WO2010055247A1 - Cable electrique resistant au feu - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2383/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Derivatives of such polymers
- C08J2383/04—Polysiloxanes
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2423/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Derivatives of such polymers
Definitions
- the present invention relates to an electrical cable comprising a set of insulated electrical conductors and a method of manufacturing said cable.
- Each insulated electrical conductor is formed by an electrical conductor surrounded by an insulating layer obtained from a composition comprising a polymeric material and at least one ceramic-forming filler, said insulating layer thus being able to convert at least superficially into the Ceramic condition at high temperatures corresponding to fire conditions.
- the polymeric material of this single insulating layer is selected from a polysiloxane and an ethylene copolymer, or a mixture thereof.
- this security cable of the prior art even if it has good fire resistance properties, is mechanically fragile. More particularly, insulated electrical conductors are sensitive to the various mechanical stresses typically experienced by these cables during their manufacture, transport, handling, installation or connection.
- the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art techniques by proposing in particular an easily manipulated electric cable, limiting the risk of mechanical degradation of the insulated electrical conductors that compose it, while maintaining fire resistance properties excellent meeting the standard NF C 32-070 CRl.
- the present invention relates to an electric cable comprising:
- each insulated electrical conductor comprising an electrical conductor surrounded by an insulating layer able to convert at least superficially in the ceramic state to high temperatures corresponding to fire conditions, and an outer sheath surrounding all the insulated electrical conductors, empty spaces being provided between said sheath and the set of insulated electrical conductors, characterized in that said insulating layer comprises a first reticulated layer surrounding the electrical conductor, and a second cross-linked layer surrounding said first layer, the first layer being obtained from a first composition comprising a polyorganosiloxane-based polymer matrix, and the second layer being obtained from a second composition comprising a polyolefin-based polymer matrix.
- polyorganosiloxane-based polymer matrix denotes a polymer matrix comprising only one or more polymers, predominantly polyorganosiloxane
- polyolefin-based polymer matrix denotes a polymer matrix, comprising only one or more polymers, predominantly polyolefin
- the electrical safety cable comprising the insulating layer according to the invention meets the NF C 32-070 CRl standard.
- the electrical conductors are thus protected against fire, or in other words, the electric cable can guarantee a fire behavior of high quality in terms, at least, of cohesion of the ashes.
- the polyorganosiloxane, or polyorganosiloxane polymer, according to the present invention contains at most 4%, preferably from 0.01 to 3%, by weight, of vinyl group.
- these polyorganosiloxane polymers have viscosities at 25 ° C. of between 50,000 and 1,000,000 mPa.s, they are called oils, but their viscosity may be greater than 1,000,000 mPa.s and they are then called gums.
- the polyorganosiloxane polymers may be oils or gums or mixtures.
- the polyorganosiloxane contains at most 4% by weight of vinyl groups and has a viscosity of at least 1 million mPa.s at 25 ° C., preferably a viscosity of approximately 20 million mPa.s at 25 ° C.
- These polyorganosiloxanes are linear polymers whose diorganopolysiloxane chain consists essentially of units of formula R 2 SiO.
- R 3 Si O, 5 and / or a radical of formula OR ' represent monovalent hydrocarbon radicals such as alkyl radicals, for example methyl, ethyl, propyl, octyl, octadecyl, etc., aryl radicals, for example phenyl, tolyl, xylyl, etc.
- aralkyl radicals such as benzyl, phenylethyl, etc., cycloalkyl and cycloalkenyl radicals such as cyclohexyl, cycloheptyl, cyclohexenyl radicals, etc., alkenyl radicals, for example vinyl radicals, allyl radicals, etc., alkaryl radicals, cyanoalkyl radicals such as a cyanoethyl radical, etc., haloalkyl, haloalkenyl and haloaryl radicals, such as chloromethyl 3,3,3-tripropylpropyl, chlorophenyl, dibromophenyl or trifluoromethylphenyl radicals,
- R ' represents a hydrogen atom, an alkyl radical having from 1 to 4 carbon atoms, the betamethoxyethyl radical.
- At least 60% of the R groups represent methyl radicals.
- radicals of formula OR ' may be mentioned those of formulas: OH, -OCH 3 , -OC 2 H 5 , -On.C 3 H 7 , -O-isoC 3 H 7 -On.C 4 H 9 , -OCH 2 CH 2 OCH 3 .
- oils and gums are sold by silicone manufacturers or can be manufactured by operating according to techniques already known.
- the polyolefin of the second composition according to the invention may be chosen from homopolymers and copolymers of ethylene, or their mixture.
- homopolymers of ethylene low density polyethylene (LDPE) can be mentioned.
- the ethylene copolymers can be chosen advantageously from ethylene / octene (PEO) copolymers, ethylene / vinyl acetate (EVA) copolymers, ethylene / butyl acrylate (EBA) copolymers, ethylene / methyl acrylate copolymers (EMA) and ethylene / ethyl acrylate copolymers (EEA), ethylene / propylene / rubber copolymers (EPR), and ethylene / propylene / diene / monomer copolymers (EPDM) ), or their mixture.
- ethylene copolymer mention may be made of ethylene / vinyl acetate copolymers (EVA).
- the first composition further comprises at least one ceramic forming filler under the effect of high temperatures of a fire.
- the second composition further comprises at least one flame retardant inorganic filler and / or at least one ceramic forming filler.
- the ceramic forming filler, or ceramizable filler, mentioned in the present description may comprise at least one mineral filler of the fusible ceramic filler and / or filler type. refractory, and preferably at least one fusible ceramic filler and at least one refractory filler, so that the first layer provides sufficient insulation when the organic part of the insulating layer, more particularly the second layer, has disappeared due to combustion phenomena.
- the fusible ceramic filler has a melting temperature lower than an elevated temperature T, and the refractory filler has a melting temperature greater than said temperature T.
- This temperature T is advantageously at least 75 ° C., and can reach HOO 0 C.
- the fusible ceramic filler may be at least one inorganic filler selected from boron oxides (eg B 2 O 3 ), anhydrous zinc borates (eg 2ZnO 3B 2 O 3 ) or hydrated borates (eg 4ZnO B 2 O 3 H 2 O or 2ZnO 3B 2 O 3 3.5H 2 O), and anhydrous (eg BPO 4 ) or hydrated boron phosphates, or a precursor thereof.
- boron oxides eg B 2 O 3
- anhydrous zinc borates eg 2ZnO 3B 2 O 3
- hydrated borates eg 4ZnO B 2 O 3 H 2 O or 2ZnO 3B 2 O 3 3.5H 2 O
- anhydrous (eg BPO 4 ) or hydrated boron phosphates a precursor thereof.
- This fusible ceramic charge typically has a melting point of less than 500 ° C. and gives rise to a glass when the temperature exceeds 500 ° C.
- the refractory filler may be at least one inorganic filler selected from magnesium oxides (eg MgO), calcium oxides (eg CaO), silicon oxides (eg SiO 2 or quartz), aluminum oxides or aluminas ( eg AI 2 O 3 ), chromium oxides (eg Cr 2 O 3 ), zirconium oxides (eg ZrO 2 ) and phyllosilicates such as, for example, montmorillonites, sepiolites, illites, attapulgites, talcs, kaolin or micas (eg muscovite mica 6 SiO 2 - 3 Al 2 O 3 - K 2 O - 2H 2 O), or a mixture thereof
- magnesium oxides eg MgO
- CaO calcium oxides
- silicon oxides eg SiO 2 or quartz
- aluminum oxides or aluminas eg AI 2 O 3
- chromium oxides eg Cr 2 O 3
- zirconium oxides e
- the flame retardant mineral filler mentioned in the present description may be a hydrated flame retardant mineral filler, chosen in particular from metal hydroxides such as, for example, magnesium hydroxide or aluminum trihydroxide.
- the empty spaces favor the complete combustion of the outer sheath subjected to fire, because of the presence of oxygen in these spaces, and the transformation of this cladding into residual ashes detached from the insulating layer of the electrical conductors .
- the voids do not include, for example, no polymeric stuffing material (or polymeric stuffing material) between the set of insulated electrical conductors and the outer sheath.
- This outer sheath is typically called tubular sheath or tubular sheath.
- the voids of the electrical cable occupy at least 10% of the cross-section of said cable.
- the electrical cable according to the invention is free of metal screen such as for example a metal strip or a composite tape positioned along said cable between the set of insulated electrical conductors and the outer sheath.
- metal screen such as for example a metal strip or a composite tape positioned along said cable between the set of insulated electrical conductors and the outer sheath.
- composite tape is meant a ribbon composed of layers of metal and polymer. Said metal strip or said metal layers of the composite tape may be for example copper or aluminum. This type of metal screen limits or cancels the benefit of said voids and thus significantly disrupts the ceramization process of the ashes of insulating layers leading to the non-compliance of the fire resistance tests.
- the outer sheath comprises a polyolefin-based matrix and at least one hydrated flame retardant mineral filler selected in particular from metal hydroxides such as, for example, magnesium hydroxide or aluminum trihydroxide.
- the electric cable according to the invention does not comprise halogenated compounds.
- halogenated compounds can be of any kind, such as, for example, fluorinated polymers or chlorinated polymers such as polyvinyl chloride (PVC), halogenated plasticizers, halogenated mineral fillers, etc.
- the thickness of the first layer is from 0.10 mm to 1.50 mm and the thickness of the second layer is from 0.05 mm to 1, 50 mm, especially when the (transversal) section of the electrical conductor is 1.5 mm 2 to 4 mm 2 .
- the thickness of the first layer is preferably 0.30 mm to 0.80 mm, and more preferably 0.45 mm.
- the thickness of the second layer is preferably from 0.10 mm to 0.50 mm, and more preferably from 0.35 mm.
- the thickness of the first layer is preferably 0.30 mm to 0.90 mm, and more preferably 0.50 mm.
- the thickness of the second layer is preferably from 0.10 mm to 0.60 mm, and more preferably from 0.40 mm.
- the thickness of the first layer is preferably 0.35 mm to 1 mm, and more preferably 0.55 mm. mm.
- the thickness of the second layer is preferably 0.10 mm to 0.70 mm, and more preferably 0.45 mm.
- Another object according to the invention is a method of manufacturing an electric cable as described above according to the invention, characterized in that it comprises the steps of:
- the first and second compositions are, on the one hand, extruded and, on the other hand, crosslinked by conventional techniques well known to those skilled in the art in order to obtain an extruded and crosslinked insulating layer.
- step i may consist of: i. extruding around an electrical conductor the first composition using a first extruder and the second composition using a second extruder, the first and second extruder having a single head extrusion, to form at the exit of the extruder the insulating layer of the insulated electrical conductor, i.2 crosslink the insulating layer extruded from step i. l, the steps ii and iii of the method as described above remaining unchanged.
- Step i. Extrusion is called coextrusion.
- step i may consist of:
- Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an electric cable according to the invention.
- the electric cable shown in FIG. 1 comprises three electrical conductors 1, a first insulating layer 2a (inner layer) around each electrical conductor 1, a second insulating layer 2b (outer layer) around each first insulating layer 2a, and a sheath outside 3 surrounding all three insulated electrical conductors, the insulated electrical conductors being of substantially circular cross section.
- This outer sheath 3 provides empty spaces 4 between it and all the insulated electrical conductors it surrounds.
- This outer sheath 3 is called tubular since it leaves the insulated electrical conductors free inside said sheath.
- the inner layer 2a is made from a first composition comprising a polyorganosiloxane-based polymer matrix
- the outer layer 2b is made from a second composition comprising a polyolefin-based polymer matrix, these two compositions being extruded. and crosslinked.
- the outer sheath 3 is made from a flame retardant composition comprising a polymer matrix based on polyolefin.
- compositions are prepared:
- - CO2 composition based on EVA and comprising flame retardant fillers
- - CO3 composition being a 50/50 mixture of the composition
- compositions COl to CO3 further comprising an organic peroxide crosslinking agent.
- the compositions CO1 to CO3 are mixed, for example, in an internal mixer.
- the mixing temperature of the The composition COl is such that it makes it possible to soften the polyorganosiloxane while avoiding initiating the decomposition of the organic peroxide.
- the mixing temperature is between 30 ° C. and 50 ° C.
- the mixing temperature of the CO 2 and CO 3 compositions is such that it allows the polyolefin to melt (melt) while avoiding initiate the decomposition of the organic peroxide.
- the maximum mixing temperature is 115 ° C.
- compositions CO1 to CO3 are then extruded (step i) and deposited around a 1.78 mm diameter copper wire (circular section of the copper of 2.5 mm 2 ) so as to obtain the following layers:
- an insulating layer CI1 (monolayer) from the composition CO1; an insulating layer CI2 (monolayer) from the composition CO 2,
- an insulating layer CI4 (bilayer) comprising a first layer CI4-1, of composition identical to the composition CO1, deposited around the electric wire, and a second layer CI4-2, of composition identical to the composition CO2, deposited around the first layer CI4-1.
- the insulating layers CI1 to CI4 have an identical thickness equal to 0.9 mm.
- compositions CO1 and CO2 are extruded on said electric wire respectively with the aid of two extruders comprising one and the same extrusion head, the composition CO 2 (outer layer) covering the COl composition (inner layer).
- This is called coextrusion of COl compositions and CO2.
- the insulating layer CI4 thus consists of the inner layer with a thickness of 0.5 mm and the outer layer with a thickness of 0.4 mm.
- the insulating layers CI1 to CI4 are rapidly immersed in a salt bath at 240 ° C. in order to crosslink the monolayers CI1 to CI3 and the two layers of the insulating layer CI4 (step ii), under the action of the decomposition of the peroxide.
- insulated wires F1 to F4 have a diameter of about 3.58 mm.
- step iii the respective insulated electrical wires F1 to F4 are then assembled in pairs by means of an assembler, the assembly method being well known to those skilled in the art.
- a flame retardant composition comprising a polyolefin-based polymer matrix is tubularly extruded around each group of three electrical conductor wires F1-F4 assembled to form an outer sheath.
- the electrical cables thus obtained are marked IEC cables to CE4.
- the mechanical properties of tensile strength are determined according to standard NF EN 60811-1-1. To this end, tubular specimens are prepared from the insulating layers of the insulated wires F1 to F4. The specimens thus prepared and whose surface is measured accurately, are then tested on a mechanical traction bench with a pulling speed of 250 mm / min. The tensile strength is thus the maximum tensile stress supported by the specimen during the tensile test continued to failure.
- Each sample undergoes four trials. Each test is completed when the cutting edge of said device reaches the conductive core of said insulated wires.
- the measurement of the abrasion resistance corresponds to the average value of the number of cycles carried out in the four tests.
- the mechanical property of crush resistance is determined according to EN 50305 part 5.6.
- a traction apparatus operating in compression is used, equipped with a device for recording the force necessary to drive a needle-cutting edge on the insulating layers of the insulated wires F1 to F4.
- a low-voltage detection circuit designed to stop the device when the edge passes through the insulating envelope, is introduced into the installation.
- the force applied to the cutting edge which drives it on the insulating envelope is increased at a constant rate until contact with the conductive core is made.
- the NF C 32-070 CRl standard concerns the operating time of electric cables burning under defined conditions.
- the fire resistance is to be put on the account of the production of ash which must have a certain cohesion to maintain sufficient isolation for the operation of electric cables.
- samples of the electrical cables CE1 to CE4 are placed in an oven whose temperature reaches 92O 0 C in 50 minutes and this temperature is then maintained for 15 minutes. During this test, said samples fed by a nominal voltage of 500 V are subjected to regular shocks (every 30 seconds). The test is satisfactory if the cable sample shows no electrical fault (breakdown or short circuit) after 65 minutes.
- the insulated electrical wire F4 constituting the electric cable CE4 significantly has mechanical properties, such as tensile strength, abrasion resistance and crushing resistance, superior to the electrical wire F1 constituting the IEC electrical cable.
- the electric cable CE4 meets the fire resistance standard NF C 32-070 CRl, which is not the case of the electric cables CE2 and CE3.
- the amount of polyorganosiloxane is reduced by about half between the insulating layer CI4 according to the invention and the insulating layer CI1, for a total thickness of the identical insulating layer.
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Abstract
La présente invention concerne un câble électrique comprenant : un ensemble de conducteurs électriques isolés, chaque conducteur électrique isolé comportant un conducteur électrique (1) entouré par une couche isolante apte à se convertir au moins superficiellement en l'état de céramique à des hautes températures correspondant à des conditions d'incendie, et une gaine extérieure (3) entourant l'ensemble des conducteurs électriques isolés, des espaces vides (4) étant prévus entre ladite gaine (3) et l'ensemble des conducteurs électriques isolés, caractérisé en ce que ladite couche isolante comprend une première couche (2a) réticulée entourant le conducteur électrique (1), et une deuxième couche (2b) réticulée entourant ladite première couche, la première couche (2a) étant obtenue à partir d'une première composition comprenant une matrice polymère à base de polyorganosiloxane, et la deuxième couche (2b) étant obtenue à partir d'une deuxième composition comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine.
Description
Câble électrique résistant au feu
La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant un ensemble de conducteurs électriques isolés ainsi qu'à un procédé de fabrication dudit câble.
Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, au domaine des câbles de sécurité résistant au feu et notamment sans halogène, susceptible de fonctionner pendant un laps de temps donné dans des conditions d'incendie, sans être pour autant propagateur d'incendie ni générateur de fumées importantes. Ces câbles de sécurité sont en particulier des câbles de transport d'énergie ou des câbles de transmission basse fréquence, tels que des câbles de contrôle ou de signalisation. Un des enjeux majeurs de l'industrie du câble est l'amélioration du comportement et des performances des câbles dans des conditions thermiques extrêmes, notamment celles rencontrées lors d'un incendie. Pour des raisons essentiellement de sécurité, il est en effet indispensable de maximiser les capacités du câble à retarder la propagation des flammes d'une part, et à résister au feu d'autre part afin d'assurer une continuité de fonctionnement.
Un ralentissement significatif de la progression des flammes, c'est autant de temps gagné pour évacuer les lieux et/ou pour mettre en œuvre des moyens d'extinction appropriés. En cas d'incendie, le câble doit pouvoir résister au feu afin de fonctionner le plus longtemps possible et limiter sa dégradation. Un câble de sécurité se doit en outre de ne pas être dangereux pour son environnement, c'est-à-dire de ne pas dégager de fumées toxiques et/ou opaques lorsqu'il est soumis à des conditions thermiques extrêmes.
Du document EP 0 942 439 est connu un câble électrique de sécurité résistant au feu et sans halogène comportant un ensemble de conducteurs électriques isolés, ledit ensemble étant entouré par une gaine externe. Chaque conducteur électrique isolé est formé par un conducteur électrique entouré par une couche isolante obtenue à partir d'une composition comprenant une matière polymérique et au moins une charge formatrice de céramique, ladite couche isolante étant ainsi apte à se convertir au moins superficiellement en l'état de céramique à des hautes températures correspondant à des conditions d'incendie. La matière polymérique de cette unique couche isolante est choisie parmi un polysiloxane et un copolymère d'éthylène, ou leur mélange.
Toutefois, il a été constaté que ce câble de sécurité de l'art antérieur, même s'il présente de bonnes propriétés de résistance au feu, est fragile mécaniquement. Plus particulièrement, les conducteurs électriques isolés sont sensibles aux différentes contraintes mécaniques que subissent typiquement ces câbles lors de leur fabrication, leur transport, leur manipulation, leur installation ou leur raccordement.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant notamment un câble électrique facilement manipulable, limitant les risques de dégradation mécanique des conducteurs électriques isolés qui le composent, tout en conservant des propriétés de résistance au feu excellentes satisfaisant la norme NF C 32-070 CRl.
La présente invention a pour objet un câble électrique comprenant :
- un ensemble de conducteurs électriques isolés, chaque conducteur électrique isolé comportant un conducteur électrique entouré par une couche isolante apte à se convertir au moins superficiellement en l'état de céramique à des hautes températures correspondant à des conditions d'incendie, et
- une gaine extérieure entourant l'ensemble des conducteurs électriques isolés, des espaces vides étant prévus entre ladite gaine et l'ensemble des conducteurs électriques isolés, caractérisé en ce que ladite couche isolante comprend une première couche réticulée entourant le conducteur électrique, et une deuxième couche réticulée entourant ladite première couche, la première couche étant obtenue à partir d'une première composition comprenant une matrice polymère à base de polyorganosiloxane, et la deuxième couche étant obtenue à partir d'une deuxième composition comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine. Dans ce qui suit, les termes « matrice polymère à base de polyorganosiloxane » désignent une matrice polymère, comprenant uniquement un ou plusieurs polymères, constituée en majorité de polyorganosiloxane, et les termes « matrice polymère à base de polyoléfine » désignent une matrice polymère, comprenant uniquement un ou plusieurs polymères, constituée en majorité de polyoléfine. Grâce à l'invention, la deuxième couche, dite couche externe, à base de polyoléfine protège mécaniquement la première couche, dite couche interne, à base de polyorganosiloxane. Cette propriété permet à la couche isolante de chaque conducteur électrique isolé d'améliorer les propriétés mécaniques du câble, notamment la dureté, la résistance à l'abrasion et à la déchirure des conducteurs électriques isolés qui le composent, de faciliter l'installation dudit câble, et de rendre le câble plus robuste lors de sa fabrication, quelque soit l'adhésion bonne ou mauvaise entre la première couche et la deuxième couche de la couche isolante.
De plus, le câble électrique de sécurité comprenant la couche isolante selon l'invention satisfait à la norme NF C 32-070 CRl. Les conducteurs électriques sont ainsi protégés contre l'incendie, ou en d'autres termes, le câble électrique permet de garantir un comportement au feu de haute qualité en termes, au moins, de cohésion des cendres.
L'invention telle qu'ainsi définie présente en outre l'avantage d'être économique puisqu'elle permet de diminuer significativement la quantité de polyorganosiloxane dans la couche isolante des conducteurs électriques isolés, tout en ayant de très bonnes propriétés de résistance au feu.
Le polyorganosiloxane, ou polymère polyorganosiloxane, selon la présente invention contient au plus 4 %, de préférence de 0,01 à 3 %, en poids, de groupement vinylé. Lorsque ces polymères polyorganosiloxanes ont des viscosités à 250C comprises entre 50.000 et 1.000.000 mPa.s, elles sont appelées huiles, mais leur viscosité peut être supérieure à 1.000.000 mPa.s et elles sont alors appelées des gommes.
Dans les compositions selon la présente invention, les polymères polyorganosiloxanes peuvent être des huiles ou des gommes ou des mélanges.
Selon un exemple particulier, le polyorganosiloxane contient au plus 4% en poids de groupes vinyles et possède une viscosité d'au moins 1 million de mPa.s à 250C, de préférence une viscosité d'environ 20 millions de mPa.s à 250C.
Ces polyorganosiloxanes sont des polymères linéaires, dont la chaîne diorganopolysiloxanique est constituée essentiellement de motifs de formule R2SiO.
Cette chaîne est bloquée à chaque extrémité par un motif de formule R3Sio,5 et/ou un radical de formule OR'. Dans ces formules :
- les symboles R, identiques ou différents, représentent des radicaux hydrocarbonés monovalents tels que des radicaux alkyles, par exemple, méthyle, éthyle, propyle, octyle, octadécyle, etc., des radicaux aryle, par exemple phényle, tolyle, xylyle, etc., des radicaux aralkyle tels que benzyle, phényléthyle, etc., des radicaux cycloalkyle et cycloalkényle tels que des radicaux cyclohexyle, cycloheptyle, cyclohexényle, etc., des radicaux alkényle, par exemple des radicaux vinyle, allyle, etc., des radicaux alkaryle, des radicaux cyanoalkyle tels qu'un radical cyanoéthyle, etc., des radicaux halogénoalkyle, halogénoalkényle et halogénoaryle, tels que des radicaux chlorométhyle trifluoro-3,3,3propyle, chlorophényle, dibromophényle, tri- fluorométhylphényle,
- le symbole R' représente un atome d'hydrogène, un radical alkyle ayant de 1 à 4 atomes de carbone, le radical bétaméthoxy- éthyle.
De préférence, au moins 60 % des groupes R représentent des radicaux méthyles.
La présence, le long de la chaîne diorganopolysiloxanique, de faibles quantités de motifs autres que R2SiO, par exemple de motifs de formule RSiOi/5 et/ou SiO2 n'est cependant pas exclue dans la proportion d'au plus 2 %, ces % exprimant le nombre des motifs T et/ou Q pour 100 atomes de silicium. Les motifs trifonctionnels, de symbole T, permettent d'obtenir des réseaux tridimensionnels. Les motifs tétrafonctionnels, de symbole Q, conduisent à des produits tridimensionnels dont la structure est analogue à celle des silicates.
A titre d'exemples concrets de motifs de formules R2SiO et R3SiO0,5 peuvent être cités ceux de formules : (CH3)2SiO, CH3(CH2=CH)SiO, CH3(C6H5)SiO, (C6Hs)2SiO, CH3(C2H5)SiO, (CH3CH2CH2)CH3SiO, CH3(n. C3H7)SiO, (CH3)3SiO0/5, (CH3)2(CH2=CH)SiO0/5, CH3(C6Hs)2SiOo7S, CH3(C6H5)(CH2=CH)SiOo7S,
A titre d'exemples concrets de motifs de radicaux de formule OR' peuvent être cités ceux de formules : OH, -OCH3, -OC2H5, -O-n.C3H7, -O-iso.C3H7, -O-n.C4H9, -OCH2CH2OCH3.
Ces huiles et gommes sont commercialisées par les fabricants de silicone ou peuvent être fabriquées en opérant selon des techniques déjà connues.
La polyoléfine de la deuxième composition selon l'invention peut être choisie parmi les homopolymères et les copolymères d'éthylène, ou leur mélange. A titre d'exemple préféré d'homopolymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène basse densité (LDPE).
Les copolymères d'éthylène peuvent quant à eux être choisis avantageusement parmi les copolymères d'éthylène / octène (PEO), les copolymères d'éthylène / acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène / butyle acrylate (EBA), les copolymères d'éthylène / méthyle acrylate (EMA) et les copolymères d'éthylène / éthyle acrylate (EEA), les copolymères d'éthylène / propylène / caoutchouc (EPR), et les copolymères d'éthylène / propylène / diène / monomère (EPDM), ou leur mélange. A titre d'exemple préféré de copolymère d'éthylène, on peut citer les copolymères d'éthylène / acétate de vinyle (EVA).
Dans un mode de réalisation préféré, la première composition comprend en outre au moins une charge formatrice de céramique sous l'effet de températures élevées d'un incendie. Dans un autre mode de réalisation préféré, la deuxième composition comprend en outre au moins une charge minérale ignifugeante et/ou au moins une charge formatrice de céramique.
La charge formatrice de céramique, ou charge céramisable, mentionnée dans la présente description, peut comprendre au moins une charge minérale du type charge céramique fusible et/ou charge
réfractaire, et de préférence au moins une charge céramique fusible et au moins une charge réfractaire, afin que la première couche assure une isolation suffisante lorsque la partie organique de la couche isolante, plus particulièrement la deuxième couche, a disparu suite aux phénomènes de combustion.
Plus particulièrement, la charge céramique fusible a une température de fusion inférieure à une température élevée T, et la charge réfractaire a une température de fusion supérieure à ladite température T. Cette température T est avantageusement d'au moins 75O0C, et peut atteindre HOO0C.
La charge céramique fusible peut être au moins une charge minérale choisie parmi les oxydes de bores (e.g. B2O3), les borates de zinc anhydres (e.g. 2ZnO 3B2O3) ou hydratés (e.g. 4ZnO B2O3 H2O ou 2ZnO 3B2O3 3,5H2O), et les phosphates de bore anhydres (e.g. BPO4) ou hydratés, ou un de leurs précurseurs.
Cette charge céramique fusible a typiquement un point de fusion inférieure à 500 0C et donne naissance à un verre lorsque la température dépasse 5000C.
La charge réfractaire peut être au moins une charge minérale choisie parmi les oxydes de magnésium (e.g. MgO), les oxydes de calcium (e.g. CaO), les oxydes de silicium (e.g. SiO2 ou quartz), les oxydes d'aluminium ou alumines (e.g. AI2O3), les oxydes de chrome (e.g. Cr2O3), les oxydes de zirconium (e.g. ZrO2) et les phyllosilicates tels que par exemple les montmorillonites, les sépiolites, les illites, les attapulgites, les talcs, les kaolins ou les micas (e.g. mica muscovite 6 SiO2 - 3 AI2O3 - K2O - 2H2O), ou un de leurs mélanges
La charge minérale ignifugeante mentionnée dans la présente description, peut être une charge minérale ignifugeante hydratée, choisie notamment parmi les hydroxydes métalliques tels que par exemple l'hydroxyde de magnésium ou le trihydroxyde d'aluminium.
Selon la présente invention, les espaces vides favorisent la combustion complète de la gaine extérieure soumise au feu, du fait de la présence d'oxygène dans ces espaces, et la transformation de ce gainage en cendres résiduelles se détachant de la couche isolante des conducteurs électriques. De ce fait, les espaces vides ne comprennent par exemple pas de matériau polymérique bourrant (ou matériau polymérique de bourrage) entre l'ensemble de conducteurs électriques isolés et la gaine extérieure. Cette gaine extérieure est typiquement appelée gaine tubante ou gaine tubulaire. De préférence, les espaces vides du câble électrique occupent au moins 10 % de la section (transversale) dudit câble.
En outre, selon une caractéristique supplémentaire, le câble électrique selon l'invention est exempt d'écran métallique tel que par exemple un ruban métallique ou un ruban composite positionné le long dudit câble entre l'ensemble de conducteurs électriques isolés et la gaine extérieure. On entend par les termes « ruban composite » un ruban composé de couches de métal et de polymère. Ledit ruban métallique ou lesdites couches de métal du ruban composite peuvent être par exemple en cuivre ou en aluminium. Ce type d'écran métallique limite, voire annule, le bénéfice desdits espaces vides et ainsi perturbe significativement le processus de céramisation des cendres des couches isolantes conduisant à la non conformité des essais de résistance au feu.
Dans un mode de réalisation particulier, la gaine extérieure comprend une matrice à base de polyoléfine et au moins une charge minérale ignifugeante hydratée choisie notamment parmi les hydroxydes métalliques tels que par exemple l'hydroxyde de magnésium ou le trihydroxyde d'aluminium.
Cette gaine peut ainsi brûler complètement localement et se transformer en cendres résiduelles sous l'effet des températures
élevées d'un incendie sans pour autant être propagateur de l'incendie. Les charges ignifugeantes employées agissent principalement par voie physique en se décomposant de manière endothermique, ce qui a pour conséquence d'abaisser la température du matériau et limiter la propagation des flammes le long du câble.
Afin de garantir un câble dit HFFR pour l'anglicisme « Halogen- Free Flame Retardant », le câble électrique selon l'invention ne comprend pas de composés halogénées. Ces composés halogènes peuvent être de toutes natures, tels que par exemple des polymères fluorés ou des polymères chlorés comme le polychlorure de vinyle (PVC), des plastifiants halogènes, des charges minérales halogénées, ...etc.
Dans un mode de réalisation particulier conforme à l'invention, l'épaisseur de la première couche est de 0,10 mm à 1,50 mm et l'épaisseur de la deuxième couche est quant à elle de 0,05 mm à 1,50 mm, notamment lorsque la section (transversale) du conducteur électrique est de 1,5 mm2 à 4 mm2.
Selon une première variante de ce mode de réalisation, lorsque la section (transversale) du conducteur électrique est de 1,5 mm2, l'épaisseur de la première couche est de préférence de 0,30 mm à 0,80 mm, et plus préférentiellement de 0,45 mm. Dans ce cas, l'épaisseur de la deuxième couche est quant à elle de préférence de 0,10 mm à 0,50 mm, et plus préférentiellement de 0,35 mm.
Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation, lorsque la section (transversale) du conducteur électrique est de 2,5 mm2, l'épaisseur de la première couche est de préférence de 0,30 mm à 0,90 mm, et plus préférentiellement de 0,50 mm. Dans ce cas, l'épaisseur de la deuxième couche est quant à elle de préférence de 0,10 mm à 0,60 mm, et plus préférentiellement de 0,40 mm.
Selon une troisième variante de ce mode de réalisation lorsque la section (transversale) du conducteur électrique est de 4 mm2, l'épaisseur de la première couche est de préférence de 0,35 mm à 1 mm, et plus préférentiellement de 0,55 mm. Dans ce cas, l'épaisseur de la deuxième couche est quant à elle de préférence de 0,10 mm à 0,70 mm, et plus préférentiellement de 0,45 mm.
Un autre objet selon l'invention est un procédé de fabrication d'un câble électrique tel que décrit ci-avant conformément à l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
i . former la couche isolante du conducteur électrique isolé par extrusion et réticulation de la première composition et de la deuxième composition autour d'un conducteur électrique,
ii . assembler au moins deux conducteurs électriques isolés tels qu'obtenus à l'étape i, et
iii. extruder une gaine extérieure de façon tubante autour des conducteurs électriques isolés assemblés de l'étape ii.
Selon ce procédé de fabrication, les première et deuxième compositions sont d'une part extrudées, et d'autre part réticulées par les techniques classiques bien connues de l'homme du métier afin d'obtenir une couche isolante extrudée et réticulée.
Selon une première variante du procédé de fabrication d'un câble électrique, l'étape i peut consister à : i. l extruder autour d'un conducteur électrique la première composition à l'aide d'une première extrudeuse et la deuxième composition à l'aide d'une deuxième extrudeuse, la première et la deuxième extrudeuses comportant une seule et même tête
d'extrusion, pour former à la sortie de l'extrudeuse la couche isolante du conducteur électrique isolé, i.2 réticuler la couche isolante extrudée de l'étape i. l, les étapes ii et iii du procédé telles que décrites ci-avant restant inchangées. L'étape i. l d'extrusion est dite de coextrusion.
Selon une deuxième variante du procédé de fabrication d'un câble électrique, l'étape i peut consister à :
1.1 extruder à l'aide d'une première extrudeuse la première composition et réticuler au moins partiellement la première composition extrudée,
1.2 extruder à l'aide d'une deuxième extrudeuse la deuxième composition, pour former la couche isolante du conducteur électrique isolé, et réticuler la couche isolante extrudée, les étapes ii et iii du procédé telles que décrites ci-avant restant inchangées.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre et de la figure ci- annexée, lesdits exemples et la figure étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un câble électrique selon l'invention.
Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques dans cette figure. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle.
Le câble électrique représenté sur la figure 1 comporte trois conducteurs électriques 1, une première couche isolante 2a (couche interne) autour de chaque conducteur électrique 1, une deuxième couche isolante 2b (couche externe) autour de chaque première couche isolante 2a, et une gaine extérieure 3 entourant l'ensemble des trois
conducteurs électriques isolés, les conducteurs électriques isolés étant de section transversale sensiblement circulaire. Cette gaine extérieure 3 ménage des espaces vides 4 entre elle et l'ensemble des conducteurs électriques isolés qu'elle entoure. Cette gaine extérieure 3 est dite tubante puisqu'elle laisse les conducteurs électriques isolés libre à l'intérieur de ladite gaine.
La couche interne 2a est réalisée à partir d'une première composition comprenant une matrice polymère à base de polyorganosiloxane, et la couche externe 2b est réalisée à partir d'une deuxième composition comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine, ces deux compositions étant extrudées et réticulées.
La gaine extérieure 3 est quant à elle réalisée à partir d'une composition ignifugeante comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine.
Exemples
Procédé de fabrication d'un câble électrique
Tout d'abord, on prépare les compositions suivantes :
- composition COl à base de polyorganosiloxanes et comprenant des charges formatrices de céramique,
- composition CO2 à base d'EVA et comprenant des charges ignifugeantes, et - composition CO3 étant un mélange 50/50 de la composition
COl et de la composition CO2, les compositions COl à CO3 comprenant en outre un agent de réticulation de type peroxyde organique.
Pour ce faire, les compositions COl à CO3 sont mélangées par exemple dans un mélangeur interne. La température de mélange de la
composition COl est telle qu'elle permet de ramollir le polyorganosiloxane tout en évitant d'amorcer la décomposition du peroxyde organique. A titre d'exemple, la température de mélange est comprise entre 3O0C et 5O0C. La température de mélange des compositions CO2 et CO3 est telle qu'elle permet à la polyoléfine de fondre (état fondu) tout en évitant d'amorcer la décomposition du peroxyde organique. A titre d'exemple, la température maximale de mélange est de 1150C.
Les compositions COl à CO3 sont ensuite extrudées (étape i) et déposées autour d'un fil électrique en cuivre de diamètre 1,78 mm (section circulaire du cuivre de 2,5 mm2) de sorte à obtenir les couches suivantes :
- une couche isolante CIl (monocouche) à partir de la composition COl, - une couche isolante CI2 (monocouche) à partir de la composition CO2,
- une couche isolante CI3 (monocouche) à partir de la composition CO3, et
- une couche isolante CI4 (bicouche) comportant une première couche CI4-1, de composition identique à la composition COl, déposée autour du fil électrique, et une deuxième couche CI4-2, de composition identique à la composition CO2, déposée autour de la première couche CI4-1. Les couches isolantes CIl à CI4 ont toute une épaisseur identique égale à 0,9 mm.
Plus particulièrement, les compositions COl et CO2 sont extrudées sur ledit fil électrique respectivement à l'aide de deux extrudeuses comportant une seule et même tête d'extrusion, la composition CO2 (couche externe) recouvrant la composition COl (couche interne). On parle alors de coextrusion des compositions COl
et CO2. La couche isolante CI4 est donc constituée de la couche interne d'une épaisseur de 0,5 mm et de la couche externe d'une épaisseur de 0,4 mm.
Ensuite, les couches isolantes CIl à CI4 sont rapidement plongées dans un bain de sel à 24O0C afin de réticuler les monocouches CIl à CI3 et les deux couches de la couche isolante CI4 (étape ii), sous l'action de la décomposition du peroxyde.
Les fils électriques isolés ainsi obtenus, notés fils isolés Fl à F4, ont un diamètre d'environ 3,58 mm. Dans une étape supplémentaire (étape iii), on assemble ensuite par trois les fils électriques isolés respectifs Fl à F4 à l'aide d'une assembleuse, le procédé d'assemblage étant bien connu de l'homme du métier.
Enfin, une composition ignifugeante comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine est extrudée de façon tubante autour de chaque groupe de trois fils conducteurs électriques Fl à F4 assemblés, pour former une gaine extérieure.
Les câbles électriques ainsi obtenus sont notés câbles CEI à CE4.
Propriété de résistance à la traction
Les propriétés mécaniques de résistance à la traction sont déterminées selon la norme NF EN 60811-1-1. Pour ce faire, des éprouvettes tubulaires sont préparées à partir des couches isolantes des fils isolés Fl à F4. Les éprouvettes ainsi préparées et dont la surface est mesurée avec précision, sont ensuite testées sur un banc de traction mécanique avec une vitesse de traction de 250 mm/mn. La résistance à la traction est ainsi la contrainte de traction maximale supportée par l'éprouvette au cours de l'essai de traction poursuivi jusqu'à la rupture.
Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le tableau 1 ci-après.
Propriété de résistance à l'abrasion
La propriété mécanique de résistance à l'abrasion est déterminée selon la norme EN 50305 partie 5.2. Pour ce faire, des échantillons correspondant à des portions de
75 cm de long des fils isolés Fl à F4, sont positionnés dans un dispositif d'essai d'abrasion tel que décrit dans ladite norme.
Chaque échantillon subit quatre essais. Chaque essai est terminé lorsque l'arête de coupe dudit dispositif atteint l'âme conductrice desdits fils isolés.
La mesure de la résistance à l'abrasion correspond à la valeur moyenne du nombre de cycles effectués dans les quatre essais.
Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le tableau 1 ci-après.
Propriété de résistance à l'écrasement
La propriété mécanique de résistance à l'écrasement est déterminée selon la norme EN 50305 partie 5.6. Pour ce faire on utilise un appareil de traction fonctionnant en compression, muni d'un dispositif d'enregistrement de la force nécessaire pour entraîner une arête de coupe à aiguille sur les couches isolantes des fils isolés Fl à F4. Un circuit de détection à basse tension, conçu pour arrêter l'appareil quand l'arête traverse l'enveloppe isolante, est introduit dans l'installation.
La force appliquée sur l'arête de coupe qui l'entraîne sur l'enveloppe isolante est augmentée à taux constant jusqu'à ce qu'il y ait contact avec l'âme conductrice.
On effectue quatre essais sur l'échantillon et on enregistre la force correspondant au contact électrique.
Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le tableau 1 ci-après.
Propriétés de résistance au feu
La norme NF C 32-070 CRl concerne la durée de fonctionnement des câbles électriques brûlant dans des conditions définies. La résistance au feu est à mettre sur le compte de la production de cendres qui doivent présenter une certaine cohésion permettant de conserver un isolement suffisant pour le fonctionnement des câbles électriques.
Dans cet essai, des échantillons des câbles électriques CEI à CE4 sont placés dans un four dont la température atteint 92O0C en 50 minutes et cette température est maintenue ensuite pendant 15 minutes. Durant cet essai, lesdits échantillons alimentés par une
tension nominale de 500 V sont soumis à des chocs réguliers (toutes les 30 secondes). L'essai est satisfaisant si l'échantillon de câble ne présente pas de défaut électrique (claquage ou court-circuit) au bout de 65 minutes.
Les résultats de ces essais sont rassemblés dans le tableau 2 ci-après.
Tableau 1
Tableau 2
Le fil électrique isolé F4 constitutif du câble électrique CE4 présente de façon significative des propriétés mécaniques, telles que la résistance à la traction, à l'abrasion et à l'écrasement, supérieures au fil électrique Fl constitutif du câble électrique CEI. En outre, le câble électrique CE4 satisfait à la norme de résistance au feu NF C 32-070 CRl, ce qui n'est pas le cas des câbles électriques CE2 et CE3.
Enfin, la quantité de polyorganosiloxane est diminuée environ de moitié entre la couche isolante CI4 conforme à l'invention et la couche isolante CIl, pour une épaisseur totale de la couche isolante identique.
Claims
1. Câble électrique comprenant :
- un ensemble de conducteurs électriques isolés, chaque conducteur électrique isolé comportant un conducteur électrique (1) entouré par une couche isolante apte à se convertir au moins superficiellement en l'état de céramique à des hautes températures correspondant à des conditions d'incendie, et
- une gaine extérieure (3) entourant l'ensemble des conducteurs électriques isolés, des espaces vides (4) étant prévus entre ladite gaine (3) et l'ensemble des conducteurs électriques isolés,
caractérisé en ce que ladite couche isolante comprend une première couche (2a) réticulée entourant le conducteur électrique (1), et une deuxième couche (2b) réticulée entourant ladite première couche, la première couche (2a) étant obtenue à partir d'une première composition comprenant une matrice polymère à base de polyorganosiloxane, et la deuxième couche (2b) étant obtenue à partir d'une deuxième composition comprenant une matrice polymère à base de polyoléfine.
2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première composition comprenant en outre au moins une charge formatrice de céramique
3. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième composition comprenant en outre au moins une charge minérale ignifugeante et/ou au moins une charge formatrice de céramique.
4. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gaine extérieure (3) comprend une matrice polymère à base de polyoléfine et au moins une charge minérale ignifugeante hydratée.
5. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits espaces vides (4) occupent au moins 10 % de la section dudit câble.
6. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne comprend pas de composés halogènes.
7. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la première couche (2a) est de 0,10 mm à 1,50 mm, et l'épaisseur de la deuxième couche
(2b) est de 0,05 mm à 1,50 mm.
8. Câble selon la revendication 7, caractérisé en ce que la section du conducteur électrique (1) est de 1,5 mm2 à 4 mm2.
9. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche (2a) et la deuxième couche (2b) sont des couches extrudées.
10. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gaine extérieure (3) est une gaine tubulaire.
11. Procédé de fabrication d'un câble électrique tel que défini aux revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
i . former la couche isolante du conducteur électrique isolé par extrusion et réticulation de la première composition et de la deuxième composition autour d'un conducteur électrique, ii. assembler au moins deux conducteurs électriques isolés tels qu'obtenus à l'étape i, et
iii. extruder une gaine extérieure de façon tubante autour des conducteurs électriques isolés assemblés de l'étape
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