FR2980622A1 - Element electrique comprenant une couche d'un materiau polymerique a gradient de conductivite electrique - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un élément électrique (100, 101, 102) comprenant un élément électriquement conducteur (3, 5, 10, 31, 32, 51), caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche (1) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et des charges carbonées conductrices.

Description

Elément électrique comprenant une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique La présente invention se rapporte à un élément électrique comprenant une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique à base de charges carbonées conductrices, destinée à améliorée la résistance au claquage ainsi que la résistance au vieillissement en milieu humide sous tension électrique. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux domaines 10 des câbles d'énergie à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieur à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 500600 kV), qu'ils soient à courant continu ou alternatif. Elle peut être utilisée en tant que couche polymérique entourant le conducteur électrique de ce type de câble ; ou bien en tant que couche 15 polymérique d'un accessoire utilisée avec ce type de câble, tel que par exemple une terminaison ou une jonction. Plus particulièrement, la couche selon l'invention est destinée à être positionnée à l'interface entre un matériau conducteur (e.g. conducteur électrique, couche semi-conductrice, ...etc) et un matériau électriquement 20 isolant (e.g. couche électriquement isolante). La discontinuité de propriétés électriques entre un matériau électriquement isolant et un matériau conducteur (ou semi-conducteur) peut entrainer un renforcement local du champ électrique par accumulation de charges d'espace ou d'espèces chargées susceptibles d'initier une 25 arborescence sous l'action d'un champ électrique.
Notamment, la présence de l'humidité combinée à la présence d'un champ électrique avec un matériau polymère favorisent la dégradation progressive des propriétés isolantes des câbles d'énergie moyenne et haute tension.
Ce mécanisme de dégradation, bien connu sous les termes « croissance d'arborescences électriques due à l'eau » (ou « water treeing » en anglais), peut ainsi mener au claquage du câble électrique concerné et constitue donc une menace considérable pour la fiabilité du réseau de transport d'énergie avec des conséquences économiques bien connues engendrées par les courts-circuits. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant un élément électrique, destiné notamment à être utilisé dans le domaine des câbles d'énergie à moyenne tension ou à haute tension, présentant une résistance au claquage électrique ainsi qu'une résistance aux vieillissements dans un environnement humide en présence d'un champ électrique, améliorée de façon significative. La présente invention a pour objet un élément électrique comprenant un élément électriquement conducteur, caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et des charges carbonées conductrices. . De préférence, l'élément électrique peut comprendre en outre une deuxième couche d'un matériau électriquement isolant, ladite première couche étant positionnée entre l'élément électriquement conducteur et la deuxième couche. La Demanderesse a découvert de façon surprenante que la présence d'une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique, notamment lorsqu'elle est positionnée entre un élément électriquement conducteur et un matériau électriquement isolant, permet de limiter efficacement, voire d'éviter, les dégradations liées aux arborescences électriques causées par des charges d'espaces ou des espèces chargées induites en particulier par la présence d'eau dans ce type d'élément électrique.
De plus, en association avec un matériau électriquement isolant, la couche selon l'invention permet de réduire significativement les renforcements du champ électrique à la surface dudit matériau électriquement isolant : l'élément électrique présente ainsi une résistance améliorée au claquage en tension alternative ou continue.
On entend par « élément électriquement conducteur » un élément qui peut être un matériau semi-conducteur ou bien un matériau conducteur électrique. Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau semi-conducteur peut être d'au moins 1.10-9 S/m (siemens par mètre), de 20 préférence d'au moins 1.10-3 S/m, et de préférence peut être inférieure à 1.103 S/m. La conductivité électrique d'un matériau conducteur électrique peut être d'au moins 1.103 S/m. La conductivité électrique d'un matériau électriquement isolant peut 25 être d'au plus 1.10-9 S/m.
Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau est classiquement déterminée selon la norme ASTM D 991. On entend par « matériau polymérique à gradient de conductivité électrique » un matériau polymère composite dont la conductivité électrique 5 varie graduellement dans l'épaisseur de ladite couche. Selon une première variante, la couche du matériau à gradient de conductivité électrique peut comporter plusieurs sous-couches présentant chacune des conductivités constantes, et croissantes et/ou décroissantes, de sorte à former ledit gradient de conductivité électrique d'une manière dite 10 discrète. Selon une seconde variante, la couche du matériau à gradient de conductivité électrique peut être une unique couche au sein de laquelle la conductivité électrique varie graduellement (de façon croissante et/ou décroissante). 15 On préférera la seconde variante qui est plus économique et plus facile à mettre en oeuvre industriellement. On peut définir la première couche comme une couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surface, la première surface étant de préférence sensiblement parallèle à la première 20 surface. Le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la première couche peut aller de la conductivité électrique : - d'un matériau électriquement isolant à celle d'un matériau semi-conducteur, - d'un matériau électriquement isolant à celle d'un matériau conducteur électrique, ou - d'un matériau semi-conducteur à un matériau conducteur électrique.
Ces caractéristiques de conductivité électrique sont notamment fonctions de la nature des matériaux en contact physique avec ladite première couche. Chacune des faces de la première couche peut avoir une conductivité électrique qui est sensiblement du même type que la conductivité électrique du matériau avec lequel chacune de ses faces est respectivement en contact.
Plus particulièrement, lorsque l'élément électrique comprend la deuxième couche, la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur sera de préférence supérieure à la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche.
En d'autres termes, le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur vers la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté élément électriquement conducteur que côté deuxième couche. A titre d'exemple, le gradient de conductivité électrique de la première couche peut être compris entre 1.103 S/m et 1.10-18 S/m (bornes incluses), et de préférence entre 1.10-1 et 1.10-11 S/m (bornes incluses).
On entend par « matériau polymérique » un matériau obtenu à partir d'une composition à base d'un ou de plusieurs polymères organiques, permettant notamment de le mettre en forme par extrusion, injection ou moulage.
On entend par « charge carbonée conductrice » toute particule, ou mélange de particules, majoritairement constituées d'atomes de carbone, fonctionnalisées ou non, greffées ou non, et présentant des propriétés électriquement conductrices. A titre d'exemples, les charges carbonées conductrices sont choisies 10 parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, et les nanotubes de carbone, ou un de leurs mélanges. On utilisera de façon préférée les nanotubes de carbones. On entend par « nanotubes » des nanoparticules de forme sensiblement allongée, et dont la plus petite dimension peut être comprise entre 1 et 100 nm (bornes 15 incluses) (dimension déterminée par analyse microscopique telle que la MEB (Microscopie Electronique à Balayage), la MET (Microscopie Electronique en Transmission) ou encore par MFA (Microscopie à Force Atomique). Les nanotubes ont classiquement une forme dite « aciculaire ». Les nanotubes de carbones présentent l'avantage d'avoir une meilleure 20 compatibilité avec le polymère organique de la composition polymérique, par rapport aux autres types de charges carbonées conductrices citées dans la présente invention. Ainsi, grâce à l'utilisation de charges carbonées du type nanotube, les propriétés mécaniques et électriques ainsi que les propriétés d'adhérence de la première couche sont optimisées.
Les nanotubes de carbone peuvent être de plusieurs types. Ils peuvent être choisis parmi les nanotubes de carbone à simple paroi, les nanotubes de carbone à double-paroi, et les nanotubes de carbone multiparois, ou un de leurs mélanges. On utilisera de préférence les nanotubes de carbone multiparois, bien connus sous l'anglicisme « multi-walled nanotubes (MWNT) ». La quantité de charges carbonées conductrices dans la composition polymérique de l'invention est notamment suffisante pour constituer un réseau percolant.
On entend par « réseau percolant », une organisation des charges conductrices créant un ou plusieurs chemins électriques continus au sein du matériau polymérique de la première couche. La composition polymérique de la première couche peut comprendre au plus 30% en poids de charges carbonées conductrices, de préférence au plus 10% en poids de charges carbonées conductrices, et de façon particulièrement préférée au plus 5% en poids de charges carbonées conductrices. De préférence, elle comprend au moins 0,1% en poids de charges carbonées conductrices. La première couche est obtenue à partir d'une composition 20 polymérique comprenant au moins un polymère organique dans lequel sont incorporées lesdites charges carbonées conductrices, pour former un matériau polymère composite. De préférence, la composition polymérique de la première couche est à base d'un ou de plusieurs polymères organiques, de sorte à pouvoir être mise 25 en forme facilement, notamment par extrusion, injection ou moulage.
La composition polymérique peut être une composition thermoplastique ou élastomérique, réticulable ou non. La composition polymérique de la première couche peut être une composition thermoplastique, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement 5 un ou plusieurs polymères thermoplastiques par rapport aux polymères constitutifs de la composition polymérique. La composition polymérique de la première couche peut être une composition élastomérique, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement un ou plusieurs polymères élastomères par rapport aux polymères constitutifs de 10 la composition polymérique. Lorsque la composition polymérique est réticulable, elle peut comprendre en outre un ou plusieurs agents de réticulation. Le polymère organique de la première couche peut en particulier comprendre au moins une polyoléfine. 15 Le terme « polyoléfine » en tant que tel signifie de façon générale homopolymère ou copolymère d'oléfine. De préférence, le polymère d'oléfine est un homopolymère d'éthylène, ou un copolymère d'éthylène (i.e. copolymère comprenant au moins de l'éthylène). A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le 20 polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE), le polyéthylène de très basse densité (VLDPE), le polyéthylène de basse densité (LDPE), le polyéthylène de moyenne densité (MDPE), le polyéthylène de haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2- 25 hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les polyéthylène-butène (PEB), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène (EPDM), et leurs mélanges. On préférera utiliser un EVA avec un faible taux de groupements 5 d'acétate de vinyle (moins de 20% en poids) afin de limiter la présence de fonctions polaires, ou plus avantageusement un polyéthylène de type VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE ou HDPE. La composition polymérique de la première couche peut comprendre plus de 50,0 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de 10 polymère(s) (i.e. matrice polymère) dans la composition, de préférence au moins 70 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition, et de façon particulièrement préférée au moins 90 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition. 15 De façon particulièrement avantageuse, le ou les polymères constitutifs de la composition polymérique de la première couche sont uniquement une ou des polyoléfines. Dans ce cas, on préférera utiliser un seul type de polymère dans la composition tel qu'un EVA avec un faible taux de groupements d'acétate de vinyle, ou un VLDPE, un LDPE, un LLDPE, un MDPE 20 ou un HDPE. L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être, selon une première variante, un conducteur électrique, de préférence métallique, et notamment de forme allongé. En considérant la deuxième couche et ledit conducteur électrique 25 métallique, la première couche est donc positionnée entre la deuxième couche et le conducteur électrique. Le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche du conducteur électrique vers l'autre surface de la première couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté conducteur électrique que côté deuxième couche. L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être, selon une deuxième variante, une troisième couche d'un matériau semi-conducteur.
En considérant les deuxième et troisième couches, la première couche est donc positionnée entre la deuxième couche et la troisième couche Le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche de la troisième couche vers l'autre surface de la première couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté troisième couche que côté deuxième couche. Dans la présente invention, le matériau semi-conducteur peut être un matériau obtenu à partir d'une composition comprenant au moins une charge 20 (électriquement) conductrice (ou une charge semi-conductrice), en une quantité suffisante pour rendre ladite composition semi-conductrice. La composition utilisée pour obtenir un matériau semi-conducteur peut comprendre de 0,002 à 40% en poids de charges (électriquement) conductrices, de préférence au moins 15% en poids de charges conductrices, et encore plus préférentiellement au moins 25% en poids de charges conductrices. La charge conductrice peut être choisie avantageusement parmi tous les types de charges conductrices bien connues de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation particulier, l'ensemble formé par les première, deuxième et troisième couches constitue une isolation tri-couche. En d'autres termes, la première couche est directement en contact physique avec la deuxième couche, et la deuxième couche est directement en contact physique avec la troisième couche.
L'élément électrique selon l'invention peut comprendre en outre une quatrième couche d'un matériau identique à celui de la première couche (i.e. matériau polymérique à gradient de conductivité électrique), et une cinquième couche d'un matériau semi-conducteur, ladite quatrième couche étant positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche.
Dans un mode de réalisation particulier, le gradient de conductivité électrique de la quatrième couche, lorsqu'elle est positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche, est telle que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la quatrième couche la plus proche de la cinquième couche vers l'autre surface de la quatrième couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la quatrième couche a donc une conductivité électrique plus importante côté cinquième couche que côté deuxième couche. De préférence, la deuxième couche, la troisième couche, et/ou la cinquième couche sont des couches de matériau polymérique.
Dans un mode de réalisation particulier, les première, deuxième, troisième, quatrième et/ou cinquième couches sont des couches extrudées, notamment coextrudées. Dans un autre mode de réalisation particulier, les première, deuxième, 5 troisième, quatrième et/ou cinquième couches peuvent être des couches thermoplastiques, ou bien des couches thermodurcissables, réticulées par des procédés bien connus par l'homme du métier. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être avantageusement un câble électrique, notamment un 10 câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans lequel l'élément électriquement conducteur est le conducteur électrique, ce conducteur électrique étant entouré par la première couche. Ce conducteur électrique peut être un conducteur électrique métallique allongé. Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, cette 15 dernière entoure le conducteur électrique. La première couche est ainsi positionnée entre la deuxième couche et le conducteur électrique. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être avantageusement un câble électrique, notamment un câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans lequel l'élément 20 électriquement conducteur est la troisième couche d'un matériau semiconducteur. Le câble électrique de ce deuxième mode de réalisation comprend alors le conducteur électrique, ce conducteur électrique étant entouré par la première couche et par la troisième couche. Ce conducteur électrique peut être un conducteur électrique métallique allongé.
Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, la première couche est positionnée entre la deuxième couche et la troisième couche. De préférence, la deuxième couche entoure la troisième couche. Dans ce deuxième mode de réalisation, le câble électrique peut 5 comprendre en outre les quatrième et cinquième couches. Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, la quatrième couche peut être alors positionnée entre la cinquième couche et la deuxième couche. De préférence, la cinquième couche entoure la deuxième couche. 10 Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, le câble électrique comprend ledit conducteur électrique , et, successivement autour de ce conducteur électrique, sont disposés la troisième couche, la première couche, la deuxième couche, la quatrième couche et la cinquième couche. 15 Plus particulièrement, l'ensemble formé par les première, deuxième, troisième, quatrième et cinquième couches constitue une isolation pentacouche. En d'autres termes, la troisième couche est directement en contact physique avec le conducteur électrique, la première couche est directement en contact physique avec la troisième couche, la deuxième couche est 20 directement en contact physique avec la première couche, la quatrième couche est directement en contact physique avec la deuxième couche, et la cinquième couche est directement en contact physique avec la quatrième couche. Le câble électrique de l'invention peut comprendre en outre un écran 25 métallique entourant la cinquième couche.
Cet écran métallique peut être un écran dit « filaire », composé d'un ensemble de conducteurs en cuivre ou aluminium arrangés autour et le long de la cinquième couche, un écran dit « rubané » composé d'un ou de plusieurs rubans métalliques conducteurs posé(s) en hélice autour de la cinquième couche, ou d'un écran dit « étanche » de type tube métallique entourant la cinquième couche. Ce dernier type d'écran permet notamment de faire barrière à l'humidité ayant tendance à pénétrer le câble électrique en direction radiale. Tous les types d'écrans métalliques peuvent jouer le rôle de mise à la 10 terre du câble électrique et peuvent ainsi transporter des courants de défaut, par exemple en cas de court-circuit dans le réseau concerné. En outre, le câble électrique de l'invention peut également comprendre une gaine extérieure de protection entourant la cinquième couche, ou bien entourant plus particulièrement ledit écran métallique lorsqu'il existe. Cette 15 gaine extérieure de protection peut être réalisée classiquement à partir de matériaux thermoplastiques appropriées tels que des HDPE, des MDPE ou des LLDPE ; ou encore des matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de l'incendie. Notamment, si ces derniers matériaux ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR (pour 20 l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »). Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être une jonction pour câble électrique, notamment pour câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans laquelle l'élément électriquement conducteur est un matériau semi-conducteur. Ce matériau semi-conducteur est défini dans la présente invention, et peut faire référence à la troisième couche. La jonction pour câble électrique permet de connecter deux câbles électriques, notamment deux câbles électriques à moyenne ou à haute 5 tension. Une jonction est classiquement un élément électrique allongé à l'intérieur duquel sont positionnés deux câbles électriques dont les conducteurs électriques sont mis en contact. En considérant que ces deux câbles électriques sont des câbles 10 d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique allongé entouré classiquement par une isolation tri-couches du type couche semi-conductrice dite interne entourée par une couche électriquement isolante, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe, une jonction pour câble électrique peut comporter typiquement : 15 - une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec les conducteurs électriques des deux câbles électriques, - une deuxième couche d'un matériau polymérique électriquement isolant, destinée à être en contact avec les couches électriquement 20 isolantes des deux câbles électriques, et - une cinquième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec les couches semi-conductrices externes des deux câbles électriques. La jonction selon l'invention peut comporter ladite première couche 25 positionnée entre la troisième couche et la deuxième couche. Ladite jonction peut également comprendre une quatrième couche d'un matériau identique à celui de la première couche, cette quatrième couche étant positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche. Une réalisation particulière de cette deuxième variante peut être une 5 trifurcation, ou en d'autres termes une jonction en forme de « T » pour connecter trois câbles électriques. Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être une terminaison pour câble électrique, notamment pour câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans laquelle l'élément 10 électriquement conducteur est un matériau semi-conducteur. Ce matériau semi-conducteur est défini dans la présente invention, et peut faire référence à la troisième couche. Une terminaison, mieux connue sous l'anglicisme « stress cone », est classiquement un élément électrique allongé, en forme de cône, à l'intérieur 15 duquel se positionne un câble électrique. En considérant que ledit câble électrique est un câble d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique allongé entouré classiquement par une isolation tri-couches du type couche semiconductrice dite interne entourée par une couche électriquement isolante, 20 cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe, une terminaison pour câble électrique peut comporter typiquement : - une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec la couche semi-conductrice externe du câble électrique, et - une deuxième couche d'un matériau polymérique électriquement isolant, destinée à être en contact avec la couche électriquement isolante du câble électrique. La terminaison selon l'invention peut comporter ladite première couche 5 positionnée entre la troisième couche et la deuxième couche. Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique pour un élément électrique tel que décrit dans la présente invention, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à traiter thermiquement une couche d'un 10 matériau polymérique obtenu à partir d'une composition polymérique telle que définie dans l'invention (i.e couche polymérique comprenant au moins un polymère organique et des charges carbonées conductrices), ladite couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surfaces, ces deux surfaces étant de préférence sensiblement parallèles, ladite 15 étape de traitement étant réalisée en appliquant une première température T1 à la première surface et une deuxième température T2 à la deuxième surface, de sorte à former un gradient de température dans l'épaisseur de ladite couche et obtenir une couche à gradient de conductivité électrique (cf. première couche, et optionnellement quatrième couche). 20 Plus particulièrement, au moins l'une des températures T1 ou T2 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf (e.g. polymères semi-cristallins) ou de transition vitreuse Tg (e.g. polymères amorphes) dudit polymère organique. Bien entendu, il est nécessaire que la température T1 soit différente de 25 la température T2 pour former ledit gradient de conductivité électrique.
La différence entre les températures T1 et T2 peut être d'au moins 10°C, de préférence d'au moins 50°C, et de façon particulièrement préférée d'au moins 100°C. Ce traitement thermique (i.e. étape de chauffage) du ou des compositions polymériques selon l'invention (comprenant des charges carbonées conductrices) permet avantageusement de former un gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur même du ou des couches obtenue(s) à partir de ladite composition polymérique. En effet, grâce au traitement thermique, la relaxation des chaînes de polymère à l'état fondu ou visqueux, associée à des forces de floculation, entraînent une modification de la microstructure de la composition polymérique, favorisant ainsi la formation ou l'amélioration du réseau percolant. La cinétique de cet auto-arrangement des charges carbonées conductrices, est notamment dépendante de la température. En d'autres termes, les températures élevées comparativement à la température de fusion Tf des polymères semi-cristallins ou de transition vitreuse Tg des polymères amorphes se traduisent par une cinétique de renforcement du réseau de charges élevée et mènent à des valeurs élevées de conductivités des matériaux polymériques. En revanche, aux températures proches de Tf ou de Tg, la vitesse d'auto-arrangement reste faible et les propriétés électriques du matériau polymérique ne sont que faiblement affectées. Autrement dit, la complétion du réseau de charges carbonées conductrices, associée aux niveaux de conductivité présentés par le matériau, se trouve directement corrélée à la température du traitement thermique dit « traitement de mûrissement ». Les températures caractéristiques des transitions physicochimiques d'un polymère organique ou d'une composition polymérique, du type réticulé(e) ou non, peuvent être classiquement déterminées par analyse calorimétrique différentielle (DSC) avec une rampe de température de 10°C/min sous atmosphère d'azote. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, lorsque l'élément électrique est un câble électrique selon l'invention, le conducteur électrique du câble électrique est utilisé comme source de chaleur pendant un temps nécessaire pour former le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la ou des couches comprenant des charges conductrices carbonées. Lorsque le câble électrique comprend uniquement les première et 15 deuxième couches, et optionnellement la troisième couche, le traitement thermique peut s'effectuer une fois ces deux ou trois couches mises en forme autour du conducteur électrique du câble électrique. Un courant est appliqué à travers le conducteur électrique du câble électrique pour chauffer à une température T1, par effet Joule ou par 20 induction, la couche comprenant les charges conductrices carbonées (cf. première couche), alors que l'extérieur du câble électrique est maintenu à une température T2 inférieure à la température T1. Dans ce cas, la température T1 est une température supérieure à Tf (notamment lorsque le polymère organique est un polymère semi-cristallin), 25 ou à Tg (notamment lorsque le polymère organique est un polymère amorphe). La température T2 est quant à elle une température inférieure à Tf (notamment lorsque le polymère organique est un polymère semi-cristallin), ou à Tg (notamment lorsque le polymère organique est un polymère amorphe).
Lorsque le câble électrique comprend l'ensemble des troisième, première, deuxième, quatrième et cinquième couches, le traitement thermique peut s'effectuer une fois ces cinq couches mises en forme autour du conducteur électrique du câble électrique. On fait passer un courant à travers le conducteur électrique du câble électrique pour chauffer à une température T1, par effet Joule ou par induction, la couche comprenant les charges conductrices carbonées la plus proche du conducteur électrique (cf. première couche), la deuxième couche restant à une température T2 inférieure à la température T1. On chauffe l'extérieur du câble électrique à une température T1, notamment par convection, conduction ou irradiation, la couche comprenant les charges conductrices carbonées la plus proche de l'extérieur du câble électrique (cf. quatrième couche), la deuxième couche restant à une température T2 inférieure à la température T1. Les températures T1 et T2 étant définies comme celles mentionnées 20 ci-avant (cf. pour le câble électrique comprenant uniquement les première et deuxième couches, et optionnellement la troisième couche). L'étape de traitement thermique s'effectue de préférence postérieurement à toute étape de mise en oeuvre du ou des différentes couches qui composent l'élément électrique.
En outre, si la couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique est une couche réticulée, l'étape de traitement thermique s'effectue de préférence préalablement à la réticulation de ladite couche.
De préférence, la mise en oeuvre du ou des couches qui composent l'élément électrique peut être réalisée par extrusion, injection ou moulage. On préférera notamment la coextrusion desdites couches. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux 10 figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un câble électrique selon un mode de réalisation préféré conforme à l'invention. 15 La figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une jonction pour câble électrique, conforme à l'invention. La figure 3 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une terminaison pour câble électrique, conforme à l'invention. La figure 4 représente l'évolution de la température pour traiter une 20 composition polymérique conforme à l'invention. La figure 5 représente l'évolution de la conductivité électrique au sein de la composition polymérique traitée selon la figure 4. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et 25 ceci sans respect de l'échelle.
Le câble d'énergie 100 à moyenne ou haute tension, illustré dans la figure 1, comprend un conducteur électrique central allongé 10, notamment en cuivre ou en aluminium, et, successivement et coaxialement autour de ce conducteur électrique central 10 se trouve : - une couche 3 d'un matériau polymérique semi-conducteur (i.e. « troisième couche »), dite couche semi-conductrice interne, - une couche 1 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « première couche »), - une couche 2 d'un matériau polymérique électriquement isolante (i.e. « deuxième couche »), - une couche 4 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « quatrième couche »), et - une couche 5 d'un matériau polymérique semi-conducteur (i.e. « cinquième couche »), dite couche semi-conductrice externe. Les couches 1, 2, 3, 4 et 5 sont des couches extrudées, réticulées ou non. Le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la couche 1 20 est tel que la surface de la couche 1 en contact avec la couche 3 a une conductivité électrique supérieure à celle de la surface de la couche 1 en contact avec la couche 2. Un écran métallique (non représenté) du type tube cylindrique, ainsi qu'une gaine extérieure de protection (non représenté), peuvent être 25 également positionnés autour de la cinquième couche.
La jonction 101 pour câble électrique à moyenne ou haute tension illustrée dans la figure 2, est un élément allongé de type tubulaire, destiné à recevoir en son centre deux câbles électriques 100A et 100B pour les connecter. La connexion peut se faire au moyen d'une pièce 11 électriquement conductrice directement en contact avec les conducteurs électriques 10A et 10B de chacun des deux câbles électriques 100A et 100B. En considérant que ces deux câbles électriques 100A et 100B sont des câbles d'énergie à moyenne ou haute tension dont chacun des conducteurs électriques centraux 10A et 10B est entouré par une isolation tri-couches du type couche semi-conductrice dite interne (couche non représentée) entourée par une couche électriquement isolante 2A,2B, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe 5A,5B, la jonction selon l'invention comporte : - une couche 31 d'un matériau semi-conducteur (i.e. « troisième couche »), en contact électrique avec les conducteurs électriques 10A et 10B des deux câbles électriques 100A et 100B, par le biais de la pièce électriquement conductrice 11, - une couche 1 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « première couche »), recouvrant la couche 3, - une couche 21 d'un matériau polymérique électriquement isolant (i.e. « deuxième couche »), recouvrant la couche 1 et étant en contact avec les couches électriquement isolantes 2A et 2B des deux câbles électriques, - une couche 4 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « quatrième couche »), recouvrant la couche 21, et - une couche 51 d'un matériau semi-conducteur (i.e. « cinquième couche »), recouvrant la quatrième couche 4 et étant en contact avec les couches semi-conductrices externes 5A et 5B des deux câbles électriques.
Ainsi, la première couche 1 est positionnée entre la troisième couche 31 et la deuxième couche 21; et la quatrième couche 4 est positionnée entre la deuxième couche 21 et la cinquième couche 51. La terminaison 102 pour câble électrique à moyenne ou haute tension illustrée dans la figure 3, comprend Selon une troisième variante de l'invention, l'élément électrique peut être une terminaison pour câble électrique, notamment pour câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans laquelle l'élément électriquement conducteur est un matériau semi-conducteur recouvert par la première couche. Ce matériau semi-conducteur est défini dans la présente invention, et peut faire référence à la troisième couche. Une terminaison, mieux connue sous l'anglicisme « stress cone », est classiquement un élément électrique allongé, en forme de cône, à l'intérieur duquel se positionne un câble électrique. En considérant que ledit câble électrique est un câble d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique central allongé entouré classiquement par une isolation tri-couches du type couche semi-conductrice dite interne entourée par une couche électriquement isolante, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe, une terminaison pour câble peut comporter typiquement : - une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec la couche semi-conductrice externe du câble électrique, et - une deuxième couche d'un matériau polymérique électriquement isolant, destinée à être en contact avec la couche électriquement isolante du câble électrique. La terminaison selon l'invention comporte ladite première couche positionnée entre la troisième couche et la deuxième couche.
Exemples Un matériau polymérique présentant un gradient de conductivité électrique selon l'invention a été réalisé en appliquant un gradient de 15 température sur un échantillon polymère composite par mélange en voie « fondu » d'une composition polymérique comprenant : - 97,5% en poids d'EVA (avec 12% en poids de groupements acétate de vinyle), commercialisé par la société ExxonMobil, sous la référence Escorene UL0112, la température de fusion 20 de l'EVA étant de 96°C, et - 2,5% en poids de nanotubes de carbone conducteurs mutiparois, commercialisés par la société Arkema, sous la référence Graphistrength C100. Ce mélange est réalisé selon les deux étapes suivantes : - pré-mélanger les nanotubes de carbone conducteurs à la matrice polymère (i.e. EVA) fondue dans un mélangeur interne de marque Brabender, pendant 15 minutes, à une température de 110°C, puis - homogénéisation du composite à l'aide d'un mélangeur à cylindres Scamia, pendant 20 minutes, la température des cylindres étant comprise entre 120 et 130°C. Une fois l'homogénéisation réalisée, on met en forme la composition polymérique par compression à chaud, pour obtenir des plaques de 1 mm 10 d'épaisseur, selon le procédé suivant 3 minutes à 110°C sans pression, 3 minutes à 110°C, sous une pression de 3 t, et trempe à l'eau froide (15°C) pendant 2 minutes. Des pastilles de 16 mm de diamètre ont ensuite été découpées dans 15 les plaques ainsi formées, et ont été disposées de manière alternative avec des pastilles d'aluminium de même diamètre et d'épaisseur 12 dam dans un moule thermiquement isolant. La présence des pastilles d'aluminium permet uniquement de faciliter la mesure de la conductivité électrique en fonction de la distance à la source de chaleur. 20 L'empilement alterné de pastilles de composition polymérique (i.e. polymère composite) et de pastilles d'aluminium forme une éprouvette de test, dont les deux extrémités sont constituées de pastilles de composition polymérique. La hauteur de l'éprouvette est de 30 mm. On place ensuite l'éprouvette dans un four à gradient de température 25 constitué d'un plateau supérieur et d'un plateau inférieur. Le gradient de température a été établi en appliquant une consigne de 300°C (plateau supérieur) sur la face supérieure de l'éprouvette de test, en maintenant la température de la face inférieure de ladite éprouvette à la température ambiante (i.e. 25°C ; plateau inférieur). Le profil de température correspondant a été mesuré en cinq points pendant la durée du traitement thermique (voir la figure 4). L'essai s'est déroulé pendant 90 minutes sous léger flux d'azote gazeux. A la fin du traitement, l'éprouvette a été refroidie pendant 15 minutes entre les deux plateaux régulés à 15°C.
Après refroidissement complet du système, l'éprouvette a été démoulée et testée électriquement, élément par élément. La conductivité électrique DC de la composition polymérique (i.e. pastilles de composition polymérique) a été mesurée par la méthode des quatre points à l'aide d'un SMU Keithley 2602.
La figure 5 représente l'évolution de la conductivité électrique de la composition polymérique en fonction de la position relative à la source de chaleur lors de l'application du gradient de température selon la figure 4. Un gradient de conductivité électrique est clairement mis en évidence dans l'épaisseur de la composition polymérique selon l'invention.
En effet, l'augmentation de la distance à la source de chaleur - qui équivaut à une diminution de la température de traitement thermique - a pour conséquence une diminution de la cinétique de réarrangement microstructural (mûrissement). Ceci implique une variation de complétion du réseau de nanotubes de carbone conducteurs qui se traduit à échelle macroscopique, par une conductivité électrique réduite.
Dans le cas présent, une variation de trois ordres de grandeur de la conductivité électrique à été observée (minimum mesuré = 55,5 S.m-1, et maximum mesuré = 4,2.102 S.m-1). Il est important de souligner que l'amplitude du gradient de conductivité électrique formé dans l'épaisseur du matériau, tout comme les valeurs de conductivités électriques maximales et minimales dudit gradient peuvent être modulées en contrôlant le profil des températures appliquées, ainsi que la durée du traitement thermique.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS1. Elément électrique (100, 101, 102) comprenant un élément électriquement conducteur (3, 5, 10, 31, 32, 51), caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche (1) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et des charges carbonées conductrices.
  2. 2. Elément électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une deuxième couche d'un matériau électriquement isolant (2, 21, 22), ladite première couche (1) étant positionnée entre l'élément électriquement conducteur et la deuxième couche.
  3. 3. Elément électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur est supérieure à la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche.
  4. 4. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les charges carbonées conductrices sont choisies parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, et les nanotubes de carbone, ou un de leurs mélanges.
  5. 5. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanotubes de carbone sont choisis parmi les nanotubes de carbones à simple paroi, les nanotubes de carbone à double paroi, et les nanotubes de carbone multiparois, ou un de leurs mélanges.
  6. 6. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conductivité électrique de la première couche (1) est comprise entre 1.103 S/m et 1.10-18 S/m (bornes incluses).
  7. 7. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition polymérique de la première couche (1) comprend au plus 30% en poids de charges carbonées conductrice.
  8. 8. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est un conducteur électrique (10).
  9. 9. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est une troisième couche (3, 5, 31, 32, 51) d'un matériau semi-conducteur.
  10. 10.Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une quatrième couche (4) d'un matériau identique à celui de la première couche (1), et une cinquième couche (5, 51) d'un matériau semi-conducteur, laditequatrième couche (4) étant positionnée entre la deuxième couche (2, 21) et la cinquième couche (5, 51).
  11. 11.Elément électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément électrique est un câble électrique (100) dans lequel l'élément électriquement conducteur est le conducteur électrique (10).
  12. 12.Elément électrique selon les revendications 2 et 11, caractérisé en ce que la deuxième couche (2) entoure le conducteur électrique (10).
  13. 13.Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est un câble électrique (100) dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (3).
  14. 14.Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est une jonction (101) pour câble électrique dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (31).
  15. 15.Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est une terminaison (102) pour câble électrique dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (32).
  16. 16.Procédé de fabrication d'une couche (1, 4) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique pour un élément électrique tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à traiter thermiquement une couche d'un matériau polymérique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et descharges carbonées conductrices, ladite couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surfaces, ladite étape de traitement étant réalisée en appliquant une première température T1 à la première surface et une deuxième température T2 à la deuxième surface, de sorte à former un gradient de température dans l'épaisseur de ladite couche et obtenir ladite couche (1, 4) d'un matériau à gradient de conductivité électrique.
  17. 17.Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'au moins l'une des températures T1 ou T2 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère organique.
  18. 18.Procédé de fabrication selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que, lorsque l'élément électrique est un câble électrique (100) selon la revendication 11 ou 13, le conducteur électrique (10) du câble électrique (100) est utilisé comme source de chaleur pour l'application du gradient de température.
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