ES2234874T3

ES2234874T3 - Cable con cubierta reciclable.

Info

Publication number: ES2234874T3
Application number: ES01962964T
Authority: ES
Inventors: Luca Castellani; Gaia Dell'anna; Cristiana Scelza; Enrico Albizzati
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2005-07-01
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: AU8403001A; ATE285112T1; CN1229821C; CN1466766A; DE60107864T2; BR0114264B1; JP2004510299A; DE60107864D1; BR0114264A; CA2425382C; HUP0303679A3; AR037079A1; KR100777011B1; HU229633B1; WO2002027731A1; NZ525495A; KR20040030420A; HUP0303679A2; AU2001284030B2; JP4875282B2

Abstract

Cable (1) que comprende al menos un conductor eléctrico (2) y al menos una capa de cubierta extruida no reticulada (3, 4, 5) que comprende un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico, donde: - dicho material termoplástico comprende un homopolímero o un copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionado de etileno y una a-olefina distinta del propileno, teniendo dicho homopolímero o copolímero un punto de fusión mayor o igual a 140ºC y una entalpía de fusión de entre 30 a 100 J/g; - dicho líquido dieléctrico comprende al menos un difenil éter, no sustituido o sustituido con al menos un radical hidrocarburo lineal o ramificado, alifático, aromático o mezcla de alifático y aromático C1-C30.

Description

Cable con cubierta reciclable.

La presente invención se refiere a un cable con una cubierta reciclable. En particular, la invención se refiere a un cable para transportar o distribuir energía eléctrica de medio o alto voltaje, en donde se halla presente una capa de cobertura extruida basada en un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico con altas propiedades mecánicas y eléctricas, permitiendo, en particular, el uso de altas temperaturas operativas y el transporte de energía de alta potencia.

El requerimiento de productos de alta compatibilidad ambiental, compuestos de materiales que, además de no ser dañinos para el ambiente tanto durante su producción como su utilización, pueden reciclarse fácilmente al final de su vida útil, está ampliamente aceptado en el campo de los cables eléctricos y de telecomunicaciones.

Sin embargo, el uso de materiales compatibles con el ambiente está ciertamente condicionada mediante la necesidad de limitar los costes y, para los usos más comunes, garantizar un rendimiento en cualquier caso equivalente o aún mejor que aquel de los materiales convencionales.

En el caso de los cables para transportar energía de medio y alto voltaje, las diferentes cubiertas que rodean al conductor comúnmente consisten en material polimérico reticulado con base de poliolefina, en particular polietileno reticulado (XLPE), o copolímeros elastoméricos etileno/propileno (EPR) o etileno/propileno/dieno (EPDM), también reticulados. El reticulado, realizado después de la etapa de extrusión del material polimérico sobre el conductor, da al material un rendimiento mecánico satisfactorio aún bajo condiciones de calor durante el uso continuo y con sobrecarga de corriente.

Es conocido sin embargo que los materiales reticulados no pueden reciclarse, de forma que los desperdicios de fabricación y el material de la cubierta de cables que han alcanzado el fin de su vida útil pueden desecharse sólo mediante incineración.

También se conocen cables eléctricos que tienen su aislamiento consistente en una envoltura de capas múltiples de un papel o papel/polipropileno laminado impregnado con una gran cantidad de un líquido dieléctrico (comúnmente conocidos como cables de masa impregnada o también cables rellenos de aceite). Al rellenar completamente los espacios presentes en la envoltura de capas múltiples, el líquido dieléctrico evita que surjan descargas parciales con la consecuente perforación del aislamiento eléctrico. Comúnmente se utilizan como líquidos dieléctricos, productos tales como aceites minerales, polibutenos, alquilbenzenos y similares (ver por ejemplo las patentes US-4.543.207, US-4.621.302, EP-A-0987718, WO 98/32137).

Sin embargo es bien conocido que los cables de masa impregnada tienen numerosas desventajas comparados con los cables de aislamiento extruido, de forma que su uso actualmente se restringe a campos específicos de aplicación, en particular a la construcción de líneas de transmisión de alto y muy alto voltaje directo, tanto para instalaciones terrestres como en particular las subacuáticas. A este respecto, la producción de cables de masa impregnada es particularmente compleja y costosa, tanto por el alto coste de los laminados como por las dificultades encontradas durante las etapas de envolver el laminado y de impregnarlo luego con el líquido dieléctrico. En particular, el líquido dieléctrico utilizado debe tener una baja viscosidad bajo condiciones de frío para permitir una impregnación rápida y uniforme, mientras que al mismo tiempo debe tener una baja tendencia a migrar durante la instalación y funcionamiento del cable para evitar pérdida de líquido desde los extremos de los cables o a continuación de una rotura. Además, los cables de masa impregnada no pueden reciclarse y su uso se halla limitado a una temperatura operativa menor a 90ºC.

Entre los materiales poliméricos no reticulados, se conoce la utilización de polietileno de alta densidad (HDPE) para cubrir cables de alto voltaje. El HDPE sin embargo tiene la desventaja de una menor resistencia a la temperatura que el XLPE, tanto en una sobrecarga de corriente como durante el funcionamiento.

Las cubiertas aislantes de polietileno termoplástico de baja densidad (LDPE) también se utilizan en cables de medio y alto voltaje; nuevamente en este caso, estas cubiertas están limitadas por una temperatura operativa demasiado baja (aproximadamente 70ºC).

La patente WO 99/13477 describe un material aislante que consiste en un polímero termoplástico que forma una fase continua que incorpora un líquido o un dieléctrico fácilmente fundible que forma una fase móvil interpenetrante dentro de la estructura sólida de polímero. La relación de peso de polímero termoplástico con el dieléctrico está entre 95:5 y 25:75. El material aislante puede producirse mediante la mezcla de dos componentes mientras están calientes, ya sea en tandas o en forma continua (por ejemplo mediante un extrusor). La mezcla resultante se granula luego y se usa como material aislante para producir un cable de alto voltaje eléctrico mediante extrusión sobre un conductor. El material puede usarse tanto en forma de termoplástico como de reticulado. Como polímeros termoplásticos se indican: poliolefinas, poliacetatos, polímeros de celulosa, poliésteres, policetonas, poliacrilatos, poliamidas y poliaminas. Se sugiere particularmente el uso de polímeros de baja cristalinidad. El dieléctrico es preferentemente un aceite sintético o mineral de baja o alta viscosidad, en particular un poliisobuteno, naftaleno, poliaromático, \alpha-olefina o aceite de silicona.

La patente US 4410869 describe composiciones dieléctricas que comprenden una mezcla de isómeros de ditoluil éter, opcionalmente en presencia de hidroquinona o un derivado de la misma, utilizada para impregnar dispositivos eléctricos, incluyendo capacitares y transformadores.

La patente US 4543207 describe composiciones dieléctricas que comprenden aceites dieléctricos y mono olefinas y/o diolefinas aromáticas que tienen núcleos aromáticos condensados o no condensados. Dichas composiciones comprenden, en particular, mezclas de ésteres ácidos orgánicos, aceites vegetales o animales y éteres aromáticos con 0,01-50% de mono y/o diolefinas aromátcas que tienen dos anillos aromáticos condensados o no condensados. Las composiciones se utilizan para impregnar capacitares, transformadores y cables eléctricos.

La patente US 4.900.766 describe una composición molecular alta resistente a la radiación que comprende un polímero molecular alto, tal como por ejemplo, polietileno, polipropileno, polibuteno; un acenaftileno halogenado y/o condensados de los mismos; y un derivado difeniléter. La composición puede utilizarse para hacer materiales de cobertura reticulados para alambres y cables.

La patente JP 52 003 180 describe cables de energía eléctrica impregnados de aceite en donde uno o más tipos de aceite, seleccionados entre los aceites di(alquilfenil) éter y los aceites gentil alquifenil éter, donde el número total de átomos de carbono en los grupos alquilo está entre 8 a 30, está impregnado en una capa aislante de cinta de polipropileno enrollada de la cual el factor de extracción con decalin a 77ºC es no mayor a 20% en peso.

La patente JP 08 289 454 describe un cono de tensión de molde de caucho en una junta prefabricada que tiene suficiente flexibilidad y un rendimiento a largo plazo de aislamiento estabilizado mediante el empleo de una composición de caucho de etileno propileno y aceite fenil éter en el moldeado y sometiendo el moldeado a reticulado.

El solicitante considera como todavía no resuelto el problema técnico de producir un cable eléctrico con una cubierta hecha de un material polimérico termoplástico que tiene propiedades mecánicas y eléctricas comparables a aquellas de los cables con una cubierta aislante de material reticulado. En particular, el solicitante ha considerado el problema de producir un cable con una cubierta aislante no reticulada que tenga buena flexibilidad y una alta fuerza mecánica tanto bajo condiciones de calor como de frío, mientras que al mismo tiempo posea una alta fuerza dieléctrica.

En vista de dicho problema, el solicitante considera que la adición de líquidos dieléctricos a materiales poliméricos como se propone en la citada WO 99/13477 brinda resultados totalmente insatisfactorios. A este respecto, el solicitante mantiene que añadir un líquido dieléctrico a un material aislante debe, por una parte, determinar un incremento significativo en sus propiedades eléctricas (en particular su fuerza dieléctrica), mientras que por el otro lado mantienen las características del material (propiedades termomecánicas, manejabilidad) inalteradas, aún a alta temperatura operativa (al menos 90ºC y más allá).

El solicitante ha encontrado que es posible resolver dicho problema técnico mediante el uso, como material reciclable de base de polímero, de un homopolímero o copolímero termoplástico de propileno mezclado con un líquido dieléctrico como se define a continuación. La composición resultante posee una buena flexibilidad aún cuando está fría, excelente fuerza termomecánica y alto rendimiento eléctrico, de forma de hacerlo particularmente adecuado para formar al menos una capa de cubierta, y en particular una capa de aislamiento eléctrico, de un cable de medio o alto voltaje de alta temperatura operativa, de al menos 90ºC y más allá. El líquido dieléctrico adecuado para implementar la invención tiene una alta compatibilidad con el polímero base y una alta eficiencia en el sentido de mejorar el rendimiento eléctrico, consecuentemente permitiendo el uso de pequeñas cantidades de aditivo de forma de no perjudicar las características termomecánicas de la capa aislante.

La alta compatibilidad entre el líquido dieléctrico y el polímero base asegura una dispersión homogénea del líquido en la matiz de polímero y mejora el comportamiento en frío del polímero.

Según un primer aspecto, la invención por lo tanto se refiere a un cable (1) que comprende al menos un conductor eléctrico (2) y al menos una capa de cubierta extruida no reticulada (3, 4, 5) que comprende un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico, en donde:

- dicho material termoplástico comprende un homopolímero o un copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionado de etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno, teniendo dicho homopolímero o copolímero un punto de fusión mayor o igual a 140ºC y una entalpía de fusión de entre 30 a 100 J/g;

- dicho líquido dieléctrico comprende al menos un difenil éter, no sustituido o sustituido con al menos un radical hidrocarburo lineal o ramificado, alifático, aromático o mezcla de alifático y aromático C_{1}-C_{30}, preferentemente
C_{1}-C_{24}.

Según una primera realización, dicha capa extruida de cubierta basada en dicho material polimérico termoplástico en mezcla con dicho líquido dieléctrico es una capa eléctricamente aislante.

Según una realización adicional, dicha capa extruida de cubierta basada en dicho material polimérico termoplástico en mezcla con dicho líquido dieléctrico es una capa semiconductora.

Preferentemente, el homopolímero o copolímero de propileno tiene un punto de fusión de entre 145 a 170ºC.

Preferentemente, el homopolímero o copolímero de propileno tiene una entalpía de fusión de entre 30 a 85 J/g.

Preferentemente, el homopolímero o copolímero de propileno tiene un módulo de flexión, medido según ASTM D790, a temperatura ambiente, de entre 30 a 1400 MPa, y más preferentemente de 60 a 1000 MPa.

Preferentemente el homopolímero o copolímero de propileno tiene un índice de flujo de fusión (MFI), medido a 230ºC con una carga de 21,6 N según ASTM D1238/L, de entre 0,05 a 10,0 dg/min, más preferentemente de 0,5 a
5,0 dg/min.

Si se utiliza un copolímero de propileno con un comonómero de olefina, éste último está preferentemente presente en una cantidad menor o igual a 15 mol%, y más preferentemente menor o igual a 10 mol%. El comonómero de olefina es, en particular, etileno o una \alpha-olefina de fórmula CH_{2}=CH-R, donde R es un alquil lineal o ramificado C_{2}-C_{10}, seleccionado por ejemplo entre: 1-buteno, 1-penteno, 4-metil-1-penteno, 1-hexeno, 1-octeno, 1-deceno, 1-dodeceno y similares, o combinaciones de los mismos. Se prefieren particularmente los copolímeros propileno/etileno.

Preferentemente, dicho material termoplástico se selecciona entre:

(a) un homopolímero de propileno o copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionado entre etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno, que tenga un módulo de flexión generalmente de entre 30 a 900 MPa, preferentemente de entre 50 a 400 MPa;

(b) un copolímero de heterofase que comprende una fase termoplástico basada en propileno y una fase elastomérica basada en etileno copolimerizado con una \alpha-olefina, preferentemente con propileno, en la cual la fase elastomérica está presente en una cantidad de al menos 45% en peso del peso total del copolímero de heterofase.

Los homopolímeros o copolímeros de clase a) muestran una estructura microscópica de fase única, es decir substancialmente desprovista de fases heterogéneas dispersas como dominios moleculares de tamaño mayor a un micrón. Estos materiales no muestran de hecho, el fenómeno óptico típico de materiales poliméricos de heterofase, y en particular están caracterizados por una mejor transparencia y blanqueo reducido debido a tensiones mecánicas locales (comúnmente conocidas como "blanqueo por tensión").

Particularmente se prefiere de dicha clase a) el homopolímero de propileno o un copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionado de etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno, teniendo dicho homopolímero o copolímero:

Un punto de fusión de entre 140 a 165ºC;

Una entalpía de fusión de entre 30 a 80 J/g;

Una fracción soluble en dietil éter hirviendo en una cantidad menor o igual a 12% en peso, preferentemente de entre 1 a 10% en peso, teniendo una entalpía de fusión menor o igual a 4 J/g, preferentemente menor o igual a 2 J/g;

Una fracción soluble en n-hetpano hirviendo en una cantidad de entre 15 a 60% en peso, preferentemente entre 20 a 50% en peso, que tenga una entalpía de fusión de entre 10 a 40 J/g, preferentemente entre 15 a 30 J/g; y

Una fracción insoluble en n-heptano hirviendo en una cantidad de entre 40 a 85% en peso, preferentemente entre 50 a 80% en peso, que tenga una entalpía de fusión mayor o igual a 45 J/g, preferentemente entre 50 a 95 J/g.

Detalles adicionales de estos materiales y su uso en recubrimiento de cables se brindan en la solicitud de Patente Europea 99122840 solicitada el 17.11.1999 a nombre del mismo solicitante.

Los copolímeros de heterofase de clase b) son elastómeros termoplásticos obtenidos mediante copolimerización secuencial de: i) propileno, posiblemente conteniendo cantidades menores de al menos un comonómero de olefina seleccionado de etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno; y luego de: ii) una mezcla de etileno con una \alpha-olefina, en particular propileno, y posiblemente con porciones menores de un dieno. Esta clase de producto también es comúnmente conocida mediante el término "elastómeros termoplásticos reactores".

Particularmente preferido de dicha clase b) es un copolímero de heterofase en el cual la fase elastomérica consiste en un copolímero elastomérico de etileno y propileno que comprende de 15 a 50% en peso de etileno y de 50 a 85% en peso de propileno en el peso de la fase elastomérica. Detalles adicionales de estos materiales y su uso en recubrimiento de cables se brindan en la solicitud de patente WO 00/41187 a nombre del mismo solicitante.

Los productos de clase a) están disponibles comercialmente por ejemplo bajo la marca comercial Rexflex® de la Huntsman Polymer Corporation.

Productos de la clase b) están disponibles comercialmente por ejemplo bajo la marca comercial Hifax® de Montell.

Alternativamente, como material termoplástico base, puede usarse un homopolímero de propileno o copolímero como se ha definido con anterioridad en mezcla mecánica con un polímero de baja cristalinidad, generalmente con una entalpía de fusión de menos de 30 J/g, que principalmente actúa para incrementar la flexibilidad del material. La cantidad de polímero de baja cristalinidad es generalmente menor a 70% en peso, y preferentemente entre 20 a 60% en peso, sobre el peso total del material termoplástico.

Preferentemente, el polímero de baja cristalinidad es un polímero de etileno con una \alpha-olefina C_{3}-C_{12}, y posiblemente con un dieno. La \alpha-olefina se selecciona preferentemente entre propileno, 1-hexeno y 1-octeno. Si está presente un comonómero de dieno, el mismo es generalmente C_{4}-C_{20}, y preferentemente se selecciona a partir de diolefinas lineales conjugadas o no conjugadas, tales como 1,3-butadieno, 1,4-hexadieno, 1,6-octadieno o sus mezclas y similares; dienos monocíclicos o policíclicos, tales como 1,4-ciclohexadieno, 5-etildieno-2-norborneno, 5-metileno-2-norborneno, 5-vinil-2-norborneno o sus mezclas y similares.

Los copolímeros de etileno particularmente preferidos son:

(i) copolímeros que tienen la siguiente composición de monómero: 35-90 mol% de etileno; 10-65 mol% de una \alpha-olefina, preferentemente propileno; 0-10 mol% de un dieno, preferentemente 1,4-hexadieno o 5-etilen-2-norborneno (cauchos EPR y EPDM caen dentro de esta clase);

(ii) copolímeros que tienen la siguiente composición de monómero: 75-97 mol%, preferentemente 90-95 mol%, de etileno; 3-25 mol%, preferentemente 5-10 mol%, de una \alpha-olefina; 0-5 mol%, preferentemente 0-2 mol%, de un dieno (por ejemplo, copolímeros etileno/1-octeno, tales como los productos Engage® de Dow-DuPont Elastomers).

El líquido dieléctrico según la invención preferentemente comprende al menos un difenil éter que tenga la siguiente fórmula estructural:

1

Donde R1 y R2 son iguales o diferentes y representan hidrógeno, un grupo fenil no sustituido o sustituido por al menos un grupo alquilo, o un grupo alquilo no sustituido o sustituido mediante al menos un fenil.

Mediante grupo alquilo se indica un radical hidrocarburo lineal o ramificado C_{1}-C_{24}, preferentemente C_{1}-C_{20}.

Los líquidos que pueden emplearse ventajosamente en la presente invención son por ejemplo fenil toluil éter,
2,3'-ditoluil éter, 2,2'-ditoluil éter, 2,4'-ditoluil éter, 3,3'-ditoluil éter, 3,4'-ditoluil éter, 4,4'-ditoluil éter, octadecil difenil éter ya sea como isómeros puros o en mezcla unos con otros. Dicho líquido dieléctrico tiene una relación de número de átomos de carbono aril al número total de átomos de carbono mayor o igual a 0,4, preferentemente mayor o igual a 0,7.

El difenil éter de la invención preferentemente tiene una constante dieléctrica, a 25ºC, menor o igual a 8, preferentemente menor a 4 (medida según IEC 247).

Según un aspecto preferido adicional, el difenil éter de la invención tiene una viscosidad predeterminada tal como para evitar la difusión rápida del líquido dentro de la capa aislante y de su migración hacia fuera, mientras que al mismo tiempo sea tal que permita alimentarlo y mezclarlo con facilidad en el polímero. Generalmente, el líquido dieléctrico de la invención tiene una viscosidad cinemática, a 20ºC, de entre 1 y 100 mm^{2}/s, preferentemente entre 3 y 50 mm^{2}/s (medida según ISO 3104).

Según un aspecto preferido adicional, el difenil éter de la invención tiene una capacidad de absorción de hidrógeno mayor o igual a 5 mm^{3}/min, preferentemente mayor o igual a 50 mm^{3}/min (medido según IEC 628-A).

Según un aspecto preferido, puede añadirse una resina epoxi al líquido dieléctrico adecuada para formar el cable de la invención, generalmente en una cantidad menor o igual a 1% en peso sobre el peso del líquido, considerándose para actuar principalmente para reducir la tasa de migración de iones bajo un campo eléctrico, y donde la pérdida dieléctrica del material aislante.

El líquido dieléctrico adecuado para implementar la invención tiene una buena resistencia al calor, una capacidad de absorción de gas considerable, en particular para hidrógeno, y de aquí una alta resistencia a descargas parciales, de forma que la pérdida dieléctrica no es alta aún a alta temperatura y con un alto gradiente eléctrico. La relación de peso de líquido dieléctrico con el material polimérico base de la invención está generalmente entre 1:99 y 25:75, preferentemente entre 2:98 y 20:80, y más preferentemente entre 3:97 y 15:85.

Los líquidos dieléctricos de la presente invención pueden prepararse por ejemplo haciendo reaccionar un cresol, en forma de una sal de un metal alcalino, con tolueno halógeno posiblemente en presencia de un catalizador de cobre o una sal con base de cobre.

Detalles adicionales respecto a la preparación de los líquidos dieléctricos de la invención se informan por ejemplo en la patente US 4410869.

Según un aspecto preferido, el cable de la invención tiene al menos una capa de cubierta extruida con propiedades aislantes eléctricas formada a partir del material polimérico termoplástico en mezcla con el líquido dieléctrico antes descrito.

Según una realización adicional preferida, el cable de la invención tiene al menos una capa de cubierta extruida con propiedades semiconductoras formada de material polimérico termoplástico en mezcla con el líquido dieléctrico antes descrito. Para formar una capa semiconductora, generalmente se añade un relleno conductor al material polimérico. Para asegurar una buena dispersión del relleno conductor dentro del material polimérico de base, este último se selecciona preferentemente entre homopolímeros o copolímeros de propileno que comprenden al menos 40% en peso de fase amorfa, sobre el peso total del polímero.

En una realización preferida, el cable de la invención tiene al menos una capa de aislamiento eléctrico y al menos una capa semiconductora formada de un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico como se ha descrito con anterioridad. Esto evita que las capas semiconductoras absorban, con el tiempo, parte del líquido dieléctrico presente en la capa aislante, reduciendo así su cantidad justo en la interfaz entre la capa aislante y la capa semiconductora, en particular la capa interior semiconductora donde el campo eléctrico es mayor.

Según un aspecto adicional, la invención se refiere a una composición de polímero que comprende un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico, en donde:

- dicho material termoplástico comprende un homopolímero de propileno o un copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionada entre etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno, teniendo dicho homopolímero o copolímero un punto de fusión mayor o igual a 140ºC y una entalpía de fusión de entre 30 a 100 J/g;

Según otro aspecto, la invención se refiere al uso de una composición de polímero, como se ha descrito con anterioridad, como el material polimérico base para preparar una capa de cubierta no reticulada (4) con propiedades eléctricas aislantes, o para preparar una capa de cubierta (3, 5) con propiedades semiconductoras.

En la formación de una capa de recubrimiento para el cable de la invención, pueden añadirse otros componentes convencionales a la composición polimérica antes definida, tales como antioxidantes, coadyuvantes técnicos, retardantes de ramificaciones de agua, y similares.

Los antioxidantes convencionales adecuados para el propósito son por ejemplo disteariltio-propionato, pentaeritril-tetrakis [3-(3,5-di-terbutil-4-hidroxifenil) propionato] y 1,3,5-trimetil-2,4,6-tris(3,5-di-terbutil-4-hidroxi-benzil) benceno y similares, o mezclas de los mismos.

Los coadyuvantes técnicos que pueden añadirse a la base de polímero incluyen, por ejemplo, estearato de calcio, estearato de zinc, ácido esteárico, cera de parafina y similares, o sus mezclas.

Con referencia en particular a cables de medio y alto voltaje, los materiales poliméricos como se han definido con anterioridad pueden emplearse ventajosamente para formar una capa aislante. Como se indica con anterioridad, estos materiales poliméricos muestran de hecho buenas características mecánicas tanto a temperatura ambiente como bajo condiciones de calor, y también exhiben propiedades eléctricas mejoradas, en particular permiten emplear una alta temperatura operativa, comparable con o aún excediendo aquella de los cables con cubiertas que consisten en materiales base de polímero reticulados.

Si debe formarse una capa semiconductora, generalmente se dispersa un relleno conductor, en particular negro de carbón, dentro del material polimérico en una cantidad tal como para proporcionar al material características semiconductoras (es decir de forma tal de obtener una resistividad de menos de 5 Ohm.m a temperatura ambiente). Esta cantidad generalmente está entre 5 y 80% en peso, y preferentemente entre 10 y 50% en peso, del peso total de la mezcla.

La posibilidad de utilizar el mismo tipo de composición de polímero tanto para la capa aislante como para las capas semiconductoras es particularmente ventajosa en la producción de cables para medio o alto voltaje, dado que asegura una excelente adhesión entre capas adyacentes y por lo tanto un mejor comportamiento eléctrico, particularmente en la interfaz entre la capa aislante y la capa interior semiconductora, donde el campo eléctrico y por lo tanto el riesgo de descargas parciales son mayores.

Las composiciones de la presente invención pueden prepararse mediante la mezcla conjunta del material base de polímero, el líquido dieléctrico y cualesquiera otros aditivos posiblemente presentes mediante procedimientos conocidos en la técnica. La mezcla puede llevarse a cabo por ejemplo mediante un mezclador interno del tipo con rotores tangenciales (Bandbury) o con rotores interpenetrantes, o, preferentemente, en un mezclador continuo de tipo
Ko-Kneader (Buss), o de tipo de doble tornillo co- o contra rotativos.

Alternativamente, el líquido dieléctrico de la invención puede añadirse al material polimérico durante la etapa de extrusión mediante inyección directa en el cilindro extrusor.

Según la presente invención, el uso de la composición polimérica antes definida en el recubrimiento de cables para medio o alto voltaje permite obtener cubiertas reciclables, flexibles con excelentes propiedades mecánicas y eléc-
tricas.

También se ha encontrado una mayor compatibilidad entre el líquido dieléctrico y un polímero base termoplástico de la invención que en el caso de mezclas similares del mismo material polimérico con otros líquidos dieléctricos conocidos en la técnica. Esta mayor compatibilidad conduce, entre otros, a menos exudación del líquido dieléctrico y por lo tanto una reducción de los fenómenos de migración ya discutidos. Debido a su alta temperatura operativa y sus bajas pérdidas dieléctricas, los cables de la invención pueden transportar, para el mismo voltaje, una energía al menos igual o aún mayor que la transportable por un cable tradicional con cubierta XLPE.

Para los propósitos de la invención el término "medio voltaje" generalmente significa un voltaje entre 1 y 35 kV, mientras que "alto voltaje" significa voltajes mayores a 35 kV.

A pesar de que esta descripción está principalmente enfocada en la producción de cables para transportar o distribuir energía eléctrica de medio o alto voltaje, la composición de polímero de la invención puede utilizarse para cubrir dispositivos eléctricos en general y en particular cables de diferentes tipos, por ejemplo cables de bajo voltaje, cables de telecomunicaciones o cables combinados energía/telecomunicaciones, o accesorios utilizados en la construcción de líneas eléctricas, tales como terminales o conectores.

Características adicionales serán evidentes a partir de la descripción detallada dada más adelante con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- La Figura 1 es una vista en perspectiva de un cable eléctrico, particularmente adecuado para medio o alto voltaje, según la invención.

En la figura 1, el cable 1 comprende un conductor 2, una capa interna con propiedades semiconductoras 3, una capa intermedia con propiedades aislantes 4, una capa exterior con propiedades semiconductoras 5, una pantalla metálica 6, y una vaina exterior 7.

El conductor 2 generalmente consiste en cables metálicos, preferentemente de cobre o aluminio, conjuntamente retorcidos mediante procedimientos convencionales. Al menos una capa de cubierta seleccionada de la capa aislante 4 y las capas semiconductoras 3 y 5 comprende la composición de la invención como se ha definido con anterioridad. Alrededor de la capa semiconductora exterior 5 se halla usualmente ubicada una pantalla 6, generalmente de cables conductores eléctricos o cintas enrolladas helicoidalmente. Esta pantalla es cubierta luego mediante una vaina 7 de material termoplástico, por ejemplo polietileno no reticulado (PE) o preferentemente un homopolímero o copolímero de propileno como se ha definido con anterioridad.

El cable puede también estar provisto de una estructura exterior de protección (no mostrada en la figura 1) cuyo principal propósito es proteger de forma mecánica el cable contra el impacto y/o compresión. Esta estructura de protección puede ser, por ejemplo, un refuerzo de metal o una capa de un polímero expandido como se describe en WO 98/52197.

La figura 1 muestra sólo una posible realización de un cable de la presente invención. Evidentemente pueden realizarse modificaciones adecuadas conocidas en la técnica a esta realización, sin apartarse del ámbito de la inven-
ción.

El cable de la invención puede construirse según los procedimientos conocidos para depositar capas de material termoplástico, por ejemplo mediante extrusión. La extrusión se lleva ventajosamente a cabo en una única pasada, por ejemplo mediante el procedimiento de tándem en el cual extrusores individuales se colocan en series, o mediante coextrusión con un cabezal de extrusión múltiple.

Los siguientes ejemplos ilustran la invención, pero sin limitarla.

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Ejemplos

Los líquidos dieléctricos según la invención utilizados en los siguientes ejemplos fueron:

-: Baylectrol® 4900: ditoluil éter (Bayer AG), constante dieléctrica a 25ºC igual a 3,5, medida según IEC 247;

-: Neovac® SY: octadecil difenil éter (Matsumura Oil Research Corp.), constante dieléctrica a 25ºC igual a 2,7, medida según IEC 247.

Los líquidos dieléctricos de comparación utilizados en lo siguientes ejemplos fueron:

-: Baysilone® PD5 (General Electric - Bayer), constante dieléctrica a 25ºC igual a 2,6, medida según IEC 247;

-: polifenilmetilsiloxano (PPMS), aceite poliaromático dieléctrico como se describe en IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 26, Nº 4, 1991), teniendo una viscosidad de 4 mm^{2}/seg a 25ºC;

-: Flexon®641 (producto comercial de Esso): aceite aromático con base nafteno que tiene una viscosidad de 22 mm^{2}/seg a 40ºC, consistente en 40% en peso de hidrocarburos aromáticos, 57% en peso de hidrocarburos saturados y 3% en peso de compuestos polares.

Como materiales poliméricos se utilizaron:

-: un homopolímero flexible de propileno con un punto de fusión de 160ºC, una entalpía de fusión de 56,7 J7g, MFI 1,8 dg/min y un módulo de flexión de 290 MPa (Rexflex® WL 105 - producto comercial de Huntsman Polymer Corp.)(Tabla 1, Ejemplos 1-6)

-: un copolímero heterofase de propileno con un contenido de fase elastomérica etileno/propileno de aproximadamente 65% en peso (propileno 72% en peso en la fase elastomérica), entalpía de fusión 32 J/g, punto de fusión 163ºC, MFI 0,8 dg/min y un módulo de flexión de aproximadamente 70 MPa (Hifax® KS081 - producto comercial de Montell) (Tabla 1, Ejemplos 7-8).

Preparación de la composición

El polímero en forma granular se precalentó a 80ºC en un turbomezclador. El líquido dieléctrico se añadió, en las cantidades especificadas para las formulaciones dadas en la Tabla 1, al polímero precalentado en el turbomixer bajo agitación a 80ºC durante 15 min. Después de la adición, la agitación continuó durante una hora más a 80ºC hasta que el líquido fue completamente absorbido en los gránulos de polímero.

Después de esta primera etapa, el material resultante se amasó en un Brabender Plasticorder PL2000 de doble tornillo de laboratorio a una temperatura de 185ºC para una homogenización completa. El material abandona el mezclador de doble tornillo en forma de gránulos.

Medición de fuerza dieléctrica (DS)

La fuerza dieléctrica de las composiciones dieléctricas obtenidas se evaluó sobre piezas de prueba de material aislante con la geometría propuesta por el EFI (Instituto Noruego de Energía Eléctrica) en la publicación "The EFI Test Method for Accelerated Growths of Water Trees" (IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Toronto, Canadá, Junio 3-6 1990). En este procedimiento, el cable se simula con piezas de prueba de material aislante con forma de vidrio teniendo su base recubierta en ambos lados con un revestimiento de material semiconductor.

Las piezas de prueba en forma de vidrio se formaron mediante el moldeado de discos de material aislante a 160-170ºC a partir de un disco de 10 mm de grosor obtenido mediante la compresión de los gránulos a aproximadamente 190ºC.

Las superficies interior y exterior de la base, que tiene un grosor de aproximadamente 0,40-0,45 mm, se revistieron con un revestimiento semiconductor. La medición de DS se realizó mediante la aplicación a estos espécimenes, inmersos en aceite de silicona a 20ºC, de una corriente alternante a 50 Hz comenzando con un voltaje de 25 kV e incrementándose en etapas de 5 kV cada 30 minutos hasta que se produce la perforación de la pieza de prueba. Cada medición se repitió sobre 10 piezas de prueba. Los valores dados en la Tabla 1 son la media aritmética de los valores individuales medidos.

TABLA 1

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2

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Los valores de fuerza dieléctrica dados en la Tabla 1 ponen en relieve la mejora en el rendimiento eléctrico que se deriva de los líquidos dieléctricos de la invención, comparados con aquellos del polímero base como tal o cuando está mezclado con los líquidos dieléctricos de comparación.

Pruebas sobre cables Producción del cable

La composición de la capa aislante y de las capas semiconductoras se describe en la Tabla 2 a continuación:

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 2

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4

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Nero Y-200: negro de carbón acetileno de la firma SN2A con una superficie específica de 70 m^{2}/g; Irganox® 1330: 1,3,5-trimetil-2,4,6-tris (3,5-di-tertbituil-4-hidroxi-benzil) benceno (Ciba Geigy).

El proceso utilizado para fabricar el cable fue el siguiente. El Rexflex® WL 105 y el Baylectrol® 4900, éste último con adición previa de Irganox® 1330, se introdujeron en un extrusor de doble tornillo (T=180ºC); la mezcla formada de esta manera se pasó luego a un extrusor de tornillo único (T=190ºC, sección transversal del tornillo 150 mm^{2}) donde la mezcla filtrada (50 micrones) se introduce en otro extrusor (sección transversal del tornillo 150 mm^{2}, 190ºC). Después de la subsiguiente filtración (80 micrones) el material se introdujo en un cabezal triple y se depositó simultáneamente con las capas semiconductoras para formar una capa triple sobre el conductor metálico de cobre trenzado (sección transversal 400 mm^{2}).

El cable que abandona el cabezal de extrusión se introduce en un tubo que contiene aceite de silicona a 100ºC y luego en agua donde se enfría hasta temperatura ambiente.

El cable terminado consistía en un conductor de cobre (sección transversal 400 mm^{2}), una capa interior semiconductora de aproximadamente 2 mm, una capa aislante de aproximadamente 5,5 mm y finalmente una capa exterior semiconductora de aproximadamente 2 mm.

Bajo condiciones similares, utilizando los materiales indicados en la Tabla 2, se produjo un cable de referencia.

Descargas parciales

Las descargas parciales se midieron a 20 kV/mm sin encontrar corrientes que excedan 5 pico Columbio (pC) (según IEC 60-502).

Fuerza dieléctrica

100 metros de cada uno de los dos cables producidos como se describe con anterioridad se sometieron a medición de fuerza dieléctrica basada en ENEL DC4584 utilizando corriente alternante a temperatura ambiente. Comenzando desde 30 kV/mm el gradiente aplicado a los cables se incrementó en 5 kV/mm cada 30 minutos hasta que los cables se perforaron. El gradiente de perforación considerado es aquel sobre el conductor.

La Tabla 3 resume los datos relativos a los cables y los resultados de las pruebas eléctricas.

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TABLA 3

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6

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Los resultados obtenidos indican que el cable con los aditivos muestra un incremento de DS de 80% sobre el cable sin aditivos.

Claims

1. Cable (1) que comprende al menos un conductor eléctrico (2) y al menos una capa de cubierta extruida no
reticulada (3, 4, 5) que comprende un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico,
donde:

- dicho líquido dieléctrico comprende al menos un difenil éter, no sustituido o sustituido con al menos un radical hidrocarburo lineal o ramificado, alifático, aromático o mezcla de alifático y aromático C_{1}-C_{30}.

2. Cable según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene un punto de fusión de entre 145 a 170ºC.

3. Cable según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene una entalpía de fusión de entre 30 a 85 J/g.

4. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene un módulo de flexión, medido a temperatura ambiente, de entre 30 a 1400 MPa.

5. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene un módulo de flexión, medido de entre 60 y 1000 MPa.

6. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene un índice de flujo de fusión medido a 230ºC de entre 0,05 y 10,0 dg/min.

7. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el homopolímero o copolímero de propileno tiene un índice de flujo de fusión, medido a 230ºC de entre 0,5 y 5,0 dg/min.

8. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el comonómero de olefina está presente en una cantidad menor o igual a 15 mol%.

9. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el comonómero de olefina está presente en una cantidad menor o igual a 10 mol%.

10. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el comonómero de olefina es etileno o una \alpha-olefina de fórmula CH_{2}=CH-R, donde R es un alquil lineal o ramificado C_{2}-C_{10}.

11. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la \alpha-olefina se selecciona de 1-buteno, 1-penteno, 4-metil-1-penteno, 1-hexeno, 1-octeno, 1-deceno, 1-dodeceno y similares, o combinaciones de los mismos.

12. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el material termoplástico se selecciona entre:

(a) un homopolímero de propileno o copolímero de propileno con al menos un comonómero de olefina seleccionado entre etileno y una \alpha-olefina distinta del propileno, que tenga un módulo de flexión de entre 30 y 900 MPa;

(b) un copolímero de heterofase que comprende una fase termoplástico basada en propileno y una fase elastomérica basada en etileno copolimerizado con una \alpha-olefina, en la cual la fase elastomérica está presente en una cantidad de al menos 45% en peso del peso total del copolímero de heterofase.

13. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el homopolímero de propileno o copolímero de a) tiene un módulo de flexión de 50 a 400 MPa.

14. Cable según las reivindicaciones 12 ó 13, caracterizado por el hecho de que el homopolímero de propileno o copolímero de a) tiene:

Un punto de fusión de entre 140 a 165ºC;

Una entalpía de fusión de entre 30 a 80 J/g;

Una fracción soluble en dietil éter hirviendo en una cantidad menor o igual a 12% en peso, teniendo una entalpía de fusión menor o igual a 4 J/g;

Una fracción soluble en n-hetpano hirviendo en una cantidad de entre 15 a 60% en peso, que tenga una entalpía de fusión de entre 10 a 40 J/g; y

Una fracción insoluble en n-heptano hirviendo en una cantidad de entre 40 a 85% en peso, que tenga una entalpía de fusión mayor o igual a 45 J/g.

15. Cable según las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado por el hecho de que el homopolímero de propileno o copolímero de a) tiene:

Una fracción soluble en dietil éter hirviendo en una cantidad de entre 1 a 10% en peso, teniendo una entalpía de fusión menor o igual a 2 J/g;

Una fracción soluble en n-hetpano hirviendo en una cantidad de entre 20 a 50% en peso, que tenga una entalpía de fusión de entre 15 a 30 J/g; y

Una fracción insoluble en n-heptano hirviendo en una cantidad de entre 50 a 80% en peso, que tenga una entalpía de fusión de entre 50 a 95 J/g.

16. Cable según la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que la \alpha-olefina incluida en la fase elastomérica del copolímero de la heterofase en b) es propileno.

17. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que la fase elastomérica consiste en un copolímero elastomérico de etileno y propileno que comprende de 15 a 50% en peso de etileno y de 50 a 85% en peso de propileno en el peso de la fase elastomérica.

18. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el material termoplástico base es un homopolímero de propileno o copolímero en mezcla mecánica con un polímero de baja cristalinidad que tiene una entalpía de fusión menor o igual de 30 J/g, y una cantidad menor o igual a 70% en peso, sobre el peso total del material termoplástico.

19. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el polímero de baja cristalinidad está en una cantidad de entre 20 a 60% en peso, sobre el peso total del material termoplástico.

20. Cable según las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado por el hecho de que el polímero de baja cristalinidad es un polímero de etileno con una \alpha-olefina C_{3}-C_{12}.

21. Cable según las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado por el hecho de que el polímero de baja cristalinidad es un polímero de etileno con una \alpha-olefina y un dieno.

22. Cable según las reivindicaciones 20 ó 21, caracterizado por el hecho de que el copolímero de etileno se selecciona de:

(i) un copolímero que tiene la siguiente composición de monómero: 35-90 mol% de etileno; 10-65 mol% de una \alpha-olefina; 0-10 mol% de un dieno;

(ii) un copolímero que tiene la siguiente composición de monómero: 75-97 mol% de etileno; 3-25 mol% de una
\alpha-olefina; 0-5 mol% de un dieno.

23. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el copolímero de etileno se selecciona de un copolímero que tiene la siguiente composición de monómero: 90-95 mol% de etileno; 5-10 mol% de una
\alpha-olefina; 0-2 mol% de un dieno.

24. Cable según las reivindicaciones 20 a 23, caracterizado por el hecho de que la \alpha-olefina se selecciona de propileno, 1-hexeno y 1-octeno.

25. Cable según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 24, caracterizado por el hecho de que el dieno tiene de 4 a 20 átomos de carbono.

26. Cable según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, caracterizado por el hecho de que el dieno se selecciona entre una diolefina conjugada o no conjugada lineal y un dieno monocíclico o policíclico.

27. Cable según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 26, caracterizado por el hecho de que el dieno se selecciona a partir de 1,3-butadieno, 1,4-hexadieno, 1,6-octadieno, 1,4-ciclohexadieno, 5-etildieno-2-norborneno, 5-metileno-2-norborneno, 5-vinil-2-norborneno o sus mezclas y similares.

28. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el radical hidrocarburo tiene de 1 a 24 átomos de carbono.

29. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el líquido dieléctrico comprende al menos un difenil éter que tenga la siguiente fórmula estructural:

7

30. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el grupo alquilo tiene de 1 a 20 átomos de carbono.

31. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el líquido dieléctrico se selecciona entre fenil toluil éter, 2,3'-ditoluil éter, 2,2'-ditoluil éter, 2,4'-ditoluil éter, 3,3'-ditoluil éter, 3,4'-ditoluil éter, 4,4'-ditoluil éter, octadecil difenil éter ya sea como isómeros puros o en mezcla unos con otros.

32. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la relación de número de átomos de carbono aril al número total de átomos de carbono mayor o igual a 0,4.

33. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la relación de número de átomos de carbono aril al número total de átomos de carbono mayor o igual a 0,7.

34. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el difenil éter de la invención tiene una constante dieléctrica, a 25ºC, menor o igual a 8.

35. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el difenil éter de la invención tiene una constante dieléctrica, a 25ºC, menor o igual a 4.

36. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el líquido dieléctrico de la invención tiene una viscosidad cinemática, a 20ºC, de entre 1 y 100 mm^{2}/s.

37. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el líquido dieléctrico de la invención tiene una viscosidad cinemática, a 20ºC, de entre 3 y 50 mm^{2}/s.

38. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el difenil éter de la invención tiene una capacidad de absorción de hidrógeno mayor o igual a 5 mm^{3}/min.

39. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el difenil éter de la invención tiene una capacidad de absorción de hidrógeno mayor o igual a 50 mm^{3}/min.

40. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que se añade una resina epoxi al líquido dieléctrico en una cantidad menor o igual a 1% en peso sobre el peso del líquido.

41. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la relación de peso de líquido dieléctrico con el material polimérico base de la invención está entre 1:99 y 25:75.

42. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que La relación de peso de líquido dieléctrico con el material polimérico base de la invención está entre 2:98 y 20:80.

43. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que La relación de peso de líquido dieléctrico con el material polimérico base de la invención está entre 3:97 y 15:85.

44. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el material polimérico de base seleccionado entre homopolímeros o copolímeros de propileno que comprenden al menos 40% en peso de fase amorfa, sobre el peso total del polímero.

45. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la capa extruida de cobertura es una capa (4) con propiedades aislantes eléctricas.

46. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 44, caracterizado por el hecho de que la capa extruida de cobertura es una capa (3,5) con propiedades semiconductoras.

47. Cable según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el relleno conductor está disperso en la capa con propiedades semiconductoras.

48. Cable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que están presentes al menos una capa con propiedades aislantes eléctricas y al menos una capa con propiedades semiconductoras.

49. Composición de polímero que comprende un material polimérico termoplástico en mezcla con un líquido dieléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 44.

50. Uso de una composición de polímero según la reivindicación 49, como material base de polímero para la preparación de una capa de cobertura no reticulada (4) con propiedades eléctricas aislantes.

51. Uso de una composición de polímero según a reivindicación 49, como material polimérico base para la preparación de una capa de cobertura no reticulada (3, 5) con propiedades semiconductoras.