WO2012001313A2 - Materiau ptfe a effet anti-corona - Google Patents

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    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • H01B7/0241—Disposition of insulation comprising one or more helical wrapped layers of insulation

Definitions

  • the present invention relates to a material based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and its applications, such as the manufacture of electric cables.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • This phenomenon also known as the corona effect, is influenced by various factors such as the nature and temperature of the material in which the discharge and the ambient air pressure take place. Indeed, when the air pressure decreases, the discharge appearance voltage also decreases. However, an airplane usually flies at an average altitude of 10,000 meters where the pressure is approximately 200 to 300 hPa. The flight conditions therefore favor the appearance of the corona effect.
  • metal oxides also known as fillers
  • titanium dioxide in extruded PTFE at levels which make it possible to obtain an anti-corona effect
  • the presence of charge within the PTFE also causes problems during the extrusion of the material, such as the increase of the extrusion pressure or the risk of breakage in the calender. These phenomena can be solved by adding lubricant to the composition. However, during the drying step, the lubricant is also likely to create pores in the material in which it is incorporated, thus leading to a low density material.
  • the present invention therefore relates to a material of polytetrafluoroethylene (PTFE), of usual density, prepared from a mixture comprising:
  • a metal oxide preferably 5 to 12% by weight, more preferably 5 to 10% by weight
  • a lubricant preferably 20 to 27% by weight
  • a wetting agent preferably 0.3 to 0.7% by weight, the percentages by weight being given with respect to the total weight of PTFE.
  • PTFE refers to unmodified or modified PTFE.
  • modified a branched PTFE whose branch is linked to the carbon chain of PTFE via an oxygen atom is targeted.
  • residual density is meant a PTFE-based material having a density greater than 1.45.
  • metal oxide refers mainly to the oxides of alkaline earth metals, transition metals and poor metals.
  • the metal oxide is selected from the group consisting of titanium dioxide, alumina, zinc oxide, copper oxide, magnesium oxide and silver oxide.
  • the PTFE material as prepared above has the following composition:
  • a metal oxide preferably 5 to 12% by weight, more preferably 5 to 10% by weight
  • the lubricant is a hydrocarbon-based liquid, such as an isoparaffinic hydrocarbon, especially Isopar TM, and the wetting agent is a fatty alcohol, preferably dodecan-1-ol.
  • the wetting agent allows a better miscibility of PTFE with the charges and thus promotes the production of a homogeneous mixture.
  • Isopar TM (Exxon Mobil Chemical) is a blend of high purity synthetic isoparaffinic hydrocarbons.
  • the material according to the invention thus makes it possible to dissipate the electrons created during the partial discharge (anti-corona effect).
  • the choice of metal oxide and lubricant percentages as well as the presence of the wetting agent makes it possible to obtain a high density final PTFE material.
  • this material can be prepared by extrusion.
  • the particle size and the specific surface area of the metal oxide particles will be controlled.
  • the material further comprises 0 to 3% by weight of a pigment.
  • the material according to the invention is in the form of a ribbon, generally several kilometers long and 3 to 400 mm wide after extrusion and cutting.
  • the ribbon will advantageously have a width of 5 to 30 mm.
  • the invention also relates to a process for manufacturing a PTFE material as described above, comprising the steps of:
  • the mixing step described above will be carried out in two stages.
  • the method will then include the following steps:
  • the process generally comprises two additional steps after extrusion:
  • the calendering is carried out at a pressure greater than 150 bar and drying at a temperature ranging from 130 to 230 ° C.
  • the ribbon can be delivered raw when it is intended to be used as raw material or cooked when it is already shaped in the finished product.
  • the cooking step is in an oven at a temperature below 450 ° C, preferably below 400 ° C.
  • the invention finally relates to the various uses of the material according to the invention.
  • the material according to the invention is an electrical insulator, particularly suitable for the manufacture of electric cables.
  • the characteristics of this material make it a material of choice for applications in the aeronautical field.
  • the invention therefore relates to an electrical cable comprising a ribbon material according to the invention, wound around a conductive core.
  • conductive core is intended to mean a strand allowing conductivity, such as a strand of copper or alumina a few millimeters in diameter, optionally treated with silver to improve the conductivity.
  • the same cable may comprise one or more conductive cores. That may be surrounded by a polyimide film, for example of Kapton® type (Dupont), before winding by one or more ribbons according to the invention.
  • a polyimide film for example of Kapton® type (Dupont)
  • the cable may be prepared using a method comprising the steps of:
  • the material according to the invention is used as an electrical insulator, in particular in the field of aeronautics. Indeed, in addition to its anticroconical effect, the material according to the invention advantageously has thermal resistance properties.
  • the process comprises 3 steps:
  • the metal oxide and PTFE powder are mixed to form the first mixture.
  • this first mixture is sieved to avoid the presence of aggregates.
  • the lubricant (Isopar), the wetting agent and optionally the pigments are then mixed to form a second mixture.
  • the second mixture is then sprayed onto the first mixture and the resulting product is then mixed again and sieved to be homogeneous.
  • Extrusion / calendering The product is then compacted to make a preform, usually a cylinder 30 cm high and 10 cm in diameter. These preforms are then extruded and then calendered to obtain a ribbon of the desired thickness (for example, 76 ⁇ " ⁇ ), which is then baked to evaporate the lubricant and is wound on a core.
  • a preform usually a cylinder 30 cm high and 10 cm in diameter.
  • These preforms are then extruded and then calendered to obtain a ribbon of the desired thickness (for example, 76 ⁇ " ⁇ ), which is then baked to evaporate the lubricant and is wound on a core.
  • Cutting / packaging This last step is used to condition the ribbon (for example, pancake or universal coil).
  • the ribbon can be delivered raw to customers. When it is used on the cable, it undergoes heat treatment at a maximum temperature of 450 ° C., preferably 380 ° C.
  • Example 1 makes it possible to obtain an exploitable ribbon contrary to Example 2.
  • the ribbon according to Example 2 has a sticky texture (delamination) and a non-homogeneous density.

Abstract

La présente invention concerne un matériau à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE) haute densité et ses applications telles que la fabrication de câble électrique. Le matériau PTFE selon l'invention comporte du PTFE, un oxyde de métal, un lubrifiant et un agent de mouillabilité.

Description

Matériau PTFE à effet anti-corona
La présente invention concerne un matériau à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE) et ses applications, telles que la fabrication de câbles électriques.
Les récents développements de l'industrie aéronautique ont contribué à augmenter notablement le nombre des équipements électriques à bord des appareils. Par ailleurs, l'apparition des gros porteurs et le souhait de limiter l'impact des vols sur l'environnement ont conduit les constructeurs aéronautiques à rechercher des moyens pour minimiser le poids desdits appareils.
Au niveau des câbles électriques mis en oeuvre dans les appareils aéronautiques, ces tendances se sont traduites par la fabrication de câbles susceptibles de transmettre une tension de plus en plus importante sans en modifier si possible le poids ou les dimensions. Dans ces conditions, l'augmentation de la tension a eu pour conséquence de générer au sein des câbles, un phénomène de décharges partielles électriques par ionisation de l'air par avalanche. Dans ce phénomène, les électrons, soumis à un champ électrique intense, acquièrent assez d'énergie pour provoquer l'ionisation des molécules neutres (par exemple, des molécules de gaz constituants l'air) et créer ainsi de nouveaux électrons libres, également susceptibles d'ioniser d'autres molécules neutres. Lorsque la tension est suffisante, un arc électrique se produit.
Ce phénomène, également appelé effet corona, est influencé par divers facteurs tels que la nature et la température du matériau au sein duquel a lieu la décharge et la pression de l'air ambiant. En effet, lorsque la pression de l'air diminue, la tension d'apparition de décharge diminue également. Or, un avion vole en général à une altitude moyenne de 10 000 mètres où la pression est d'environ de 200 à 300 hPa. Les conditions de vol favorisent donc l'apparition de l'effet corona.
Quand une décharge partielle a lieu au sein d'un câble comportant une âme conductrice enrobée d'un matériau isolant, ce matériau subit différentes contraintes :
une contrainte thermique, due l'augmentation locale de la température dans la zone où se produit la décharge partielle,
- des contraintes chimiques, dues à la génération d'ozone et d'acide nitrique lors de la décharge partielle,
des contraintes mécaniques, dues à l'érosion de la surface du matériau et à l'agrandissement des pores au sein de celui-ci.
Toutes ces contraintes provoquent une détérioration du matériau allant du simple vieillissement prématuré à l'apparition de fissures.
La demande US 2004/0031620 décrit un câble électrique dont le matériau isolant entourant l'âme conductrice est une matrice à base de polyamideimide ou de polyesterimide à laquelle est ajoutée un oxyde de métal, le dioxyde de titane. Ce matériau permet d'éviter l'effet corona.
Or, certaines applications nécessitent la mise en œuvre de matériau présentant à la fois des propriétés d'isolation électrique et une bonne résistance à la température, tel que le PTFE.
Toutefois, l'introduction d'oxydes de métal (également appelées charges) telles que le dioxyde de titane dans du PTFE extrudé à des teneurs permettant d'obtenir un effet anti-corona, n'a pas été réalisée jusqu'à aujourd'hui. En effet, cette introduction soulève deux difficultés majeures :
la présence de charges au sein du PTFE a pour conséquence de rendre le PTFE poreux et donc de conduire à l'obtention d'un matériau PTFE de faible densité. Or, afin de ne pas favoriser l'effet corona, il est nécessaire de limiter la quantité d'air présente dans le matériau et par conséquent, de minimiser le nombre de pores présents dans celui-ci.
la présence de charge au sein du PTFE entraîne par ailleurs des problèmes lors de l'extrusion du matériau, tels que l'augmentation de la pression d'extrusion ou le risque de casse au niveau du calandrage. Ces phénomènes peuvent être résolus par l'ajout de lubrifiant à la composition. Cependant, lors de l'étape de séchage, le lubrifiant est également susceptible de créer des pores dans le matériau dans lequel il est incorporé, conduisant alors à un matériau de faible densité.
Le travail des inventeurs leur a permis de mettre au point un nouveau matériau à base de polytétrafluoroéthylène et d'oxyde de métal présentant un effet anti-corona et surmontant les difficultés citées ci-avant.
La présente invention est donc relative à un matériau à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE), de densité usuelle, préparé à partir d'un mélange comportant :
- du PTFE,
5 à 15% en poids d'un oxyde de métal, de préférence 5 à 12% en poids, plus préférentiellement encore de 5 à 10% en poids,
15 à 30% en poids d'un lubrifiant, de préférence 20 à 27% en poids,
0,1 à 1 % en poids d'un agent de mouillabilité, de préférence 0,3 à 0,7% en poids, les pourcentages en poids étant donné par rapport au poids total de PTFE.
Par « PTFE », on vise un PTFE non modifié ou modifié. Par modifié, on vise un PTFE ramifié dont la ramification est liée à la chaîne carbonée du PTFE via un atome d'oxygène.
Par « densité usuelle », on vise un matériau à base de PTFE ayant une densité supérieure à 1 ,45.
Par « oxyde de métal », on vise principalement les oxydes de métaux alcalino- terreux, de métaux de transition et de métaux pauvres. Avantageusement, l'oxyde de métal est choisie parmi le groupe constitué par le dioxyde de titane, l'alumine, l'oxyde de zinc, l'oxyde de cuivre, l'oxyde de magnésium et l'oxyde d'argent.
Une fois extrudé, le matériau PTFE tel que préparé ci-avant, présente la composition suivante :
- PTFE,
5 à 15% en poids d'un oxyde de métal, de préférence 5 à 12% en poids, plus préférentiellement encore de 5 à 10% en poids,
des traces d'un lubrifiant et/ou d'un agent de mouillabilité,
les pourcentages en poids étant donné par rapport au poids total de PTFE.
De préférence, le lubrifiant est un liquide à base d'hydrocarbures, tel qu'un hydrocarbure isoparaffinique, en particulier de l'Isopar™, et l'agent de mouillabilité est un alcool gras, avantageusement le dodécan-1 -ol. L'agent de mouillabilité permet une meilleure miscibilité du PTFE avec les charges et favorise ainsi l'obtention d'un mélange homogène.
L'isopar™ (Exxon Mobil Chemical) est un mélange d'hydrocarbures isoparaffiniques synthétiques de grande pureté.
Le matériau selon l'invention permet donc de dissiper les électrons créés lors de la décharge partielle (effet anti-corona). Le choix des pourcentages en oxyde de métal et en lubrifiant, ainsi que la présence de l'agent de mouillabilité permet d'obtenir un matériau PTFE final de haute densité. De plus, ce matériau peut être préparé par extrusion.
Avantageusement, la granulométrie et la surface spécifique des particules d'oxyde de métal seront contrôlées. Une granulométrie comprise entre 10nm et Ι μηη, de préférence, comprise entre 150nm et 500nm sera préférée. De même, on choisira des particules d'oxyde de métal présentant une surface spécifique comprise entre 3 et 200m2/g , de préférence, comprise entre 5 et 50 m2/g. Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau comporte en outre 0 à 3% en poids d'un pigment.
Pour une application dans le domaine des câbles électriques, le matériau selon l'invention se présente sous la forme d'un ruban, généralement de plusieurs kilomètres de long et de 3 à 400 mm de largeur après extrusion et découpe. Lors de sa commercialisation le ruban présentera avantageusement une largeur de 5 à 30 mm.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un matériau PTFE tel que décrit ci-avant, comportant les étapes consistant à :
mélanger le PTFE, l'oxyde de métal, le lubrifiant, l'agent de mouillabilité et le pigment éventuel, et
extruder le produit résultant de l'étape de mélange.
De préférence, l'étape de mélange décrite ci-avant s'effectuera en deux temps. Le procédé comportera alors les étapes suivantes consistant à :
préparer un premier mélange comportant l'oxyde de métal et le PTFE en poudre, préparer un second mélange comportant le lubrifiant, l'agent de mouillabilité et le pigment éventuel,
pulvériser le second mélange sur le premier mélange,
homogénéiser puis tamiser le produit résultant, et
extruder le produit résultant.
Ce procédé permet l'obtention d'un produit plus homogène car il limite considérablement les agrégats. Or, lors de l'étape subséquente de calandrage, la présence d'agrégats dans le matériau est un élément critique, étant donné la finesse que l'on souhaite obtenir pour le ruban final, de l'ordre de 50 à 200μηι d'épaisseur.
Comme évoqué ci-avant, le procédé comporte en général deux étapes supplémentaires après extrusion :
le calendrage, et
le séchage.
Le calendrage est réalisé à une pression supérieure à 150 bars et le séchage à une température allant de 130 à 230°C.
Le ruban peut être livré cru lorsqu'il il est destiné à être utilisé comme matière première ou cuit lorsqu'il est déjà mis en forme dans le produit fini. L'étape de cuisson est réalisée dans un four à une température inférieure à 450°C, de préférence, inférieure à 400°C.
L'invention concerne enfin les différentes utilisations du matériau selon l'invention.
Selon une première utilisation, le matériau selon l'invention est un isolant électrique, particulièrement adapté à la fabrication de câbles électriques. En particulier, les caractéristiques de ce matériau en font un matériau de choix pour des applications dans le domaine aéronautique.
L'invention vise donc un câble électrique comportant un ruban en matériau selon l'invention, enroulé autour d'une âme conductrice.
Par « âme conductrice », on vise un brin permettant la conductivité, tel qu'un brin de cuivre ou d'alumine de quelques millimètres de diamètre, optionnellement traité à l'argent pour améliorer la conductivité.
Un même câble peut comporter une ou plusieurs âmes conductrices. Celle(s)-ci peu(ven)t être entourée(s) d'un film polyimide, par exemple de type Kapton® (Dupont), avant enroulement par un ou plusieurs rubans selon l'invention.
Avantageusement, le câble peut être préparé à l'aide d'un procédé comportant les étapes consistant à :
enrouler un ruban autour d'une âme conductrice, et,
cuire le câble à une température inférieure à 450°C, préférentiellement inférieure à 400°C.
Selon une seconde utilisation, le matériau selon l'invention est utilisé comme isolant électrique, en particulier dans le domaine de l'aéronautique. En effet, outre son effet anti- corona, le matériau selon l'invention présente avantageusement des propriétés de résistance thermique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exemple qui suit, donné à titre illustratif uniquement.
Exemple 1 : Comparaison de deux formulations de matériau PTFE
Formulations :
Formulation 1 Formulation 2
PTFE poudre (kg) 10 10 Charge ZnO Al203
Taux de charge (kg) 1 1
Granulométrie (nm) 500 100
Surface spécifique (m2/g) 15 10
lsoparI M (kg) 2,5 2,9
Densité (sur produit fini) 1 ,5 1 ,38
Procédé de fabrication :
Le procédé comporte 3 étapes :
mélange,
- extrusion / calandrage,
découpe / conditionnement.
Mélange : L'oxyde de métal et la poudre PTFE sont mélangés afin de constituer le premier mélange. Avantageusement, ce premier mélange est tamisé pour éviter la présence d'agrégats. Le lubrifiant (Isopar), l'agent de mouillabilité et éventuellement les pigments sont ensuite mélangés pour former un second mélange. Le second mélange est ensuite pulvérisé sur le premier mélange et le produit résultant est ensuite à nouveau mélangé puis tamisé pour être homogène.
Extrusion / calandrage : Le produit est alors compacté pour réaliser une préforme, en général un cylindre de 30 cm de haut et de 10 cm de diamètre. Ces préformes sont ensuite extrudées puis calendrées pour obtenir un ruban de l'épaisseur désirée (par exemple, 76μη"ΐ). Ce ruban est alors passé au four afin d'évaporer le lubrifiant et est enroulé sur un noyau.
Découpe / conditionnement : Cette dernière étape permet de conditionner le ruban (par exemple, en galette ou en bobine universelle).
Le ruban peut être livré cru aux clients. Lors de sa mise en œuvre sur le câble, il subit un traitement thermique à une température maximum de 450°C, préférentiellement, 380°C.
Conclusion :
L'exemple 1 permet d'obtenir un ruban exploitable contrairement à l'exemple 2. En effet, le ruban selon l'exemple 2 présente une texture collante (délamination) et de densité non homogène.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Matériau à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE), de densité usuelle, préparé à partir d'un mélange comportant:
- du PTFE,
5 à 15% en poids d'un oxyde de métal,
15 à 30% en poids d'un lubrifiant,
0,1 à 1 % en poids d'un agent de mouillabilité,
les pourcentages en poids étant donné par rapport au poids total de PTFE.
2. Matériau à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE), de densité usuelle, comportant:
- du PTFE,
5 à 15% en poids d'un oxyde de métal,
des traces d'un lubrifiant et/ou d'un agent de mouillabilité,
les pourcentages en poids étant donné par rapport au poids total de PTFE.
3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le lubrifiant est un liquide à base d'hydrocarbures, tel qu'un hydrocarbure isoparaffinique.
4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'agent de mouillabilité est un alcool gras tel que le dodécan-1 -ol.
5. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'oxyde de métal est choisie parmi le groupe constitué par le dioxyde de titane, l'alumine, l'oxyde de zinc, l'oxyde de cuivre, l'oxyde de magnésium et l'oxyde d'argent.
6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre 0 à 3% en poids d'un pigment.
7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, sous la forme de ruban.
8. Procédé de fabrication d'un matériau selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, comportant les étapes consistant à :
mélanger le PTFE, l'oxyde de métal, le lubrifiant, l'agent de mouillabilité et le pigment éventuel, et
extruder le produit résultant.
9. Câble électrique comportant un ruban selon la revendication 7, enroulé autour d'une âme conductrice.
10. Procédé de fabrication du câble électrique selon la revendication 9, par enroulement du ruban autour d'une âme conductrice et cuisson à une température maximum de 450°C.
1 1 . Utilisation d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comme isolant électrique.
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