ES2238436T3 - Blindaje de alto rendimiento para cable de alimentacion. - Google Patents
Blindaje de alto rendimiento para cable de alimentacion.Info
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Abstract
Composición de material adecuado para el uso en cables eléctricos, que comprende al menos un polímero básico, negro de carbón conductor en una cantidad para dar a la composición una resistividad eléctrica por debajo de 500 S2m y un aditivo antioxidante compuesto de trimetilquinolina polimerizada en una cantidad que es superior al 0, 7% en peso de la composición, en la que dicha trimetilquinolina polimerizada tiene un punto de fusión de aproximadamente 60ºC.
Description
Blindaje de alto rendimiento para cable de
alimentación.
Esta invención se refiere a las composiciones de
material útiles como blindajes en cables de alimentación y a
blindajes y cables de alimentación que utilizan la composición.
Los blindajes semiconductores se han usado en
cables de alimentación como blindajes para el conductor del cable y
el aislamiento durante muchos años. Un blindaje conductor se extruda
típicamente sobre el conductor del cable para proporcionar una capa
de conductividad intermedia entre el conductor y el aislamiento del
cable en el cable de alimentación. Típicamente también se
proporciona un blindaje sobre el aislamiento. Las composiciones
convencionales para estos blindajes incluyen un polímero básico como
el componente principal de la composición compuesta de negro de
carbón para proporcionar conductividad a la composición y varios
aditivos que incluyen antioxidantes, productos auxiliares de
elaboración o lubricantes y agentes de curado.
Ejemplos de composiciones de polímeros usados
como blindajes en cables de alimentación se encuentran en las
descripciones de las Patentes de los Estados Unidos Nº 4.612.139 y
4.305.846 por Kawasaki y col., la Patente de los Estados Unidos Nº
4.857.232 por Burns, Jr., la Patente de los Estados Unidos Nº
3.849.333 por Lloyd y col., y la Patente de los Estados Unidos Nº
5.889.117 por Flenniken.
Como se mencionó anteriormente, un aditivo común
a las composiciones de blindajes para cable es un antioxidante. Los
antioxidantes comunes usados en las composiciones de blindaje para
cables de alimentación incluyen aminas y fenoles estéricamente
impedidos tal como
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolina
polimerizada,
3,5-diterc-butil-4-hidroxihidrocinamato
de octadecilo,
4,4'-tiobis-(3-metil-6-terc-butilfenol),
'bis-(3,5-diterc-butil-4-hidroxi)hidrocinamato
de tioditileno, tio-disopropionato de diestearilo, y
mezclas de estos compuestos. Los componentes antioxidantes se
incluyen generalmente en las composiciones de blindaje en cantidades
significativamente menores del 1,0% en peso, típicamente menos del
0,7%, en peso, de las composiciones de blindaje. Los antioxidantes
funcionan como estabilizadores para prevenir la degradación de la
composición del polímero a lo largo del tiempo debido a la
temperatura.
temperatura.
La presente invención se basa en el
descubrimiento de que cuando se incorpora un aditivo antioxidante
particular en una composición del blindaje conductor en cantidades
particulares, se mejora significativamente el rendimiento de la
composición del blindaje para cable. Más específicamente, la
invención se basa en el descubrimiento de que el uso de
trimetilquinolina polimerizada como el aditivo antioxidante para la
composición del blindaje conductor en cantidades significativamente
mayores que las usadas convencionalmente en las composiciones de
blindaje, resulta un blindaje de cable que muestra un rendimiento
mejorado sobre blindajes de cable formados con otros aditivos
antioxidantes incluidos las trimetilquinolinas. En particular, la
composición de la invención muestra un rendimiento superior a lo
largo del tiempo como se demuestra en la prueba de vida útil
acelerada del cable (siglas en inglés, ACLT) en comparación a las
composiciones del blindaje que usan aditivos antioxidantes
convencionales en cantidades convencionales.
La invención, por consiguiente, es un material de
composición adecuado para el uso en cables eléctricos como blindaje
para cable, que comprende al menos un polímero básico, negro de
carbón conductor en una cantidad que es suficiente para proporcionar
a la composición una resistividad eléctrica por debajo de 500
\Omegam, y un aditivo antioxidante compuesto de trimetilquinolina
polimerizada en una cantidad que es mayor del 0,7% en peso de la
composición, y preferiblemente al menos el 1,0% en peso de la
composición. La
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolilna
polimerizada con un punto de fusión de aproximadamente 60ºC es la
más preferida como el aditivo antioxidante para su uso en la
composición de esta invención.
Además del material de composición, la invención
incluye un blindaje semiconductor para el conductor o el aislamiento
en un cable de alimentación formado por extrusión de la composición
sobre el conductor o el aislamiento del cable de alimentación y del
cable de alimentación resultante, que emplea la composición como
blindaje.
Tras la lectura de la siguiente descripción
detallada de la invención, resultarán evidentes características
adicionales de la invención para aquellos expertos en la
materia.
El polímero básico de la composición de la
invención puede seleccionarse de una variedad de polímeros que
incluyen copolímeros de etileno y un éster
mono-insaturado tal como el acrilato de
etileno-etilo, acrilato de
etileno-metilo, metacrilato de
etileno-metilo y acetato de
etileno-vinilo, copolímeros de etileno y una o más
alfa olefinas que tengan de tres a doce átomos de carbono, así como
cauchos EDPM y EPR, polietileno de baja densidad (LDPE) y
polietileno de baja densidad lineal (LLDPE). De estos copolímeros,
el acetato de etileno-vinilo (EVA) es el preferido.
Más particularmente, el EVA que tenga un contenido de acetato de
vinilo entre el 18 y el 20% se prefiere para usar como polímero
básico en la composición en cantidades en intervalos del
55-65% en peso de la composición y más
preferiblemente aproximadamente el 60% en peso de la
composición.
La invención no requiere de ningún cambio o
alteración de la práctica actual respetando los tipos y cantidades
del negro de carbón conductor usado en la composición. Pueden usarse
las proporciones y tipos convencionales del negro de carbón
conductor. En particular, el negro de acetileno, es decir, negro de
carbón hecho de acetileno sometido a pirólisis, se usa e incorpora
en la composición en una cantidad que es suficiente para dar a la
composición una resistividad no superior a 500 \Omegam, y
preferiblemente una resistividad entre 5 y 100 \Omegam.
Se han sugerido un gran número de compuestos para
usarlos como antioxidantes en las composiciones del blindaje
semiconductor. Típicamente, estos compuestos se incluyen en la
categoría de aminas y fenoles estéricamente impedidos. La presente
invención se basa en el descubrimiento de que cuando se usa en la
composición un grupo particular de antioxidantes, las
trimetilquinolinas, en unas cantidades significativamente superiores
a las convencionales, es decir, superiores al 0,7% en peso, y
preferiblemente en al menos el 1,0% en peso de la composición,
producen una composición del blindaje que tiene unas características
de envejecimiento eléctrico mejorado, como se mide por la prueba de
vida útil acelerada del cable (ACLT). Las trimetilquinolinas que
tienen un punto de fusión de aproximadamente 60ºC y, en particular,
las
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolinas
polimerizadas con este punto de fusión son las preferidas. Un
blindaje que contenga entre el 1,0 y el 1,3% en peso de esta
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolina
polimerizada de bajo peso molecular, se prefiere para proporcionar
unas características de envejecimiento
superiores.
superiores.
Además, pueden añadirse productos auxiliares de
elaboración y productos curativos a las formulaciones poliméricas
para los propósitos conocidos. Aunque los productos auxiliares de
elaboración no son necesarios para lograr mezclas homogéneas y de
viscosidad reducida, pueden añadirse en la composición de la
presente invención para una mejora adicional de estas propiedades.
Por ejemplo, los productos auxiliares de elaboración pueden incluir,
pero no limitarse a, estearatos metálicos tales como estearato de
cinc y estearato de aluminio, sales de estearatos, ácido esteárico,
polisiloxano, estearamida,
etileno-bis-oleiamida,
etileno-bis-estearamida, sus mezclas
y similares. Los productos auxiliares de elaboración, cuando se
incorporan en las composiciones de la presente invención, se usan
generalmente en cantidades desde aproximadamente 0,1 hasta
aproximadamente 0,5 por ciento en peso, respecto al peso total de la
composición del polímero. Los agentes curativos son típicamente
peróxidos orgánicos en cantidades generalmente de hasta el 1,5% en
peso.
Las composiciones de polímero de la presente
invención puede fabricarse usando procedimientos y maquinaria
convencionales para producir el producto polímero final. Las
composiciones pueden prepararse por procesos de mezcla en continuo o
en discontinuo tal como aquellos bien conocidos en la materia. Por
ejemplo, pueden usarse equipos tales como mezcladores Banbury,
co-amasadores Buss, y máquinas de extrusión de doble
hélice para mezclar los elementos de la formulación. Los componentes
de las composiciones del polímero de la presente invención pueden
mezclarse y granularse para su uso posterior en la fabricación de
materiales tales como conductores eléctricos
aislantes.
aislantes.
Aunque las composiciones del polímero de la
presente invención pueden incorporarse en cualquier producto donde
las propiedades de la composición del polímero sean adecuadas, son
particularmente útiles para fabricar conductores eléctricos
aislantes, tales como los cables eléctricos y los cables de
alimentación. Más preferiblemente, un blindaje semiconductor de la
composición del polímero puede formarse directamente sobre un
conductor eléctrico interior como un blindaje conductor, o sobre un
material aislante como un blindaje de aislamiento pelado o trenzado
o como material de camisa exterior. Las composiciones del polímero
de la presente invención pueden usarse también en aplicaciones de
relleno de hilos, en formulaciones de conductores o de no
conductores.
Para una adicional ilustración de las ventajosas
características de la invención, se proporcionan los siguientes
ejemplos no limitantes.
Se prepararon cuatro cables de alimentación. Los
cables tenían un cable trenzado 1/0 19 conductor de aluminio rodeado
por 0,38 mm del blindaje conductor (las composiciones se especifican
en la Tabla I), rodeado por 4,45 mm de aislamiento de polietileno
reticulado (Union Carbide 4201) rodeado por 0,89 mm de blindaje de
aislamiento semiconductor (BICC General LS 567). Después se envolvió
una malla de cobre alrededor del blindaje de aislamiento para
proporcionar la línea de tierra para la aceleración del ensayo. Se
extrudió primero el blindaje conductor y entonces se extrudieron al
mismo tiempo el aislamiento y los componentes de blindaje exterior
sobre el conductor en una extrusora en tándem Davis estándar y se
curó en seco bajo nitrógeno presurizado en un tubo de vulcanización
catenario continuo y refrigerado por agua.
La Tabla I proporciona la composición del
blindaje conductor en cada uno de los 4 cables probados.
\vskip1.000000\baselineskip
También se probó un cable de alimentación
disponible comercialmente que el fabricante declara que contiene
acetato de etileno-vinilo y negro de acetileno.
Los cuatro ejemplares de cable del ensayo y el
cable comercial se sometieron a la prueba de vida útil acelerada del
cable (ACLT) usando el siguiente protocolo:
Se prepararon cinco muestras de cable de 15 kV
para la prueba. Las muestras se preacondicionaron durante 72 horas a
una temperatura del conductor de 90ºC al aire libre. El centro de
cada muestra se sumergió en agua a 50ºC. La temperatura del
conductor del cable se controló a 75ºC durante 8 horas cada periodo
de 24 horas. Durante las 16 horas restantes, se desconectó la
corriente de calentamiento. Las muestras se alimentaron a cuatro
veces el esfuerzo eléctrico normal (34,6 kV) hasta que todas las
muestras del ensayo fallaron.
Los tiempos de fallo se analizaron usando valores
de distribución estadísticos extremos (Weibull) para estimar
comparativamente la equivalencia de vida media o las mejoras
comparadas con los controles. Para la distribución de Weibull, los
parámetros de distribución son ETA (\Box), el parámetro de escala
y los datos (\Box), el parámetro de forma. El parámetro de escala
mide el alcance relativo o la magnitud de la variable en cuestión
(vida útil en días) mientras que los parámetros de forma miden la
variación (o el intervalo mínimo a máximo) en los resultados de los
datos individuales (tiempos de fallo) de la población en la muestra.
Ambos parámetros de la distribución de ajuste óptimo de la población
probada se compararon con una población controlada. Los resultados
de la prueba del ACLT están contenidos en la Tabla II.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La retención de la elongación y la retención de
la resistencia a la tracción se determinaron para las composiciones
usadas en los ejemplares de cable y en la muestra comercial de
acuerdo con la norma ASTM D412.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla III contiene las medidas de elongación y
de la resistencia a la tracción original mientras que las Tablas IV
y V incluyen el porcentaje de elongación y la resistencia a la
tracción retenido después del envejecimiento térmico durante varios
días a 120ºC y a 150ºC.
De los datos contenidos en las Tablas
I-V de los ejemplos, se aprecia que las muestras de
cable 3 y 4 de la prueba que incluyen como aditivo antioxidante la
trimetilquinolina de acuerdo con la invención muestran unos
resultados superiores en el ensayo de ACLT comparados con cables
hechos con otros compuestos antioxidantes o con cantidades
inferiores de TMQ. En cambio, las propiedades de elongación y la
resistencia a la tracción de las muestras de cable muestran que el
incremento de la cantidad de antioxidante en la composición no
mejora las propiedades de elongación y la tracción con el tiempo o
las originales y, de hecho, a menudo resultan en una disminución de
las propiedades de elongación y resistencia a la tensión. Es, por
tanto, sorprendente e inesperado que un incremento significativo de
la cantidad de antioxidante sobre las cantidades convencionales para
las composiciones del blindaje resultan en una mejora de las
características de envejecimiento eléctrico para la composición.
Aunque la presente invención se ha descrito en
términos de ciertas formas de realización preferidas, estas formas
de realización pretenden ilustrar y no limitar el alcance de la
invención. Será, por consiguiente, evidente a aquellos con
conocimientos ordinarios en la materia que pueden hacerse varias
modificaciones a la invención sin alejarse por tanto del espíritu y
el alcance. Es, por consiguiente, la intención de los inventores
limitar la invención solamente por las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (12)
1. Composición de material adecuado para el uso
en cables eléctricos, que comprende al menos un polímero básico,
negro de carbón conductor en una cantidad para dar a la composición
una resistividad eléctrica por debajo de 500 \Omegam y un aditivo
antioxidante compuesto de trimetilquinolina polimerizada en una
cantidad que es superior al 0,7% en peso de la composición, en la
que dicha trimetilquinolina polimerizada tiene un punto de fusión de
aproximadamente 60ºC.
2. Composición de acuerdo con la reivindicación
precedente, en la que dicha trimetilquinolina polimerizada es
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolina
polimerizada.
3. Composición de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, en la que dicha trimetilquinolina
polimerizada está presente en una cantidad de al menos el 1,0% en
peso de la composición.
4. Composición de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, en la que al menos un polímero básico
es un polímero seleccionado del grupo formado por copolímeros de
etileno y un éster mono-insaturado, copolímeros de
etileno y una o más alfa olefinas que tienen de tres a doce átomos
de carbono, cauchos EDPM y EPR, polietileno de baja densidad y
polietileno de baja densidad lineal.
5. Composición de acuerdo con la reivindicación
precedente, en la que dicho polímero es un copolímero de etileno y
acetato de vinilo.
6. Composición de acuerdo con la reivindicación
precedente, en la que dicho copolímero tiene un contenido en acetato
de vinilo entre el 18% y el 20%.
7. Composición de acuerdo con la reivindicación
precedente, en la que dicho copolímero está presente en una cantidad
del 55-65%, en peso, de la composición.
8. Composición de acuerdo con la reivindicación
precedente, en la que dicho negro de carbón está presente en una
cantidad del 35% al 45%, en peso, de la composición.
9. Cable de alimentación eléctrico que tiene al
menos un conductor, un blindaje conductor rodeando dicho al menos un
conductor, un aislamiento rodeando dicho blindaje conductor, un
blindaje dieléctrico rodeando dicho aislamiento y una capa
protectora rodeando dicho blindaje dieléctrico, comprendiendo dicho
blindaje conductor al menos un polímero básico, negro de carbón
conductor en una cantidad para dar a la composición una resistividad
eléctrica por debajo de 500 \Omegam y un aditivo antioxidante
compuesto de trimetilquinolina polimerizada en una cantidad que es
superior al 0,7%, en peso, del blindaje conductor, en la que dicha
trimetilquinolina polimerizada tiene un punto de fusión de
aproximadamente 60ºC.
10. Cable de alimentación eléctrico de acuerdo
con la reivindicación 9, en el que dicha trimetilquinolina
polimerizada es
1,2-dihidro-2,2,4-trimetilquinolina
polimerizada.
11. Cable de alimentación eléctrico de acuerdo
con una de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que dicha
trimetilquinolina polimerizada está presente en dicho blindaje
conductor en una cantidad entre el 1,0% y el 1,3% en peso.
12. Cable de alimentación eléctrico de acuerdo
con una de las reivindicaciones 9 a 11, en el que dicho polímero es
un copolímero de etileno y acetato de vinilo, que tiene un contenido
en acetato de vinilo entre el 18% y el 20% en peso.
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