ES2234211T3 - Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el. - Google Patents
Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el.Info
- Publication number
- ES2234211T3 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
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- compound
- semiconductor
- phase material
- minor
- phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
- H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
- H01B1/22—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Inorganic Insulating Materials (AREA)
- Insulated Conductors (AREA)
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.
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.
\vskip1.000000\baselineskip
\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.
| ^{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.
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.
Este ejemplo demuestra además la habilidad de
producir un material CPC que tiene un contenido bajo de relleno
conductor, así como propiedades físicas mejoradas.
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.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US307735 | 1981-10-02 | ||
| US09/113,914 US6514608B1 (en) | 1998-07-10 | 1998-07-10 | Semiconductive jacket for cable and cable jacketed therewith |
| US113914 | 1998-07-10 | ||
| US09/306,735 US6506492B1 (en) | 1998-07-10 | 1999-05-07 | Semiconductive jacket for cable and cable jacketed therewith |
| US09/307,735 US6189211B1 (en) | 1998-05-15 | 1999-05-10 | Method and arrangement for carrying out repair and/or maintenance work in the inner casing of a multishell turbomachine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2234211T3 true ES2234211T3 (es) | 2005-06-16 |
Family
ID=33514608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES99305465T Expired - Lifetime ES2234211T3 (es) | 1998-07-10 | 1999-07-09 | Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el. |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0971368B1 (es) |
| AT (1) | ATE282888T1 (es) |
| AU (1) | AU767532B2 (es) |
| BR (1) | BR9902675B1 (es) |
| CA (1) | CA2277704C (es) |
| DE (1) | DE69921904T2 (es) |
| ES (1) | ES2234211T3 (es) |
| NZ (1) | NZ336672A (es) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2262311T3 (es) | 1998-02-12 | 2006-11-16 | Cabot Corporation | Combinaciones polimericas conductoras con material conductor finamente dividido ubicado selectivamente en la fase polimerica continua o en la interfase continua. |
| US6221283B1 (en) | 1999-05-07 | 2001-04-24 | General Electric Company | Conductive compositions with compositionally controlled bulk resistivity |
| WO2000068299A2 (en) * | 1999-05-07 | 2000-11-16 | General Electric Company | Conductive compositions with compositionally controlled bulk resistivity |
| DE10020228A1 (de) * | 2000-04-25 | 2001-10-31 | Abb Research Ltd | Hochspannungsisolationssystem |
| CA2655445C (en) * | 2006-07-13 | 2015-02-24 | Orica Explosives Technology Pty Ltd | Electrical conductive element |
| EP2580274B1 (en) | 2010-06-10 | 2018-10-24 | Borealis AG | Composition for a semiconductive layer of a cable and use thereof |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4265789A (en) * | 1979-10-22 | 1981-05-05 | Polymer Cencentrates, Inc. | Conductive polymer processable as a thermoplastic |
| JPH01502676A (ja) * | 1987-03-11 | 1989-09-14 | レイケム・コーポレイション | ポリマー組成物 |
| JP2603511B2 (ja) * | 1988-04-15 | 1997-04-23 | 昭和電工株式会社 | 導電性プラスチック |
| US5037999A (en) * | 1990-03-08 | 1991-08-06 | W. L. Gore & Associates | Conductively-jacketed coaxial cable |
| US5844037A (en) * | 1996-07-24 | 1998-12-01 | The Dow Chemical Company | Thermoplastic polymer compositions with modified electrical conductivity |
| US6277303B1 (en) * | 1998-07-10 | 2001-08-21 | Pirelli Cable Corporation | Conductive polymer composite materials and methods of making same |
-
1999
- 1999-07-09 AU AU39138/99A patent/AU767532B2/en not_active Ceased
- 1999-07-09 AT AT99305465T patent/ATE282888T1/de not_active IP Right Cessation
- 1999-07-09 DE DE69921904T patent/DE69921904T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-07-09 BR BRPI9902675-9A patent/BR9902675B1/pt not_active IP Right Cessation
- 1999-07-09 NZ NZ336672A patent/NZ336672A/xx not_active IP Right Cessation
- 1999-07-09 EP EP99305465A patent/EP0971368B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1999-07-09 ES ES99305465T patent/ES2234211T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1999-07-09 CA CA002277704A patent/CA2277704C/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU767532B2 (en) | 2003-11-13 |
| BR9902675A (pt) | 2001-03-20 |
| AU3913899A (en) | 2000-02-03 |
| DE69921904T2 (de) | 2006-03-02 |
| ATE282888T1 (de) | 2004-12-15 |
| EP0971368B1 (en) | 2004-11-17 |
| NZ336672A (en) | 1999-11-29 |
| CA2277704C (en) | 2009-03-17 |
| CA2277704A1 (en) | 2000-01-10 |
| EP0971368A1 (en) | 2000-01-12 |
| DE69921904D1 (de) | 2004-12-23 |
| BR9902675B1 (pt) | 2011-11-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6506492B1 (en) | Semiconductive jacket for cable and cable jacketed therewith | |
| ES2219544T3 (es) | Cable con una cubierta reciclable. | |
| US4621169A (en) | Electric cable construction and uses therefor | |
| ES2451621T3 (es) | Cable con capa de revestimiento reciclable | |
| ES2621851T3 (es) | Cable de energía | |
| US6197219B1 (en) | Conductive polymer composite materials and methods of making same | |
| ES2234874T3 (es) | Cable con cubierta reciclable. | |
| CN103339686B (zh) | 具有稳定化耐压电阻的能量电缆 | |
| ES2862313T3 (es) | Cable de energía | |
| AU2017435867B2 (en) | Electric cable with improved thermoplastic insulating layer | |
| ES2234211T3 (es) | Material semiconductor, metodo para producirlo y cable recubierto con el. | |
| KR102012603B1 (ko) | 초고압 직류 전력케이블 | |
| US11629246B2 (en) | Power cable | |
| AU2016373307A1 (en) | Medium- or high-voltage electric cable | |
| ES2749509T3 (es) | Procedimiento para producir un cable de energía que presenta una capa termoplástica de aislamiento eléctrico | |
| US12073965B2 (en) | Water tree resistant electric cable | |
| ES2230806T3 (es) | Material compuesto conductor y procedimiento para su fabricacion. | |
| EP3819918A1 (en) | Power cable | |
| CN106030723B (zh) | 高压电缆 | |
| WO2021200742A1 (ja) | 配線材及びその製造方法 | |
| KR102487456B1 (ko) | 폴리테트라플루오로에틸렌을 갖는 플러딩 조성물 | |
| CN220856136U (zh) | 一种橡胶绝缘高压软电缆 | |
| CN111370161A (zh) | 新能源汽车用充电电缆 | |
| JP2023146803A (ja) | 発泡電線 | |
| WO2016005791A1 (en) | Energy cable having a thermoplastic electrically insulating layer |