JP2006524412A - 防火性能のためのケーブルおよび物品設計 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属支持体を絶縁または保護する、少なくとも1つのセラミック形成層を有する電気ケーブルおよび物品、そして、特に、それらのケーブルおよび物品の設計および製造ならびにそれらの使用に関する。
金属支持体を含有しそして耐火性である製品を設計することが望ましい多数の状況が存在する。例えば、防火性能ケーブル(fire performance cables)は、それらが炎に曝される場合に、作動しそして回路完全性(circuit integrity)を提供し続けることが要求される。基準のいくつかを満たすために、ケーブルは、典型的に、特定時間(例えば、15分、30分、60分、2時間)の間、所定の様式で、特定温度(例えば、650、750、950、1050℃)へ加熱される場合、電気回路完全性を維持しなければならない。いくつかの場合において、ケーブルは、加熱段階の前、間および後に規則的な機械的ショックに供せられる。しばしば、それらはまた、火災の間に経験されそうな他の因子に対するそれらの性能を測定するために、加熱サイクルの後期または加熱段階後のいずれかにおいて、ウォータージェットまたはスプレーに供される。
1つの局面によれば、本発明は、少なくとも1つの導線(conductor)、高温へ暴露されるとセラミックを形成する絶縁層(insulating layer)、および高温へ暴露されると絶縁セラミック形成層の物性を増強する少なくとも1つの熱成形性層(heat transformable layer)を備えるケーブルを提供する。
i)炎への暴露の後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度;
ii)炎への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性(structural integrity);
iii)炎への暴露後の組み合わされた層の水の侵入に対する耐性(resistance to the ingress of water);および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性(electrical or thermal resistance)、
の少なくとも1つである。
i)高温への暴露後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度;
ii)高温への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性の維持;
iii)高温への暴露後の導線への水の侵入に対する耐性;および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性。
該組成物の総重量に基づいて少なくとも15重量%のポリマーベース組成物(少なくとも50重量%の有機ポリマーを含む);
該組成物の総重量に基づいて20〜40重量%の無機ホスフェート(好ましくは、アンモニウムポリホスフェート)、および
該組成物の総重量に基づいて少なくとも15重量%の無機耐火性フィラー(inorganic refractory filler)(好ましくは、シリケートミネラルフィラー(silicate mineral filler))。
a)反応して/組み合わさって高温で溶融ガラスを形成する2以上の材料の組合せ。このような組合せのいくつかの典型的な例としては、アルカリ酸化物、アルカリ土類酸化物、特定の遷移金属酸化物(例えば、酸化亜鉛)および/またはそれらの前駆体と混合された、シリケート(例えば、雲母および長石)、ホスフェート、ボレートならびに/あるいはそれらの前駆体が挙げられる。“前駆体”によって、加熱時に該材料を(コンパウンドの形態で)生成する任意の化合物が意味される。
b)高温で軟化/溶融する、ガラス、またはガラスの混合物。ケーブル適用について、該ガラスは、高温で低導電率を有することが望ましい。従って、ガラスは、好ましくは、低アルカリ金属含有量を有する。
c)(a)および(b)の組合せ。
d)(c)および75%までの耐火性フィラー(例えば、これらに限定されないが、アルミナ、ジルコニア、ルチル、マグネシアおよび石灰)の組合せ。
アンモニウムポリホスフェートおよび本明細書に記載されるような他の鉱物を含有する組成物AのEPポリマーに基づく組成物を製造した。それは、1,000℃への暴露後に、僅かな(2%)膨張を有することが判った。それはまた、他のセラミック形成組成物と比較して密度の高いスキンを有し、そして炎への暴露後に耐水性であることが判った。アンモニウムポリホスフェートを含有しないセラミック形成組成物Bと比較して、それは、PCT/AU/2003/00183に記載される3点曲げ試験(three point blending test)で測定した場合、7.5倍のより高い強度を有した。
35mm2銅導線の3つの200mmセクションを使用して、異なるケーブル設計プロトタイプを作製した。犠牲層として試験した押出し成形可能な組成物は、組成物C(優先的に水酸化アルミニウムが大量に充填され、そして過酸化物を含有する、エチレンプロピレンゴム)および組成物D(熱的に誘発される架橋のための過酸化物を含有する、シリコーンポリマー)であった。高温で加熱されるとセラミック材料を形成する、組成物E(シリコーンポリマー/雲母/ガラス繊維/過酸化物 73:20:5:2)は、全ての3つのプロトタイプにおいて外部層であった。該プロトタイプを、該ケーブル断面上において該組成物を同時に成形および硬化することによって製造した。設計および層厚みを表1に示す。
1.67mm2の19個のワイヤから作製したプレーンな熱処理した銅ストランド導線(plain annealed copper stranded conductor)を、EPポリマーに基づく犠牲層および組成物Eのシリコーンエラストマーベースセラミック形成層で同時に、1.2mmの全体的壁厚みまで、電気的に絶縁した。同様のケーブルを、該シリコーンエラストマーベースセラミック形成層だけで、そして犠牲層無しで、作製した。
EPポリマーベース組成物を、高電気抵抗の内部犠牲層としての使用のために、62%の水酸化マグネシウムを用いて作製した。Mg(OH)2は、1,000℃への暴露時にMgOの粉末へ変換し、セラミック化しない粉末状マスを残したと考えられた。
この実施例において、グレーズ形成組成物を、46重量部の25℃で1175cPsの粘度を有する市販のUV硬化性アクリリック樹脂(TRA−コート15C)を、10重量部の約40μmの平均粒度を有する微細な白雲母および44重量部の525℃の軟化点を有するガラスフリット“F”(表2に与えられる組成)と徹底的に混合して、均一な混合物を製造することによって作製した。次いで、該グレーズ形成組成物を、ソフトブラシを使用して、ケーブルサンプルの組成物Jのセラミック形成層上、そしてまた、25mm×15mm×2mm寸法の同一のセラミック形成絶縁材料のシート上に適用した。該グレーズ形成層のUV硬化を、2m/分のコンベア速度で、空気中、F−600ランプ(120W/cm、365nm)を使用して行った。サンプルは、照射ユニットを一回通過後に硬化された。該グレーズ形成層の厚みは、100〜600ミクロンの範囲であった。次いで、コーティングされたサンプルを、1000℃で30分間、マッフル炉(muffle furnace)において燃焼させた。可視的な検査において、燃焼されたサンプルは、主要な欠損/クラックを有しなかった。グレーズ形成層は、燃焼時に、セラミック形成層上に連続セラミックグレーズを形成したことが判った。このグレーズ層は、下のセラミック形成層へ浸透すること無しに1分間にわたり該グレーズ上の水滴の保持によって明らかとされたように、水に対して不浸透性であった。
上記実施例5において記載されたグレーズ形成組成物において9〜23重量部のガラスフリットを、ホウ酸亜鉛または酸化ホウ素で置換することは、水に対するグレーズ層の不浸透性を更に改善した。
この実施例において、グレーズ形成組成物を、90%水を含有するポリ(ビニルアルコール)の水溶液40重量部を、525℃の軟化点を有するガラスフリット“F”30重量部および800℃の軟化点および表2に与えられる組成を有するガラスフリット“G”30重量部と徹底的に混合して、均一な混合物を製造することによって作製した。次いで、該グレーズ形成組成物を、ソフトブラシを使用して、ケーブルサンプルの組成物K(表3に与えられる)のセラミック形成層上に適用した。該組成物を2時間空気中で乾燥させた。グレーズ形成層の厚みは、150〜300ミクロンの範囲であった。次いで、コーティングされたサンプルを、1000℃で30分間、マッフル炉(muffle furnace)において燃焼させた。可視的な検査において、燃焼されたサンプルは、主要な欠損/クラックを有しなかった。グレーズ形成層は、燃焼時に、セラミック形成層上に連続セラミックグレーズを形成した。このグレーズ層は、下のセラミック形成層へ浸透すること無しに1分間にわたり該グレーズ上の水滴の保持によって明らかとされたように、水に対して不浸透性であった。
上記実施例7に記載のグレーズ形成組成物において10重量部のガラスフリット“G”を、約40μmの平均粒度を有する微細な白雲母で置換することは、均一でありそして水に対して不浸透性であるグレーズ層を生じさせた。
この実施例において、グレーズ形成組成物は、525℃の軟化点を有するガラスフリット“H”(表2に与えられる組成)からなった。ガラスフリット粉末を、ガラスフリット粉末の振動床(vibrating bed)を介してケーブルを引っ張ることによって、ケーブルサンプルの組成物Kのセラミック形成層上に適用した。この適用方法は、商業規模において実用的でないかもしれないが、最終結果は、本質的に、上述の静電的堆積法によって達成されるのと同一である。コーティングされたケーブルサンプルおよびコーティングされていない(換言すれば同一の(identical))ケーブルサンプルを、次いで、2時間1050℃まで、ガスで燃焼させた炉中で燃焼させ、続いて、オーストラリア基準AS3013(12.5l/分の速度、2.5m〜3.0mの距離でウォータースプレーすることを包含する)に従って3分間ウォータースプレーを行った。本発明に従ってコーティングされたケーブルは、グレーズ形成層を備えていない比較ケーブルよりも遥かに優れた耐水性を示すことが判った。後者は実際に1分でショートし、一方、グレーズ形成層を備えるケーブルは、ウォータースプレーの全3分間持続した。これは、高温への暴露後のセラミック形成層への水の浸透を減少させることにおける、グレーズ形成層の効果を明確に実証すると考えられる。
組成物を、異なるキャリアポリマー(アクリリックUV硬化性、およびEPポリマーを含む)において高レベルのガラスフリットFを使用して作製した。これらの組成物を、1.5mm2(7/0.5mm束ねた)プレーン熱処理銅導線上に押出し成形されたセラミック形成組成物K上の薄層(0.2〜0.4mm)として適用した。好適なグレーズ層が提供され得る一方、この層中の材料は、1,000℃でセラミック化絶縁体の電気抵抗の受け入れられない減少を生じさせ、それらをケーブル適用に不適切にしたことが判った。
Claims (70)
- 少なくとも1つの導線、高温へ暴露されるとセラミックを形成する絶縁層、および少なくとも高温への暴露の間または後に該絶縁セラミック形成層の物性を増強する少なくとも1つの追加の熱成形性層を備えるケーブル。
- 前記絶縁層が、火災において経験される高温へ暴露されると、自己支持性セラミック層を形成する、請求項1に記載のケーブル。
- 前記少なくとも1つの追加の熱成形性層によって増強される前記絶縁セラミック形成層の物性が、以下:
i)炎への暴露の前、間または後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度、
ii)炎への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性;
iii)炎への暴露後の組み合わされた層の水の侵入に対する耐性;および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性、
からなる群から選択される、請求項1または2に記載のケーブル。 - 前記少なくとも1つの熱成形性層が、前記導線上へ前記絶縁層と共に押出し成形され、そして高温へ暴露されると自己支持性であるセラミックを形成する、第二セラミック形成層である、請求項1または2に記載のケーブル。
- 形成される第二セラミックが、前記絶縁層によって形成されるものよりも強固である、請求項2に記載のケーブル。
- 前記第二セラミック形成層が、有機ポリマー、無機耐火性フィラーおよび無機ホスフェートを含む、請求項2に記載のケーブル。
- 前記無機フィラーがシリケートミネラルフィラーである、請求項6に記載のケーブル。
- 前記無機ホスフェートがアンモニウムポリホスフェートである、請求項6に記載のケーブル。
- 前記アンモニウムポリホスフェートが、組成物の総重量に基づいて20〜40重量%の範囲で提供される、請求項8に記載のケーブル。
- 前記第二セラミック形成層が、更に、マグネシウムおよびアルミニウムの酸化物および水酸化物からなる群から選択される追加の無機フィラーおよび添加剤を含む、請求項6に記載のケーブル。
- 前記追加の無機フィラーが水酸化アルミニウムである、請求項10に記載のケーブル。
- 前記少なくとも1つの熱成形性層が、前記金属導線上に提供される犠牲層であり、該層が有機ポリマーおよび無機フィラーを含む組成物から形成される、請求項1または2に記載のケーブル。
- 前記犠牲層が前記高温でまたはそれ未満で分解し、前記支持体と前記セラミックとの間に前記無機フィラーの層が形成されて、前記金属導線への該セラミックの結合が最小化または防止される、請求項12に記載のケーブル。
- 前記犠牲層が少なくとも50重量%の無機フィラーを含む、請求項13に記載のケーブル。
- 前記犠牲層中の有機ポリマーが、前記セラミック形成層がセラミックを形成する温度でまたはそれ未満で分解する、請求項12に記載のケーブル。
- 前記犠牲層中の有機ポリマーが、熱分解時にほとんどあるいは全く残渣を残さない、請求項12に記載のケーブル。
- 前記犠牲層の厚みが0.2〜2mmである、請求項12に記載のケーブル。
- 前記無機フィラーが水酸化マグネシウムである、請求項12に記載のケーブル。
- 前記少なくとも1つの熱形成層が、高温での暴露後に、冷却して、水に対して実質的に不浸透性であるグレーズ層を形成する成分を含むグレーズ形成層である、請求項1または2に記載のケーブル。
- 前記グレーズ形成層が、2またはそれ以上のグレーズ形成成分を含む、請求項19に記載のケーブル。
- 前記グレーズ形成成分が、火災に関連する高温で軟化/溶融するガラスまたはガラス混合物、反応して/組み合わさって高温で溶融ガラスを形成する材料の2またはそれ以上の組合せからなる群から選択される、請求項19に記載のケーブル。
- 前記グレーズ形成層を構成する組成物が、更に、該グレーズ形成層が前記導線上に前記セラミック形成層と共に共押出しされることを可能にするキャリア成分を含む、請求項19に記載のケーブル。
- 前記グレーズ形成成分とキャリア成分との重量比が、0.9:1〜1.2:1の範囲内である、請求項22に記載のケーブル。
- 前記少なくとも1つの追加の層が、オペレーショナル強度層(operational strength layer)である、請求項1または2に記載のケーブル。
- 前記少なくとも1つの追加の層が、火災に関連する高温でより弱い自己支持性セラミックを形成するシース層である、請求項1または2に記載のケーブルデザイン。
- 導線上に絶縁層を押出し成形する工程(該絶縁層は、高温へ暴露されると自己支持性セラミックを形成する)、および該セラミック形成層の物性を増強させるように火災に関連する温度への暴露の間に変形可能である少なくとも1つの補助層を押出し成形する工程を包含する、ケーブルの製造方法。
- 前記少なくとも1つの補助層によって増強される特性が、以下:
i)炎への暴露の前、間または後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度;
ii)炎への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性;
iii)炎への暴露後の水の侵入に対する耐性;および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性、
の少なくとも1つである、請求項26に記載の方法。 - 少なくとも1つの補助層が、高温へ暴露されると異なる強度のものでありそして自己支持性であるセラミックを形成する第二セラミック形成層を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記形成される第二セラミックが、前記絶縁層によって形成されるものよりも強固である、請求項28に記載の方法。
- 前記第二セラミック形成層が、有機ポリマー、無機フィラーおよび無機ホスフェートを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記無機ホスフェートがアンモニウムポリホスフェートである、請求項30に記載の方法。
- 前記アンモニウムポリホスフェートが、総組成物の20〜40重量%の量で存在する、請求項31に記載の方法。
- 前記無機耐火性フィラーがシリケートミネラルフィラーである、請求項30に記載の方法。
- 前記第二セラミック形成層が、更に、マグネシウムおよびアルミニウムの酸化物および水酸化物からなる群から選択される追加のフィラーおよび添加剤を含む、請求項30に記載の方法。
- 前記追加のフィラーまたは添加剤が水酸化アルミニウムである、請求項34に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの補助層が、前記導線上に提供される犠牲層であり、該層が無機ポリマーおよび無機フィラーを含む組成物から形成される、請求項26に記載の方法。
- 前記犠牲層が少なくとも50重量%の無機フィラーを含む、請求項36に記載の方法。
- 前記無機フィラーが水酸化マグネシウムである、請求項37に記載の方法。
- 前記犠牲層の厚みが0.2〜2mmである、請求項36に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの補助層が、高温への暴露後に、冷却して、水に対して実質的に不浸透性であるグレーズ層を形成するグレーズ形成層である、請求項26に記載の方法。
- 前記グレーズ形成層が少なくとも1つのグレーズ形成成分およびキャリア成分を含み、該少なくとも1つのグレーズ形成成分とキャリア成分との重量比が、0.9:1〜1.2:1の範囲内である、請求項40に記載の方法。
- 導線上への押出し成形のためのセラミック形成層を選択する工程(該セラミック形成層は、火災の間に経験される高温へ暴露されると、自己支持性セラミック層を形成する)、
炎への暴露の前、間および後の該セラミック形成層の特性を測定する工程;
該セラミック形成層の物性を増強する第二層のための材料を選択する工程;ならびに
該セラミック形成層および該少なくとも1つの補助層を導線上に押出し成形する工程、
を包含する、ケーブルの設計方法。 - 金属支持体、高温へ暴露されるとセラミックを形成する保護層、および高温への暴露の間または後に該保護セラミック形成層の物性を増強する少なくとも1つの熱成形性層を備える、防火性能物品。
- 前記少なくとも1つの追加の熱成形性層によって増強される前記保護セラミック形成層の物性が、以下:
i)炎への暴露の前、間または後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度、
ii)炎への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性;
iii)炎への暴露後の組み合わされた層の水の侵入に対する耐性;および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性、
からなる群から選択される、請求項43に記載の物品。 - 前記少なくとも1つの熱成形性層が、自己支持性でありそして異なる強度のものであるセラミックを形成する第二セラミック形成層である、請求項43に記載の物品。
- 前記形成される第二セラミックが、他のセラミック形成層によって産生されるものよりも強固である、請求項45に記載の物品。
- 前記第二セラミック形成層が、金属支持体上に適用され、そして有機ポリマー、無機フィラーおよび無機ホスフェートを含む、請求項45に記載の物品。
- 前記無機ホスフェートがアンモニウムポリホスフェートである、請求項47に記載の物品。
- 前記アンモニウムポリホスフェートが、組成物の総重量に基づいて20〜40重量%の範囲で提供される、請求項48に記載の物品。
- 前記無機耐火性フィラーがミネラルシリケートである、請求項47に記載の物品。
- 前記第二セラミック層が、更に、アルミニウムおよびマグネシウムの酸化物および水酸化物からなる群から選択される追加のフィラーおよび添加剤を含む、請求項47に記載の物品。
- 前記追加のフィラーまたは添加剤が水酸化アルミニウムである、請求項51に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの熱成形性層が、前記金属支持体上に提供される犠牲層であり、該層が有機ポリマーおよび無機フィラーを含む組成物から形成される、請求項44に記載の物品。
- 前記犠牲層が前記高温でまたはそれ未満で分解し、前記金属支持体と前記セラミックとの間に無機フィラーの層が形成されて、該支持体への該セラミックの結合が最小化または防止される、請求項53に記載の物品。
- 前記犠牲層が少なくとも50重量%の無機フィラーを含む、請求項54に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの熱形成層が、高温での暴露後に、冷却して、水に対して実質的に不浸透性であるグレーズ層を形成する成分を含むグレーズ形成層である、請求項44に記載の物品。
- 前記グレーズ形成成分が、火災に関連する高温で軟化/溶融するガラスまたはガラス混合物、反応して/組み合わさって高温で溶融ガラスを形成する材料の2またはそれ以上の組合せからなる群から選択される、請求項56に記載の物品。
- 前記グレーズ形成層を構成する組成物が、更に、該グレーズ形成層が前記セラミック形成層へ適用されることを可能にするキャリア成分を含む、請求項56に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの追加の層が、オペレーショナル強度層(operational strength layer)である、請求項43に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの追加の層が、火災に関連する高温でより弱い自己支持性セラミックを形成するオペレーショナル層である、請求項43に記載の物品。
- 金属支持体上にセラミック形成層を適用する工程(該セラミック形成層は、高温へ暴露されると、自己支持性セラミックを形成する)、および該セラミック形成層の物性を増強させるように火災に関連する温度への暴露の間に成形可能である少なくとも1つの補助層を適用する工程を包含する、防火性能物品の製造方法。
- 前記少なくとも1つの補助層によって増強される特性が、以下:
i)炎への暴露の前、間または後の組み合わされた層(combined layers)の機械的強度;
ii)炎への暴露後の水の侵入に対する耐性;
iii)炎への暴露後のセラミック形成層の構造的完全性;および
iv)炎への暴露の間および後の組み合わされた層の電気絶縁性または耐熱性、
の少なくとも1つである、請求項61に記載の方法。 - 少なくとも1つの補助層が、自己支持性でありそして異なる強度のものであるセラミックを形成する第二セラミック形成層を含む、請求項62に記載の方法。
- 前記形成される第二セラミックが、他のセラミック形成層によって産生されるものよりも強固である、請求項63に記載の方法。
- 前記第二セラミック形成層が、有機ポリマー、無機耐火性フィラーおよび無機ホスフェートを含む、請求項63に記載の方法。
- 前記無機ホスフェートがアンモニウムポリホスフェートである、請求項63に記載の方法。
- 前記アンモニウムポリホスフェートが、組成物の総重量に基づいて20〜40重量%の範囲で提供される、請求項66に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの補助層が、前記導線上に提供される犠牲層であり、該層が無機ポリマーおよび無機フィラーを含む組成物から形成される、請求項62に記載の方法。
- 前記犠牲層が少なくとも50重量%の無機フィラーを含む、請求項68に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの補助層が、高温への暴露後に、冷却して、水に対して実質的に不浸透性であるグレーズ層を形成するグレーズ形成層である、請求項62に記載の方法。
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