WO1999030334A1 - Cables auto-regulants extrudes et leur procede de fabrication - Google Patents

Cables auto-regulants extrudes et leur procede de fabrication Download PDF

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    • H01B7/295—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame using material resistant to flame

Definitions

  • the invention relates to self-regulating cables of any structure in which the material having a PTC behavior, that is to say having a positive temperature coefficient, is an alloy of compatible polymers.
  • the invention also relates to the method for manufacturing self-regulating cables in which the alloy with PTC behavior is implemented by extrusion without an additional crosslinking or heat treatment step around electrically conductive strands.
  • the self-regulating cables currently on the market are of two types: either of the polyethylene type or of the fluoropolymer type as described in patent EP 40,537.
  • self-regulating cables of the polyethylene type must be crosslinked, or else, as described in US Pat. No. 3,861,029, they must undergo an additional heat treatment of the annealed type, which increases their cost.
  • Self-regulating cables of fluoropolymer type have the disadvantage of being fragile and of being of high cost.
  • This self-regulating cable is characterized by the fact that the ma- material with PTC behavior is an alloy of compatible polymers comprising, the percentages being expressed by weight relative to the weight of said polymers:
  • matrix polymer chosen from the group comprising poly (C ⁇ -C 4 alkylene) terephthalates, polyamides , polypropylenes, polycarbonates, copolymers of polyester and polyether, polyketones and polymethyl methacrylates,
  • conductive fillers such as carbon black
  • alloy of compatible polymers means a mixture of at least two polymers which are immiscible but which are compatible or a mixture of at least two polymers which are immiscible and not compatible but which are made compatible by addition of a compatibilization agent.
  • the polar polyolefin used in the composition of the alloy with PTC behavior is very little crystalline.
  • it is an elastomer and it is chosen from copolymers of ethylene / vinyl acetate, ethylene / alkyl acrylate C ⁇ ⁇ C 4 , or mixtures thereof. More preferably, an ethylene / ethyl acrylate or ethylene / methyl acrylate copolymer is used.
  • CTP is chosen from polypropylenes, polyesters, and aliphatic polyketones, polyamides, polycarbonates, polyester and polyether copolymers or mixtures thereof.
  • this polymer is a polyester, it is preferred to use poly (C 1 -C alkylene) terephthalates, such as polybutyleneterephthalate or polyethyleneterephthalate.
  • polybutylene terephthalate is preferred.
  • Examples of aliphatic polyketone include that marketed by SHELL under the CHIME ® brand and under the BP KETONEX ® brand. This matrix polymer has a high melting temperature, this melting temperature determining the maximum temperature for using the cable according to the invention.
  • the polymer is generally crystalline with the exception of polyethylene terephthalate, which can be used in the present invention in crystalline or amorphous form.
  • the alloy with PTC behavior can incorporate various additives, for example antioxidants and non-conductive fillers.
  • additives for example antioxidants and non-conductive fillers.
  • the choice of additives will of course depend on the end use envisaged for the self-regulating cable according to the invention.
  • the conductive filler is preferably carbon black.
  • any other electrical charge can be used alone or as a mixture, in particular with carbon black.
  • the self-regulating cable according to the invention has an excellent ratio of the starting current intensity to the nominal current intensity and an excellent linear power as well as quite satisfactory aging characteristics.
  • the self-regulating cables according to the invention have the following characteristics:
  • FIG. 1 represents an exploded view of a self-regulating cable according to the invention
  • FIG. 2 represents the curves of the linear power as a function of the temperature of a self-regulating cable according to the invention and of a self-regulating cable of the prior art
  • FIGS. 3 and 4 represent photographs by electron microscopy showing the composite structure of the material of an alloy of compatible polymers used in a PTC cable according to the invention, after extraction of the polar olefin, at magnifications 1250 and 640 respectively.
  • the self-regulating cable 1 consists of two strands 2 of wires 3 of nickel-plated copper. These strands are parallel to each other and arranged longitudinally in the cable 1 along the two opposite edges thereof. These strands are held in position by extrusion around them of a ribbon 4 made of an alloy of compatible polymers with PTC behavior as described above. Around this strip 4 is extruded a layer 5 of insulating material, such as flame retardant polypropylene or ethylene chlorotrifluoroethylene. A sleeve 6 consisting of a metal braid is placed around the layer 5 of insulating material. The whole is protected by an external insulating sheath 7.
  • the mixture therefore comprises approximately 8% by weight of carbon black.
  • the ribbon 4 thus obtained has the following characteristics:
  • a 60/40 polyethylene-ethylene / ethyl acrylate mixture was extruded around two strands of copper wire and was then crosslinked.

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Abstract

La présente invention porte sur un câble auto-régulant dont le matériau à comportement CTP est un alliage extrudable de polymères compatibles comprenant, les pourcentages étant exprimés en poids par rapport au poids desdits polymères: de 20 à 50 % d'au moins une polyoléfine polaire; de 50 à 80 % d'au moins un polymère de matrice choisi parmi les poly(alkylène en C1-C4)téréphtalates, les polyamides, les polypropylènes, les polycarbonates, les copolymères de polyester et de polyéther, les polycétones et les polyméthacrylates de méthyle, ou leurs mélanges; de 5 à 15 %, de préférence de 5 à 10 % d'au moins une charge conductrice telle que le noir de carbone; et éventuellement des charges non conductrices. Elle porte également sur le procédé de fabrication de ce câble auto-régulant.

Description

CABLES AUTO-REGULANTS EXTRUDES ET LEUR PROCEDE
DE FABRICATION.
L'invention porte sur des câbles auto-régulants de n'importe quelle structure dans lesquels le matériau ayant un comportement CTP, c'est-à-dire présentant un coefficient de température positif, est un alliage de polymères compatibles. L'invention porte également sur le procédé de fabrication de câbles auto-régulants dans lequel l'alliage à comportement CTP est mis en œuvre par extrusion sans étape complémentaire de réticulation ou de traitement thermique autour de torons électriquement conducteurs.
Les câbles auto-régulants actuellement sur le marché sont de deux types : ou bien de type polyéthylène ou bien de type polymères fluorés tels que décrits dans le brevet EP 40 537.
Cependant, les câbles auto-régulants de type polyéthylène doivent être réticulés, ou bien, comme décrit dans le brevet US 3,861,029, ils doivent subir un traite- ment thermique supplémentaire du type recuit, ce qui augmente leur coût. Les câbles auto-régulants de type polymères fluorés présentent quant à eux l'inconvénient d'être fragiles et d'être d'un coût élevé.
Il existe donc un réel besoin pour des câbles au- to-régulants, extrudables, économiques, présentant un excellent rapport de l'intensité de démarrage sur l'intensité de courant maximal et une excellente puissance linéique ainsi qu'une bonne stabilité au vieillissement.
La Société Déposante, après de nombreuses recher- ches, a eu le grand mérite de trouver un câble auto- régulant présentant l'ensemble de ces caractéristiques. Ce câble auto-régulant est caractérisé par le fait que le ma- tériau à comportement CTP est un alliage de polymères compatibles comprenant, les pourcentages étant exprimés en poids par rapport au poids desdits polymères :
- de 20 à 50% d'au moins une polyoléfine polaire, - de 50 à 80% d'au moins un polymère dit "de matrice" choisi dans le groupe comprenant les poly (alkylène en Cι-C4) téréphtalates, les polyamides, les polypropylènes, les polycarbonates, les copolymères de polyester et de polyether, les polycétones et les polymethacrylates de méthyle,
- de 5 à 15%, de préférence de 5 à 10% de charges conductrices, telles que le noir de carbone,
- et éventuellement des charges non conductrices.
Dans la présente invention, on entend par "alliage de polymères compatibles" un mélange d'au moins deux polymères qui sont non miscibles mais qui sont compatibles ou un mélange d'au moins deux polymères non miscibles et non compatibles mais rendus compatibles par l'addition d'un agent de compatibilisation. La mise en œuvre d'un tel al- liage de polymères compatibles par extrusion permet d'obtenir une structure composite.
Selon l'invention, la polyoléfine polaire entrant dans la composition de l'alliage à comportement CTP est très peu cristalline. De préférence il s'agit d'un élasto- mère et elle est choisie parmi les copolymères d'éthy- lène/acétate de vinyle, éthylène/acrylate d'alkyle en Cι~ C4, ou leurs mélanges. Plus préférentiellement on utilise un copolymère d' éthylène/acrylate d'éthyle ou éthylène/acrylate de méthyle. Le polymère de matrice de l'alliage à comportement
CTP est choisi parmi les polypropylènes, les polyesters, et les polycétones aliphatiques, les polyamides, les polycarbonates, les copolymères de polyester et de polyether ou leurs mélanges. Lorsque ce polymère est un polyester, on préfère utiliser les poly (alkylène en Cι~ C ) téréphtalates, tels que le polybutylènetéréphtalate ou le polyéthylènetéréphtalate . On préfère le polybutylènetéréphtalate. A titre d'exemple de polycétone aliphatique, on peut citer celle commercialisée par les sociétés SHELL sous la marque CARILLON® et BP sous la marque KETONEX®. Ce polymère de matrice a une température de fusion élevée, cette température de fusion déterminant la température maximale d'utilisation du câble selon l'invention.
Le polymère est généralement cristallin à l'exception du polyéthylènetéréphtalate, qui peut être utilisé dans la présente invention sous forme cristalline ou amorphe .
L'alliage à comportement CTP peut incorporer différents additifs, par exemple des agents antioxydants et des charges non conductrices. Le choix des additifs sera bien entendu fonction de l'utilisation finale envisagée pour le câble auto-régulant selon l'invention.
Pour des raisons de coût, la charge conductrice est de préférence le noir de carbone. Bien entendu toute autre charge électrique peut être utilisée seule ou en mélange notamment avec le noir de carbone.
Le câble auto-régulant selon l'invention présente un excellent rapport de l'intensité de courant de démarrage sur l'intensité de courant nominal et une excellente puissance linéique ainsi que des caractéristiques de vieillissement tout à fait satisfaisantes. De préférence, les câbles auto-régulants selon l'invention présentent les caractéristiques suivantes :
- rapport de l'intensité du courant de démarrage sur l'intensité du courant nominal à 10°C, inférieur à 3 de pré- férence inférieur à 2, et plus préférentiellement encore inférieur à 1,5 ; et
- puissance linéique à 10°C comprise entre 5 /m et 130 /m mesurée selon la norme DIN VDE 0254.
La présente invention porte également sur un pro- cédé caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes dans lesquelles :
- on mélange les différents constituants de l'alliage à comportement CTP décrit ci-dessus,
- on extrude le mélange ainsi obtenu sous forme de granu- lats,
- on extrude ensuite lesdits granulats autour de torons électriquement conducteurs sans avoir recours ni à une étape de réticulation ni à une étape de traitement thermique, - on recouvre le ruban ainsi formé d'un matériau électriquement isolant,
- puis on insère l'ensemble dans un manchon métallique protecteur,
- et enfin on entoure le manchon d'une gaine isolante. Ces câbles sont donc réalisés sans réticulation ni traitement thermique, par extrusion de l'alliage à comportement CTP autour de câbles conducteurs.
La présente invention va maintenant être décrite plus en détail avec références aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une vue éclatée d'un câble auto- régulant conforme à l'invention,
- la figure 2 représente les courbes de la puissance linéique en fonction de la température d'un câble auto- régulant selon l'invention et d'un câble auto-régulant de l'art antérieur,
- les figures 3 et 4 représentent des photographies en mi- croscopie électronique montrant la structure composite du matériau d'un alliage de polymères compatibles utili- se dans un câble CTP selon l'invention, après extraction de l'oléfine polaire, à des grossissements respectivement de 1250 et 640.
Sur la figure 1, le câble auto-régulant 1 selon l'invention est constitué de deux torons 2 de fils 3 de cuivre nickelé. Ces torons sont parallèles entre eux et disposés longitudinalement dans le câble 1 le long des deux bords opposés de celui-ci. Ces torons sont maintenus en position par extrusion autour de ceux-ci d'un ruban 4 en alliage de polymères compatibles à comportement CTP tel que décrit ci-dessus. Autour de ce ruban 4 est extrude une couche 5 de matériau isolant, tel que polypropylène ignifugé ou éthylène chlorotrifluoroéthylène . Un manchon 6 constitué par une tresse métallique est disposé autour de la couche 5 de matériau isolant. L'ensemble est protégé par une gaine externe isolante 7.
Exemple 1 :
Préparation d'un alliage de polymères compatibles selon l'invention pour un câble auto-régulant
On mélange dans une extrudeuse 60% de polybutylènetéréphtalate de marque VESTODUR® 3000 fabriqué par la Société HULS, 20% de copolymère éthylène/acrylate de méthyle de type 24 MA005 fabriqué par la Société ELF ATOCHEM et 20% de copolymère éthylène/acrylate d'éthyle chargé de 37% de noir de carbone vendu sous la marque LE7704® par la Société BOREALIS.
Le mélange comprend donc environ 8% en poids de noir de carbone.
On extrude ce mélange à 260°C. On obtient alors des granulés que l'on extrude à nouveau en la forme d'un ruban plat comprenant en ses deux bords parallèles des torons de cuivre afin de réaliser un ruban auto-régulant 4 selon la figure 1.
Aucune réticulation, ni aucun traitement thermique supplémentaire ne sont nécessaires.
Le ruban 4 ainsi obtenu présente les caractéristiques suivantes :
- épaisseur: 1,7 mm
- largeur: 8,2 mm - rapport de l'intensité du courant de démarrage sur l'intensité du courant nominal, à 10°C : 1,4.
La courbe de la puissance linéique en fonction de la température est représentée sur la figure 2.
On extrait alors les copolymères et on photogra- phie au microscope électronique la structure du matériau résultant. Les photographies sont données sur les figures 3 et 4.
Exemple 2 (comparatif) :
Câbles auto-régulants de type polyoléfines
Un mélange de polyéthylène-éthylène/acrylate d'éthyle 60/40 a été extrude autour de deux torons de fils de cuivre puis a été réticulé.
Le ruban ainsi obtenu présente les caractéristiques suivantes :
- épaisseur: 1,45mm
- largeur: 8,2mm - rapport de l'intensité de courant de démarrage sur l'intensité du courant nominal à 10°C : 3,3
La courbe de la puissance linéique en fonction de là température est représentée sur la figure 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Câble auto-régulant caractérisé par le fait que le matériau à comportement CTP (Coefficient à Température Positif) est un alliage extrudable de polymères compatibles comprenant, les pourcentages étant exprimés en poids par rapport au poids desdits polymères :
- de 20 à 50% d'au moins une polyoléfine polaire,
- de 50 à 80% d'au moins un polymère de matrice choisi parmi les poly (alkylène en Cι-C4) téréphtalates, les polyamides, les polypropylènes, les polycarbonates, les copolymères de polyester et de polyether, les polycétones et les polymethacrylates de méthyle, ou leurs mélanges,
- de 5 à 15%, de préférence de 5 à 10% de charges conduc- trices telles que le noir de carbone, et,
- éventuellement des charges non conductrices.
2. Câble auto-régulant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la polyoléfine polaire est choisie parmi les copolymères éthylène/acétate de vinyle, éthylène/acrylate d'alkyle en Cχ-C4, ou leurs mélanges, de préférence éthylène/acrylate d'éthyle ou éthylène/acrylate de méthyle.
3. Câble auto-régulant selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le po- lymère de matrice est cristallin et est de préférence le polybutylènetéréphtalate
4. Câble auto-régulant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'alliage comprend au moins un agent stabilisant.
5. Câble auto-régulant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il présente :
- un rapport de l'intensité de démarrage sur l'intensité de courant maximal, à 10°C, inférieur à 3, de préférence inférieur à 2, et plus préférentiellement encore supérieur à 1,5,
- et une puissance linéique à 10°C comprise entre 5 W/m et 130 W/m mesurée selon la norme DIN VDE 0254.
6. Procédé de fabrication d'un câble auto-régulant sans réticulation ni traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes dans lesquelles :
- on mélange les différents composants de l'alliage à com- portement CTP,
- on extrude le mélange ainsi obtenu afin d'obtenir des granulats,
- on extrude les granulats autour de torons électriquement conducteurs sans avoir recours ni à une étape de réticu- lation ni à une étape de traitement thermique,
- on recouvre ensuite le ruban ainsi formé d'un matériau électriquement isolant
- puis on insère l'ensemble dans un manchon métallique protecteur, - enfin on entoure le manchon d'une gaine isolante.
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