ES2234211T3 - Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el. - Google Patents

Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el.

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ES2234211T3 ES99305465T ES99305465T ES2234211T3 ES 2234211 T3 ES2234211 T3 ES 2234211T3 ES 99305465 T ES99305465 T ES 99305465T ES 99305465 T ES99305465 T ES 99305465T ES 2234211 T3 ES2234211 T3 ES 2234211T3
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Abstract

Un material semiconductor para su utilización en el revestimiento de cables tiene forma de un compuesto ternario que tiene diferentes fases cocontinuas y comprende un material de fase menor que comprende un polímero semicristalino; un material de relleno conductor disperso en el material de fase menor en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en el material de fase menor no entrar en interacciones electrostáticas que promueven la miscibilidad, teniendo el material de fase menor el dispersor en su interior en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en un material de fase mayor.

Description

Material semiconductor, método para producirlo y cable recubierto con él.
La presente invención se refiere en general a cables, y más en particular a composiciones adecuadas para fundas conductoras especialmente para cables de energía de medio y alto voltaje y para cables enfundados con la misma.
Los cables de energía eléctrica para voltajes medios y altos típicamente incluyen un núcleo conductor eléctrico, una vaina semiconductora de recubrimiento, una capa aislante formada sobre la vaina semiconductora, una vaina aislante más exterior, y algún tipo de componente metálico. El componente metálico pueden incluir, por ejemplo, una envoltura de plomo, una cinta de cobre corrugado aplicado longitudinalmente con una sutura superpuesta, o cables, cintas o bandas planas helicoidalmente aplicadas. La patente U.S. Nº .281.757 y la patente U.S. Nº 5.246.783 describe ejemplos de cables de energía eléctrica y procedimientos para su fabricación.
Los cables de energía eléctrica para aplicaciones de medio y alto voltaje típicamente también incluyen una funda completa extrusionada de plástico que protege físicamente el cable extendiendo así la vida útil del cable. La funda completa antes descrita puede ser aislante o semiconductora. Si la funda completa es aislante, puede recubrir o encapsular el componente metálico del cable como se comenta en el artículo de Septiembre/Octubre 1995 Vol. 11, Nº 5, "IEEE Electrical Insulation Magazine", titulado "Insulating and Semiconductive Jackets for Medioum and High Voltaje Underground Power Cable Applications".
Según el Código Nacional de Seguridad Eléctrica, los cables de energía que emplean fundas aislantes deben conectarse a tierra cada 0,125 a 0,25 millas dependiendo de la aplicación, o en cada empalme para cables en conducto (en cada boca de inspección). Dicha conexión a tierra reduce o elimina las pérdidas en el sistema de cable. Además, como el neutro para conectar a tierra el voltaje puede ser muy alto, dicha conexión a tierra también se requiere con propósitos de seguridad.
En contraste con las fundas aislantes, las fundas semiconductoras son ventajosamente conectadas a tierra a lo largo de toda la longitud del cable y por lo tanto no necesitan las conexiones a tierra periódicas antes descritas. Por lo tanto, las fundas semiconductoras sólo están conectadas a tierra en el transformador y en la terminación.
A pesar de que las fundas semiconductoras son ventajosas por las razones anteriores, no son extensamente empleadas en la industria de los cables de energía. Los materiales para fundas semiconductoras de la técnica anterior usualmente no estaban desarrollados para aplicaciones de enfundado, y como tales, no alcanzan los criterio de rendimiento para una protección de larga vida útil del cable.
La Asociación de Ingenieros de Cables Aislados (ICEA) especifica en ICEA S-94-649-1997, "Semiconducting Jacket Type 1", las propiedades mecánicas de las fundas semiconductoras para cables eléctricos y hacen referencia a los procedimientos de prueba de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) para probar los materiales adecuados para estas aplicaciones.
Las fundas semiconductoras de la técnica anterior, aún si no logran los criterios de rendimiento para protección de cables de larga vida, son con frecuencia de coste prohibitivo para un uso extenso en la industria. Este alto coste se debe primariamente al alto porcentaje en peso de aditivo conductor necesario en el material de la funda para hacer una funda semiconductora. Típicamente este porcentaje del peso es mayor de 15 a 30 del porcentaje en peso para lograr la conductividad requerida o la resistividad volumétrica de la funda. Ver, por ejemplo, la patente U.S. Nº 3.735.025, que describe un cable eléctrico enfundado con una composición termoplástico semiconductora que comprende polietileno clorado, etileno etil acrilato, y 30 a 75 o 40 a 60 partes en peso para negro de carbón semiconductor.
Los compuestos poliméricos de la técnica anterior utilizados en el papel de fundas semiconductoras son normalmente termoplásticos y obtienen su conductividad mediante el uso de un gran porcentaje del peso de un material de relleno conductor, usualmente grados conductores de negro de carbón, para contraer un alto nivel de conductividad (o un bajo nivel de resistividad), al compuesto. El Código Nacional de Seguridad Eléctrica (Sección 354D2-c) requiere que la resistividad radial de la funda semiconductora no sea mayor a 100 \Omega.m y aún así mantenerse estable en servicio. Las composiciones de la técnica anterior requerían cargas de material de relleno conductor de al menos aproximadamente 15% a 60% en peso para lograr este criterio. Estos altos niveles de material de relleno conductor inherentemente suman significativamente al coste de tales composiciones, inhiben la facilidad de extrusión de la composición de la funda, y disminuyen la flexibilidad mecánica del cable resultante.
La teoría de la percolación es relativamente exitosa en el modelado de las características generales de conductividad de los materiales del compuesto polimérico conductor (CPC) mediante la predicción de la convergencia de las partículas conductoras a distancias a las cuales la transferencia de transportadores de carga entre ellos se vuelve probable. El límite de percolación (p_{c}), que es el nivel al cual un material de fase menor se incorpora volumétricamente solamente de manera suficiente en el material de fase mayor resultando en que ambas fases son cocontinuas, es decir, la concentración más baja de partículas conductoras necesarias para formar cadenas conductoras continuas cuando se incorporan a otro material, puede determinarse a partir de la dependencia experimentalmente determinada de la conductividad del material CPC en la concentración del relleno. Para una discusión general sobre teoría de la percolación, ver Octubre 1973 Vol. 45, Nº 4, artículo "Review of Modern Physics", titulado "Percolation and Conduction". Se ha trabajado mucho en la determinación de los parámetros que influencias el límite de percolación con respecto a material conductor de relleno. Ver por ejemplo, "Models Proponed to Explain the Electrical Conductivity of Mixtures Made of Conductive and Insulating Materials", "1993 Journal of Materials Science", Vol. 28; "Resistivity of Filled Electrically Conductive Crosslinked Polyethylene", "1984 Journal of Applied Polymer Science", Vol. 29; y "Electron Transport Processes in Conductor-Filled Polymers", "1983 Polymer Engineering and Science" Vol. 23, Nº 1. Ver también, "Multiple Percolation in Conducting Polymer Blends", "1993 Macromolecules" Vol. 26, que comenta la "doble percolación".
Se han informado intentos para la reducción del contenido de relleno conductor en materiales CPC para polietileno/poliestireno y para polipropileno/poliamida, empleando ambos negro de carbón como relleno conductor. Ver por ejemplo "Design of Electrical Conductive Composites: Key role of the Morphology on Electrical Properties of Carbon Black Filled Polymer Blends", "1995 Macromolecules", Vol. 28, Nº 5; "Selective Localization of Carbon Black in Immiscible Polymer Blends: A useful Tool to Design Electrical Conductive Composites", "1994 Macromolecules", Vol. 27 Nº 7; y "Electrically Conductive Structured Polymer Blends, Polymer Networks & Blends" 1995, Vol. 5 Nº 4; y "Conductive Polymer Blends with Low Carbon Black Loading: Polypropylene/Polyamide", "1996 Polymer Engineering and Science", Vol. 36, Nº 10.
Sin embargo, ninguna de las técnicas anteriores concernientes con la minimización del contenido de relleno conductor ha tratado sobre materiales adecuados para utilizar como material de funda semiconductora para cables que debe lograr no sólo los requerimientos eléctricos, sino también rígidos requerimientos mecánicos como se han discutido hasta ahora.
Lo que se necesita, y aparentemente falta en la técnica es un material de funda semiconductor que tiene una reducción significativa de material de relleno, que disminuya por lo tanto el coste del material y el procesamiento mediante el incremento de la facilidad de extrusión y flexibilidad mecánica del cable enfundado, mientras que mantiene el criterio de rendimiento de la industria para la resistividad y las propiedades mecánicas.
La presente invención proporciona un material de compuesto polimérico conductor (CPC) para fundas semiconductoras para cables que tiene una reducción significativa en el contenido de relleno conductor a la vez que mantiene la conductividad requerida y las propiedades mecánicas especificadas por la industria mediante la selección de materiales y aproximaciones de procesamiento para reducir el límite de percolación para el relleno conductor en el compuesto, mientras balancea la selección de material con las propiedades mecánicas de la funda semiconductora requeridas por la industria.
Los materiales de funda semiconductora de la presente invención se basan en mezclas no miscibles de polímeros donde la no miscibilidad se explota para crear compuestos semiconductores con un bajo contenido de relleno conductor a través de una aproximación de percolación múltiple a la formación de redes. El contenido de material conductor de relleno puede reducirse hasta aproximadamente 10% en peso del compuesto total o menos, dependiendo del mismo material conductor de relleno y la selección de materiales de fase mayor y menor, sin una pérdida correspondiente en el rendimiento de la conductividad del compuesto. De forma correspondiente, la reología de la fase de fusión del material de la invención sigue más de cerca un sistema sin relleno debido a la reducción del contenido de relleno conductor de refuerzo incrementando así la facilidad de procesamiento del material.
Las fundas semiconductoras para cables de energía deben tener una red conductora a lo largo de todo el material. La física de la formación de la red de un material menor de segunda fase en una fase mayor diferente se describe efectivamente mediante la teoría de la percolación como se ha discutido con anterioridad. El "límite de percolación" (p_{c}) es el nivel al cual un material de fase menor se incorpora justo volumétricamente de forma suficiente en un material de fase mayor resultando en que ambas fases son cocontinuas, es decir, la concentración más baja de partículas conductoras que se necesitan para formar cadenas conductoras continuas cuando se incorporan en otro material. Un material menor de segunda fase en la forma de esferas no asociadas, cuando se dispersa en un material de fase mayor, debe con frecuencia estar en exceso de aproximadamente 16% en volumen para generar una red infinita. Este límite de 16% en volumen, que es ilustrativo para esferas, depende de la geometría de las partículas del relleno conductor, (es decir, la relación del área de superficie con el volumen de la partícula) y puede variar con el tipo de relleno. El añadido de una única dispersión de partículas de relleno conductor a una única fase mayor se califica como "percolación única". Se ha encontrado que mediante la alteración de la morfología de la fase menor/mayor puede realizarse una reducción significativa en el límite de percolación. La presente invención explota estos aspectos de la teoría de la percolación para desarrollar un material semiconductor para fundas para cables de muy bajo contenido de relleno conductor.
Según la presente invención, se emplea un procedimiento que requiere una mezcla no miscible de al menos dos polímeros que se separan en fases en dos morfologías continuas. Al requerir que el relleno conductor resida en la pase polimérica menor, la concentración de relleno conductor puede concentrarse por encima del límite de percolación requerido para generar una red conductora continua en la fase polimérica menor mientras que la concentración total de relleno conductor en el volumen de los polímeros combinados está muy por debajo del límite si el relleno se ha dispersado uniformemente a través de ambas fases. Además, debido a que la fase polimérica menor es cocontinua dentro de la fase polimérica mayor, la concentración es conductora. Esta aproximación emplea percolación múltiple debido a los dos niveles de percolación que se requieren: percolación de dispersión conductora en una fase menor y percolación de una fase menor en una fase mayor.
En una mezcla binaria de un polímero semicristalino y un relleno conductor, las partículas del relleno son rechazadas por las regiones cristalinas hacia las regiones amorfas en la recristalización, que por lo tanto disminuye el límite de percolación. De forma similar, utilizando una mezcla de polímero con polímeros no miscibles que resultan en fases duales como la matriz en los materiales CPC promueve inhomogeneidades de fase y disminuye el límite de percolación. El relleno conductor se distribuye heterogéneamente dentro de los polímeros en este último ejemplo. En una alternativa de esta aproximación, al menos una de las dos fases poliméricas es continua y las partículas de relleno conductor se ubican en la fase continua. En una segunda alternativa, las dos fases son cocontinuas y el relleno es preferentemente en la fase menor o en la interfaz.
La presente invención se concentra primariamente en dos aspectos del fenómeno de percolación: la interacción de la dispersión conductora en la fase menor, y la interacción de la fase menor con la fase mayor.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un material semiconductor para enfundar un cable, comprendiendo el material semiconductor un compuesto ternario que está libre de enlaces hidrógeno, tiene fases distintas cocontinuas y muestra una elongación envejecida y no envejecida a la rotura de al menos 100%, comprendiendo el compuesto ternario:
Un material de fase menor que comprende un polímero semicristalino;
Un material conductor de relleno disperso en el material de la fase menor en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en la menor siendo un material de fase mayor un polímero que cuando se mezcla con el material de la fase menor no se acople en interacciones electrostáticas que promueven la miscibilidad, teniendo el material de la fase mayor el material de la fase menor dispersado en él en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en el material de la fase mayor.
Según otro aspecto de la presente invención, el material conductor de relleno comprende aproximadamente \leq10 por ciento en peso del peso total de compuesto polimérico conductor.
Según otro aspecto de la presente invención, el material de la funda semiconductora comprende además un segundo material de fase mayor, donde dicho compuesto ternario se dispersa en una cantidad suficiente para que dicho compuesto ternario sea continuo dentro de dicho segundo material de fase mayor, siendo dicho segundo material de fase mayor seleccionado a partir de un grupo de polímeros que cuando se mezclan con dicho compuesto ternario no se acoplará en interacciones electrostáticas que promueven miscibilidad con dicho material de fase menor o dicho material de fase mayor, formando un material de funda semiconductora de un compuesto cuaternario que tienen fases cocontinuas distintas.
Según un aspecto adicional de la invención se proporciona un procedimiento para producir un material semiconductor como se ha mencionado antes, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
Mezclar el polímero semicristalino de la fase menor a o por encima de su temperatura de fusión con el material de relleno conductor formando de esta manera un compuesto binario uniforme; y
Mezclar el material de fase mayor por encima de su temperatura de fusión con el compuesto binario formando así un compuesto ternario con fases cocontinuas distintas.
Según otro aspecto adicional de la presente invención, un procedimiento para producir un material de funda semiconductora para enfundar un cable: mezclar un material polimérico semicristalino de fase menor con un material de relleno conductor, estando el material de relleno conductor en una cantidad suficiente para ser igual o mayor que la cantidad requerida para generar una red conductora continua dentro del material polimérico de la fase menor, formando así un compuesto binario con un material polimérico de fase mayor para formar un material de funda semiconductor de un compuesto ternario que tiene fases distintas; y templando el compuesto ternario para engrosar la morfología y por lo tanto incrementar la conductividad del material de la funda, siendo dicho material polimérico de fase mayor seleccionado de un grupo de polímeros que cuando se mezclan con dicho compuesto binario no se acoplarán en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad, de forma tal que se forma el compuesto ternario semiconductor con fases cocontinuas distintas.
Según la presente invención, además, se proporciona un cable que comprende al menos un medio de transmisión y rodeando el medio de transmisión una funda semiconductora de un material como se ha descrito anteriormente.
En general, los resultados superiores de la presente invención pueden lograrse permitiendo que el material conductor de relleno se halle en una fase menor de la mezcla no miscible; siendo la fase menor un polímero semicristalino que tiene una cristalinidad relativamente alta, tal como entre aproximadamente 30% y aproximadamente 80%, y preferentemente aproximadamente \geq 70%, causando por lo tanto que el relleno conductor se agrega para concentrarse en regiones amorfas de la fase menor o en la interfaz de las fases continuas menor y mayor. Los procesos de templado del compuesto en diferentes puntos en el proceso de mezclado o modificando la morfología de la fase menor puede además incrementar la fase cristalina o engrosar más la morfología de la mezcla y por lo tanto mejorar la red conductora.
Según la presente invención, para que una morfología de fase se desarrolle, es decir, una separación de fase, entre los materiales de fase menor y mayor, los materiales de las fases menor y mayor deben ser tales que cuando se mezclan, los materiales poliméricos de la fase menor y mayor no se acoplen en interacciones electrostáticas que favorezcan la miscibilidad resultando en una entalpía negativa de mezclado. Por lo tanto, los enlaces hidrógeno no se produce entre cualquiera de las fases y existe una separación de fase entre todas las fases. Además, el parámetro de diferencia de solubilidad (\delta_{A} - \delta_{B}) de los materiales de las fases menor y mayor en los compuestos ternarios de la presente invención reúnen el siguiente criterio para la no miscibilidad:
U_{L} \geq (\delta_{A} - \delta_{B})^{2} \geq 0
Donde,
U_{L}= 7, más preferentemente 5;
\delta_{A}= el parámetro de solubilidad del material de la fase menor; y
\delta_{B}= el parámetro de solubilidad del material de la fase mayor.
Se ha adoptado la definición del parámetro de solubilidad de Hoftyzer-Van Krevelen. Ver D.W. Van Krevelen, "Properties of Polymers", Tercera Edición, Elsevier Science B.V., Ámsterdam, 1990; cuyos contenidos se incorporan aquí como referencia.
Una ventaja de la presente invención incluye la reducción del contenido de material conductor de relleno en una funda semiconductora para cable a menos de aproximadamente 6 por ciento en peso sin una pérdida correspondiente en el rendimiento de conductividad de la funda.
Otra ventaja más de la presente invención es la habilidad de producir una funda semiconductora de cable que satisface las especificaciones de requerimientos de ICEA S-94-649-1997 "Semiconducting Jacket Type 1".
Otra ventaja adicional es la reducción de coste debida al contenido reducido de relleno conductor y facilidad de procesamiento sobre fundas semiconductoras convencionales.
Otros objetos, características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las presentes realizaciones preferidas en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 muestra una porción de un cable eléctrico enfundado con la funda semiconductora de la invención; y
La Figura 2 muestra una porción de un cable de fibra óptica enfundado con la funda semiconductor de la invención.
El material semiconductor para fundas para cables con una buena conductividad con significante reducción del contenido de relleno conductor de la presente invención se basa en un relleno conductor dispersado en un material de fase menor, que forma un compuesto binario; estando el compuesto binario mezclado con al menos un material polimérico de fase mayor. Más específicamente, la presente invención puede lograse mediante la adhesión de los cuatro principios antes discutidos y alternando las realizaciones aquí descritas con anterioridad. (1) El contenido de relleno conductor es preferentemente en o es justo mayor que el límite de percolación en el material de fase menor (es decir, la menor concentración de contenido de relleno conductor requerido para generar una red conductora continua en el material de fase menor); (2) el contenido de fase menor está o es justo mayor que el límite de percolación en el material de fase mayor (es decir, la menor concentración del material de fase menor requerido para generar una red conductora continua en el material de fase mayor); (3) el material de fase menor es semicristalino; y (4) la mezcla de fase mayor/menor es no miscible teniendo fases distintas.
Según una realización de la presente invención, material semiconductor para funda para enfundar un cable, comprendiendo dicho material semiconductor para funda: un material de fase menor que comprende un polímero semicristalino, un material conductor de relleno dispersado en dicho material de fase menor en una cantidad suficiente para ser igual o mayor que una cantidad requerida para generar una red conductora continua en dicho material de fase menor; y un material de fase mayor, siendo dicho material de fase mayor un polímero que cuando se mezcla con dicho material de fase menor no se acoplará en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad, teniendo dicho material de fase mayor dispersado dicho material de fase menor en su interior en una cantidad suficiente para ser igual o mayor que la cantidad requerida para generar una red conductora continua en dicho material de fase mayor, formando un material semiconductor para funda de un compuesto ternario que tiene fases cocontinuas distintas.
El material elegido para el relleno conductor en cualquiera de las realizaciones de la presente invención tiene influencia sobre la cantidad de relleno conductor requerido para alcanzar o exceder el límite de percolación para formar una red semiconductora. El material conductor de relleno puede ser cualquier material adecuado que muestre conductividad y debe tener una estructura química que resulta en una conductividad inherentemente alta y en una afinidad para desarrollar una red fuerte. El material conductor de relleno puede, por ejemplo, seleccionarse a partir del grupo que consiste en negro de carbón (CB), grafito, partículas metálicas, polímeros intrínsecamente conductores, fibras de carbono, y mezclas de los mismos. En particular, el CB puede ser un "negro de acetileno" o un "negro de horno" o cualquier tipo comercial de CB conductor, siendo los negros de acetileno superiores en la producción de mezclas conductoras. CB ilustrativos se describen también en la Patente U.S. Nº 5.556.697. Los "negros de horno" son CB de baja calidad y son inferiores en su habilidad para producir mezclas conductoras cuando se comparan con los "negros de acetileno", que son fabricados a partir de la pirólisis del acetileno. Por lo tanto los "negros de acetileno" son más preferidos en la presente invención sobre otros tipos de CB. Intrínsecamente los polímeros conductores, tales como poliacetileno, polianilina, poliporrol, mezclas de los mismos y similares, también son preferibles para optimizar la reducción del relleno conductor en la presente invención y por lo tanto también pueden emplearse como material conductor de relleno. Estos polímeros generalmente tienen conductividades mayores que aquellas de los negros de acetileno regulares, pero son más costosos. Asimismo, pueden emplearse fibras de carbono o "filamentos" y tendrán un contenido menor de porcentaje en peso que aquel del CB o polímeros intrínsecamente conductores para exceder el límite de percolación.
Una característica importante de la presente invención es la baja cantidad de material conductor de relleno empleado mientras que se mantiene un nivel deseado de conductividad. El particular porcentaje en peso de material conductor de relleno empleado depende del tipo de material conductor de relleno, y el tipo del material de fase menor y del material de fase mayor. Para materiales conductores de relleno no metálicos, el contenido de relleno conductor puede ser tan algo como 10-12 por ciento en peso del compuesto total. Cuando las partículas metálicas se emplean como material conductor de relleno, el porcentaje en peso puede ser bastante alto (85% o más alto en peso del compuesto total), mientras que la fracción de volumen sería muy baja (< 10%). Un entendido en la técnica reconocería que tales valores pueden determinarse experimentalmente para cada juego de materiales elegidos. Sin embargo, un criterio importante, es que sea una cantidad suficiente para alcanzar o exceder el límite de percolación que varía dependiendo de los materiales seleccionados. Por ejemplo, en el ejemplo de trabajo presentado con anterioridad puede verse que el material de fase menor puede ser polietileno de alta densidad (HDPE) aproximadamente el 44% en peso; el relleno conductor puede ser aproximadamente \leq 6% en peso CB grado horno; y el material de fase mayor puede ser aproximadamente 50% en peso poli(etilen-covinil-acetato) (EVA), teniendo el EVA un contenido de vinil acetato (VA) desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 45% en peso. Si se utiliza un negro de acetileno o un polímero intrínsecamente conductor o fibra de carbono como relleno conductor en este ejemplo, el contenido de relleno conductor puede ser \leq 6% y preferentemente \leq aproximadamente 4% en peso. Basado en lo anterior y como ejemplo, el material de la fase menor puede ser HDPE desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 50% en peso y el EVA puede ser desde aproximadamente 65% hasta aproximadamente 50% en peso de EVA dependiendo del contenido de VA en el EVA.
Como se ha visto a partir de lo anterior, es importante que la selección de material en cada realización de la presente invención alcance la especificación ICEA S-94-649-1997, "Semiconducting Jacket Type 1" para las propiedades mecánicas. Por ejemplo, el material de fase menor para cada realización de la presente invención debe ser de naturaleza semicristalina y la cristalinidad puede oscilar desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 80% y preferentemente \geq aproximadamente 70% basado en el calor de fusión de un cristal perfecto. Los materiales adecuados para la fase menor incluyen cualquier polímero semicristalino tal como HDPE, polipropileno, polipropeno, poli-1-buteno, poli(estireno)(PS), policarbonato, poli(etilen tereftalato), nylon 66, nylon 6 y mezclas de los mismos.
Un entendido en la técnica reconocerá que el nivel requerido de contenido de material de fase menor para alcanzar o exceder el límite de percolación en el material de fase mayor y para alcanzar las propiedades mecánicas requeridas para fundas semiconductoras para cables depende de los constituyentes del sistema, tal como el material conductor de relleno y el material(es) de fase mayor, y la descripción y ejemplos aquí descritos deben servir como guía. Por ejemplo, se ha encontrado que para un sistema HDPE/EVA/CB con un contenido de VA de 40% la fase menor HDPE/CB debe ser de aproximadamente \geq 45% y preferentemente 50% para lograr las propiedades mecánicas requeridas en un material para funda adecuado, a pesar de que se necesita menos para lograr las propiedades eléctricas.
Los materiales adecuados para el material de fase mayor pueden ser cualquier material polimérico que alcance el criterio antes descrito de no acoplarse en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad en relación con los materiales adecuados para fase menor aquí descritos. Debe destacarse que interacciones electrostáticas menores pueden permitirse dentro del criterio anterior en tanto que la miscibilidad no se promueva. Es decir, la mezcla debe ser no miscible. Además, la diferencia del parámetro de solubilidad (\delta_{A} - \delta_{B}) de los materiales de fase menor y mayor en los compuestos ternarios de la presente invención reúnen el siguiente criterio de no miscibilidad:
U_{L} \geq (\delta_{A} - \delta_{B})^{2} \geq 0
Donde,
U_{L}= 7, más preferentemente 5;
\delta_{A}= el parámetro de solubilidad del material de la fase menor; y
\delta_{B}= el parámetro de solubilidad del material de la fase mayor.
Los materiales adecuados para el material de fase mayor puede incluir, por ejemplo, EVA, polibutilen tereftalato, PS, poli(metil metacrilato) (PMMA), polietileno, polipropileno, poliisobutileno, poli(vinil cloruro), poli(vinilideno cloruro), poli(tetrafluoroetileno), poli(vinil acetato), poli (metil acrilato), poliacrilonitrilo, polibutadieno, poli(etilen tereftalato), poli(ácido 8-aminocaprílico), poli(hexametilen adipamida) y mezclas de los mismos.
Como se ha indicado antes, un entendido en la técnica reconocerá que la selección y cantidad de material de fase mayor empleado también depende de los constituyentes del sistema, y la descripción y ejemplos aquí establecidos deben servir como guía.
En respaldo de lo anterior, ejemplos de pares de mayor/menor pueden incluir lo siguiente. Es decir, los materiales de fase menor polietileno, polipropileno y poli-1-butadieno pueden aparearse con materiales de fase mayor PS, poli(vinil cloruro), poli(vinildieno cloruro), poli(tetrafluoroetileno), poli(vinil acetato), poli(metil acrilato), poli(metil metacrilato), poliacrilonitrilo, polibutadieno, poli(etilen tereftalato), poli(ácido 8-amicaprílico), poli(hexametilen adipamida). De forma similar, los materiales de fase menor PS, policarbonato, poli(etilen tereftalato), nylon 66, nylon 6 pueden aparearse con materiales de fase mayor polietileno, polipropileno y poliisobutileno.
Otra realización de la presente invención emplea un material de fase menor de HDPE con una cristalinidad mayor de aproximadamente 70%, relleno conductor de CB grado horno y un material de fase mayor de EVA. Si el VA del EVA es mayor que aproximadamente 40% en peso, el material de fase menor HDPE/CB con un 12% en peso de contenido de relleno conductor en el material de fase menor (que es aproximadamente 6% en peso del compuesto total), debe ser igual o estar en exceso de aproximadamente 50% en peso del compuesto total para reunir tanto los criterios de conductividad y propiedades mecánicas para las fundas semiconductoras para cables. Sin embargo, si el VA del EVA es menos que aproximadamente 40% en peso, el EVA es más cristalino, y el nivel de material de fase menor HDPE/CB puede ser menor que aproximadamente 50% en peso del compuesto total, siempre que el contenido de HDPE/CB es suficiente para exceder el límite de percolación requerido para generar una red conductora continua en el EVA. Si el contenido de HDPE/CB es suficiente o no para exceder el límite de percolación requerido para generar una red de conducción continua en el EVA y reunir los requerimientos para una funda semiconductora para cables puede verificarse experimentalmente mediante la medición de la resistividad volumétrica del material. Por ejemplo, se requiere una resistividad volumétrica de \leq 100 \Omega.m.
Según otra realización de la presente invención, el material semiconductor para funda comprende un segundo material de fase mayor, en el cual dicho compuesto ternario está disperso en una cantidad suficiente para que dicho compuesto ternario sea continuo dentro de dicho segundo material de fase mayor, siendo dicho segundo material de fase mayor seleccionado de un grupo de polímeros que cuando se mezcla con dicho compuesto ternario no se acoplará en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad con dicho material de fase menor o dicho material de fase mayor, formando un material semiconductor para funda de un material cuaternario que tiene fases cocontinuas distintas
El segundo material de fase mayor puede seleccionarse como se describe con anterioridad para el material de fase mayor previamente discutido.
Un entendido en la técnica reconocerá que la cantidad de compuesto ternario suficiente para que el compuesto ternario sea continuo dentro del segundo material de fase mayor depende de los constituyentes del sistema y puede determinarse experimentalmente mediante la medición de la resistividad volumétrica como una función del contenido de compuesto ternario para asegurar que la semiconductividad resulta.
También debe observarse que para las mezclas cuaternarias, los cuatro constituyentes (es decir, relleno conductor, fase menor y dos fases mayores) deben ser mutuamente insolubles para la temperatura y condiciones de uso del material.
Según otra realización adicional de la presente invención, se describe un procedimiento para producir un material semiconductor para funda para enfundar cables. En esta realización, se mezcla un polímero semicristalino que tiene una temperatura de fusión en un mezclador, donde el mezclador se precalienta por encima de la temperatura de fusión del polímero semicristalino.
Un material conductor de relleno se añade al polímero semicristalino en el mezclador en una cantidad \geq a una cantidad requerida para generar una red conductora continua en el polímero semicristalino. Por ejemplo, el material conductor de relleno puede añadirse en una cantidad entre aproximadamente 0,1 por ciento en peso y aproximadamente 12 por ciento en peso para un sistema HDPE/EVA/CB. Sin embargo, un entendido en la técnica reconocerá que la cantidad de material conductor de relleno empleado depende del material conductor de relleno y de otros constituyentes particulares del sistema.
El material conductor de relleno y el polímero semicristalino son mezclados de forma convencional durante un tiempo y a una velocidad suficiente para asegurar una distribución uniforme del relleno conductor en el polímero semicristalino, formando de esta manera un compuesto binario.
Un material de fase mayor con una temperatura de fusión se mezcla de forma convencional con el compuesto binario en un mezclador precalentado por encima de la temperatura de fusión del material de fase mayor, durante un tiempo y a una velocidad suficiente para asegurar una distribución uniforme de dicho compuesto binario en el material de fase mayor. La relación de peso del compuesto binario con el material de fase mayor es suficiente para que el compuesto binario sea \geq a una cantidad requerida para generar una red conductora continua en el material de fase mayor, siendo el material de fase mayor elegido de un grupo de polímeros que cuando se mezclan con el compuesto binario no se acoplarán en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad, de forma tal que se forma un material semiconductor para fundas de un compuesto ternario con fases cocontinuas distintas.
Por ejemplo, los siguientes parámetros no limitantes pueden ser particularmente empleados: desde aproximadamente 0,1% en peso hasta aproximadamente 10% en peso de relleno conductor; desde aproximadamente 49,9% en peso hasta aproximadamente 44% en peso HDPE; y aproximadamente 30% en peso de EVA si VA es aproximadamente un 40% en peso.
El polímero semicristalino puede seleccionarse de los materiales de fase menor antes descritos y puede presentarse en las cantidades antes descritas.
Según una realización adicional de la presente invención, un segundo material de fase mayor que tiene una temperatura de fusión se mezcla en forma convencional con el compuesto ternario antes descrito en un mezclador precalentado por encima de la temperatura de fusión del segundo material de fase mayor, durante un tiempo y a una velocidad suficiente para asegurar una distribución uniforme de dicho compuesto ternario en el segundo material de fase mayor. La relación de peso del compuesto ternario con el segundo material de fase mayor es suficiente para que el compuesto ternario sea \geq al límite de percolación requerido para generar una red conductora continua en el segundo material de fase mayor, siendo el segundo material de fase mayor seleccionado de un grupo de polímeros que cuando se mezclan con el compuesto ternario no se acoplarán en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad, de forma tal que se forma un material semiconductor para fundas de un compuesto cuaternario con fases cocontinuas distintas. El segundo material de fase mayor puede ser como se ha descrito previamente para el material de fase mayor.
Por lo tanto, puede verse que según la presente invención, pueden mezclarse dos fases para reducir aún más el contenido de relleno conductor en porcentaje en peso del compuesto final. Por ejemplo, preferentemente, el contenido de relleno conductor está justo por encima del límite de percolación en un material de fase menor que forma un compuesto binario. El compuesto binario se mezcla justo por encima del límite de percolación con un material de fase mayor, formando un compuesto ternario. El compuesto ternario se mezcla con un segundo material de fase mayor justo por encima del límite de percolación. Resulta un compuesto cuaternario que preferentemente tiene menos de aproximadamente 3% en peso de contenido de relleno conductor con respecto al peso total del compuesto cuaternario, que forma una red conductora continua en el compuesto. Un requerimiento para esta realización es que el compuesto resultante es una mezcla no miscible con fases distintas, y que el relleno conductor está en la fase continua menor. Por ejemplo, un compuesto cuaternario de la presente invención puede formarse con una fase menor de CB de "grado horno" en HDPE; comprendiendo el HB aproximadamente 3,6% en peso del compuesto cuaternario y aproximadamente 26,4% en peso de HDPE, siendo el material de fase mayor aproximadamente 30% en peso de EVA y aproximadamente 40% en peso de PS. Por supuesto otras combinaciones que reúnan los requerimientos de la presente invención serán evidentes para aquellos entendidos en la técnica.
De una forma similar, los materiales semiconductores para fundas de la invención pueden formarse con más de dos materiales de fase mayor. Por ejemplo, el compuesto cuaternario aquí descrito puede mezclarse en una cantidad suficiente para exceder la cantidad requerida para generar una red conductora continua con un tercer material de fase mayor, siendo dicho tercer material de fase mayor tal que no se acoplarán en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad con el segundo, el primero o el material de fase menor. Por lo tanto el compuesto resultante es una mezcla no miscible con fases cocontinuas distintas. Según la presente invención, los materiales de la composición semiconductora pueden formarse mediante la repetición del procedimiento de mezcla antes descrito aquí con cualquier número de materiales de fase mayor adicionales que reúnan los requerimientos para los materiales de fase mayor establecidos con anterioridad de forma tal que el material del compuesto semiconductor resultante es una mezcla de polímeros no miscible que tiene fases cocontinuas distintas.
Los compuestos resultantes de la presente invención pueden mejorarse aún más mediante procesos convencionales de templado. Es decir, según una realización adicional de la presente invención, el compuesto ternario, el compuesto binario y/o el compuesto cuaternario antes descritos pueden templarse consiguiendo así un engrosamiento de la morfología del compuesto respectivo. Por ejemplo, el límite de percolación del la fase menor en la fase mayor puede reducirse además mediante el templado preferentemente del compuesto final CPC desde aproximadamente justo por encima de la temperatura de fusión tanto del material de fase menor como del material de fase mayor. Esto resulta en un refuerzo de la separación de fases entre los materiales de fase mayor y menor mediante el engrosamiento de la morfología del compuesto, y por lo tanto resulta en la formación de un material CPC con un contenido de relleno conductor reducido que mantiene una buena conductividad.
Alternativamente, según la presente invención, el límite de percolación del relleno conductor en el material de fase menor puede reducirse mediante el templado del compuesto de fase menor/relleno conductor antes de mezclarlo en el material de fase mayor. El templado resultará en que la concentración del límite para formar redes conductoras en el compuesto binario sea más baja cuando se emplean polímeros semicristalinos como material de fase menor, tal como HDPE o polipropileno isostático. Durante el proceso de cristalización una parte mayor de las partículas de relleno conductor se rechazan a los límites interesferulíticos y la restante, partículas conductoras no rechazadas pueden ubicarse en regiones amorfas dentro de las esferulitas, resultando en la reducción del límite de percolación antes descrita. Por lo tanto el templado del compuesto fase menor/relleno conductor anterior refina e incrementa la fase cristalina. El compuesto binario antes descrito puede templarse por debajo de la temperatura de fusión del compuesto binario antes de mezclar el material de fase mayor antes descrito con el compuesto binario, donde el segundo polímero tiene una temperatura de fusión menor que la temperatura de fusión del compuesto binario. El material de fase mayor y el compuesto binario se mezclan a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del compuesto binario.
En una realización adicional de la presente invención, puede lograrse una reducción del límite de percolación del material de fase menor en el material de fase mayor mediante la modificación de la relación del área de superficie con el volumen del material de fase menor, incrementando de esta forma la afinidad de la fase menor para crear una red de conducción, antes de mezclar el material de fase menor con el material de fase mayor. Esto puede conseguirse mediante la pulverización (es decir el triturado) del compuesto binario del material de la fase menor con el relleno conductor dispersado en él, o más preferentemente mediante la extrusión de estructuras a modo de hebras de compuesto binario como se describe más adelante. Las estructuras pulverizadas o a modo de hebras del compuesto binario se mezclan entonces con el material de fase mayor por debajo de la temperatura de fusión del material de fase menor. Se observa que un entendido en la técnica sabrá con facilidad cómo pulverizar el material antes descrito.
Según otra realización adicional de la presente invención, el compuesto binario antes descrito puede extruirse en estructuras a modo de hebras antes de mezclar el material de fase mayor con el compuesto binario, teniendo el material de fase mayor una temperatura de fusión menor que la temperatura de fusión del compuesto binario, donde el material de fase mayor y las estructuras extruidas a modo de hebras del compuesto binario se mezclan a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del compuesto binario. Las estructuras a modo de hebra pueden ser, por ejemplo, aproximadamente de 2 mm de largo y de aproximadamente 0,25 mm de diámetro y un entendido en la técnica sabrá entender fácilmente cómo extrusionar el compuesto binario.
En referencia ahora a la Figura 1 se muestra una funda semiconductora de la invención, que puede ser un compuesto termoplástico, sobre un cable eléctrico 10. El cable eléctrico 10 comprende un núcleo conductor central 12, una vaina conductora semiconductora de recubrimiento 14, al menos una capa aislante polimérica 16 formada encima de la vaina conductora semiconductora, una vaina semiconductora de aislamiento 18 formada sobre la capa de aislamiento 16, y un componente metálico 20 que puede estar incluid en la vaina semiconductora de aislamiento 18 como se muestra, o puede recubrir la vaina semiconductora de aislamiento 18. Preferentemente se extruye una funda semiconductora 22 sobre la vaina semiconductora de aislamiento 18 mediante procedimientos ya conocidos para aquellos entendidos en la técnica.
La funda semiconductora puede también aplicarse sobre un cable de fibra óptica como se muestra en la Figura 2 o un cable híbrido. Los cables de fibra óptica y los cables híbridos (es decir cables que llevan conductores eléctricos y fibra óptica), con frecuencia se ponen a tierra periódicamente si contienen elementos metálicos, especialmente para protección contra los rayos. Además, algunos cables de fibra óptica se instalan mediante el soplado de los mismos dentro de los conductos. Con frecuencia en este proceso, dependiendo del material del conducto, se forma una carga estática sobre la superficie del cable que se opone a la carga del conducto, dificultando la instalación. Una funda semiconductora de la presente invención sobre estos cables disiparía ventajosamente la carga estática y facilita la instalación. En la Figura 2, el cable de fibra óptica 30 comprende un elemento metálico central de fuerza 32, al menos un tubo 34 que contiene fibras ópticas 36, y una funda semiconductora 38 formada alrededor de los tubos 34 preferentemente mediante la extrusión de la funda semiconductor 38 mediante procedimientos ya conocidos para aquellos entendidos en la técnica. Una capa de material de armadura estanco al agua y un material adicional de elemento de fuerza pueden incluirse opcionalmente en el cable óptico 30.
Los principios de la invención pueden ilustrarse adicionalmente mediante los siguientes ejemplos no limitantes.
Ejemplo 1
Los materiales adecuados para funda semiconductora de la presente invención se fabricaron utilizando calidades comerciales de un copolímero al azar de EVA, HDPE y CB grado horno. En este ejemplo, el material de funda semiconductora es 6% en peso de CB, 44% en peso de HDPE y 50% en peso de EVA. Las características de estos materiales utilizados en este ejemplo se establecen en la Tabla 1. En particular, el EVA se seleccionó para tener una alta concentración, 45% en peso, de V_{A} para reforzar la separación de fases entre el material de fase menor (HDPE/CB) y la fase mayor (EVA). EVA con menor % en peso de VA son menos preferibles para una conductividad incrementada, pero puede sustituirse sin apartarse de los principios generales de la invención. El compuesto se mezcló a 170ºC en un mezclador interno Brabender con una cavidad de 300 cm^{3} utilizando una tasa de mezclado de 40 rpm. El procedimiento de mezclado para el material de funda semiconductora de la invención comprende la adición del HDPE en el mezclador rotativo precalentado y permitir que el polímero se mezcle durante 6 minutos. El CB se añade al HDPE mezclado y se permite la mezcla durante 9 minutos adicionales, que asegura una distribución uniforme del CB dentro del HDPE. El EVA se añade y la mezcla se mezcla durante 10 minutos adicionales. El material de funda semiconductora, así formado se moldeó luego a una presión de aproximadamente 6 MPa durante 12 minutos a 170ºC en una placa de aproximadamente 0,75 mm de grosor para examinarla.
TABLA 1
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1
\vskip1.000000\baselineskip
La conductividad eléctrica del compuesto resultante se midió mediante el corte de bandas de 101,6 mm x 6,35 mm x 1,8 mm de la placa moldeada, y se utilizó pintura de plata coloidal para fabricar electrodos separados 50 mm a lo largo de las bandas para permitir retirar la resistencia al contacto. Un multímetro digital Fluye 75 Serie II y una técnica de 2 puntos se utilizaron para medir la resistencia eléctrica de las bandas.
Las propiedades mecánicas del material de funda semiconductora se examinaron según ASTM D-638. Se determinaron las propiedades mecánicas no envejecidas y con un envejecimiento de 2 días/100ºC (es decir, fuerza de tensión y elongación a la rotura) para el material de funda semiconductora utilizando cortes en forma de hueso de perro de ASTM D-470 - ASTM D-412 Troquel C. La tasa de estirado en la máquina de prueba de tensión Instron Modelo 4206 fue de 2 pulg/minuto, y todas las mediciones se realizaron a 23ºC a menos que se indique otra cosa.
Además, la deformación por calor para el material de funda semiconductora a 90ºC se evaluó según UL 1581 Sección 560; esta temperatura se requiere para la especificación ICEA S-94-649-1997 "Semiconducting Jacket Type 1". Este procedimiento calcula la deformación a 2000 gramos de peso con un área de carga definida impartida a un espécimen de 24 mm x 14 mm x 1,52 mm a una temperatura prescripta.
Los resultados de las pruebas para propiedades mecánicas y eléctricas para el material de funda semiconductora de la invención para este ejemplo se establecen en la Tabla 2.
TABLA 2
2
^{a}envejecido en un horno de aire a 100ºC durante 48 horas.
^{b}68% niveles de confianza.
Como se evidencia en la Tabla 2, este ejemplo demuestra la habilidad de fabricar una funda semiconductora con un contenido de relleno conductor bajo que reúne, dentro del margen de error, el "Semiconducting Jacket Type 1".
Se esperaría que el uso de un negro de acetileno o un polímero intrínsecamente conductor o fibra de carbono en lugar del negro de grado horno utilizado en el presente ejemplo resultaría en propiedades similares con carga de < 6% en peso y preferentemente < 4% en peso de relleno conductor del material de funda semiconductora.
Ejemplo 2
Los materiales adecuados para funda semiconductora de la presente invención puede fabricarse utilizando calidades comerciales de un copolímero al azar de EVA, HDPE y CB grado horno. En este ejemplo, el material de funda semiconductora es 6% en peso de CB, 44% en peso de HDPE y 50% en peso EVA. Las características de los materiales que pueden utilizarse en este ejemplo se establecen en la Tabla 3. En particular, el EVA se selecciona para tener una concentración inferior, 25% en peso, de VA que aquel del Ejemplo 1. Mientras que el contenido más alto de VA en el Ejemplo 1 refuerza la separación de fases entre el material de fase menor (HDPE/CB) y la fase mayor (EVA), que resulta en una mejor conductividad del material compuesto resultante. EVA con menor % en peso de VA tendrá una cristalinidad incrementada que mejorará las propiedades mecánicas del material semiconductor resultante sin una pérdida significativa en la conductividad. Se espera que la resistividad del material de funda semiconductora de este ejemplo se halle dentro de las especificaciones de la industria, es decir \leq 100 \Omega.m con propiedades de fuerza de tensión y elongación mejoradas.
El compuesto se mezcla a 170ºC en un mezclador interno Brabender con una cavidad de 300 cm^{3} utilizando una tasa de mezclado de 40 rpm. El procedimiento de mezclado para el material de funda semiconductora de la invención comprende añadir el HDPE en el mezclador rotativo precalentado y permitiendo que el polímero se mezcle durante 6 minutos. El CB se añade al HDPE de la mezcla y se permite que se mezclen durante 9 minutos adicionales, lo que asegura una distribución uniforme del CB dentro del HDPE. Se agrega EVA y se permite que la mezcla se mezcle durante 10 minutos adicionales. El material de funda semiconductora, así formado se moldea a una presión de aproximadamente 6 MPa durante 12 minutos a 170ºC en una placa de aproximadamente 0,75 mm de grosor.
TABLA 3
4
Este ejemplo demuestra además la habilidad de producir un material CPC que tiene un contenido bajo de relleno conductor, así como propiedades físicas mejoradas.
Ejemplo 3
En una realización adicional de la presente invención, puede formarse una mezcla cuaternaria no miscible utilizando los constituyentes: PS, EVA, HDPE y CB mediante el procedimiento que comprende las etapas establecidas más adelante.
El PS se añade al mezclador rotativo Brabender precalentado a 170ºC y permitiendo que se mezcle durante aproximadamente 6 minutos a 40 rpm, antes de la adición del compuesto ternario EVA/HDPE/CB ya preparado como, por ejemplo, se estableció en los ejemplos anteriores. Esta mezcla se mezcla durante 9 minutos adicionales. El compuesto cuaternario final se moldea entonces a una presión de aproximadamente 6 MPa durante 12 minutos a 170ºC en placas de aproximadamente 0,75 mm de grosor. En este ejemplo, pueden emplearse los siguientes constituyentes: 3,6% en peso de CB; 26,4% en peso HDPE; 30% en peso EVA; 40% en peso PS; y 40% en peso VA en el EVA.
En una percolación múltiple como la que se ha descrito con anterioridad, es importante que el compuesto cuaternario sea una mezcla no miscible con fases distintas, y que el relleno conductor esté en las fases continuas. Por lo tanto, puede formarse un compuesto CPC con menos de aproximadamente 4% en peso de CB del PS/EVA/HDPE/CB total.
Por lo tanto, según la presente invención y en vista de los ejemplos y descubrimientos aquí establecidos, un material CPC que tiene menos o igual a aproximadamente 6% en peso de contenido de dispersión conductora de CB residente en una fase menor de HDPE se mezcla con EVA. Mediante la modificación del nivel de HDPE en EVA, la cristalinidad del HDPE, el nivel de VA en el copolímero de EVA, y el contenido de CB en el HDPE, puede generarse un compuesto altamente conductor con una resistividad de menos de aproximadamente 100 \Omega.m. Además, debido a los bajos niveles del CB requerido para impartir una alta conductividad al material CPC, la reología del compuesto es más análoga a un compuesto no relleno en términos de propiedades de extrusión y procesabilidad. El CPC puede además confeccionarse para reunir las propiedades mecánicas requeridas para fundas semiconductoras para cables mediante la modificación del nivel de VA en el EVA de acuerdo con la presente invención, como se demuestra en el Ejemplo 2.
Además, según la presente invención y en vista de lo anterior, puede verse que las ventajas antes descritas y los resultados superiores pueden lograse mediante la selección de un relleno conductor con una estructura química que resulta en una conductividad inherentemente alta y una afinidad para desarrollar una red fuerte, tal como CB, y mediante la modificación de la estabilidad termodinámica del relleno conductor y las fases menores de polímero para alentar el engrosamiento de la morfología del relleno/fase menor, tal como mediante la técnica de templado antes mencionada.
Las ventajas también se realizan mediante la selección de un polímero de fase menor con un alto nivel de cristalinidad de forma que el relleno conductor y el material de fase menor preferentemente se ponen en fase separadamente para incrementar la concentración del relleno conductor en la fase amorfa, así como mediante la reducción del límite de percolación de la fase menor/material de relleno conductor en el material de fase mayor a través de una aproximación de proceso, tal como los medios de extrusión, templado y pulverizado antes descritos, para cambiar la morfología de la fase menor/material conductor de relleno.
Las ventajas también se realizan mediante el engrosamiento de la morfología de la fase mayor/menor a través de la modificación de la estabilidad termodinámica de las fases de polímero para promover la no miscibilidad mediante la selección de par de materiales menor/mayor.
Como también se ha descrito antes, las ventajas de la presente invención se obtienen mediante el templado posterior del material CPC para engrosar la morfología de la fase mayor/menor, así como mediante el incremento del componente cristalino del polímero de fase mayor; por ejemplo, modificando el contenido de VA en el EVA como se ha descrito con anterioridad o mediante la incorporación de 0,01% en peso hasta aproximadamente 2% en peso de un agente nucleante en el material de fase mayor para promover la cristalinidad; para incrementar la concentración de la fase menor en la fase mayor amorfa.
Debe entenderse que aditivos convencionales tales como agentes nucleantes y antioxidantes pueden añadirse en el material del compuesto o en la fase mayor de los materiales de fase menor en la cantidad de aproximadamente 0,01% en peso hasta aproximadamente 5% en peso sin apartarse del espíritu y ámbito de la invención. Los agentes nucleantes de ejemplo son talco, sílice, mica, y caolín. Son ejemplos de antioxidantes: fenoles impedidos tales como tetrakis[metileno (3,5-di-ter-butil-4-hidroxihidrocinnamato)]-metano, bis[(beta-(3,5-diter-butil-4-hidrobenzil)metilcarboxietil)] sulfuro, 4,4-tiobis(2-metil-6-ter-butilfenol), 4,4-tiobis(2-tert-butil-5-metilfenol), 2,2-tiobis(4-metil-6-tert-butilfenol), y tiodetileno bis(3,5-di-ter-butil-4-hidroxi) hidrocinnamato; fosfitos y fosforitos tales como tris(2,4-di-ter-butilfenil) fosfito y di-tert-butilfenilfosfonito; compuestos tio tales como dilauriltiodipropionito, dimiristiltiodopropionato, y diesteritiodipropionato; varios siloxanos; y varias aminas tales como 2,2,4-trimetil-1,2-dihidroquinolina polimerizada.

Claims (22)

1. Material semiconductor para enfundar un cable, comprendiendo el material semiconductor un compuesto ternario que está libre de enlaces hidrógeno, tiene fases cocontinuas distintas y muestra una elongación envejecida y no envejecida a la rotura de al menos 100%, comprendiendo el compuesto ternario:
Un material de fase menor que comprende un polímero semicristalino;
Un material de relleno conductor disperso en el material de fase menor en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en el material de fase menor; y
Un material de fase mayor que es un polímero que cuando se mezcla con el material de fase menor no se acopla en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad, teniendo el material de fase mayor disperso en él al material de fase menor en una cantidad suficiente para generar una red conductora continua en el material de fase mayor.
2. Material semiconductor según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el material de relleno conductor comprende no más de un 10 por ciento en peso del compuesto.
3. Material semiconductor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el material conductor de relleno se selecciona a partir de negro de carbón, grafito, partículas metálicas, polímeros intrínsecamente conductores, fibras de carbono y mezclas de cualquiera de dos o más de los mismos.
4. Material semiconductor según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el material de relleno conductor son partículas metálicas que comprenden no menos del 85 por ciento en peso del compuesto.
5. Material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que el material de fase menor es un polímero semicristalino que tiene una cristalinidad de 30 a 80%.
6. Material semiconductor según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que el polímero semicristalino es polietileno de alta densidad con una cristalinidad no inferior al 70%.
7. Material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que el material de fase mayor está comprendido de poli(etileno-co-vinil acetato).
8. Material semiconductor según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que el poli(etileno-co-vinil acetato) tiene un contenido de vinil acetato de más del 40% en peso y donde el material de fase menor con el material de relleno conductor dispersado en él comprende aproximadamente el 50% en peso del compuesto.
9. Material semiconductor según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que el poli(etileno-co-vinil acetato) tiene un contenido de vinil acetato de menos del 40% en peso.
10. Material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el material de fase menor tiene un parámetro de solubilidad \delta_{A}, el material de fase mayor tiene un parámetro de solubilidad \delta_{B}, y el compuesto reúne el criterio de no miscibilidad 7 \geq (\delta_{A} - \delta_{B})^{2} \geq 0.
11. Material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que además comprende:
Un segundo material de fase mayor, estando el compuesto ternario disperso en él en una cantidad suficiente para ser continuo dentro del segundo material de fase mayor y para formar un compuesto cuaternario que tiene fases cocontinuas distintas, y siendo seleccionado el segundo material de fase mayor a partir de polímeros que cuando mezclados con el compuesto ternario no se acoplan en interacciones electrostáticas que promuevan la miscibilidad con el material de la fase meno o el material de la fase mayor.
12. Material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por el hecho de que comprende además un material seleccionado a partir de antioxidantes, agentes nucleantes y mezclas de los mismos.
13. Procedimiento para fabricar un material semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
Mezclar el polímero semicristalino de fase menor a o por encima de su temperatura de fusión con el material de relleno conductor formando así un compuesto binario uniforme; y
Mezclar el material de fase mayor por encima de su temperatura de fusión con el compuesto binario formando así un compuesto ternario con fases cocontinuas distintas.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que comprende además el templado del compuesto binario por debajo de su temperatura de fusión antes de mezclarlo con el material de fase mayor; y mezclar el material de fase mayor y el compuesto binario por debajo de la temperatura de fusión del compuesto binario.
15. Procedimiento según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que comprende además la extrusión del compuesto binario en estructuras a modo de hebras antes de mezclarlo con el material de fase mayor.
16. Procedimiento según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que comprende además la pulverización del compuesto binario antes de mezclarlo con el material de fase mayor.
17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, para fabricar un material semiconductor según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que comprende además la etapa de mezclado del segundo material de fase mayor por encima de su temperatura de fusión con el compuesto ternario, formando así un compuesto cuaternario con fases cocontinuas distintas.
18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado por el hecho de que comprende además la etapa de templado del compuesto, engrosando así su morfología.
19. Cable que comprende al menos un medio de transmisión y una funda semiconductora de un material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 rodeando al medio de transmisión.
20. Cable según la reivindicación 19, caracterizado por el hecho de que el medio de transmisión es un conductor eléctrico.
21. Cable según la reivindicación 20, caracterizado por el hecho de que comprende además:
Una vaina conductora semiconductora que recubre al conductor eléctrico;
Una capa de aislante rodeando la vaina conductora semiconductora;
Una capa de protección eléctrica alrededor de la vaina aislante, estando la capa de protección eléctrica rodeada por la funda semiconductora.
22. Cable según la reivindicación 19, caracterizado por el hecho de que el medio de transmisión es una fibra óptica.
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