) y un inhibidor
de reticulación para evitar un reticulado prematuro de la
composición, estando provista la facilidad de reemplazar el
Pb_{2}O_{3} y Pb_{3}O_{4} 0,1-2 partes en
peso de peróxido de plomo, calculado sobre el compuesto, para
eliminar la coloración rojiza típicamente resultante del uso de
dichos óxidos. El uso de esta composición como aislante eléctrico
debe permitir una reducción en el factor de pérdida dieléctrica de
la cubierta reticulada resultante a obtener.
La Patente WO 96/37899 describe una composición
basada en copolímeros elastómeros de estireno (EPR o EPDM,
preferentemente obtenidos con catálisis metalocena) como material
aislante para cables, en la cual los compuestos de plomo no exceden
una parte en peso, calculada como el elemento. Las composiciones
también contienen un relleno mineral en una cantidad de
40-120 phr, es decir partes por 100 de caucho (del
cual al menos 50% es arcilla calcinada), un agente de relleno de
tratamiento de superficie (por ejemplo un silano) y óxido de zinc en
una cantidad de entre 10 y 30 phr.
Para preparar cables resistentes al agua, la
Patente US 5274013 describe composiciones de elastómero
substancialmente libres de plomo que comprenden una poliolefina
clorada, preferentemente polietileno clorado con un contenido de
cloro de 25-45% en peso, un epóxido, un relleno, un
plastificador, un agente de reticulación y posiblemente un polímero
EPDM.
La solicitud de patente WO97/00523 describe
composiciones de polímeros que incluyen polímeros EPDM, en los
cuales el dieno es vinil norborneno, que permite obtener una
superficie uniforme de rugosidad reducida, a una tasa de extrusión
mayor que las composiciones convencionales de elastómero basadas en
polímeros EPDM en los cuales el dieno se selecciona a partir del
grupo que consiste en
5-etildieno-2-norbornene
(ENB), 1,4-hexadieno (HEX),
1,6-octadieno,
5-metil-1,4-hexadieno,
3,7-dimetil-1,6-octadieno
y similares. En particular las composiciones allí descritas permiten
obtener una buena tasa de reticulación y un alto nivel de
reticulación, con pérdidas dieléctricas relativamente bajas.
La solicitud de patente WO98/56012 describe
composiciones de polímero para aislamiento de cables en las cuales
el material polímero base es una mezcla de un terpolímero EPDM,
substancialmente equivalente a los EPDMs descritos en WO97/00523,
con un componente minoritario en la forma de un copolímero
etileno/\alpha-olefina preparado mediante
catálisis metalocena, capaz de mejorar además las propiedades
físicas de la mezcla resultante por encima de la descrita en
WO97/00523.
Sin embargo, las composiciones de elastómero
descritas tanto en WO97/00523 como en WO98/56012 contemplan la
presencia de compuestos de plomo, en las cantidades usuales (5 phr)
para este campo.
La ausencia substancial de plomo en US 4204024 o
en WO96/37899 está compensada mediante el uso de un porcentaje
extremadamente alto, de aproximadamente 10-40 y
10-30 partes en peso respectivamente, de óxido de
zinc, destacando, explícitamente en WO96/37899, que una cantidad de
5% en peso, como se emplea de forma corriente en este campo, es
insuficiente para obtener una estabilidad eléctrica satisfactoria en
presencia de humedad.
El uso de una mayor cantidad de óxido de zinc
evidentemente no puede constituir una solución deseable para un
cable con bajo impacto ambiental, porque el potencial de
contaminación del zinc y sus derivados los cuales, aún menor que el
del plomo, a pesar de eso, no son despreciables.
Por otra parte, el uso de copolímeros clorados,
como se sugiere en la patente US 5274013, involucra evidentes
problemas ambientales tanto durante la producción del cable como
cuando el cable, en el final de su vida útil, debe desecharse de
alguna forma. Respecto a esto se sabe que los copolímeros clorados
desarrollan HCl al calentarse, con problemas de corrosión
destacables para la planta de producción de cables, y contaminación
ambiental. Sobre la base de la experiencia del solicitante y de la
técnica conocida antes mencionada, existe todavía el problema
técnico de producir un cable eléctrico con una cubierta consistente
en un material de polímero que posea propiedades mecánicas y
eléctricas adecuadas para las condiciones usuales de empleo,
mientras mantiene una alta fuerza eléctrica aún en presencia de
humedad, sin utilizar productos potencialmente contaminantes que
pueden presentar un problema cuando el cable debe desecharse al
final de su vida útil. Este solicitante ha encontrado
inesperadamente que el problema técnico antes mencionado puede
resolverse mediante el uso como material base para la cubierta
aislante de un elastómero terpolímero de etileno, una
\alpha-olefina y
5-vinil-2-norborneno,
sin la adición de productos que contengan plomo.
En particular este solicitante ha encontrado que
las propiedades eléctricas de la cubierta aislante, con referencia
en particular a la fuerza dieléctrica y a las pérdidas dieléctricas,
permanecen substancialmente inalteradas con el tiempo aún en
presencia de humedad, si el material base utilizado para la cubierta
aislante es un elastómero terpolímero de la siguiente
composición:
a) 50-90 moles por ciento de
etileno;
b) 10-20 moles por ciento de una
\alpha-oelfina;
c) 0,16-5 moles por ciento de
5-vinil-2-norbornene;
siendo la suma de los moles por
ciento de a), b), c) igual a 100, teniendo dicho terpolímero un
índice de ramificación menor o igual a 0,5 y un índice de
distribución de peso molecular M_{w}/M_{n} mayor o igual a
6.
Según un primer aspecto, la invención proporciona
por lo tanto un cable eléctrico (1) que comprende al menos un
conductor (2) y al menos una capa aislante (4), donde dicha capa
aislante comprende una composición de polímero substancialmente
libre de plomo que comprende como material de polímero base un
elastómero terpolímero que tiene la siguiente composición:
a) 50-90 moles por ciento de
etileno;
b) 10-50 moles por ciento de una
\alpha-olefina;
c) 0,16-5 moles por ciento de
5-vinil-2-norbornene;
siendo la suma de los moles por
ciento de a), b), c) igual a 100, teniendo dicho terpolímero un
índice de ramificación menor o igual a 0,5 y un índice de
distribución de peso molecular M_{w}/M_{n} mayor o igual a
6.
En la descripción la expresión
"substancialmente libre de plomo" se utiliza para indicar que
no se añaden substancias con contenido de plomo a las composiciones
de la invención o a los cables que las utilizan. Esto sin embargo no
excluye que en los materiales constituyentes de la capa de
aislamiento puedan estar presentes trazas de plomo o sus derivados
en cantidades despreciables y en cualquier caso menores a los
límites requeridos para evitar problemas de contaminación
ambiental.
El término
"\alpha-olefina" significa una olefina de
fórmula CH2=CH-R donde R es un alquilo lineal o
ramificado que contiene de 2 a 10 átomos de carbono. La
\alpha-olefina puede seleccionarse por ejemplo a
partir de propileno, 1-buteno,
1-penteno,
1,4-metil-1-penteno,
1-hexeno, 1-octeno,
1-deceno, 1-dodeceno y similares y
las combinaciones de los mismo. El propileno es preferido
particularmente para la implementación de la invención.
Según un aspecto preferido, el terpolímero tiene
una viscosidad de Money [ML (1+4) a 125ºC] de entre 10 y 80,
preferentemente entre 15 y 60.
Según otro aspecto preferido, el terpolímero
antes mencionado tiene un índice de ramificación menor o igual a
0,4.
Según un aspecto preferido, el cable de la
invención que comprende al menos un conductor y al menos una capa
aislante comprende también al menos una capa (3,5) con propiedades
semiconductoras que incluye una composición de polímero como se ha
mencionado con anterioridad en la cual se dispersa un relleno
conductivo.
El grado relativo de ramificación se calcula
utilizando el llamado índice de ramificación. El procedimiento para
determinar este índice se describe por ejemplo en
"Ethylene-Propylene Elastomers", por Gray Ver
Strate, "Encyclopaedia of Polymer Science and Engineering", 6,
2º Edición (1986). Este procedimiento comprende la medición de las
siguientes características del terpolímero en solución: el peso
molecular de promedio de peso (M_{w,LALLS}), medido mediante
dispersión de luz láser de ángulo bajo; el peso molecular de
promedio de peso (M_{W,DRI)} y el peso molecular promedio de
viscosímetro (M_{v,DRI}), ambos determinados mediante la medición
del índice de refracción diferencial; y la viscosidad intrínseca
(IV) medida en decalin a 135ºC.
El índice de ramificación promedio (BI) se define
como:
BI =
\frac{M_{v,br} \ x \ M_{W,DRI}}{M_{W,LALLS} \ x \
M_{v,DRI}}
Donde M_{v,br}= k(IV)^{1/a},
siendo a la constante de Mark-Houwink (a=0,759 para
el terpolímero etileno/\alpha-olefina/dieno en
decalin a 135ºC).
El índice de ramificación es 1 para un polímero
lineal, mientras que para un polímero ramificado este índice es
menor que 1 y decrece al incrementarse el grado de ramificación.
Información adicional sobre el índice de
ramificación se brinda por ejemplo en el artículo "Advanced EPDM
for W&C application" de P.S. Ravishankar y M.R. Dharmara,
publicado en Rubber Wordl, Diciembre 1998, página 23 y
siguientes.
El índice de distribución del peso molecular
(MDI) definido como la relación del promedio de peso de peso
molecular (M_{W}) con el número promedio de peso molecular
(M_{n}) puede determinarse según las técnicas convencionales
mediante cromatografía de infiltración en gel (GPC).
Los terpolímeros elastómeros utilizados en la
invención se preparan generalmente mediante copolimerización de los
correspondientes monómeros como se describe en lasolicitud de
patente WO97/00523, cuya descripción se incorpora aquí a modo de
referencia. Detalles adicionales que conciernen a la síntesis de
dichos terpolímeros se dan por ejemplo en las solicitudes de patente
japonesas JP 860151758 y JP 870210169, cuyas descripciones se han
incorporado aquí como referencia.
Los terpolímeros elastómeros utilizados en la
invención se preparan preferentemente a partir de los
correspondientes monómeros en la presencia de catalizadores de
vanadio Ziegler-Natta o catalizadores de lugar
único, en particular catalizadores metaloceno. Los catalizadores
metaloceno son conocidos por ser complejos coordinados entre un
metal de transición usualmente del Grupo IV, en particular titanio,
circonio o hafnio, y dos ligandos ciclopentadienil posiblemente
sustituidos utilizados en combinación con un catalizador, por
ejemplo un alumoxano, preferentemente metilalumoxano, o un compuesto
de boro (ver por ejemplo J.M.S.-Rev. Macromol. Chem. Phys.,
C34(3), 439-514 (1994); J. Organometallic
Chemistry, 479 (1994), 1-29, o las patentes US
5414040, US 5229478, WO 93/19107. Los catalizadores de lugar único
adecuados para preparar terpolímeros EPDM son los también llamados
catálisis de geometría constreñida descrita por ejemplo en
EP-B-041615 y
EP-B-0418044.
Ejemplos de terpolímeros elastómeros adecuados
para implementar la invención son obtenibles comercialmente, por
ejemplo bajo el nombre de Vistalon® de Exxon Chemical.
Según otro aspecto, el cable de la invención
incluye una mezcla de elastómero que comprende el terpolímero
elastómero EPDM hasta ahora descrito, en mezcla con uno o más
polímeros diferentes ya conocidos en la técnica como materiales para
aislar cables eléctricos. Estos polímeros adicionales pueden estar
presentes en una cantidad que generalmente no exceda 30 phr,
preferentemente entre 1 y 15 phr, de la mezcla. Generalmente son
poliolefinas (ya sea homopolímeros o copolímeros de diferentes
olefinas), seleccionados por ejemplo a partir de: polietileno (PE),
en particular PE de baja densidad (LDPE), PE lineal de baja densidad
(LLDPE), PE de muy baja densidad (VLDPE o ULDPE); polipropileno
(PP); copolímeros de polipropileno termoplástico/etileno;
copolímeros elastómeros de etileno/propileno (EPR) o
etileno/propileno/dieno (EPDM), y similares, o las mezclas de los
mismos.
En particular, los terpolímeros EPDM elastómeros
adecuados para la invención se pueden usar para mezclarse con un
copolímero etileno/\alpha-olefina o
etileno/\alpha-olefina/dieno preparado mediante
copolimerización de los correspondientes monómeros en presencia de
un catalizador de sitio único, en particular un catalizador de
metaloceno o de geometría contraída. La cantidad de este copolímero
está generalmente entre el 5 y el 20% en peso respecto al peso total
de los componentes del polímero de la composición aislante. Este
copolímero tiene generalmente una relación M_{w}/M_{n} menor o
igual a 4, preferiblemente entre 1,5 y 3,5, un índice de
distribución de composición (CDI) mayor o igual al 45%, y una
densidad entre 0,86 y 0,92 g/cm^{3}. El CDI, definido como el
porcentaje en peso de aquellas moléculas de copolímero que tiene un
contenido de \alpha-olefina dentro del 50% del
contenido molar total promedio de \alpha-olefina,
proporciona una medición de la distribución de
\alpha-olefina dentro de las moléculas de
copolímero, y se puede determinar mediante el fraccionamiento de
elusión del aumento de temperatura, tal como se describe por ejemplo
en la patente US-5008204 y por Wild y otros en J.
Poly. Sci. Poly. Phys. Ed., Vol. 20, pp. 441 y siguientes (1982).
Otros detalles de las características de estos copolímeros y su
preparación se dan por ejemplo en las patentes US 5414040, US
52294478, WO 93/19107, EP 0416815 y EP 0418044.
La capa de cubierta de aislamiento del cable de
la invención se reticula preferiblemente añadiendo a la composición
del polímero un iniciador radical, tal como un peróxido orgánico
seleccionado por ejemplo entre peróxido de dicumilo, peróxido de
ter-butil dicumilo,
2,5-dimetil-2,5-di(ter-butilperoxi)-hexano,
\alpha-\alpha'-bis(ter-butilperoxi)
diisopropilbenzeno y similares o mezclas de los mismos. Ejemplos de
agentes de reticulación adecuados son Dicup® (peróxido de dicumilo)
y Vulkup®
[\alpha-\alpha'(ter-butilperoxi)
diisopropilbenzeno], ambos de Hercules.
Los copolímeros
etileno/\alpha-olefina preparados con catálisis de
un único lugar están comercialmente disponibles bajo los nombres
Engage® de Du Pont-Dow Elastomers y Exact® de Exxon
Chemical.
La composición de polímero constituyente de la
capa de aislamiento según la invención generalmente comprende un
relleno de refuerzo en una cantidad entre 20 y 100 phr,
preferiblemente entre 30 y 70 phr.
Los rellenos de refuerzo que se pueden usar en la
invención comprenden por ejemplo carbonato de calcio, kaolín
calcinado, talco y similares, o las mezclas de los mismos.
Para favorecer la compatibilidad entre el relleno
mineral y la matriz de polímero, se puede añadir un agente de
acoplamiento a la mezcla, seleccionado entre los conocidos en la
técnica, por ejemplo compuestos de silano. Ejemplos de compuestos de
silano adecuados para el propósito son
\gamma-metacriloxi-propiltrimetroxi
silano, etiltrietoxi silano,
metriltris-(2-metoxietoxi) silano, dimetil etoxi
silano, viniltris-(2-metoxietoxi) silano,
viniltrimetoxi silano, viniltrietoxi silano, octitrietoxi silano,
isobutil-trietoxi silano,
isobutil-trimetoxi silano, y las mezclas de los
mismos.
El agente de acoplamiento se puede usar como tal,
o combinad sobre por lo menos uno de los componentes del polímero de
la mezcla.
La cantidad de agente de acoplamiento que se
añade a la mezcla depende principalmente del tipo de agente de
acoplamiento usado y de la cantidad de relleno mineral añadido, y
está generalmente entre el 0,05 y el 10%, preferiblemente entre el
0,1 y el 5%, en peso sobre el peso total de la mezcla de polímero de
base.
Otros componentes convencionales se pueden añadir
al material polímero de base definido anteriormente, por ejemplo
antioxidantes, ayudas de procesamiento, lubricantes, pigmentos,
retardantes de árbol de agua, estabilizadores de voltaje y
similares.
Los antioxidantes convencionales adecuados para
el propósito son, por ejemplo:
trimetil-dihidroquinolina polimerizado (por ejemplo
poli-2,2,4-trimetil-1,2-dihidroquinolina);
4,4'-tiobis-(3-metil-6-ter-buti)-fenol;
pentaeritril-tetra-[3-(3,5-diter-butil-4-hidroxifenil)
propionato];
2-2'-tiodietileno-bis[3-(3,5-diter-butil-4-hidroxifenil)-propionato]
y similares, o mezclas de los mismos. Las ayudas al procesamiento
usualmente añadidas a la base de polímero son, por ejemplo,
estearato de calcio, estearato de zinc, ácido esteárico, cera de
parafina, cauchos de silicona y similares, o las mezclas de los
mismos.
Con particular referencia a cables de media y
alta tensión, las composiciones de polímero definidas anteriormente
se pueden usar ventajosamente para formar una capa de aislamiento.
Respecto a esto, tal como se ha indicado hasta ahora, estas
composiciones permiten conseguir una altas características mecánicas
a temperatura ambiente y bajo calentamiento, y también proporcionan
unas propiedades eléctricas mejoradas, en particular tales como para
mantener la resistencia dieléctrica substancialmente inalterada a lo
largo del tiempo, incluso en presencia de humedad.
Si se ha de formar una capa semiconductora, una
relleno conductor, particularmente negro de carbón, está
preferiblemente disperso en el material de polímero en una cantidad
tal como para impartir propiedades semiconductoras al material (es
decir, tal como para obtener una resistividad menor de 5 ohm.m a
temperatura ambiente). Esta cantidad está generalmente entre el 5 y
el 80% en peso, preferiblemente entre el 10 y el 50% en peso, sobre
el peso total de la mezcla.
La capacidad de usar el mismo tipo de material de
polímero tanto para la capa de aislamiento como para las capas
semiconductoras se particularmente ventajosa en la producción de
cables de media y alta tensión, porque asegura una adhesión óptima
entre capas adyacentes y, de esta manera, un comportamiento
eléctrico mejorado particularmente en la interfaz entre la capa de
aislamiento y la capa semiconductora interna donde el campo
eléctrico, y por lo tanto el riesgo de descargas parciales, es más
alto.
Para los propósitos de la invención, "baja
tensión" generalmente significa una tensión menor de 1 kV,
"media tensión" significa una tensión entre 1 y 35 kV, y
"altatensión" significa una tensión mayor de 35 kV.
La composición aislante de la invención se puede
preparar mezclando juntos el componente de polímero, el relleno y
cualquier otro aditivo presente mediante procedimientos conocidos en
la técnica. La mezcla puede ser, por ejemplo, mediante un mezclador
interno de tipo rotor tangencial (Banbury) o de copenetración, o
mediante mezcladores continuos de tipo Ko-Kneader
(Buss) o de tipo de doble tornillo co-giratorio o
contra-giratorio.
El cable de la invención se puede formar mediante
técnicas usadas de manera convencional en el campo, por ejemplo
mediante extrusión de la composición de polímero, reticulado y
enfriamiento.
Otros detalles serán evidentes a partir de la
siguiente descripción, dada con referencia a los dibujos adjuntos,
en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
cable eléctrico particularmente adecuado para media tensión, según
la invención;
La figura 2 muestra la variación de la
resistencia dieléctrica a lo largo del tiempo para tres
composiciones formadas a partir de tres polímeros EPDM
diferentes.
En la figura 1, el cable 1 comprende un conductor
2, con una capa interna con propiedades semiconductoras 3, una capa
intermedia con propiedades aislantes 4, una capa externa con
propiedades semiconductoras 5, una pantalla de metal 6, y una funda
externa 7.
El conductor 2 generalmente consiste en alambres
de metal, preferiblemente de cobre o aluminio, hilados juntos
mediante procedimientos convencionales. La capa de aislamiento 4 y
las posibles capas semiconductoras 5 y 6 comprenden la composición
de polímero descrita anteriormente como su material de polímero de
base. Alrededor de la capa semiconductora externa 5 está usualmente
prevista una pantalla 6, que consiste generalmente en alambres o
cintas eléctricamente conductoras, enrolladas helicoidalmente.
Esta pantalla se cubre a continuación con una
funda 7 de un material termoplástico, por ejemplo polietileno no
reticulado (PE).
La figura 1 muestra solamente una posible
realización de un cable según la invención. Es evidente que se
pueden hacer modificaciones adecuadas conocidas en la técnica a esta
realización, pero sin apartarse del ámbito de la invención. En
particular, las composiciones de polímero de la invención también se
pueden usar ventajosamente para cubrir cables para
telecomunicaciones o transmisión de datos, o cables mezclados
energía/telecomunicaciones.
Los terpolímeros EPDM A, B y C, cuyas
características se muestran en la Tabla 1, se usaron para preparar
las composiciones A, B y C mostradas en la Tabla 1.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
| EPDM A = Nordel® 2722 de Du Pont-Dow Elastomers (HEX = 1,4-hexadieno); | |
| EPDM B = Cordel® IP de Du Pont-Dow Elastomers (ENB = 5-etilideno-2-norborneno); | |
| EPDM C = Vistalon® MDV 94-2 de Exxon Chemical (VNB = 5-vinil-2-norborneno); | |
| BI = índice de ramificación; | |
| 1 - determinado según el estándar ASTM D3900; | |
| 2 - determinado como complemento de 100 de la suma etileno/dieno; | |
| 3 - determinado mediante I.R.; | |
| 4 - determinado según el estándar ASTM D1646-94. |
| Polietileno lineal de baja densidad (Riblene® FL 30 de Polimeri Europa); | |
| Silano A-172 (VTMOEO) de WITCO SPECIALITIES = viniltris-(2-metoxietoxi) silano; | |
| Antioxidante ANOX® HB de GREAT LAKES = poli-2,2,4-trimetil-1,2-didriquinolina; | |
| Dicumil peróxido Dicup® de Hercules. |
Las composiciones de polímero de la invención
(composición C) se compararon con otros polímeros EPDM
(composiciones A y B), variando la catálisis y el dieno, y
encontrando una menor resistencia al agua. Las composiciones de
comparación también se prepararon sin añadir plomo.
Las composiciones A, B y C se prepararon usando
un mezclador Banbury de 1,6 litros con un coeficiente de llenado
volumétrico de un 75% aproximadamente. Las composiciones obtenidas
se usaron para preparar placas reticuladas de 1 mm mediante moldeado
por compresión a unos 190-195ºC y 200 bar después de
precalentar durante 10 minutos a dicha temperatura.
Las piezas de prueba se troquelaron de estas
placas y se sometieron a medidas de tensión en rotura (SB) y
elongación en rotura (EB) según el estándar CEI
20-34 sección 5.1, usando un aparato Instron y un
índice de tracción de agarre de 50 mm/min.
Las otras propiedades eléctricas y mecánicas de
las composiciones de polímero de la invención (composición C) son
por lo menos comparables con las presentadas por las otras mezclas
de comparación (composiciones A y B), tal como puede verse a partir
de la siguiente tabla.
| ODR = reómetro de disco oscilante; | |
| M_{L} = torsión mínima; | |
| M_{H} = torsión máxima; | |
| t90 = tiempo en el cual se obtiene una torsión de M_{L} + 0,90(M_{H} - M_{L}); | |
| SB = tensión en rotura; | |
| EB = elongación en rotura. |
La resistencia dieléctrica de las composiciones
de polímero de la invención (composición C) se evaluó sobre piezas
de prueba obtenidas mediante el procedimiento de envejecimiento
propuesto por EFI (Institución de Investigación de Energía Eléctrica
de Noruega) en la publicación "The EFI Test Method for Accelerated
Growth of Water Trees", presentado en el "1990 IEEE
Internacional Symposium on Electrical Insulation", realizado en
Toronto, Canadá, 3-6 de Junio de 1990, y se comparó
con las composiciones de polímero A y B ya definidas.
Según este procedimiento, el cable se
simulaformando unas piezas de prueba de múltiples capas en forma de
copa, en las que el material constituyente de la cubierta de
aislamiento está colocada entre dos capas de material semiconductor.
Más específicamente, empezando a partir de una banda de un espesor
de 5-7 mm, la capa de material aislante se
termoconforma a la forma de copa a una temperatura de 120ºC en una
prensa eléctrica capaz de desarrollar una presión de unas 90 t, para
obtener así un espesor de unos 0,50 mm.
Las capas de material semiconductor,
extrusionadas y preformadas de una manera similar hasta que se
consigue un espesor de unos 0,5 mm, se presionan a continuación y se
unen térmicamente sobre lados opuestos de la capa de aislamiento a
una temperatura de unos 180ºC durante 15 minutos en una prensa
eléctrica similar a la usada para formar las propias capas.
Después de enfriarse a temperatura ambiente, las
piezas de prueba obtenidas de esta manera se sometieron a una prueba
de envejecimiento eléctrico acelerado llenando lacavidad definida en
el interior de la pieza de prueba con agua, sumergiendo un
electrodo de alta tensión en el agua y apoyándolos sobre una placa
de metal (electrodo de tierra).
Para acelerar más el fenómeno, la prueba se
realizó bajo calentamiento, por ejemplo, en un horno adecuado.
Durante las pruebas, las composiciones de
polímero A, B y C se acoplaron a una pantalla semiconductora que
consiste en una mezcla de polietileno reticuladocomercialmente
disponible bajo en nombre NCPE 0592^{TM} (Boreales N.V.,
Bruselas, Bélgica).
Según dicho procedimiento EFI, 10 piezas de
prueba se sometieron a envejecimiento acelerado en agua bajo las
siguientes condiciones de prueba:
- gradiente eléctrico 5 kV/mm
- temperatura 70ºC
A continuación se midió la resistencia
dieléctrica según el estándar ASTM D-149 sobre un
lote de 5 piezas de prueba no envejecidas (referencia) y un lote de
3 piezas de prueba se retiró 30 días después del comienzo del
envejecimiento eléctrico acelerado.
Las pruebas de resistencia dieléctrica se
realizaron con aceite de silicona sobre el interior y el exterior de
las piezas de prueba usando un electrodo circular y aplicando un
gradiente de tensión de 2 kV/s.
Los resultados de las pruebas realizadas
(promedio de 5 pruebas) se dan en la siguiente tabla.
A partir de los datos dados en la Tabla 4, puede
apreciarse que, después del envejecimiento en agua, la resistencia
dieléctrica de las composiciones de polímero de la invención es en
conjunto más alta que la de las composiciones de comparación y, en
particular, sufre una baja caída desde su valor inicial (un 10%
aproximadamente, y generalmente menor del 15%), mientras que para
las composiciones de comparación la caída es del 20% aproximadamente
o mayor.
El factor de pérdida (tangente del ángulo de
pérdida - "tandelta") también se evaluó a 20ºC y 90ºC para las
composiciones de polímero de la invención (composición C) según con
el estándar ASTM D-150 [Características de Pérdida
AC y Constante Dieléctrica (Permisividad) de Material Aislante
Eléctrico Sólido].
Específicamente, el factor de pérdida se midió
usando como piezas de pruebas moldeadas placas planas de 20 x 20 cm
de lado y un espesor de 1 mm, y usando electrodos circulares con un
anillo de protección.
\newpage
Antes de hacer las mediciones, las piezas de
prueba se trataron térmicamente a 90ºC durante 100 horas para
eliminar los derivados de la reticulación de cada placa.
Los resultados de las pruebas (promedio de 5
pruebas) se muestran en la siguiente tabla.
Las composiciones A, B y C descritas
anteriormente se usaron para producir cables de media tensión. Los
cables se preparación mediante extrusión a través de un extrusor de
cabezal triple sobre un conductor 1/0 AWG que consiste en una cuerda
de alambre de aluminio de una sección transversal de unos 54
mm^{2}.
El extrusor, de un diámetro interno de 100 mm,
tenía el siguiente perfil de temperatura: entre 90 y 110ºC dentro
del cilindro, 120ºC en el collar y 120ºC en el interior del cabezal.
La velocidad lineal era de 2 m/min. Los cables obtenidos de esta
manera tenía una capa semiconductora interna de un espesor de 0,5
mm, una capa de aislamiento de 4,6 mm y una capa semiconductora
externa de 0,5 mm.
En la figura 2, los histogramas muestran la
resistencia al agua, evaluada midiendo la variación en la
resistencia dieléctrica, expresada en kV/mm, a lo largo del tiempo
para los tres cables formados a partir de las composiciones de
polímero A, B y C. En el momento cero puede apreciarse que los
cables tienen substancialmente la misma resistencia dieléctrica.
Después de un mes hay un ligero aumento en los valores, seguidos
después de 3 meses por una diferencia visible en el comportamiento
de los cables formados a partir de las tres composiciones
diferentes, sin embargo, los resultados son todavía comparables.
Después de 8 meses de observación, los cables
formados a partir de las composiciones de comparación A y B sufren
una clara reducción en la resistencia dieléctrica, mientras que el
cable formado a partir de la composición C de la invención no
muestra ninguna diferencia substancial de los valores encontrados
después de 3 meses.
La resistencia al agua de la capa de aislamiento
en los cables preparados de esta manera se evaluó mediante un
procedimiento de ENEL ("Ente Nazionale Energia Elettrica", ENEL
Estándar DC4584, Diciembre 1991, Ed. I - 14/40), descrito a
continuación.
Para cada uno de los tres diferentes tipos de
cables, se sumergieron completamente tres tramos de cable completo
de núcleo único en un tanque lleno con agua del grifo mantenida a
una temperatura constante de 70 \pm 3ºC. Los dos extremos de cada
tramo se hicieron a continuación que salieran al aire una longitud
suficiente para hacer los terminales de prueba.
Sobre cada extremo de las piezas también estaba
montada un vaso para asegurarse de que había agua presente a lo
largo del conductor. Los conductor se calentó mediante tensión
circulante de una intensidad tal como para calentarlo y mantenerlo a
una temperatura de 90 \pm 5ºC (medida en la porción de agua)
durante un tiempo de 8 meses. Se aplicó una tensión alterna a una
frecuencia industrial de 1,5 veces la tensión nominal del cable en
un extremo entre el conductor y la pantalla de metal, que estaba
conectada a tierra.
Después de 1, 3 y 8 meses una pieza de cada tipo
de cable se tomó del tanque y se dividió en 10 porciones,
sometiéndose a continuación a cada una de ellas a la prueba de
resistencia dieléctrica según el estándar ASTM D-149
a temperatura ambiente, usando tensión alterna a frecuencia
industrial.
Se aplicó una tensión inicial entre el conductor
y la pantalla conectada a tierra durante un tiempo de 10 minutos, y
a continuación se aumentó cada 10 minutos hasta la perforación del
aislamiento. Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
y también mostrada en la figura 2.
Estos datos destacan la resistencia substancial del cable de la
invención durante todo el periodo de observación (ocho meses),
mostrando las mediciones de resistencia dieléctrica realizadas
después del tercer mes sobre los cables obtenidos a partir de las
composiciones A y B un envejecimiento mucho más rápido en agua que
el cable de la
invención.
Claims (11)
1. Cable eléctrico (1) que comprende por lo menos
un conductor (2) y por lo menos una capa de aislamiento (4), en el
que dicha capa de aislamiento comprende una composición de polímero
substancialmente libre de plomo que comprende como material
polímero de base un terpolímero elastómero que tiene la siguiente
composición:
a) 50-90 moles en porcentaje de
etileno;
b) 10-50 moles en porcentaje de
una \alpha-olefina;
c) 0,16-5 moles en porcentaje de
5-vinil-2-norborneno;
siendo la suma de moles en porcentaje de a), b) y
c) 100, teniendo dicho terpolímero un índice de ramificación menor o
igual a 0,5 y un índice de distribución del peso molecular
M_{w}/M_{n} mayor o igual a 6.
2. Cable según la reivindicación 1, en el que el
terpolímero tiene una viscosidad Money [ML (1 + 4 a 125ºC] de
10-80.
3. Cable según la reivindicación 1 ó 2, en el que
el terpolímero tiene un índice de ramificación menor o igual a
0,4.
4. Cable según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la composición de polímero
tiene un contenido de óxido de zinc menor de 10 phr.
5. Cable según la reivindicación 4, en el que el
contenido de óxido de zinc varía entre 3 y 8 phr.
6. Cable según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la composición de polímero
comprende una mezcla elastómera que comprende el terpolímero
elastómero tal como se define en la reivindicación 1, mezclado con
por lo menos otro polímero en una cantidad menor o igual a 30 phr de
la mezcla y seleccionada entre el grupo que consiste en
poliolefinas, copolímeros propileno/etileno termoplástico,
copolímeros elastómeros etieleno/propileno o
etileno/propileno/dieno y similares, o las mezclas de los
mismos.
7. Cable según la reivindicación 6, en el que el
otro polímero se selecciona entre polietileno de baja densidad,
polietileno lineal de baja densidad, y polietileno de muy baja
densidad.
8. Cable según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la olefina es de fórmula
CH_{2}=CH-R, donde R es un alquil lineal o
ramificado que contiene entre 2 y 10 átomos de carbono.
9. Cable según la reivindicación 8, en el que la
\alpha-olefina se selecciona entre el grupo que
consiste en propileno, 1-buteno,
1-penteno,
1,4-metil-1-penteno,
1-hexeno, 1-octeno,
1-deceno, 1-dodeceno y las
combinaciones de los mismos.
10. Cable según la reivindicación 8 ó 9, en el
que la \alpha-olefina es propileno.
11. Cable según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende por lo menos una capa (3,
5) con propiedades semiconductoras que incluye una composición de
polímero según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que está disperso un relleno conductor.
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