SK286682B6 - Elektrický kábel obsahujúci polovodivú vodublokujúcu expandovanú vrstvu - Google Patents

Abstract

Elektrický kábel predovšetkým pre stredno- a vysokonapäťové prenosy alebo rozvody má kovové tienenie a polovodivú vodublokujúcu vrstvu. Táto vrstva plní tri hlavné funkcie; prvá je elastická a rovnomerná absorpcia radiálnych síl expanzie a kontrakcie káblových vrchných vrstiev vplyvom tepelných cyklov počas používania kábla, teda predchádzanie deformáciám a poškodeniu kovového tienenia; druhá je zaistenie elektrickej kontinuity medzi jadrom kábla a kovovým tienením a tretia je účinné zabraňovanie prenikaniu a šíreniu vlhkosti a/alebo vody po jadre kábla vplyvom napr. poškodenia kovového tienenia. Tretia funkcia je získaná použitím vodou napučiavajúceho materiálu v expandovanej vrstve.

Description

Oblasť techniky

Predložený vynález sa týka elektrického kábla, predovšetkým pre stredno- a vysokonapäťové prenosy alebo rozvody, ktorý má polovodivú vodublokujúcu vrstvu. V ďalšom sa v predloženom vynáleze pod termínom „stredné napätie“ rozumie napätie medzi asi 1 kV až asi 30 kV, zatiaľ čo pod termínom „vysoké napätie“ sa rozumejú napätia vyššie ako 30 kV.

Doterajší stav techniky

Káble pre stredno- a vysokonapäťové prenosy alebo rozvody vo všeobecnosti pozostávajú z kovového vodiča, ktorý je pokrytý prvou vnútornou polovodivou vrstvou, izolačnou vrstvou a vonkajšou polovodivou vrstvou. Pre niektoré použitia, predovšetkým ak sa požaduje vodotesnosť vzhľadom na exteriér, je kábel uzavretý vnútri kovového tienenia, obyčajne z hliníka alebo medi, pozostávajúceho z kontinuálnej trubice alebo kovovej fólie usporiadanej v trubici a zvarenej alebo utesnenej tak, že je vodotesná.

V priebehu výroby, inštalácie alebo používania môže dôjsť v kovovom plášti k zlomom alebo prienikom, ktoré umožňujú prienik vlhkosti alebo dokonca aj vody dovnútra káblového jadra, so vznikom elektrochemických porúch v izolačnej vrstve, ktoré môžu spôsobiť poruchy izolácie.

Jedno z možných riešení tohto problému je uvedené v US patente č. 4 145 567. Tento spis opisuje vysokonapäťový kábel, ktorý má z vonkajšej strany okolo vonkajšej polovodivej vrstvy stlačiteľnú vrstvu zo speneného plastického materiálu, ktorá má zabrániť vonkajšej vlhkosti preniknúť do izolačnej vrstvy, a teda zabrániť vzniku elektrochemických porúch. Podľa uvedeného opisu kovové tienenie si výhodne udržiava isté napätie proti stlačiteľnej vrstve, takže žiaden vzduch alebo iná tekutina nemôže po povrchu preniknúť medzi stlačiteľnú vrstvu a kovové tienenie. Ako ďalšia poistka proti priechodu tekutiny po kábli môžu byť kovové tienenie so stlačiteľnou vrstvou spojené. Stlačiteľná vrstva je výhodne polovodivá.

Trhliny v kovovom tienení môžu byť zapríčinené tepelnými cyklami, ktorým je kábel vystavený v dôsledku denných zmien intenzity prenášaného prúdu, ktorým zodpovedajú zmeny teploty kábla alebo medzi teplotou miestnosti a maximálnou pracovnou teplotou (napríklad medzi 20 °C a 90 °C) Tieto tepelné cykly zapríčiňujú dilatáciu a následnú kontrakciu povlakovej vrstvy kábla, spolu so súčasnými priečnymi silami vyvíjanými na kovovom tienení. V kovovom tienení teda môžu vznikať mechanické deformácie spolu so vznikom prázdnych priestorov medzi tienením a vonkajšou polovodivou vrstvou, ktoré spôsobujú nerovnomemosť elektrického poľa. Navyše tieto deformácie môžu viesť k trhlinám tienenia, predovšetkým pri jeho zváraní alebo pripájaní pomocou tesnenia, a teda tým spôsobujú zhoršenie funkčnosti tienenia.

Možné riešenie tohto problému je opísané v US patente č. 5 281 757, podľa ktorého kovové tienenie má možnosť voľne sa pohybovať vzhľadom na susedné vrstvy a má prekrývajúce okrajové časti spolu spojené lepidlom, ktoré umožňuje prekrytým okrajovým častiam relatívny vzájomný pohyb v priebehu teplotných cyklov kábla. Medzi kovovým tienením kábla a jadrom kábla môže byť aplikovaná výplňová vrstva, ako je opísaná v uvedenom US patente č. 1 145 567. Ak sa to požaduje, výplňová vrstva môže byť vodou napučiavajúci pásik alebo vodou napučiavajúci prášok namiesto speneného plastického materiálu.

Ako sa ukázalo zo skúseností prihlasovateľa, konštrukcie káblov, ako sú opísané v US-4 145 567 a US-5 281 757, nie sú úplne uspokojivé. Po prvé, prítomnosť stlačiteľnej vrstvy medzi kovovým tienením a jadrom kábla podľa US-4 145 567 nie je dostatočná na efektívne vylúčenie prieniku a šírenia vlhkosti alebo vody po kábli. V skutočnosti na dosiahnutie vodoizolačného efektu sa v US-5 281 757 namiesto stlačiteľnej vrstvy navrhuje použiť vodou napučiavajúci pásik alebo prášok. Ale zavedenie vodou napučiavajúccho materiálu pod kovové tienenie môže zapríčiniť vážne elektrické problémy. V skutočnosti kovové tienenie okrem vytvárania bariéry proti prieniku vody a/alebo vlhkosti plní dôležité elektrické funkcie a musí byť v elektrickom kontakte s vonkajšou polovodivou vrstvou. Prvou funkciou kovového tienenia je skutočne vytvoriť homogénne radiálne elektrické pole v kábli a zároveň tieniť elektrické pole mimo kábla. Ďalšou funkciou je znášanie skratových prúdov.

Prítomnosť izolačného materiálu ako aj vodou napučiavajúceho materiálu pod kovovým tienením nemôže zabezpečiť elektrickú kontinuitu medzi jadrom kábla a kovovým tienením. Ale z hľadiska výroby a prevádzky používanie vodou napúčajúcich pásikov alebo voľných vodou napúčajúcich práškov má množstvo nedostatkov. Predovšetkým použitie vodou napúčajúcich pásikov predstavuje značné zvýšenie nákladov a zníženie produktivity, pretože tieto pásiky sú drahé a predstavujú potrebu prídavného kroku obaľovania v procese výroby kábla. Na druhej strane prítomnosť voľne prúdiacich vodou napúčajúcich práškov spôsobuje výrobu a inštaláciu takéhoto kábla dosť ťažkopádnou.

Napokon sú podľa súčasného stavu techniky známe káble, ktoré sú vytvorené tak, že oslabujú efekt teplotných cyklov v kovovom plášti a zároveň zabraňujú šíreniu vlhkosti a/alebo vody po kábli. Kábel takéhoto typu je vybavený vonkajšou polovodivou vrstvou s pozdĺžnymi drážkami tvaru V, ktoré sú naplnené vodou napučiavajúcim materiálom vo forme prášku. Geometria V-tvaru umožňuje na jednej strane zaistiť elektrický kontakt medzi polovodivou vrstvou a kovovým tienením, a na druhej strane napomáha elastickému obnoveniu tepelných dilatácii materiálom vytvárajúcim polovodivú vrstvu.

Ale výroba takýchto pozdĺžnych drážok zahŕňa použitie polovodivej vrstvy veľkej hrúbky (okolo 2 mm alebo viac), čím stúpajú náklady a celková váha kábla. Navyše požadovaná geometria polovodivej vrstvy sa vo všeobecnosti dosahuje pomocou presných procesov extrúzie, v ktorých sa používajú vhodne usporiadané dýzy. Podľa skúseností prihlasovateľa je vytváranie drážok nepravidelnej geometrie, v praktických podmienkach, nutné počas takého extrúzneho procesu. Tieto geometrické nepravidelnosti môžu mať za následok vznik nerovnomerného rozdelenia tlaku vyvíjaného na kovové tienenie a teda zabraňujú polovodivej vrstve účinne vykonávať jej funkciu elastickej absorpcie radiálnych síl.

Preto káble podľa uvedeného stavu techniky nemôžu efektívne zabezpečiť oba problémy, a to problém zabraňovania penetrácie a šírenia vlhkosti a/alebo vody dovnútra káblového jadra, a problém možných deformácií alebo poškodenia kovového tienenia vplyvom tepelných cyklov kábla, pri zachovaní spoľahlivého elektrického kontaktu medzi kovovým tienením a jadrom kábla.

Podstata vynálezu

Prihlasovateľ v súčasnosti zistil, že uvedený problém môže byť účinne vyriešený vložením vrstvy expandovaného polymémeho materiálu majúceho polovodivé vlastnosti a obsahujúceho vodou napučiavajúci materiál pod kovové tienenie. Táto vrstva je schopná elasticky a rovnomerne absorbovať radiálne sily expanzie a kontrakcie vznikajúce vplyvom tepelných cyklov, ktorým je kábel vystavený počas prevádzky, pričom je zabezpečená nevyhnutná elektrická kontinuita medzi káblom a kovovým tienením. Okrem toho prítomnosť vodou napučiavajúceho materiálu rozptýleného vnútri expandovanej vrstvy je schopná účinne blokovať vlhkosť a/alebo vodu, a teda odpadá potreba použitia vodou napučiavajúcich pások alebo voľných vodou napučiavajúcich práškov.

Podľa prvého aspektu sa predložený vynález teda týka elektrického kábla obsahujúceho vodič, aspoň jednu izolačnú vrstvu, vonkajšie kovové tienenie a vrstvu expandovaného polymérneho materiálu umiestnenú pod týmto kovovým tienením, pričom podstatou vynálezu je, že vrstva expandovaného polymérneho materiálu je polovodivú a obsahuje vodou napučiavajúci materiál.

V ďalšom bude termín „vrstva expandovaného polymémeho materiálu“ nahradený stručným termínom „expandovaná vrstva“.

Pod pojmom „expandovaný polymémy materiál“, tak ako sa používa v predloženom opise vynálezu a nárokoch, sa rozumie polymémy materiál s vopred určeným percentuálnym množstvom „voľných“ priestorov vnútri materiálu, t. j. určitý priestor neobsadený polymérom, ale v polyméri uzatvoreným plynom alebo vzduchom.

Vo všeobecnosti je množstvo voľných priestorov v expandovanom polyméri vyjadrené termínom stupeň expanzie (G), ktorý je definovaný nasledujúcim vzťahom:

G = (<Vd_e- 1). 100, kde;

d₀ predstavuje hustotu expandovaním nespracovaného polymémeho materiálu a d_e predstavuje relatívnu hustotu polymémeho materiálu, meranú v expandovanom stave.

Stupeň expanzie expandovanej vrstvy podľa predloženého vynálezu sa môže meniť v širokom rozsahu, ktorý závisí jednak od vlastností použitého polymémeho materiálu a jednak od hrúbky vrstvy, ktorá sa mieni dosiahnuť. Stupeň expanzie je vopred stanovený tak, aby bolo zaistené, že radiálne sily tepelnej expanzie a kontrakcie kábla budú elasticky absorbované a zároveň aby boli zachované polovodivé vlastnosti. Vo všeobecnosti stupeň expanzie môže byť v rozsahu od 5 % do 500 %, a výhodne od 10 % do 200 %.

Čo sa týka hrúbky expandovanej vrstvy podľa predloženého vynálezu, jej veľkosť je najmenej 0,1 mm; výhodne medzi 0,2 až 2 mm a najvýhodnejšie medzi 0,3 až 1 mm. Hrúbky menšie ako 0,1 mm sú v praxi len obtiažne vyrobiteľné a, v každom prípade, iba umožňujú obmedzenú kompenzáciu deformácie, kým hrúbky nad 2 mm, hoci v princípe nemajú funkčné nedostatky, sú značne nákladné a teda sa používajú len za odôvodnených špecifických požiadaviek.

Podľa výhodného uskutočnenia elektrický kábel podľa predloženého vynálezu obsahuje kompaktnú polovodivú vrstvu umiestnenú medzi izolačným povlakom a expandovanou vrstvou.

Pod termínom „kompaktná polovodivá vrstva“ sa rozumie vrstva vyrobená z neexpandovaného polovodivého materiálu, t. j. materiálu majúceho stupeň expanzie v podstate rovnajúci sa nule.

Podľa zistenia prihlasovateľa táto kompaktná polovodivá vrstva môže výhodne vykonávať funkciu zabraňovania čiastočných výbojov, a teda zabraňuje poškodeniu kábla zapríčinenému nerovnomemosťami povrchu alebo rozhrania medzi izolačným povlakom a expandovanou vrstvou. Táto funkcia môže byť splnená aj veľmi tenkými polovodivými vrstvami, a to okolo 0,1 mm alebo aj menej. Ale z praktického hľadiska je vhodná hrúbka 0,2 až 1 mm, a ešte vhodnejšia v rozsahu 0,2 až 0,5 mm.

Ako bolo spomenuté, expandovaná vrstva obsahuje vodou napučiavajúci materiál. Ako ukázali testy vykonané prihlasovateľom, expandovaná vrstva je schopná obsiahnuť veľké množstvo vodou napučiavajúceho materiálu a obsiahnutý vodou napučiavajúci materiál je schopný expandovať, ak expandovaná vrstva jc umiestnená v kontakte s vlhkosťou alebo vodou, a teda účinne vykonávať svoju vodotesniacu funkciu.

Vo všeobecnosti je vodou napučiavajúci materiál vo forme časticového materiálu, predovšetkým vo forme prášku. Častice tvoriace vodou napučiavajúci materiál majú výhodne priemer nie väčší ako 250 pm a priemernú veľkosť priemeru častíc od 10 do 100 pm. Najvhodnejšie je, ak množstvo častíc, majúcich priemer od 10 do 50 pm, je aspoň 50 % hmota, vzhľadom na celkovú hmotnosť prášku.

Vodou napučiavajúci materiál vo všeobecnosti obsahuje homopolymér alebo kopolymér majúci hydrofilné skupiny pozdĺž polymémeho reťazca, napríklad: sieťované a aspoň čiastočne soli tvoriace polyakrylátové kyseliny (napríklad produkty Cabloc® od C.F.Stockhausen GmbH alebo Waterlock® od Grain Processing Co.); škrob alebo jeho deriváty v zmesi s kopolymérmi medzi akrylamidmi a akrylátali sodíka (napríklad produkty SGP Absorbent Polymér® od Henkel AG); sodná karboxymetylcelulóza (napríklad produkty Blanose® od Hercules Inc.).

Na získanie efektívnej vodublokujúcej funkcie je množstvo vodou napučiavajúceho materiálu obsiahnuté v expandovanej vrstve vo všeobecnosti od 5 do 120 phr, a výhodne od 15 do 80 phr (phr = počet hmotnostných dielov vzhľadom ku 100 hmotnostných dielov základného polyméru).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr.l predstavuje priečny rez jedným vyhotovením kábla podľa predloženého vynálezu, unipolámeho typu, na prenos stredno-voltových výkonov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Tento kábel podľa vynálezu obsahuje vodič 1, vnútornú polovodivú vrstvu 2, izolačnú vrstvu 3, kompaktnú polovodivú vrstvu 4, expandovanú vrstvu 5, kovové tienenie 6 a vonkajší plášť 7.

Vodič 1 vo všeobecnosti pozostáva z kovových drôtov, výhodne medených alebo hliníkových, ktoré sú spolu spletené použitím bežných techník. Kovové tienenie 6, obyčajne z hliníka alebo medi, alebo tiež aj olova, je tvorené kontinuálnou kovovou rúrkou alebo fóliou vytvarovanou do tvaru rúrky a zvarenou alebo utesnenou použitím adhezívneho materiálu tak, že sa dosiahne vodotesnosť. Kovové tienenie 6 je obvykle potiahnuté vonkajším plášťom 7 obsahujúcim sieťovaný alebo nesieťovaný polymérny materiál, napríklad polyvinylchlorid (PVC) alebo polyetylén (PE).

Polymérny materiál, ktorý vytvára expandovanú vrstvu, môže byť ľubovoľným typom expandovateľného polyméru, ako napríklad; polyolefíny, kopolyméry rôznych olefmov, kopolyméry olefmov s etylénovo nenasýtenými estermi, polyestery, polykarbonáty, polysulfony, fenolové živice, močovinové živice a ich zmesi. Príkladmi vhodných polymérov sú: polyetylén (PE), predovšetkým polyetylén s nízkou hustotou (LDPE), polyetylén so strednou hustotou (MDPE), polyetylén s vysokou hustotou (HDPE), lineárny polyetylén s nízkou hustotou (LLDPE); polyetylén s ultranízkou hustotou (ULDPE); polypropylén (PP), elastomerické etylénpropylénové kopolyméry (EPR), alebo etylén-propylén-diénový terpolymér (EPDM), prírodný kaučuk, butylkaučuk, etylen-vinylesterové kopolyméry, napríklad etylén-vinylacetát (EVA), etylén-akrylátové kopolyméry, etylén-metylakrylátový (EMA) kopolymér, etylén-etylakrylátový (EEA) kopolymér, etylén-butylakrylátový (EBA) kopolymér, ctylén/alfa-olefínové termoplastické kopolyméry, polystyrén; akrylonitrilbutadiénstyrénové (ABS) živice, halogenované polyméry, predovšetkým polyvinylchlorid (PVC); polyuretán (PUR); polyamidy; aromatické polyestery ako polyetyléntereftalát (PET) alebo polybutyléntereftalát (PBT); ich kopolyméry alebo mechanické zmesi.

Výhodne polymémym materiálom je polyolefínový polymér alebo kopolymér na báze etylénu a/alebo propylénu, a je zvolený predovšetkým zo skupiny:

(a) etylénové kopolyméry s etylénicky nenasýteným esterom, napríklad vinylacetát alebo butylacetát, v ktorom množstvo nenasýteného esteru je vo všeobecnosti medzi 5 až 80 % hmotn. , a výhodne medzi 10 až 50 % hmota.;

(b) elastomerické kopolyméry etylénu s aspoň jedným C₃-Ci₂ alfa olefmom a voliteľne diénom, výhodne kopolyméry etylén/propylénové (EPR) alebo etylén/propylén/diénové (EPDM), ktoré majú vo všeobecnosti nasledovné zloženie: 35 až 90 % molámych etylénu, 10 až 65 % molámych alfa-olefínu, 0 až 10 % molárnych diénu (napríklad 1,4-hexadién alebo 5-etyldién-2-norbomén);

(c) kopolyméry etylénu s aspoň jedným C₄-C|₂ alfa olefínom, výhodne 1-hexén, 1-oktén a podobné, a voliteľne diénom, vo všeobecnosti majúce hustotu medzi 0,86 až 0,90 g/cm³ a nasledovné zloženie: 75 až 97 % molámych etylénu, 3 až 25 % molámych alfa-olefínu, 0 až 5 % molámych diénu;

(d) polypropylén modifikovaný etylén/C₃-C₁₂ alfa-olefínovým kopolymérom, pričom hmotnostný pomer medzi polypropylénom a etylén/C₃-C₁₂ alfa-olefínovým kopolymérom je medzi 90/10 až 10/90, výhodne medzi 80/20 až 20/80.

Napríklad, do triedy (a) patria komerčné produkty Elvax® (Du Pont), Ľevapren® (Bayer) a Lotryl® (ElfAtochem), výrobky Dutral® (Enichem) alebo Nordel® (Dow-Du Pont) patria do triedy (b), výrobkami patriacimi do triedy (c) sú Engage® (Dow-Du Pont) alebo Exact® (Exxon), kým polypropylény modifikované etylén/alfa-olefínovými kopolymérmi sú komerčne dostupné pod obchodnými názvami Moplen® alebo Hifax® (Montell), alebo aj Fina-Pro® (Fina) a podobne.

Z triedy (d) sú predovšetkým výhodné termoplastické elastoméry obsahujúce kontinuálnu matricu termoplastického polyméru, napr. polypropylén, a jemné častice (vo všeobecnosti majúce priemer rádovo 1 až 10 pm) vulkanizovaného elastomerického polyméru, napr. sieťovaného EPR alebo EPDM, rozptýlené v termoplastickej matrici. Elastomerický polymér môže byť obsiahnutý v termoplastickej matrici v nevulkanizovanom stave a potom dynamicky zosieťovaný v pracovnom procese pridaním vhodného množstva zosieťovacieho činidla. Alternatívne, elastomérový polymér môže byť vulkanizovaný oddelene a potom rozptýlený do termoplastickej matrice vo forme jemných častíc. Termoplastické elastoméry tohto typu sú opísané napr. v US-4 104 210 alebo EP-324 430. Tieto termoplastické elastoméry sú výhodné a ukázali sa zvlášť účinné pri elastickej absorpcii radiálnych sil počas tepelných cyklov kábla v celom rozsahu pracovných teplôt.

Produkty známe zo stavu techniky na prípravu polovodivej polymémej kompozície sa môžu použiť nato, aby polymémemu materiálu dodali polovodivé vlastnosti. Predovšetkým sa môžu použiť elektrovodivé sadze, napríklad elektrovodivé retortové sadze alebo acetylénové sadze a pod. Plocha povrchu sadzí je vo všeobecnosti väčšia ako 20 m²/g, obyčajne medzi 40 až 500 m²/g. Výhodne sa môžu použiť vysokovodívé sadze, ktoré majú plochu povrchu najmenej 900 m²/g, ako aj napríklad retortové sadze komerčne známe pod obchodným názvom Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV).

Množstvo sadzí, ktoré sa má pridať do polymémej matrice, sa môže meniť v závislosti od typu polyméru a použitých sadzí, stupňa expanzie ktorý sa má získať, expandovacieho činidla a podobne. Množstvo sadzí teda musí byť také, aby dodalo expandovanému materiálu dostatočné polovodivé vlastnosti, predovšetkým aby expandovaný materiál získal hodnotu objemového odporu, pri izbovej teplote, menej ako 500 Q.m, výhodne menej ako 20 Ω.ηι Typicky množstvo sadzí môže byť v rozsahu medzi 1 až 50 % hmotn., výhodne medzi 3 až 30 % hmotn., vzhľadom na hmotnosť polyméru.

Kompaktná polovodivá vrstva, ktorá môže byť prítomná medzi izolačným plášťom a expandovanou vrstvou, ako aj vnútorná polovodivá vrstva, pričom obidve sú kompaktného typu, sú pripravené známymi technikami, predovšetkým extrúziou, polymérny materiál a sadze sú zvolené z uvedených pre expandovanú vrstvu.

Izolačná vrstva je výhodne pripravená extrúziou polyolefínu vybraného z uvedených pre expandovanú vrstvu, predovšetkým polyetylénu, polypropylénu, etylén/propylénových kopolymérov a podobne. Po extrúzii je materiál výhodne zosieťovaný známymi technikami, napríklad použitím peroxidov alebo prostredníctvom silánov.

Expandovanú vrstva môže byť pripravená extrúziou polymémeho materiálu obsahujúceho polovodivé plnivo a vodoodolný materiál na jadre kábla, t. j. zostave vodiča 1, vnútornej polovodivej vrstvy 2, izolačnej vrstvy 3 a podľa voľby kompaktnej polovodivej vrstvy 6. Samotné jadro kábla môže byť vyrobené extrúziou, predovšetkým koextrúziou troch vrstiev podľa známych techník.

Polymérny materiál môže byť zmiešaný s polovodivým plnivom, vodou napučiavajúcim materiálom a ďalšími voliteľnými bežnými aditívami podľa spôsobov známych v tejto oblasti. Miešanie sa môže uskutočniť, napríklad, použitím vnútorného mixéra typu s tangenciálnymi rotormi (Banbury) alebo penetračnými rotormi, alebo alternatívne v kontinuálnych mixéroch, ako sú typy Ko-Kneader (Buss), alebo typu súhlasne rotujúcich alebo proti sebe rotujúcich dvojitých skrutiek

Expanzia polyméru sa normálne vykonáva počas fázy extrúzie. Táto expanzia sa môže uskutočniť buď chemicky, pridaním vhodného množstva expandovacieho činidla, t. j. činidla schopného uvoľňovať plyn za špecifických tepelných a tlakových podmienok, alebo alternatívne, fyzikálne, vstrekovaním vysokotlakového plynu priamo do extrúdneho valca. Expandovacie činidlo sa výhodne pridáva do polymémeho materiálu len po pridaní plniva a ďalších aditív, ako je opísané v predchádzajúcom, a následným ochladením zmesi pod rozkladnú teplotu expandovacieho činidla, aby sa predišlo predčasnej expanzii polyméru. Predovšetkým sa expandovacie činidlo môže výhodne pridať k polymémej kompozícii počas extrúzie, napr. cez násypku extrudéra.

Príkladmi vhodných expandujúcich činidiel sú: azodikarbamid, para-toluénsulfonyl hydrazid, zmesi organických kyselín (napríklad kyseliny citrónovej) s uhličitanmi a/alebo diuhličitanmi (napríklad diuhličitan sodný) a pod.

Príkladmi plynov, ktoré môžu byť vstrekované za vysokého tlaku do extrúzneho valca, sú: dusík, oxid uhličitý, vzduch, uhľovodíky s nízkym bodom varu, napríklad propán alebo bután, halogénové uhľovodíky, napríklad metylén chlorid, trichlórfluórmetán, l-chloro-l,l-difluoroetán a podobne alebo ich zmesi.

Výhodne má dýza vo vytláčacej hlave priemer mierne menší ako je konečný priemer kábla s expandovaným plášťom, ktorý sa má získať, takže expanzia polyméru mimo extrudér dovoľuje dosiahnuť požadovaný priemer kábla.

Zvolené teploty extrúzie hlavne závisia od povahy polymémej matrice, expandovacieho činidla a požadovaného stupňa expanzie. Obyčajne sa uprednostňuje teplota extrúzie, nie je nižšia ako 140 °C na dosiahnutie dostatočného stupňa expanzie.

Expandovaný polymérny materiál môže alebo nemusí byť zosieťovaný. Zosieťovanie sa môže uskutočniť, po extrúzii a fáze expanzie, známymi technikami, predovšetkým zohrievaním v prítomnosti radikálového iniciátora, napríklad organického peroxidu, ako je dicumyl peroxid. Zosieťovanie sa môže vykonať aj prostredníctvom silánov, ktoré dovoľujú použiť polyméry zo spomínaných, predovšetkým polyolefín, ku ktorým sú kovalentne naviazané silánové jednotky obsahujúce aspoň jednu hydrolyzovateľnú skupinu, napríklad trialkoxysilánovú skupinu, a predovšetkým trimetoxysilánovú skupinu. Štepenie silánových jednotiek sa môže vykonať radikálovou reakciou so silánovými zložkami, napríklad metyl trietoxysilánom, dimetyldietoxysilánom, vinyldimetoxysilánom a podobne. Zosieťovanie sa vykonáva za prítomnosti vody a sieťujúcich katalyzátorov, napríklad organických titanátov alebo kovových karboxylátov. Zvlášť výhodným je dibutyltin dilaurát (DBTL).

Keď už bola expandovaná vrstva vyrobená, kábel sa uzavrie do kovového tienenia. Podľa výhodného vyhotovenia, v neprítomnosti aplikovaných síl, priemer expandovanej vrstvy je väčší ako vnútorný priemer kovového tienenia, aby sa dosiahol, potom čo bolo aplikované kovové tienenie, vopred určený stupeň predkompresie expandovanej vrstvy. Táto predkompresia umožňuje dosiahnuť optimálny kontakt medzi expandovanou vrstvou a kovovým tienením a dovoľuje vyrovnanie všetkých zvyškových deformácií expandovanej vrstvy, alebo aj istý stupeň plastickej deformácie kovového tienenia, počas fázy tepelnej kontrakcie izolačnej vrstvy.

Ak sa to požaduje, kovové tienenie môže byť pokryté ochranným plášťom, ktorý sa môže získať napríklad extrúziou polymémeho materiálu, obyčajne polyvinyl chloridu alebo polyetylénu.

Predložený vynález bude v ďalšom opísaný na niekoľkých ílustrativnych príkladoch uskutočnenia.

Príklady 1 - 2

Pripravili sa niektoré zmesi vhodné na vytvorenie expandovanej vrstvy podľa predloženého vynálezu. Kompozície sú uvedené v tabuľke 1 (v phr). Zložky zmesi sa spolu zmixovali v Banburyho uzavretom mixéri (pracovný objem 1,2 1), pričom sa vložil najskôr základný polymér, potom, po krátkom čase, sadze, vodou napučiavajúci prášok a ostatné aditíva (okrem expandujúceho činidla).

Mixovanie sa vykonávalo asi 6 minút s konečnou teplotou extrakčného materiálu okolo 150 °C. Na konci mixovacieho procesu sa do zmesi pridalo expandujúce činidlo, materiál bol ochladený na asi 100 °C, aby nedošlo k predčasnému rozkladu expandujúceho činidla, ktorý by mohol viesť k nekontrolovanej expanzii polyméru. Následne bola zmes kompresné vyformovaná pri asi 160 °C s použitím rámu s veľkosťou 200 x 200 mm a hrúbkou 3 mm. Zmes sa pridávala po množstvách, tak aby sa získala počiatočná vrstva hrubá 1 mm, tak aby sa zanechal dostatočný priestor polyméru na expanziu. Na testovacej vzorke sa merali nasledovné charakteristiky:

- relatívna hustota, a potom, poznajúc hustotu neexpandovaného materiálu, bol vypočítaný stupeň expanzie podľa uvedeného vzorca;

- merný objemový odpor pri izbovej teplote.

Údaje sú uvedené v tabuľke 1.

Niektoré vzorky boli umiestnené do vody, pričom bola pozorovaná stredná expanzia vodou napučiavajúceho prášku až po približne trojnásobok počiatočného objemu.

Príklad 3

Bol vyrobený stredno-napätový kábel s použitím kompozície podľa príkladu 1, podľa štruktúrnej schémy znázornenej na obr. 1. Polyméma kompozícia bola pripravená podľa príkladu 1, ale bez pridania expandujúceho činidla na zabránenie predčasnej expanzie kompozície. Expandujúce činidlo bolo zavedené až počas extrúzie, ako je opísané v ďalšom.

Jadro kábla, na ktoré bola umiestnená expandovaná vrstva, bolo tvorené vodičom z hliníka s prierezom 70 mm a pokryté nasledovnými vrstvami zosieťovaným peroxidom na reťazci:

- vnútorná polovodivá vrstva vyrobená z EPR obsahujúca sadze (hrubá 0,5 mm);

- izolačná vrstva vyrobená z EPR plnená kaolínom (hrubá 5,5 mm);

- vonkajšia polovodivá vrstva (kompaktná) vyrobená z EVA obsahujúca 35 % hmotn. N472 sadzí (hrúbka 0,5 mm).

Na uloženie expandovanej vrstvy na toto jadro kábla (majúce vonkajší priemer okolo 23 mm) sa použil 80 mm jednoskrutkový extrudér v konfigurácii 25 D. Extrudér bol vybavený počiatočnou sekciou valcového tvaru s pozdĺžnymi ryhami, plniacim hrdlom zásobníkového typu a závitovkovou vytláčacou skrutkou s dlž kou 25 D. Hĺbka drážky skrutky bola 9,6 mm v dodávacej zóne a 7,2 mm v konečnom úseku, pri celkovom kompresnom pomere skutky okolo 1 : 1,33.

V smere extrudéra bola usporiadaná elektricky zohrievaná ortogonálna extrúzna hlava vybavená dopravníkovým pásom s dvojitým švíkom. Použila sa nasledovná zostava dýz: vrcholová dýza s priemerom 24 mm, kruhovo kompresná dýza s priemerom 24 mm. Vrcholová dýza bolo vybraná so zámerom umožnenia ľahkého priechodu povliekaného jadra, s priemerom približne o 1 mm väčším ako priemer jadra, ktoré sa má povliekať. Kruhová dýza bola, na druhej strane, zvolená s priemerom o málo menším ako konečný priemer, ktorý sa má dosiahnuť, aby sa zabránilo expandovaniu materiálu v extrúznej hlave.

Bol použitý nasledovný tepelný profil (°C) pre extrudér a extrúznu hlavu:

Plniace hrdlo	Skrutka	Zóna 1	Zóna 2	Zóna 3	Zóna 4	Zóna 5	Zóna 6	Ústie-	Hlava
20	neutrál	160	170	180	185	190	195	200	200

Prietoková rýchlosť jadra, ktoré sa malo povliekať, bola daná ako funkcia požadovanej hrúbky expandovaného materiáfu. V našom prípade bofa použitá prenosová rýchlosť 1.2 m/min. Za týchto podmienok boli zistené nasledovné parametre·.

rýchlosť rotácie extrudéra:	1.2 ot/min.;
priemer polotovaru horúci: priemer polotovaru studený:	25,0 mm; 24,8 mm.

Polotovar bol chladený vzduchom. Priamy kontakt s chladiacou vodou sa nepoužil, aby nenastali problémy vedľajšieho znovu napučiavania vodu blokujúceho prášku. Získaný polotovar bol následne namotaný na cievku.

Materiál bol nanesený na jadro s hrúbkou okolo 1 mm. Tento materiál sa nechal chemicky expandovať, pridaním približne 2 % expandujúceho činidla Hydrocerol® CF 70 (karboxylová kyselina + bikarbonát sodný) do násypky extrudéra.

Elektrická vodivosť a stupeň expanzie sa merali na vzorkách expandovanej vrstvy takto získanej. Bol nameraný stupeň expanzie približne 20 %.

Rovnako boli vykonané testy expanzie materiálu v prítomnosti vody (vodublokujúci účinok): materiál bol napučiavaný, vplyvom prítomnosti vodou napučiavajúceho prášku, až do objemu okolo trojnásobku počiatočného objemu.

Príklad 4

Ako základný materiál bol použitý termoplastický elastomér na získanie expandovanej vrstvy podľa predloženého vynálezu. Kompozícia je uvedená v tabuľke 1 (vrátane expandujúceho činidla, ktoré bolo pridané len počas extrúzie). Mixovanie sa vykonalo v rovnakom Banburyho mixéri, ako je opísané v príkladoch 1 - 2, pričom čas mixovania bol asi 10 minút a konečná teplota extrahovaného materiálu bola okolo 195 °C. Po miešaní bol materiál granulovaný a zatavený do plastických vreciek, aby sa zabránilo absorpcii vlhkosti.

Príklad 5

Bol vyrobený stredno-napäťový kábel s použitím polymémej zmesi podľa príkladu 4, podľa schémy uvedenej na obr. 1.

Jadro kábla bolo tvorené hliníkovým vodičom majúcim priečny prierez 150 mm² a priemer 14,0 mm, a bolo pokryté nasledovnými vrstvami, zosieťovanými prostredníctvom peroxidu na priamkový reťazec:

- vnútorná polovodivá vrstva: výrobok LE 0595 od Borealis (hrúbka 0,6 mm);

- izolačná vrstva vyrobená z XLPE (hrúbka 4,65 mm);

- vonkajšia polovodivá vrstva (kompaktná): výrobok LE 0595 od Borealis (hrúbka 0,4 mm).

Expandovaná vrstva bola uložená na toto jadro (vonkajší priemer približne 25,3 mm) extrúziou technikou opísanou v príklade 3, s použitím 30 mm jednoskrutkového extrudéra v konfigurácii 24 D, vrcholová dýza s priemerom 25,7 mm, kruhovo kompresná dýza s priemerom 26,1 mm a s nasledovným tepelným profilom.

Plniace hrdlo	Skrutka	Zóna 1	Zóna 2	Zóna 3	Ústie	Hlava
20	premenlivá	190	200	210	200	200

Expandujúce činidlo bolo pridané počas extrúzie cez násypku extrudéra. Prietoková rýchlosť bola 2,9 m/min., s rýchlosťou skrutky 56 ot./min. Hrúbka expandovanej vrstvy po extrúzii a ochladení bola 0,65 mm.

Takto získaný kábel bol potom obalený lakovaným hliníkovým povlakom (hrúbka: 0,2 mm) s použitím lepidla na spojenie prekrývajúcich sa okrajov. Prípadne sa extrúziou aplikuje vonkajší plášť z PVC.

Dve trojmetrové časti finálneho kábla boli podrobené testovaniu prieniku vody pôsobením tepelných cyklov podľa Špecifikácie NF C 33-233 (Marec 1998). Po odstránení centrálnej časti (dĺžka: 50 mm) vonkajšie ho plášťa na dosiahnutie vonkajšej polovodivej vrstvy 4, vzorky kábla boli ponorené do vody a udržiavané pri izbovej teplote počas 24 hodín, a potom podrobené 10 tepelným cyklom, každý v trvaní 8 hodín (4 hodiny zohrievanie na 100 °C prietokom elektrického prúdu vodičom, a potom 4 hodiny ochladzovanie). Na konci testu sa nechala prenikať voda cez výrezy 20 cm na jednej strane a 25 cm na druhej strane, teda široko v rozsahu požiadaviek normy (na koncoch vzorky sa nemá objaviť žiadna voda).

Tabuľka 1

Príklad	1	2	4
Elvax® 470	100	-
Elvax® 2 65	—	100	—
Profax®PF 814	-	-	20
Santoprene® RC8001	-	—	80
Ketjenblack® EC 300	20	20	10
Irganox® 1010	0,5	0,5	0,2
Irganox® PS802	-	—	0,4
Waterlock® 1550	40	40	25
Hydrocerol® CF70	2	2	2
d0 (g/cmJ)	1,15	1,15	1,012
de (g/cmJ)	0,95	0,95	0,86
Stupeň expanzie (%)
Objemový odpor (Ώ.ητ)	<15	<15	2

Elvax® 470 (Du Pont): etylén/vinyl acetátový (EVA) kopolymér (18 % VA, index topenia 0,7);

Elvax® 265 (Du Pont): EVA kopolymér (28 % VA, index topenia 3,0);

Profax® PF 814 (Montell): izotaktický propylénový homoplymér (MFI = 3g/10'- ASTM D 1238);

Santoprene® RC8001 (Monsanto): termoplastický elastomér (89 % hmotn. vulkanizovaný EPR, 11 % hmotn. polypropylén);

Ketjenblack® EC (Akzo Chemie): vysokovodivé retortové sadze;

Waterlock® J55O (Grain Processing CO): spoločne zosieťovaná polyakrylítová kyselina (čiastočne tvoriaca soľ) (viac ako 50 % hmotn. častíc s priemerom medzi 10 až 45pm);

Hydrocerol® CF70 (Boehringer Ingelheim): Karboxylová kyselina s diuhličitanom sodným expandujúce činidlo;

Irganox® 1010: pentaerytryl-tetrakis (3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyfenyl) propionát (Ciba-Geigy);

Irganox® PS802 FL: distearyl tiodiprodionát (DSTDP) (Ciba-Geigy).

Claims (27)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektrický kábel obsahujúci vodič (1), aspoň jednu izolačnú vrstvu (3), vonkajšie kovové tienenie (6), a vrstvu expandovaného polymémeho materiálu (5) umiestnenú pod týmto kovovým tienením (6), vyznačujúci sa tým, že vrstva expandovaného polymémeho materiálu (5) je polovodivá a obsahuje vodou napučiavajúci materiál.
2. 2. Kábel podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že expandovaná vrstva (5) má vopred určený stupeň expandovania od 5 do 500 % na zabezpečenie elastickej absorpcie radiálnych síl tepelnej expanzie a kontrakcie kábla a na zachovanie polovodivých vlastností.
3. 3. Kábel podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že stupeň expandovania expandovanej vrstvy (5) je medzi 10 % a 200 %.
4. 4. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že hrúbka expandovanej vrstvy (5) je aspoň 0,1 mm.
5. 5. Kábel podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že hrúbka expandovanej vrstvy (5) jc medzi 0,2 až 2 mm.
6. 6. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že obsahuje kompaktnú polovodivú vrstvu (4) umiestnenú medzi izolačným povlakom (3) a expandovanou vrstvou (5).
7. 7. Kábel podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že kompaktná polovodivá vrstva (4) má hrúbku od 0,1 do 1 mm.
8. 8. Kábel podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že kompaktná polovodivá vrstva (4) má hrúbku od 0,2 do 0,5 mm.
9. 9. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že vodou napučiavajúci materiál je vo forme prášku.
10. 10. Kábel podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že vodou napučiavajúci materiál je vo forme prášku, ktorý má priemer častíc nie väčší ako 250 pm a priemernú veľkosť priemeru častíc od 10 do 100 pm.
11. 11. Kábel podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že množstvo častíc, majúcich priemer od 10 do 50 pm vo vodou napučiavajúcom materiáli, je aspoň 50 % hmotn., vzhľadom na celkovú hmotnosť prášku.
12. 12. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že vodou napučiavajúci materiál je homopolymér alebo kopolymér majúci hydrofilné skupiny pozdĺž polymémeho reťazca.
13. 13. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že vodou napučiavajúci materiál je prítomný v množstve od 5 do 120 phr.
14. 14. Kábel podľa nároku 13, vyznačujúci sa tým, že vodou napučiavajúci materiál je prítomný v množstve od 15 do 80 phr.
15. 15. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že polymény materiál, ktorý vytvára expandovanú vrstvu (5), je expandovaný polymér vybraný zo skupiny zahrnujúcej: polyolefíny, kopolyméry rôznych olefínov, kopolyméry olefínov s etylénovo nenasýteným esterom, polyestery, polykarbonáty, polysulfóny, fenolové živice, močovinové živice a ich zmesi.
16. 16. Kábel podľa nároku 15, vyznačujúci sa tým, že polymémym materiálom je olefínový polymér alebo kopolymér na báze etylénu a/alebo propylénu.
17. 17. Kábel podľa nároku 16, vyznačujúci sa tým, že polymémy materiál je vybraný zo skupiny zahrnujúcej:

    (a) kopolyméry etylénu s etylénovo nenasýteným esterom, pričom množstvo nenasýteného esteru je medzi 5 až 80 % hmotn.;

    (b) elastomérne kopolyméry etylénu s aspoň jedným C₃ až C₁₂ alfa-olefínom, a prípadne diénom, majúce nasledovné zloženie: 30 až 90 % molámych etylénu, 10 až 65 % molámych alfa-olefínu a prípadne do 10 % molámych diénu;

    (c) kopolyméry etylénu s aspoň jedným C₄ až C_i2 alfa olefínom a prípadne diénom, majúce hustotu medzi 0,86 až 0,90 g/cm³;

    (d) polypropylény modifikované etylénom/C₃ až C₎₂ alfa-olefínovým kopolymérom, pričom hmotnostný pomer polypropylénu a etylén/C₃ až C_]2 alfa-olefínových kopolymérov je medzi 90/10 až 10/90.
18. 18. Kábel podľa nároku 17, v y z n a č u j ú c i sa tým, že polymémy materiál je termoplastický elastomér obsahujúci kontinuálnu matricu z termoplastického polyméru a jemné častice vytvrdeného elastomémeho polyméru dispergované v tomto termoplastickom polyméri.
19. 19. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, žeexpandovaná vrstva (5) má hodnotu objemového merného odporu pre expandovaný materiál pri izbovej teplote menej ako 500 Ωπι.
20. 20. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, žeexpandovaná vrstva (5) obsahuje od 5 do 80 % hmotn. elektrovodivých sadzí.
21. 21. Kábel podľa nároku 20, vyznačujúci plochu najmenej 20 m²/g.
22. 22. Kábel podľa nároku 21, vyznačujúci menej 900 m²/g.
23. 23. Kábel podľa nároku 20, vyznačujúci

    10 až 70 % hmotn.
24. 24. Kábel podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, v pandovaná vrstva (5) je získaná extrúziou.
25. 25. Kábel podľa nároku 24, vyznačujúci behu extrúzie pridaním expanzného činidla.
26. 26. Kábel podľa nároku 24, vyznačujúci behu extrúzie vstrekovaním vysokotlakového plynu.
27. 27. Kábel podľa ľubovoľného z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že priemer expandovanej vrstvy (5), bez prítomnosti aplikovaných síl, je väčší ako vnútorný priemer kovového tienenia (6).

    tým, tým, s a tým, sa tým že elektrovodivé sadze majú povrchovú že sadze majú povrchovú plochu najže sadze sú prítomné v množstve medzi že expanzia vrstvy (5) je získaná v prieže expanzia vrstvy (5) je získaná v prie-