JP2017147240A

JP2017147240A - ゴム材料及び電線・ケーブル

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Publication number: JP2017147240A
Application number: JP2017093495A
Authority: JP
Inventors: 西　甫; Hajime Nishi; 甫西; 新吾芦原; Shingo Ashihara; 貴青山; Takashi Aoyama; 孔亮中村; Yoshiaki Nakamura; 福地　悦夫; Etsuo Fukuchi; 悦夫福地
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】製造コストを抑えることができ、かつ押出直後にゴム材料の変形を抑えるための材料を被覆することなく、ゴム被覆層の架橋時の変形及びドラム巻取時の変形を抑制可能なゴム材料及び電線・ケーブルを提供する。【解決手段】コア材に被覆され、架橋される電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料であって、前記被覆層の架橋時の厚み変形率及びドラム巻取時の圧縮変形率が３％以下であることを特徴とする電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料である。【選択図】図１

Description

本発明は、ゴム材料及び電線・ケーブルに関するものである。

絶縁電線・ケーブルの被覆材料の加硫方法には、流動床法、熱風架橋法、電子線照射法、溶融塩法、加圧蒸気法、高周波加硫法等の連続加硫方法や、鉛、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ：登録商標）などを被覆し、ドラム巻き取り後、缶加硫するバッチ加硫方法がある。これらは、対象物の厚さ、形状、構造、長さ、被覆材料の種類等によりどの加硫方法が最も適しているか選定され、適用されているが、加硫装置価格、加硫速度、取り扱い性、製品性能等々からそれぞれ一長一短がある。

連続加硫方法のうち、流動床法や熱風架橋法は、常圧下、高温にした管中に加硫対象物を通し加熱・加硫する方法である。前者はガラスビーズが存在するが、空気伝熱が主体であるため加硫対象物への伝熱特性が劣り、製造スピードが遅い欠点がある。

電子線照射法は、電子線の強度により材料への浸透厚さに制限があり、一般的に厚肉の製品よりも薄肉絶縁電線の製造に適している。更に、押出し工程と照射工程とが別工程になるため、一旦ドラムに巻き取る必要があり、その場合、未加硫被覆材料は変形を受ける問題があるため、絶縁材料は常温で変形し難いものに限られている。

無機塩（例えば、トーレック：硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウムの混合物）の溶融高温液体中で加硫させる溶融塩法は、常圧・加圧下の両者で加硫可能であるが、塩を加熱・溶融するのに長時間を要することや、一旦溶融後、冷却固化するのを防ぐため、長期間加熱しておく必要があり、多大な電力量を必要とする。更に、加硫後、加硫対象物に付着した塩を水洗する必要があり、この水処理が必要などの欠点がある。

加圧水蒸気法は、長尺加硫対象物の加硫方法として製造スピードが速く、電線・ケーブル等の加硫には多用されている。絶縁電線ではあまり問題ないが、加硫時に高圧が加わることからケーブルの場合、ゴム被覆層そのものの変形、ゴム被覆層のコアへの凹みによる変形、絶縁体そのものの変形を受ける問題がある。

この問題をさけるため、バッチ式で温度がやや低く、高い圧力が加わらない缶加硫方法がある。

しかし、本方法では、押出直後、缶加硫前のドラム巻取時に起こるゴム材料の変形を抑えるため、押出し後、鉛やポリメチルペンテン（ＴＰＸ：登録商標）などを一旦被覆・加硫後、これらを剥離するなど面倒な工程を伴い、製造に長時間を要する。また、変形抑制のための被覆を行っても抑制が不十分なため、架橋後に変形を修理する工程があり、製造コストが高いという問題があった。さらに、丸型ケーブルの変形抑制に適用可能な被覆工程も、平型ケーブルの場合には適用できず、架橋後の変形修理工程が必要不可欠となっていた。

一方、過熱水蒸気は、蒸気を大気圧下で加熱して１００℃以上にしたもので、以前より存在したが、熱としての利用より動力として適用するだけであった。最近になり食品調理の分野への適用が見直され、過熱水蒸気つき電子レンジが各メーカーから上市されている。

また、特許文献１〜３では、過熱水蒸気を用いてゴムや熱可塑性樹脂を加硫させることが提案されている。

過熱水蒸気は、下記の特徴を有している。
（１）加熱空気に比べて熱容量が大きいので被加熱物を急速に加熱することができ、加熱時間を短縮できる。
（２）加熱空気に比べて約２倍程度の定圧比熱を有し、加熱能力に優れている。
（３）潜熱のエネルギーを有するので、加熱空気に比べエンタルピーが大きい。
（４）空気による伝熱は対流伝熱に限られるが、過熱水蒸気では対流伝熱に加えて放射伝熱、凝縮伝熱によっても伝熱する「複合伝熱作用」により熱効率が良い。
（５）飽和水蒸気に比べて単位体積あたりの水分量が少ないため、湿熱と乾熱の性質をあわせ持っている。

過熱水蒸気の生成は電気ヒータによるものと電磁誘導加熱による方法がある。過熱水蒸気は１００℃以下の対象物に当たると凝縮、この表面に水滴が発生し、過熱水蒸気の存在により再蒸発するが、その潜熱のため過熱水蒸気の熱を奪い、対象物の温度上昇が１００℃でしばらく停滞する結果、１００℃以上に上昇するまでに一定の時間が必要となる。

絶縁電線・ケーブルの製造に過熱水蒸気を適用した公知例として、８０℃以上の温度で押出し成形されたポリマやゴム材料を、加圧下で過熱水蒸気により連続的に加熱、加硫することにより、被覆材料の発泡を防止すると共に絶縁体を変形させることなく低加圧下(０．２ＭＰa以上)で過熱水蒸気を熱媒体とし、連続的に絶縁電線・ケーブル等を加熱・加硫を行うことができる加硫方法がある（特許文献４参照）。

特開２００１−２３９５２８号公報特開２００１−３２３０８５号公報特開２００４−５０６１５号公報特開２０１１−５８５２号公報

しかし、特許文献４に記載された方法では、加圧下(０．２ＭＰa以上)で過熱水蒸気により連続的に加熱、加硫するため、架橋処理によるゴム被覆層の変形率の点で改善の余地があった。また、従来の缶加硫のようにゴム被覆層の変形を抑えるために鉛やＴＰＸのような被覆材を適用する方法では、架橋前のゴムをドラムに巻き取る工程が入るため、ドラム巻取時のゴム被覆層の変形率を改善する必要があった。

従って、本発明の目的は、製造コストを抑えることができ、かつ押出直後にゴム材料の変形を抑えるための材料を被覆することなく、架橋時のゴム被覆層の変形及びドラム巻取時のゴム被覆層の変形を抑制可能なゴム材料及び電線・ケーブルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、以下のゴム材料及び電線・ケーブルが提供される。

［１］コア材に被覆され、架橋される電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料であって、前記被覆層の架橋時の厚み変形率及びドラム巻取時の圧縮変形率が３％以下であることを特徴とする電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料。
［２］前記［１］記載のゴム材料が被覆層に用いられたことを特徴とする電線・ケーブル。

本発明によれば、製造コストを抑えることができ、かつ押出直後にゴム材料の変形を抑えるための材料を被覆することなく、架橋時のゴム被覆層の変形及びドラム巻取時のゴム被覆層の変形を抑制可能なゴム材料及び電線・ケーブルが提供される。

本発明の実施形態に係るケーブルの横断面図である。本発明の参考形態に係る電線・ケーブルの製造方法の工程の概略を示す図である。本発明の他の実施形態に係る電線・ケーブルの製造方法の工程の概略を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施形態に係るケーブルの横断面図である。例えば、銅からなる導体１に、ＥＰＲ（エチレンプロピレンゴム）等からなる絶縁体２を被覆した電線１０が形成され、その電線１０を３本撚り合わせ、その外周に、ポリクロロプレン等からなるシース３が被覆されてケーブル１００が形成される。

〔電線・ケーブルの製造方法〕
図２は、本発明の参考形態に係る電線・ケーブルの製造方法の工程の概略を示す図であり、電線１０やケーブル１００の絶縁体やシースを構成するゴム材料を架橋する工程を中心に示したものである。

本発明の参考形態に係る電線・ケーブルの製造方法は、押出機によりゴム材料をコア材に被覆して被覆物を得る工程と、当該被覆物を前記押出機に連結した架橋設備に通し、前記被覆されたゴム材料を架橋する工程とを含み、前記架橋する工程は、前記架橋設備に、１００℃以上１８０℃未満で、常圧から０．２ＭＰａ未満の過熱水蒸気が供給されて行なわれることを特徴とする。

先ず、ゴム材料が押出機２０からダイス２１に押し出され、コア送り出し機２２から、導体や電線等のコア材２３がダイス２１を挿通するように送り出され、そのコア材２３にゴム材料が押し出し被覆される。その後、当該被覆物はスプライスボックス２４、過熱水蒸気架橋設備２５に順次、通される。過熱水蒸気架橋設備２５にて過熱水蒸気供給装置２６から過熱水蒸気が供給されて押し出し被覆材が架橋される。架橋後の製品３０（電線１０、ケーブル１００）は、水冷管２７を通して冷却され、ウォーターシール２８を通過後、製品巻き取り機２９に巻き取られる。

過熱水蒸気供給装置２６から過熱水蒸気架橋設備２５に供給する過熱水蒸気は、過熱水蒸気架橋設備２５の少なくとも一箇所から供給される。図２では、過熱水蒸気架橋設備２５の入口部、中間部、出口部の三箇所から供給される。また、過熱水蒸気架橋設備２５には圧力調整弁３１が接続され、圧力調整弁３１により、過熱水蒸気架橋設備２５内の圧力が常圧（約０．１ＭＰａ）から０．２ＭＰａ未満となるように保持される。好ましくは、常圧から０．１７ＭＰａ以下となるように保持され、より好ましくは、常圧から０．１５ＭＰａ以下となるように保持され、さらに好ましくは、常圧から０．１３ＭＰａ以下となるように保持される。最も好ましくは、常圧となるように保持される。

過熱水蒸気は、常圧から０．２ＭＰａ未満、最も好ましくは常圧下で加熱されるため架橋時に高圧が加わることがなく、ケーブルに被覆されたゴム材料が変形を受けることがない。また、背景技術で述べた通り、被加熱物を急速に加熱できるためケーブルに被覆されたゴム材料の短時間の架橋が可能であり、ドラム巻取までに架橋させることでドラム巻取時のケーブル自重による変形を抑えることが可能である。

架橋設備２５内の温度は、生産性及びゴム材料の熱劣化を考慮すると１００℃以上１８０℃未満に保持することが好ましく、１４０℃以上１８０℃未満に保持することがより好ましく、最も好ましくは１５０℃以上１８０℃未満に保持することが好ましい。

架橋時間は被覆材料の厚み（１〜１０ｍｍ程度）を考慮すると、３分間より長く行なわれることが好ましい。３．５分以上１０分以下であることがより好ましく、４分以上８分以下であることがさらに好ましく、４分以上６分以下であることが最も好ましい。ただし、シラン架橋のように架橋系の異なる材料や被覆材料の厚い製品に関しては更なる架橋時間が必要な場合もあり、具体的な架橋時間に関してはこの範囲に限定されるものではない。

図３は、本発明の他の参考形態に係る電線・ケーブルの製造方法の工程の概略を示す図であり、基本的には図２と同じであるが、過熱水蒸気架橋設備２５の外周に加熱装置としての外部ヒータ３２を設け、過熱水蒸気供給装置２６からの過熱水蒸気を、過熱水蒸気架橋設備２５の入口部、中間部の二箇所から供給する形態としたものである。

以上において、電線・ケーブルの被覆材は、押出機２０から押出されると共に、ダイス２１でコア材２３に被覆され、過熱水蒸気架橋設備２５内では、常圧から０．２ＭＰａ未満の過熱水蒸気を熱媒体として連続的に加熱され、被覆材の架橋が行われる。

押出機２０での押出し温度を８０℃以上にすると、過熱水蒸気架橋設備２５内で、過熱蒸気が被覆材に触れ、冷やされ、水になり、再蒸発する時間を極力短時間に抑えることができる。その結果、被覆材の温度上昇が１００℃にとどまる時間を最小限にできる。

また、被覆材を常圧から０．２ＭＰａ未満の過熱水蒸気で加熱することにより、架橋時の材料の変形を防止することができる。

過熱水蒸気は、被過熱物体に接触すると、結露（蒸気の液化）し、温度が１００℃に留まろうとする性質がある。そのため、８０℃以上の温度で材料を押出すことにより、過熱水蒸気の結露による１００℃での停滞時間を短縮することが可能となる。その結果、架橋の進行を早めることができる。また、８０℃以下では１００℃での停滞時間が長くなり、架橋の進行が遅くなるため、生産性に劣る。

過熱水蒸気は、時間と共に１００℃に戻ろうとする性質があり、過熱水蒸気架橋設備２５が長い場合、途中で温度低下を招くおそれがある。これを防ぐため、次のような方法が取られる。

一つは過熱水蒸気の供給量を増す方法、二つ目は過熱水蒸気の架橋設備への導入を１箇所だけでなく、図２〜３に示すように複数箇所設け、温度の低下を防止する方法、三つ目は、図３に示すように架橋設備の一部を外部より加熱装置（ヒーター等）で加熱する方法である。

電線・ケーブルのサイズ構造にも左右されるが、これらを単独又は複数組み合わせることにより、架橋設備内部の温度の低下を防ぐことができ、被覆材料の架橋反応をスムーズに進めることができる。

過熱水蒸気は、最も好ましくは常圧下での使用のため、過熱水蒸気供給装置２６は加圧仕様とする必要がなく、設備コストを抑えることができる。

過熱水蒸気架橋設備２５内の底部には未架橋被覆材料の変形・キズ防止のため、ガイドロール等を取り付けておくことが望ましい。

ゴム材料としては、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＲ）、エチレン・プロピレン・ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ポリクロロプレンゴム（ＣＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＰＥ）、クロロスルフォン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エピクロロヒドリンゴム（ＥＣＯ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、各種液状ゴム等のゴム材料が挙げられる。これらは架橋剤、可塑剤、滑剤、充填剤、難燃剤、着色剤等の一般的な配合剤を添加してよい。

対象製品としては、電線（絶縁電線）・ケーブル類であるが、この変形として異型を含むソリッド押出成型物、ホース類がある。後の二者は、内部に直線状金属線や金属、天然・合成ポリマ糸を編んだタイプを含んだ構造のものに特に適している。

押出機２０の成型温度は、好ましくは８０℃以上、１００℃以下である。押出し温度がこれに以上になると、過熱水蒸気による架橋前のプレ架橋が進行し過ぎて、一部分の粘度が上昇してしまい、「つぶ」や「ふくれ」などの外観不良が生じるためである。

押出機２０前後には、図示していないが、芯線、コア送り出し機、これらのアキュムレータ、製品巻き取り機、外径測定器、アキュムレータ等の必要な設備を備えることができる。

〔電線・ケーブル〕
本発明の実施形態に係る電線・ケーブルは、本発明の実施形態に係る上記製造方法により製造することができる。

本発明の実施形態に係る電線・ケーブルの被覆層（ゴム材料）は、ＡＳＴＭＤ６２１（圧縮クリープ試験法）に基づく、加熱変形試験機による荷重試験(４０℃、７００ｇ／ｃｍ²で２４時間)におけるドラム巻取時の圧縮変形率（永久変形）が３％以下である。好ましい実施形態においては、当該圧縮変形率が２．５％以下であり、より好ましい実施形態においては、当該圧縮変形率が２％以下であり、さらに好ましい実施形態においては、当該圧縮変形率が１．５％以下であり、最も好ましい実施形態においては、当該圧縮変形率が１％以下である。また、当該被覆層の架橋時の厚み変形率も３％以下である。好ましい実施形態においては、当該厚み変形率が２．５％以下であり、より好ましい実施形態においては、当該厚み変形率が２％以下であり、最も好ましい実施形態においては、当該厚み変形率が１．５％以下である。

以下に、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１の構造のケーブル１００を下記の通りの方法で作製した。

ここで、ケーブル１００（電線１０：３本×２２ｍｍ²）の各部位のサイズは以下の通りである。
導体構成（外径／素線本数／素線径）：７ｍｍ／２０本／０．４５ｍｍ
絶縁体厚さ：１．２ｍｍ
シース厚さ：２．７ｍｍ
仕上り外径：２６ｍｍ

絶縁体は、硫黄加硫ＥＰＲ（赤、白、黒の各色）を導体上に所定の厚さに押出し被覆後、過熱水蒸気により架橋して得た。

これら３本撚り合わせた後、９０ｍｍベント式押出し機により、表１に示したポリクロロプレンを含むシース材料を５ｍ／分及び１０ｍ／分の速度で押出し被覆した。

次に、表２に示す各条件により架橋を行ない、ケーブル製品（３ＰＮＣＴ：３種ＥＰゴム絶縁クロロプレンキャブタイヤケーブル）を得た。

架橋前後のケーブルのシース材料の厚みを比較し、架橋時の変形率を評価した。また、ドラム（巻き取り機２９）巻取直前のケーブルのシース材料を採取し、その表面から２ｍｍの厚さに切削したものを１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍのシートに加工し、ドラム巻取時の圧縮変形率の測定に供した。

実施例１〜３及び比較例１〜２と鉛被缶加硫標準品の製造条件と評価結果を表２に示す。

架橋時及びドラム巻取時の変形率は規格値≦３％とし、それ以外は鉛被缶加硫の標準条件で得られた製品の値と比較し、総合判断した。

各特性の評価方法は、次の通りである。

（１）架橋時の厚み変形率：
架橋前後のケーブルのシース断面を顕微鏡にて観察し、シース厚みの変化を測定した。鉛被缶加硫標準品の場合も同様である。厚み変形率は、下記の式で算出した。

厚み変形率（％）＝[｛架橋前のシース厚み−架橋後のシース厚み｝／｛架橋前のシース厚み｝]×１００

（２）ドラム巻取時の圧縮変形率：
ＡＳＴＭＤ６２１（圧縮クリープ試験法）に基づき「加熱変形試験機」により、４０℃、７００ｇ／ｃｍ²の条件で２４時間、試料に荷重をかけ、その後、荷重を除き、２３℃、５０ＲＨ％の室内に２４時間保管後のシート厚みを測定し、初期のシート厚みに対する圧縮変形率（永久変形）を評価した。温度条件（４０℃）は、夏季の現場の温度より選定した。また、面圧条件（７００ｇ／ｃｍ²）は、製品ケーブルをドラムに全て巻いた状態で最下層のケーブルにかかる荷重と、ケーブル直径の１０％変形した際の面積より見積もった。圧縮変形率は、下記の式で算出した。

圧縮変形率（％）＝[｛初期のシート厚み−除荷２４時間後のシート厚み｝／｛初期のシート厚み｝]×１００

（３）製造コスト：
製造コストは、鉛被缶加硫標準品の製造コストと同等のものを×（不合格）、１０％未満のコスト低減率のものを△（合格）、１０％以上のコスト低減率のものを〇（合格）とした。

実施例１〜３は何れもシース材料（ＣＲ−１、ＣＲ−２）は標準的なポリクロロプレンゴムを使用し、押出し被覆後、常圧に近い圧力下で１５０℃に調整した過熱水蒸気で架橋したもので、架橋設備通過後の厚み変形率、ドラム巻取時の圧縮変形率は規格値（≦３％）を満足し、製造コストは従来の鉛被缶加硫で得られた製品よりも優れている。従って、実施例１〜３は何れも総合判定で合格であった。

これに対し、比較例１は過熱水蒸気処理を行っていないため、ドラム巻取時の耐変形性を全く有しておらず、変形率が２２．３％と極めて大きい。従って、総合判定は不合格であった。

また、比較例２は過熱水蒸気の圧力を０．２ＭＰａとしているため、未架橋のシース材料を変形させてしまう（変形率３．２％）。また、加圧仕様の設備としているため、製造コストも常圧使用の場合に比べて高くなってしまう。さらに、変形率が３％以上であり、変形修理コストを要するため、製造コストがアップする。従って、総合判定は不合格であった。

従来の鉛被缶加硫標準品は、ドラム巻取前に架橋工程が入らないために、シース材料そのものの耐変形性はなく変形率は２０．８％であった。また、製造コストは従来通りのため×（不合格）である。従って、総合判定は不合格であった。

以上より、ゴム材料を押出後、１００℃以上１８０℃未満、常圧から０．２ＭＰａ未満の過熱水蒸気で架橋させることで、架橋中の変形が無く、ドラム巻取時の自重による変形も起こらない耐変形性を有し、製造コストの低いケーブルとすることができる。

上記実施例では、ケーブルのシース材料で説明したが、本発明はシース材料の他に種々の製品、例えば、異型を含むソリッド押出成型物、ホース類にも適用できる。

１：導体、２：絶縁体、３：シース
１０：電線、１００：ケーブル
２０：押出機、２１：ダイス、２２：コア送り出し機
２３：コア材、２４：スプライスボックス
２５：過熱水蒸気架橋設備（過熱水蒸気加硫管）
２６：過熱水蒸気供給装置
２７：水冷管、２８：ウォーターシール、２９：巻き取り機
３０：架橋後の製品、３１：圧力調整弁、３２：外部ヒータ

Claims

コア材に被覆され、架橋される電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料であって、前記被覆層の架橋時の厚み変形率及びドラム巻取時の圧縮変形率が３％以下であることを特徴とする電線・ケーブルの被覆層用のゴム材料。
請求項１記載のゴム材料が被覆層に用いられたことを特徴とする電線・ケーブル。